基于正反平衡校驗(yàn)的入爐煤質(zhì)在線監(jiān)測(cè)

王惠杰， 王雷雨

(華北電力大學(xué) 能源動(dòng)力與機(jī)械工程學(xué)院，河北 保定 071003)

基于正反平衡校驗(yàn)的入爐煤質(zhì)在線監(jiān)測(cè)

王惠杰， 王雷雨

(華北電力大學(xué) 能源動(dòng)力與機(jī)械工程學(xué)院，河北 保定 071003)

提出了一種入爐煤質(zhì)在線監(jiān)測(cè)模型。該模型基于前人提出的“煤質(zhì)數(shù)據(jù)庫(kù)”這一創(chuàng)新構(gòu)想，結(jié)合鍋爐效率正、反平衡計(jì)算模型，采用計(jì)算機(jī)中循環(huán)尋優(yōu)這一科學(xué)手段，考慮了不同煤質(zhì)成分所占權(quán)重相異的客觀事實(shí)，利用DELPHI軟件平臺(tái)，最終實(shí)現(xiàn)了入爐煤質(zhì)在線監(jiān)測(cè)。該技術(shù)可作為入爐煤質(zhì)快速分析的工具，進(jìn)而有助于鍋爐優(yōu)化運(yùn)行。該技術(shù)在300 MW機(jī)組上得到了成功的應(yīng)用，測(cè)試結(jié)果表明，收到基碳的相對(duì)誤差在-3.23%～+2.32%。

在線監(jiān)測(cè)； 煤質(zhì)數(shù)據(jù)庫(kù)； 正平衡； 反平衡； 權(quán)重

0 引言

安全性和經(jīng)濟(jì)性[1]是電站鍋爐運(yùn)行時(shí)需重點(diǎn)考量的兩項(xiàng)指標(biāo)，而煤質(zhì)成分對(duì)它們而言可謂是舉足輕重。20世紀(jì)70年代初，基于快速γ中子活化分析(PGNAA)技術(shù)的煤質(zhì)元素監(jiān)測(cè)模型開(kāi)始研究，目前世界范圍內(nèi)只有若干家公司提供工業(yè)用的PGNAA設(shè)備[2]。由于初期投資高等因素，國(guó)內(nèi)只有少數(shù)幾家電力、煤炭企業(yè)安裝，該技術(shù)在國(guó)內(nèi)的普遍應(yīng)用仍需較長(zhǎng)一段時(shí)間。因此，當(dāng)前主要是采用離線取樣化驗(yàn)來(lái)對(duì)煤質(zhì)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，顯然，該方法不利于滿足實(shí)際需求。為應(yīng)對(duì)煤質(zhì)復(fù)雜多變的這一客觀事實(shí)，有人在對(duì)煤的成因等進(jìn)行系統(tǒng)研究后，提出了建立煤質(zhì)數(shù)據(jù)庫(kù)[3]的構(gòu)想，并通過(guò)實(shí)際運(yùn)用證實(shí)了這一創(chuàng)意的實(shí)用性。本文通過(guò)對(duì)鍋爐效率正、反平衡方法內(nèi)在聯(lián)系的分析，借助“煤質(zhì)數(shù)據(jù)庫(kù)”這一創(chuàng)新構(gòu)想，采用權(quán)重分析等數(shù)學(xué)知識(shí)并利用DELPHI軟件平臺(tái)，最終實(shí)現(xiàn)了入爐煤質(zhì)的在線監(jiān)測(cè)，從而為鍋爐的安全和經(jīng)濟(jì)運(yùn)行提供了更有力的保障。

1 入爐煤質(zhì)監(jiān)測(cè)原理

1.1煤質(zhì)數(shù)據(jù)庫(kù)的建立

煤是植物遺體經(jīng)過(guò)生物化學(xué)作用，再經(jīng)過(guò)物理化學(xué)作用轉(zhuǎn)變而成的沉積有機(jī)巖，其中還含有數(shù)量不等的礦物質(zhì)[4]。由于成因條件，地質(zhì)年限等的差別造成了不同煤田，甚至是同一煤田的不同煤層間的煤質(zhì)都相差甚遠(yuǎn)。為了更好地認(rèn)識(shí)并利用這一重要能源，人們采用元素分析和化學(xué)分析來(lái)確定煤中各成分的含量[5]。

