實時入煤在線摻燒優化系統在火電廠的運用

郭建軍

（國能常州發電有限公司，江蘇常州 213000）

0 引言

為了保證發電，煤火力發電廠通常要保留一定的煤種，但由于煤炭市場的原因，電煤必須大量采購，因此實際使用的煤種越來越多樣化，導致鍋爐長期處于非設計煤種燃燒狀態下。另外，為了節約能源，增加經濟效益，許多電廠積極采購低質量、低價格的煤炭。但是，火力發電廠的鍋爐設計是根據設計煤種和檢查煤種來進行的，如果采用設計煤種則鍋爐性能較好，否則會影響其燃燒效果、運行穩定性、低負荷調峰、熱效率下降、過熱結渣、過熱、脫硫系統不適應、污染排放超標等。

由于煤質與設計煤種的偏差，導致我國電廠鍋爐燃煤熱能利用率總體上落后于國際先進水平，形成大量能源浪費。《中國能源政策（2012）》中提出清潔高效發展火電的目標，對新建機組執行更為嚴格的污染物排放標準，對既有機組則必須進一步實現節能降耗和減排，這無疑使火電行業面臨更為嚴峻的挑戰[1]。

由于煤炭品種多樣、安全、高效、環保等多方面的原因，我國的火力發電廠普遍采用混煤摻燒技術，把兩種或幾種煤按一定比例混合，使混合煤的性能滿足鍋爐的燃燒與排放，從而有效解決上述問題。不過也面臨著混煤的燃燒特性、污染物排放特性、混煤混合模式與尋優算法、混煤燃燒優化等問題。

1 系統構成

1.1 配煤設備

煤場機械設備主要包括煤場的風斗式采煤機、車輛式煤葉輪給煤機、火車煤葉輪給煤機、掀翻機械、煤場人工推煤機等，在應用過程中可以參考各個廠的實際情況，還可能包括其他可用的料斗設備，如筒倉等。

1.2 入爐煤皮帶式煤質在線檢測裝置

本文所用的激光煤全元素化學分析儀安裝在入爐煤帶上，將其置于設備的空隙中，以減少灰塵、噪聲、振動等直接影響儀器。本設備的前端裝有多段式整型裝置，保證輸送帶上的煤流不均勻，防止對設備造成損害。在新開工的上煤帶式原煤倉加煤后，利用高能量脈沖激光激發每一待測煤流，使煤流中的表面煤顆粒化學鍵斷裂，化學成分被電離而產生的金屬分離物，并對光譜信息進行攝影、錄像和分析。確定并計算出待測元素的物理化學性質譜，再根據光譜信息進行化學工藝處理，進而通過模擬計算實現對各種微量元素以及煤炭中水分、灰分、發高溫、硫分等的定性分析等[2]。利用該裝置可以對目前上煤帶煤流中的各種礦物進行實時監測，其中包括水的發熱、硫分、坩堝、灰分等以及目前煤炭中C（碳）、H（氫）、N（氮）、O（氧）等元素的含量。將帶式上實際煤流的所有礦物質數據進行分析，然后通過網絡將其傳送至在線的最佳摻燒控制系統。

1.3 在線摻燒優化軟件

軟件采用B/S 結構，安裝在火力發電廠內部網，其主要功能有煤廠內部堆煤控制、精確配煤、實時運行優化、即時經濟分析、執行結果評價以及購煤提等。在線配煤摻燒系統主模塊邏輯關系如圖1 所示，用戶也通過因特網訪問使用。

圖1 在線配煤摻燒系統主模塊邏輯關系

2 工作流程

2.1 精準配煤

火力發電廠的主要燃料有機車用煤和煤場用煤，其中機車用煤通過傳動裝置、翻車機等裝置輸送到1#皮帶，然后通過輸送站、皮帶，最后到達3 號轉運站，煤場通過齒輪給煤機將煤裝到10#皮帶，再在3 號換乘站將機車煤混勻；煤場用煤經人工分層堆存，利用斗輪式取煤法將煤直接運至9#皮帶，再經由4 號換乘站和3 號轉換站的煤炭進行混合（圖2）。電廠職工可根據實際情況選用火車煤葉輪送煤機或翻轉機械輸送煤、火車煤卸煤溝、煤場斗輪堆取煤機械輸送等多種組合方式。

圖2 配煤流程

通過對入爐后的煤質進行分析，確定了最終的配煤方案：在上煤完畢后，通過安裝在4 號換車后的入爐煤帶煤流煤質實時監測系統，監測入爐煤帶煤流中的煤質，并將煤質信息傳輸至摻燒優化軟件[3]。采用摻燒優化程序可以實時地計算出入爐煤帶煤的實際煤質與配煤方案中的理想煤質之間的誤差，如果偏差較大，可以通過調節最前端煤種及比例，直至全部入爐煤皮帶實際煤質達到配煤解決方案的要求，從而實現了精確配煤總體目標。煤質偏差檢測結果見表1，其中Qnet為收到基低位發熱量。

