淺談火電廠鍋爐氧量控制

王優 杜瑞 馮慧敏 楊川 閆晗

摘要：火力發電仍然是我國最主要的發電方式，是電力生產行業中的中堅力量。那么在火力發電生產中，鍋爐燃燒過程是否經濟穩定直接影響整個發電廠的經濟效益和長期安全穩定運行，而且是對爐內過程影響非常復雜的參數。在當下狀況，各電廠的機組不斷參與電網的調頻調峰任務，機組就會在不同工況下來回變化。要保證鍋爐的穩定運行與進入爐膛的燃料充分燃燒，通常需要控制進入鍋爐的空氣與燃料之間的比例合適。

關鍵詞：鍋爐;氧量控制;發展

1 國內電力行業發展現狀與研究目的和意義

自改革開放以來，我國的電力行業伴隨著國民經濟的快速、穩定發展，也穩步實現了高速且穩定的增長。近些年來，國家大力發展風電、光伏等清潔能源，對于火電來說，則更著重于節能減排，燃燒劣質煤這些優化工作上。

2017年底，據中電聯發布數據顯示，2017年以上工業發電量62758億千瓦時，相比去年增長 5.7%。其中，火電發電量 46115 億千瓦時，同比增長 4.6%;水電發電量 10819 億千瓦時，同比增長 3.4%;核能發電量 2481 億千瓦時，同比增長 16.3%;風力發電量 2695 億千瓦時，同比增長 21.4%;太陽能發電量 534 億千瓦時，同比增長 38.0%。火電總裝機容量占比 64.04%，水電總裝機占比 20.18%，風電總裝機占比 9.03%，其他總裝機占比 6.74%。雖然火電的總體占比處于下降趨勢，但未來數十年中，火力發電仍是我國主要的發電方式，電力生產與發展的核心力量。

2 國內火電發展存在的問題

目前，火電在發展過程中的制約因素還是很多的，因而面臨著很多不同的問題與挑戰，主要有以下幾方面：

（1）發電品質要求愈發苛刻，對排放物的控制也變得愈發嚴格，燃煤火力發電存在的較為嚴重的環保問題是：燃煤技術比較落后，燃煤的經濟利用率不高;電煤燃燒產生的大量煙塵、二氧化碳、二氧化硫、氮氧化物等污染環境的排放物不能通過有效治理轉換為潔凈的二次能源，尤其是氮氧化物，硫化物，灰塵這些指標。

（2）盲目擴建機組規模導致能源結構失調，煤電供需矛盾日益凸顯。近年來，一方面，電力需求的增長提高了電煤的需求量，火力發電企業生產壓力驟增;另一方面，由于煤礦的過度開采及粗放式的經營方式，使煤炭資源緊缺，國家出臺了相關政策，對煤炭生產進行限量開采。這就導致煤炭開采數量不能滿足消費需求和價格的大幅上漲，使能源結構的供需矛盾明顯突出，電煤供應和供電形勢一度非常緊張。目前，由于煤源緊張，煤價上漲很快，煤質下降嚴重，造成電力供電緊張情況不減。再加上燃油價格上漲和其他相關資源供應相對緊缺，火力發電企業生產運行壓力巨大，制約了可持續發展的進程。

（3）機組的運行過程中不可避免的無法燃燒設計煤種，入廠煤與入爐煤熱值差已呈明顯增大的趨勢，不僅給火力發電企業帶來了巨大的經營壓力，而且由于煤質熱值降低、灰分上升，已造成鍋爐過熱器積灰嚴重，主汽溫度難以控制。而且，機組在運行過程中，頻繁的參與調峰、調頻，需要長時間變工況運行。給機組的安全穩定運行帶來了很大的威脅。