通過(guò)對(duì)大量的歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，發(fā)現(xiàn)碳和氫、碳和氧之間有良好的線性關(guān)系：

Hdaf=A1Cdaf+B1

(1)

Odaf=A2Cdaf+B2

(2)

究其原因，在于煤中化學(xué)鍵H:C、H:O僅次于C:C鍵而起作用，并且其可行性也被相關(guān)的研究所證實(shí)[6]。由此可知，煤的復(fù)雜多變性決定于它含的水分和灰分，而干燥無(wú)灰基成分對(duì)其影響很小。

基于以上闡述，且結(jié)合圖1，建立煤質(zhì)數(shù)據(jù)庫(kù)的步驟概括如下[7]。

圖1 煤質(zhì)數(shù)據(jù)庫(kù)建立過(guò)程

(1)通過(guò)k-均值算法[8]得到能代表電廠燃用煤質(zhì)的收到基水分和灰分的分布特點(diǎn)的典型值。

(2)通過(guò)k-中心點(diǎn)算法[9]獲取能代表煤質(zhì)干燥無(wú)灰基成分分布特點(diǎn)的典型值。

(3)對(duì)水分、灰分及干燥無(wú)灰基成分進(jìn)行組合，采用經(jīng)驗(yàn)公式[10]計(jì)算得到煤質(zhì)發(fā)熱量。

(4)結(jié)合實(shí)際對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行修改、完善。

1.2煤質(zhì)數(shù)據(jù)庫(kù)的簡(jiǎn)化

按上述步驟建立的煤質(zhì)數(shù)據(jù)庫(kù)中含有1 960種“虛擬煤質(zhì)”，這么多的煤質(zhì)在實(shí)際應(yīng)用中會(huì)使程序運(yùn)行緩慢，因此，需運(yùn)用科學(xué)合理的方法對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行簡(jiǎn)化。

按照低位發(fā)熱量逐次升高的規(guī)則排列，刪除相鄰煤種熱值差距很小的其中一種，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)庫(kù)的簡(jiǎn)化。

圖2為簡(jiǎn)化后煤質(zhì)數(shù)據(jù)庫(kù)中煤質(zhì)低位發(fā)熱量的變化趨勢(shì)，由圖可知，剩余的煤質(zhì)在滿足計(jì)算精度的同時(shí)，較大幅度地簡(jiǎn)化了數(shù)據(jù)量，進(jìn)而使得在線計(jì)算的效率大為提高。

圖2 煤質(zhì)數(shù)據(jù)庫(kù)低位發(fā)熱量趨勢(shì)圖

最終建立的煤質(zhì)數(shù)據(jù)庫(kù)部分展示見(jiàn)表1，表中各元素成分含量單位是質(zhì)量百分?jǐn)?shù)(%)，低位發(fā)熱量單位是kJ/kg。

表1 煤質(zhì)數(shù)據(jù)庫(kù)(部分)

1.3正、反平衡計(jì)算方法

1.3.1 正平衡法

正平衡法是指鍋爐有效利用熱量與輸入熱量的比值，該方法直觀形象，但實(shí)際操作中有諸多不便。

(3)

Q1=Dgr(hgr-hgs)+Dzr(hzr1-hzr0)+

Dzj(hzr1-hzj)+Dbc(hbc-hgs)+

Dpw(hpw-hgs)

(4)

式中：B為燃料消耗量，kg/h；Qar,net為燃料低位發(fā)熱量，kJ/kg；Dgr為主蒸汽流量，kg/h；hgr為主蒸汽焓值，kJ/kg；hgs為給水焓值，kJ/kg；Dzr為再熱器進(jìn)口蒸汽流量，kg/h；hzr0為再熱器進(jìn)口蒸汽焓值，kJ/kg；hzr1為再熱器出口蒸汽焓值，kJ/kg；Dzj為再熱器減溫水量，kg/h；hzj為再熱器減溫水焓值，kJ/kg；Dbc為飽和蒸汽抽氣量，kg/h；hbc為飽和蒸汽焓值，kJ/kg；Dpw為排污水流量，kg/h；hpw為飽和水焓值，kJ/kg。