表1 煤質偏差檢測結果

2.2 實時優化調整

裝置的基本運行過程是，先由SIS（Safety Instrument System，安全儀表系統）采集各給煤機的給煤量等基本數據，然后根據實際給煤的皮帶數量和煤流等煤質數據，計算爐內實際點燃的煤炭量（表2）。

表2 實時入爐煤質的計算結果

通過對煤粉鍋爐的煤質分析，結合SIS 的主要控制參數，得出煤粉鍋爐的冷卻、熱風的啟動、煤粉鍋爐的細化、煤粉鍋爐的優化等關鍵指標，以及各層的二次風開度、燃盡風開度、尾煙擋板高度及運行氧量等（圖3）。

圖3 實時優化調整

2.3 實時經濟指標計算

從SIS 收集鍋爐的核心運行數據，然后分析燃料生產、燃料運輸、脫硫、脫硝、除塵、系統維護等成本，以實現對實際發電效益的實時計算（表3）。

表3 實時經濟指標計算結果

由于實際的發電費用能反映目前煤炭的設備維護費用和環保投資費用，因此能用來對電廠進行綜合評價。

3 收益分析

3.1 燃用經濟煤種收益分析

在配煤摻燒工藝中，為提高熱排放達標的高壓鍋爐帶負荷生產能力，通常都采取比較保守的配煤方法，即硫濃度分配偏少一些、發熱量分配偏高一些。電廠在引進了基于實際入爐煤質的即時摻燒工藝后，對煤質進行監測，實現了對煤質的準確控制[5]，可以確保上煤加倉的煤質數據更加貼近配煤摻燒要求，從而能夠提出更為科學合理的配煤計劃，并相應提高燃用高硫煤和低熱值煤等標煤價格比較便宜的煤種類，進而降低電站的高壓煤價格生產成本。

本文所研究的兩個300 MW 機組年平均負載為75%，所以使用的3 類原煤煤質比對在單裝鍋爐中燃用的燃料質量所產生的影響。在沒有入爐煤質的測試資料時，為保證煙氣中SO2等不會超標，選擇20∶40∶40 的原煤混合工藝。采用現場煤質管理技術，在滿足排放標準的前提下，將3 種原煤的混合比改為20∶35∶45，含硫的其他煤的比例從40%增加至45%，不僅能達到脫磺堿的機組工作條件，還由于使用優質的經濟煤種，兩個機組將節約成本441.40 萬元。如果再考慮通過增加較低熱值煤摻燒的比重和利用高配煤摻燒增加發電機組的穩燃性能、帶負荷性能、減少污染物排放量等所獲得的利益，其經濟性和環境價值將更大。

3.2 鍋爐效率提高收益分析

在沒有進行入爐煤的煤質參數監控之前，由于電廠實際配煤參數與預報值不符，導致煤質與預測值有較大差異，實際進爐煤質波動較大時，火力發電廠對煤質的影響較大，如果既不能得到真實入爐燃燒的煤質，也不能為鍋爐的正常運轉提出有效優化措施，則燃煤鍋爐的運轉參數也不能達到最優化[6]。

利用在線摻燒調整技術，一方面能及時掌握進爐煤種的情況，方便對煤種進行反應，調整煤種的比例，避免煤質的波動[7]。另一方面還可以獲得在鍋爐設備中或實際進入爐膛之前燃燒的煤種，并通過使用煤種控制鍋爐運行氧量、風門開度、風開量、磨煤機的種類，保證鍋爐設備運行處于最優狀態，從而大大提高設備效率，達到節能的目的[8]。

在開發期間，對該系統投入使用前和投入使用后的效果比較試驗。結果表明：系統未投入運行前，入爐煤炭的煤質發生了很大變化，并且有時由于燃煤鍋爐的總氧含量過低，燃煤鍋爐固體在不充分燃燒時的熱損失明顯增加，總壓煤高壓鍋爐效率僅為88.6%；系統投運后，不僅入爐的燃煤質量比較穩定，而且可以實時控制燃煤鍋爐的運行參數，壓煤和高壓鍋爐的效益達到89.77%，較常規燃煤鍋爐的經濟效益提高1.09%。按照當前的225 MW 機組容量計算，每臺機組每小時可以節約煤炭0.91 t。按電站的兩臺發電機組月平均使用總小時數3500 h 估算（按225 MW 折算則約為4666 h），可年節省標準煤8493 t。按標準煤單價500 元/t 測算，每年節省成本約424.60 萬元的費用。

4 結束語

利用實時煤質信息的實時摻燒優化技術，克服了傳統配煤系統機械采樣中煤質信息滯后的影響，可以做到精確配煤摻燒，實現對燃煤鍋爐有關參數的最優調整。利用該技術，電廠可燃燒更多價格較低的劣質煤種，并采用精確配煤措施，根據鍋爐的有關技術參數進行調節，確保鍋爐長期工作在良好工況，進而為企業創造更多利潤。