3 鍋爐氧量控制分析

火電廠運行過程是否安全、經濟、環保的判斷依據主要是鍋爐燃燒系統是否能夠經濟穩定運行，也即鍋爐燃燒過程中的熱效率是否最優。電廠中鍋爐燃燒過程自動控制的主要任務是使鍋爐保持有最佳的運行狀態及較高的燃燒經濟性。一般情況下，運行過程中是通過測量能夠直接反映空氣過剩系數大小的煙氣含氧量來從側面判斷風煤配比的適當與否。同時，鍋爐尾部煙氣含氧量也是鍋爐燃燒過程中變化范圍最廣、最容易進行調節、與運行過程中其他指標參數耦合性最強、在燃燒過程對鍋爐熱經濟性影響最為嚴重的運行參數之一。

煙氣含氧量發生變化之時，由其引起的鍋爐排煙熱損失的變化將直接影響鍋爐燃燒過程的經濟性。與此同時，還會影響諸如飛灰可燃物含量、送風機及引風機耗電率、主蒸汽溫度、減溫水流量等運行參數。機組日益頻繁的參與調峰調頻，使得火電機組更為頻繁的進行升降負荷操作，此時電廠運行工作人員需要根據當下燃燒狀況對諸如給風機出口風速、出口風率及進入爐膛的總風量等關鍵參數進行及時且適當的調整，通過調節鍋爐煙氣含氧量使得鍋爐保持在最佳的燃燒工況下，從而可達到鍋爐持續安全、經濟、環保穩定運行的最終目標。因此鍋爐含氧量的及時、準確測量及氧量最佳設定值的優化就具有了十分重要的現實意義。

4 國內鍋爐氧量控制研究現狀

我國是世界上擁有鍋爐機組最多的國家，對鍋爐燃燒系統進行優化具有很強的現實意義，因此燃燒優化一直是電站優化控制領域的研究熱點，并取得了一些重要的成績。

清華大學的張毅等人在某電站鍋爐熱態試驗數據的基礎上，采用人工神經網絡建立了鍋爐運行效率和污染排放的預測模型，并根據不同情況提出了 3 種環保與經濟相協調的優化運行目標，采用遺傳算法得到了實時最優操作參數，并與DCS 系統進行雙向通信，構成了鍋爐運行優化監督機制，實現了經濟與環境相協調的性能閉環優化控制。

華北電力大學的劉吉臻等人將鍋爐燃燒系統分為 5 個層：原始信號校準層、特殊信號構造層、控制系統優化層、燃燒狀態評估層和燃燒優化指導層。基于信息融合技術建立一套燃燒優化解決方案，實現燃燒狀態的參數檢測和燃燒控制的優化。

董建勛等人通過鍋爐正交性能試驗數據建立神經網絡模型和 Kriging 模型，將鍋爐運行實時數據、優化操作量約束條件和優化目標代入神經網絡模型或者 Kriging 模型，運用基于最優遺傳算法得到各控制量的最優目標，并采用動態控制完成鍋爐狀態最優的調整。在通遼發電總廠 600MW 機組上的應用結果表明，鍋爐燃燒優化控制系統可使鍋爐熱效率提高 0.58%，氮氧化物排放濃度降低 10%以上。

秦昊利用最小二乘支持向量機建立了燃燒效率、煙氣含氧量、排煙含碳量和氮氧化物排放量的預測模型，以改進的蟻群算法作為優化策略，用于求解預測控制中的非線性優化問題。仿真結果驗證了方法的有效性。馮磊華等人建立了鍋爐燃燒氮氧化物排放量的支持向量機模型，提出了一種改進的粒子群優化算法，對鍋爐運行參數進行了優化。 通過研究國內外鍋爐燃燒控制優化的現狀，發現優化系統基本由兩部分組成，即燃燒效率模型和優化策略。其中，燃燒效率模型除了鍋爐熱效率的計算，也包括對氮氧化物排放量的預測。

5 小結

火力發電廠作為生產電力主要企業，綜上所述，國內火電的發展前景將會越來越好，我國的火電技術將向著國際先進水平逐步靠攏。火力發電廠作為生產電力主要企業

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