由式(3)和(4)可知，采用正平衡法時(shí)需要確定輸入鍋爐熱量和鍋爐有效利用熱，因此需要測(cè)定工質(zhì)的流量和狀態(tài)參數(shù)，燃料消耗量、煤收到基低位發(fā)熱量等數(shù)據(jù)。正平衡法要求在較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)保持鍋爐壓力、負(fù)荷、燃燒狀況、汽包水位等工況穩(wěn)定，這在實(shí)際運(yùn)行中不易辦到；對(duì)于大型鍋爐，燃料消耗量的精確測(cè)定是比較困難的；此外，該方法不能確定鍋爐的各項(xiàng)熱損失。

1.3.2 反平衡法

反平衡法是指從鍋爐的各項(xiàng)熱損失入手，依次計(jì)算出各項(xiàng)熱損占鍋爐輸入能量的百分比，從單位一中扣除便可得到鍋爐效率。由式(5)概括如下：

ηf=100-(q2+q3+q4+q5+q6)

(5)

式中：q2，q3，q4，q5，q6分別是排煙熱損失、氣體不完全燃燒熱損失、機(jī)械不完全燃燒熱損失、散熱損失、灰渣物理顯熱損失，它們均表示各自損失占輸入能量的百分比。

反平衡計(jì)算需要的數(shù)據(jù)較多，并且需對(duì)測(cè)量得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行二次處理，式(6)～(22)詳盡地展示了該過(guò)程。

(6)

式中:αl為爐膛出口過(guò)量空氣系數(shù)；O2l爐膛出口處氧的體積百分比，%。

αpy=21/(21-O2py)

(7)

式中：αpy為排煙的過(guò)量空氣系數(shù)；O2py為排煙中氧的體積百分比，%。

β=αl-Δl-Δzf+Δky

(8)

式中：β為空預(yù)器風(fēng)側(cè)入口過(guò)量空氣系數(shù)；Δl為爐膛漏風(fēng)系數(shù)；Δzf為制粉系統(tǒng)漏風(fēng)系數(shù)；Δky為空預(yù)器漏風(fēng)系數(shù)。

(9)

式中：V0是指理論空氣量，Nm3/kg。

Hjk=Ck×V0×tnf

(10)

式中：Hjk為空預(yù)器進(jìn)口焓值，kJ/kg；Ck為空氣的定壓比熱容，kJ/(m3·℃)；tnf為空預(yù)器進(jìn)口處空氣的溫度，℃。

Hlk0=Ck×V0×thj

(11)

式中：Hlk0為冷空氣焓值，kJ/kg；thj為環(huán)境溫度，℃。

Qwl=β×(Hjk-Hlk0)

(12)

Qsr=Qard+Cm×thj+Qwl

(13)

式中：Qsr為鍋爐輸入熱量，kJ/kg；Qard為煤的低位發(fā)熱量，kJ/kg；Cm為煤的比熱，kJ/(kg·℃)；Qwl為外來(lái)熱量，kJ/kg。

VH2O=0.111×Har+0.012 4×

Mar+0.001 61×V0

(14)

式中：VH2O是指水蒸氣的理論容積，Nm3/kg。

(15)

(16)

式中：VN2和VR2O分別是氮?dú)?、三原子氣體的理論容積，Nm3/kg。

HH2O=CH2O×VH2O×tpy

(17)

HN2=CN2×VN2×tpy

(18)

HR2O=CR2O×VR2O×tpy

(19)

(20)

Hgk=Ck×(α-1)×V0×tpy

(21)

(22)

式中:需說(shuō)明的兩項(xiàng)是Hgk、Hpy，它們分別為過(guò)量空氣、排煙的焓值，kJ/kg。

在上述各式的基礎(chǔ)上，各項(xiàng)熱損的計(jì)算便可依次展開(kāi)。

(1)機(jī)械不完全燃燒熱損失q4

該損失指固體可燃物(爐渣、炭灰中的未燃燼)在爐膛內(nèi)未能燃燼便隨排煙排出而帶來(lái)的熱損。燃燒方式不同，機(jī)械不完全燃燒熱損的含義略有差別，式(23)適用于煤粉爐。

(23)

