以最佳過量空氣系數為載體的鍋爐運行效率評估模型

(榆林職業技術學院, 陜西 榆林 719000)

當前國外鍋爐在很大程度上已實現了計算機自動化控制，在控制方式上引進了現代化控制理論的最優控制法、多變量頻域法、模糊控制法，所以鍋爐熱效率非常高，且運行穩定，還有效降低了環境污染程度。而國內受制于經濟技術條件，中小企業鍋爐設施水平相對羅霍，多數中小型鍋爐水平依舊停留于手動與簡單儀表操作層面。在20世紀80年代中后期，在我國鍋爐控制領域引進先進控制技術的形勢下，鍋爐的計算機控制實現了快速發展，直到20世紀90年代，鍋爐自動化控制早已成為熱門領域，通過單片機、可編程序控制器、工業計算機、國外控制設備所研發的控制系統，開始逐步應用于鍋爐技術改造中，且開始朝向新建爐體配套方向發展，很多新型控制方法，即自適應控制、神經網絡控制、專家控制等自動化控制方法也在鍋爐自動化控制中得到了廣泛應用。但是因為控制技術太過單一，控制算法建模無法切實反映真實的鍋爐燃燒狀態，使得實踐效果并不顯著，無法帶來良好經濟效益與社會效益，嚴重打擊了用戶在工業鍋爐中引進計算機控制的積極性。進入21世紀后，為有效優化鍋爐操作狀態、節能降耗、保障運行安全性、減少大氣污染，在人工智能理論發展逐步成熟的趨勢下，智能控制技術的廣泛應用為新型鍋爐計算機優化控制系統研發與應用奠定了堅實基礎。

此外，鍋爐燃燒之后排放的煙塵會對大氣環境造成嚴重污染，其中最關鍵的原因就是鍋爐運行時過量空氣系數控制不當，導致爐膛內部燃燒工況不佳，不僅浪費能源，且無法消煙除塵。所以在實際運行時，對于過量空氣系數控制需加強高度重視[1]。

1 過量空氣系數分析

過量空氣系數即鍋爐爐膛中的實際空氣量與理論計算所需空氣量的比值[2]。

一般通過分析煙氣內CO、O2、CO2的含量，或者檢測尾部煙氣內O2的含量，間接性計算過量空氣系數ω，計算公式為

(1)

式中：21為空氣內O2的體積百分值。

2 鍋爐運行效率分析

基于反平衡法計算鍋爐運行效率，即通過鍋爐熱損失，獲取鍋爐運行效率[3]。計算公式為

κ=100-(u2+u3+u4+u5+u6)%

(2)

式中：u2為排煙熱損失，%；u3為化學不完全燃燒熱損失，%；u4為機械不完全燃燒熱損失，%；u5期散熱損失，%；u6為灰渣物理熱損失，%。

2.1 排煙熱損失分析

鍋爐所排出煙氣焓值超過進入爐膛內部冷空氣焓值所引發的熱損失，即所謂的排煙熱損失，屬于鍋爐熱損失的最大項，通常控制在4%～8%，主要受排煙溫度與煙氣容積影響。計算公式為

(3)

式中：fp為排出煙氣的焓值,kJ/kg；fd為進入爐膛內部冷空氣焓值,kJ/kg；Es為鍋爐輸入熱量，即燃料所接收的基低位發熱量，kJ。

就過量空氣系數與排煙溫度可近似獲取排煙熱損失[4]，計算公式為

u2=(0.35ω+0.5)(Dp-Dd)

(4)

式中：Dp為排煙溫度，℃；Dd為空氣溫度，℃。

2.2 化學不完全燃燒熱損失分析

鍋爐爐膛內CO、H2、CH4未完全燃燒隨著煙氣所帶走的熱損失，即化學不完全燃燒熱損失，主要受燃料揮發分、過量空氣系數、燃燒器結構、鍋爐爐膛溫度、鍋爐內部空氣動力場所影響。就燃煤鍋爐而言，煙氣可燃氣體由于H2、CH4含量過少，明確為可燃氣體只有CO。在正常燃燒狀態時，化學不完全燃燒熱損失一般控制在0.5%以內。計算公式即

(5)

簡化為

(6)

式中：v(CO)、v(H2)、v(CH4)分別為煙氣中CO、H2、CH4的比容，m3/kg;ω(CO)為CO的過量空氣系數。

就鍋爐來講，煙氣中CO百分比含量在過量空氣系數合適狀態下的變化并不顯著，控制在4.5%左右便可。

2.3 機械不完全燃燒熱損失分析

飛灰可燃物與爐渣可燃物未完全燃燒造成的熱損失，即機械不完全燃燒熱損失，主要受鍋爐負荷、過量空氣系數、煤粉細度、收到基灰分、收到基低位發熱量所影響。在正常燃燒狀態下，機械不完全燃燒熱損失控制在5%左右即可。計算公式為