式中：αfh、αlz分別是飛灰和爐渣中灰量占燃料總灰量的份額，分別稱為飛灰份額和爐渣份額，對(duì)于固態(tài)排渣煤粉爐，飛灰份額和爐渣份額的推薦值分別為0.9～0.95,0.05～0.10；Cfh、Clz分別是飛灰、爐渣中可燃物含量的百分?jǐn)?shù)，%；32700為純碳的發(fā)熱量，kJ/kg。

(2)排煙熱損失q2

此項(xiàng)損失是因排煙溫度高于環(huán)境溫度而造成可用功未能充分挖掘利用。它在各項(xiàng)熱損中占比最大，正常運(yùn)行的大中型鍋爐q2為4%～8%[5]。

(24)

由式(24)可知，為降低排煙熱損失，需從排煙溫度和排煙體積入手，但由于酸露點(diǎn)的存在，排煙溫度應(yīng)通過(guò)技術(shù)、經(jīng)濟(jì)角度綜合考量。

(3)化學(xué)不完全燃燒熱損失q3

氣體可燃物直接隨煙氣排出而損失的熱能，即為化學(xué)不完全燃燒熱損失。這些可燃?xì)怏w主要是指一氧化碳、氫氣和甲烷。燃用固體燃料時(shí)，由于煙氣中氫氣和甲烷含量極微，可認(rèn)為可燃?xì)怏w只是一氧化碳。

Vpy=VR2O+VN2+VH2O+

(αpy-1)×V0

(25)

(26)

VCO=Vpy×COpy×f

(27)

(28)

式中：COpy為CO占煙氣的體積百分?jǐn)?shù)，%；12640為CO的體積發(fā)熱量kJ/Nm3。

(4)散熱損失q5

鍋爐運(yùn)行時(shí)，爐墻、汽包、煙道等外邊面溫度高于環(huán)境溫度，因此會(huì)有熱量通過(guò)對(duì)流和輻射的形式散失，該熱損稱為散熱損失。

(29)

式中：Ng、Ngd分別為實(shí)際蒸發(fā)量、額定蒸發(fā)量，t/h。

(5)灰渣物理顯熱損失q6

灰渣熱損由爐膛排渣和煙氣中飛灰攜帶的熱量未能利用造成。

(30)

式中：Chlz、Chfh分別是爐渣、飛灰的比熱，kJ/(kg·℃)。

1.4正反平衡校驗(yàn)原理

權(quán)重[11]是一個(gè)相對(duì)的概念，針對(duì)某一指標(biāo)而言。某一指標(biāo)的權(quán)重是指該指標(biāo)在整體評(píng)價(jià)中的相對(duì)重要程度，這里結(jié)合上述對(duì)鍋爐效率正、反平衡計(jì)算方法的詳細(xì)介紹，突破傳統(tǒng)思維，把不同煤質(zhì)權(quán)重不同這一客觀事實(shí)考慮在內(nèi)，具體的計(jì)算模型如圖3所示。

圖3 煤質(zhì)在線識(shí)別流程圖

首先從煤質(zhì)庫(kù)中隨機(jī)抽選一種煤質(zhì)，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)，分別采用正、反平衡計(jì)算方法計(jì)算鍋爐效率ηz,ηf。

比較ηz與ηf，如果它們之間的差值小于等于設(shè)定值，則認(rèn)為所抽選的煤質(zhì)即為當(dāng)前煤質(zhì)；如果它們的差值大于設(shè)定值，則需進(jìn)行下述判斷。

為提高監(jiān)測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性，采取遍歷數(shù)據(jù)庫(kù)的方法，即將數(shù)據(jù)庫(kù)中的所有煤質(zhì)成分依據(jù)其編號(hào)依次導(dǎo)入程序進(jìn)行正、反平衡計(jì)算，并將采用正反平衡方法計(jì)算所得效率的差值作為一新指標(biāo)存入數(shù)據(jù)庫(kù)。

采用循環(huán)結(jié)構(gòu)，選出差值最小的煤質(zhì)成分，然后篩選出與其低位發(fā)熱量在一定范圍內(nèi)的若干煤種。

針對(duì)篩選出的若干煤種的權(quán)重存在差異，為進(jìn)一步提高監(jiān)測(cè)結(jié)果的可信度，將煤種的權(quán)重也考慮在內(nèi)。最終實(shí)現(xiàn)入爐煤質(zhì)的精準(zhǔn)監(jiān)測(cè)。

2 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

一般，煤質(zhì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)和機(jī)組效率監(jiān)測(cè)系統(tǒng)相配套，在300 MW的汽輪發(fā)電機(jī)組中已得到成功應(yīng)用，即實(shí)現(xiàn)了發(fā)電機(jī)組的各種經(jīng)濟(jì)指標(biāo)如當(dāng)前功率、鍋爐效率、廠用電率、供電煤耗、發(fā)電煤耗、機(jī)組熱耗的監(jiān)測(cè)。

通信網(wǎng)關(guān)計(jì)算機(jī)、服務(wù)器、現(xiàn)場(chǎng)工作站計(jì)算組成了該系統(tǒng)的硬件，通信網(wǎng)關(guān)計(jì)算機(jī)把控制系統(tǒng)DCS中的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)等送到現(xiàn)場(chǎng)工作站，為確保有效隔離機(jī)組的DCS系統(tǒng)與實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，單向傳輸數(shù)據(jù)；實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)、離線數(shù)據(jù)的二次處理在現(xiàn)場(chǎng)工作站中完成，得到鍋爐效率等經(jīng)濟(jì)指標(biāo)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，利用服務(wù)器實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)發(fā)布。并把實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)、歷史數(shù)據(jù)存入服務(wù)器。

影響測(cè)量結(jié)果精度的主要因素是實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。為對(duì)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性進(jìn)行校正，可采用文獻(xiàn)[12]提供的方法。數(shù)據(jù)校正后對(duì)云南大唐國(guó)際紅河2#機(jī)組進(jìn)行應(yīng)用，現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試結(jié)果表明，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)入爐煤的低位發(fā)熱量與實(shí)驗(yàn)室分析得到數(shù)據(jù)之間的絕對(duì)誤差在-586.03 kJ/kg～+706.68 kJ/kg之間，相對(duì)誤差在-2.87%～+3.13%之間，收到基碳的相對(duì)誤差在-3.23%～+2.32%，系統(tǒng)工作穩(wěn)定，且測(cè)量精度、運(yùn)算速度能夠滿足現(xiàn)場(chǎng)需求，該系統(tǒng)能夠使運(yùn)行人員根據(jù)監(jiān)測(cè)結(jié)果的變化及時(shí)調(diào)整鍋爐運(yùn)行，提高了運(yùn)行的安全性和經(jīng)濟(jì)性。

3 結(jié)論

提出了一完整的實(shí)現(xiàn)入爐煤質(zhì)在線監(jiān)測(cè)的模型，并通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用證實(shí)了該模型的準(zhǔn)確性、可靠性。從而為鍋爐的安全、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行提供了便利。并且該系統(tǒng)其他監(jiān)測(cè)設(shè)備(如PGNAA)相比，不但投資少，還具備安全可靠的特性，易于和機(jī)組其他系統(tǒng)配套。

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On-line Monitoring of Coal Quality Based on Positive and Negative Equilibrium Check

WANG Huijie， WANG Leiyu

(School of Energy Power and Mechanical Engineering，North China Electric Power University，Baoding 071003，China)

In this paper, a model of on-line monitoring of coal transported into furnace is put forward. Based on the innovative idea of "coal quality database" proposed by the predecessors, this model combines the positive and anti-blance calculation model of boiler efficiency. By means of cycle optimization and considering the different coal component accounting for dissimilar weight, the online monitor of the coal quality transported into furnace is then realized on a DELPHI software platform. This technology can be used as a tool for rapid analysis of coal quality, which will be of great help to the optimal operation of the boiler. After a successful application on a 300 MW unit, the results show that the relative error of the

carbon varies between -3.23%～+2.32%.

on-line monitoring; coal quality database; positive balance; anti-balance; weight

10.3969/j.ISSN.1672-0792.2017.10.007

TK223

A

1672-0792(2017)10-0040-05

2017-06-30。

王惠杰(1972-)，男，副教授，主要從事能源利用與節(jié)能技術(shù)、熱力發(fā)電廠系統(tǒng)、設(shè)備及運(yùn)行節(jié)能在線監(jiān)測(cè)及指導(dǎo)系統(tǒng)的研究與開(kāi)發(fā)工作。