(7)

式中：A為收到基灰分,%。

就固態排渣爐而言，爐渣量大約占據總灰粉量的5%～10%，且相比飛灰，爐渣可燃物含量相對較少，一般情況下，可直接忽略爐渣可燃物。計算公式為

(8)

總機械不完全燃燒熱損失，計算公式為

(9)

結合式(4)與式(6)，可得

(10)

若煤種為既定狀態，收到基灰分與低位發熱量都是常數，則機械不完全燃燒熱損失只受飛灰含碳量影響。

通過既有數據調研分析，可知u2、u3、u4熱損失之和占據總熱損失的約80%，所以散熱損失與灰渣物理熱損失相對其他損失而言，占據的比例非常小，且受負荷變化的影響不顯著，一般情況下認為u2、u3、u4熱損失之和為鍋爐運行效率的主要影響因素。通過對u2、u3、u4熱損失進行分析，可知過量空氣系數對于其影響明顯，因此過量空氣系數是影響鍋爐運行效率的最關鍵參數。所以最佳過量空氣系數即u2、u3、u4熱損失之和最小時的過量空氣系數。過量空氣系數與熱損失間的關系式為

(11)

3 評估模型設計與實現

3.1 最佳過量空氣系數評估模型

3.1.1 模型設計

由于不能在線分析煤質與灰渣含碳量，目前還無法在線監測鍋爐運行效率，所以難以獲得準確的效率計算公式，但是可近似替換鍋爐計算公式的未知變量，以推到構建最佳空氣系統評估模型，基于相關參數，便可計算獲取不同機組負荷下的最佳過量空氣系數。

對于排煙熱損失，在燃料盡可能完全燃燒的前提，過量空氣系數越小越好。但對于機械不完全燃燒損失而言，為促使燃料與空氣的高度混合，實現完全燃燒，在既定范圍內的過量空氣系數越大越好，但不可超出既定范圍，否則氣流流速過高，將會造成熱損失增加。所以，為確保燃料完全燃燒，并保證熱損失處于最小狀態，可實現相對持衡，需促使排煙損失變化部分與機械不完全燃燒時損失變化部分相等，以此相應的過量空氣系數處于最佳狀態。

據此可構建最佳過量空氣系數評估模型[5]即

(12)

3.1.2 模型實現

以600 MW鍋爐為例分析，在機組負荷為597 MW，負荷為99.5%時，排煙溫度為142.2 ℃，空氣溫度為21 ℃，代入評估模型關系式，得知最佳過量空氣系數為1.35。

同理，可得不同機組負荷下時最佳過量空氣系數[6]，具體如表1所示。

表1 不同機組負荷時最佳過量系數

由表1可知，機組負荷為597 MW時，最佳過量空氣系數為1.35；機組負荷為506 MW時，最佳過量空氣系數為1.41；機組負荷為460 MW時，最佳過量空氣系數為1.49；機組負荷為390 MW時，最佳過量空氣系數為1.52。

3.2 過量空氣系數與鍋爐運行效率關系

詳細分析散熱損失與灰渣物理熱損失的影響要素，分別給定二者表達式，結合u2、u3、u4熱損失之和表達式，以及反平衡鍋爐效率計算公式，獲得鍋爐效率新計算公式，根據相關數據，擬合飛灰含碳量與過量空氣系數的函數關系，帶入新計算公式，便可獲得鍋爐運行效率與過量空氣系數間的關系。

基于反平衡計算鍋爐效率κ=100-(u2+u3+u4+u5+u6)%，其中所有熱損失共同決定了鍋爐熱效率。

鍋爐運行過程中，爐壁部分構件溫度總是比周圍空氣溫度高，以此導致了熱量損失，即鍋爐散熱損失。通常散熱損失與鍋爐形式、管道絕熱狀況息息相關。鍋爐容量越大，單位表面積越小，則散熱損失占據輸入熱量的比例越小。額定負荷下鍋爐運行，散熱損失二分之一是基于鍋爐額定蒸發量取估計值加以計算分析。在鍋爐負荷有所改變時，散熱損失絕對值的變化并不顯著，所以散熱損失相對值與鍋爐負荷之間呈反相關關系，散熱損失即：

u5=-0.34W+50.2

(13)

式中：W為機組負荷率，目前負荷與機組負荷的比例值,%。

灰渣物理熱損失則是基于灰渣被排除時，溫度高于進入鍋爐時的燃煤溫度，從而帶走的熱量與進入熱量之間比值，則

(14)

基于式(11)、式(12)，則鍋爐效率表達式為

(15)

基于MATLAB軟件制作飛灰含碳量與過量空氣系數的曲線圖[7]，具體如圖1所示。

圖1 飛灰含碳量與過量空氣系數的曲線圖

由圖1可知，飛灰含碳量與過量空氣系數的關系接近二次函數關系，通過擬合獲得二者關系式，即

Clf=16.73ω2-46.23ω+36.33

(16)

基于擬合結果檢驗，得知誤差平方和為0.135，偏小，由此擬合結果良好。則鍋爐效率與過量空氣系數關系式即

(17)

3.3 鍋爐運行效率評估模型

3.3.1 模型設計

以600 MW鍋爐為例分析，則已明確鍋爐某些性質或運行所需條件，則不需要再分析過熱蒸汽溫度與給水溫度等要素，只需分析負荷率、排煙溫度、出口含氧量等動態要素在鍋爐運行效率中的影響性。且負荷率變化會造成排煙溫度與出口含氧量變化，所以進行分析時，本質上只分析了一種變量。基于鍋爐運行效率公式，以及不完全燃燒狀態下過量空氣系數測試計算公式，便可構建鍋爐運行效率評估模型，以此分析鍋爐運行參數對于鍋爐運行效率的影響性。

在燃燒過程，就煙氣成分分析可得不完全燃燒狀態下過量空氣系數測試計算公式，即

(18)

通常燃燒都比較完全，煙氣內CO含量都相對較弱，所以可簡化成：

(19)

以600 MW鍋爐分析，將鍋爐運行參數確定值代入鍋爐運行效率表達式中，則

(20)

灰渣物理熱損失與不完全燃燒損失相對較小，可忽略，簡化后可得

(21)

鍋爐出口含氧量代表著鍋爐燃燒用煤粉所需要的氧量與爐膛內進入氧量的比值。通常，在確保煤粉顆粒燃盡狀態下，出口氧量越大，則排煙溫度越低，引發的排煙熱量損失越大，所以在此變化中存在著某機組負荷率下出口氧量與排煙溫度相應的鍋爐運行效率處于最高狀態。

鍋爐運行效率關于負荷率、排煙溫度、出口氧量的表達式，即

(22)

代入φ(RO2)=13.06，則鍋爐運行效率的評估模型[8]即：

(23)

3.3.2 模型實現

基于給定負荷率、排煙溫度、出口含氧量數據，獲得相應鍋爐運行效率，具體如表2所示。

表2 不同機組負荷時鍋爐運行效率

根據表2數據，基于MATLAB軟件進行鍋爐運行效率相對于負荷率的變化趨勢分析[9]，具體圖2所示。

圖2 鍋爐運行效率相對于負荷率的變化趨勢圖

由表2可知，在機組負荷逐步減少的趨勢下，出口氧量呈現緩慢增加狀態，而排煙溫度呈現逐漸降低狀態，這時鍋爐運行效率呈現先上升后下降的形態，由圖2可清楚觀察到鍋爐運行效率的具體變化形勢。

對于600 MW鍋爐，在過量空氣系數為1.49，負荷率約76.7%時，鍋爐運行效率達到最高，即98.29%，相應的出口含氧量約5.86%，排煙溫度約126.10%。

4 結 論

綜上所述，過量空氣系數是影響鍋爐運行效率的主要因素，基于反平衡計算法進行鍋爐運行效率計算分析，構建過量空氣系數與熱損失間的關系式，建立過量空氣運行系數評估模型，以尋求熱損失最小時過量空氣系數，以其為最佳過量空氣系數，通過擬合最佳過量空氣系數與鍋爐負荷間的關系曲線，構建鍋爐運行效率評估模型，以明確鍋爐運行最高效率。以600 MW鍋爐為例進行了最佳過量空氣系數與鍋爐運行效率計算分析，結果表明，機組負荷為597 MW時，最佳過量空氣系數為1.35，機組負荷為506 MW時，最佳過量空氣系數為1.41，機組負荷為460 MW時，最佳過量空氣系數為1.49，機組負荷為390 MW時，最佳過量空氣系數為1.52；在機組負荷逐步減少的趨勢下，出口氧量呈現緩慢增加狀態，而排煙溫度呈現逐漸降低狀態，這時鍋爐運行效率呈現先上升后下降的形態，由圖可清楚觀察到鍋爐運行效率的具體變化形勢；在過量空氣系數為1.49，負荷率約76.7%時，鍋爐運行效率達到最高，即98.29%，相應的出口含氧量約5.86%，排煙溫度約126.10%。