火力發(fā)電廠鍋爐運行優(yōu)化策略的相關研究

朱明皓

（國能內蒙古呼倫貝爾發(fā)電有限公司，內蒙古 呼倫貝爾 021511）

0 引言

當前火力發(fā)電廠鍋爐運行方式不佳，導致能耗較高，各項經(jīng)濟環(huán)保指標不理想[1]。此時，在節(jié)能減排行動縱深推進的背景下，優(yōu)化火力發(fā)電廠鍋爐運行參數(shù)，提高鍋爐運行中煤炭能源利用效率，對于循環(huán)經(jīng)濟發(fā)展具有重要意義。

1 火力發(fā)電廠鍋爐運行現(xiàn)狀

1.1 燃燒現(xiàn)狀

在火力發(fā)電廠鍋爐運行過程中，額定蒸發(fā)量下鍋爐實際運行效率遠遠低于額定工況，且輔機電力損耗處于較高數(shù)值，加之燃燒提供始發(fā)站（制粉系統(tǒng)）性能不佳，無法有效控制煤粉細度與制粉單耗，對爐膛燃燒效率造成了較大負面影響。

1.2 吹灰現(xiàn)狀

當前火力發(fā)電廠鍋爐運行過程中，多采用易結渣煤，且煤質偏離設計值的情況較為常見。此時，為避免嚴重積灰、結渣，多數(shù)火力發(fā)電廠會采用對受熱面進行吹掃的方法，吹掃方法涉及蒸汽吹掃、空氣吹掃兩種。但在吹掃方法運行過程中，需要消耗大量能量，且存在熱損失、排煙損失，并間接損壞受熱面，致使受熱面壽命縮短。除此之外，集中吹灰參數(shù)不恰當，極易超出除塵設備設計容量，會引發(fā)短期煙塵大量排放，危害生態(tài)環(huán)境，并招致行政處罰。

1.3 脫硝噴氨現(xiàn)狀

選擇性還原催化脫硝是火力發(fā)電廠鍋爐主要用技術，初期應用時兼具脫硝效率高、結構簡單、維護難度小等優(yōu)良特點。但是，在后期運行過程中，積灰引發(fā)催化劑堵塞、伴熱溫度低引發(fā)噴氨管道結晶、噴氨不均導致脫硝系統(tǒng)出口截面氮氧化物分布偏差大等問題不斷涌現(xiàn)，影響了火力發(fā)電廠鍋爐選擇性還原催化脫硝效果，埋下了空預器腐蝕風險。

2 火力發(fā)電廠鍋爐運行優(yōu)化策略

2.1 燃燒優(yōu)化

2.1.1 煙風系統(tǒng)優(yōu)化

入爐總風量的大小與鍋爐效率的高低密切相關，總風量過大會使排放煙氣量增加，從而導致排煙熱損失（排煙過量空氣系數(shù)）增加；總風量過少，會使燃料燃燒不充分。同時入爐總風量變化會影響爐膛溫度，從而影響煤粉開始反應的時間和過程，兩方面因素都對飛灰及爐渣可燃物含量產(chǎn)生影響，致使機械和化學不完全燃燒熱損失發(fā)生改變。因此，選取合適的入爐總風量，可使總的熱損失最小，鍋爐熱效率最高。如某火力發(fā)電廠進行鍋爐氧量調整試驗，600 MW 鍋爐氧量（氧氣體積分數(shù)）調整試驗時表盤氧量由2.7%（工況T-1）調整至2.5%（工況T-2），再調整至2.3%（工況T-3），最后再調整至3.4%（工況T-4）的過程中，四個工況下鍋爐修正后熱效率最高為93.16%（T-3 工況表盤運行氧量控制在2.3%），SCR 入口煙氣NOX含量兩側平均降低38 mg/Nm3，脫硝效率控制保持在80%左右時，噴氨量明顯降低。

2.1.2 制粉系統(tǒng)優(yōu)化

決定制粉系統(tǒng)性能的參數(shù)為磨煤機出口溫度、分離器折向擋板開度、加載力大小等。針對煤粉細度無法達到標準要求的制粉系統(tǒng)，可以磨煤機擋板著手，在磨煤機正常出力、一次風量不變的情況下，調整擋板開度，并測量對應擋板開度的出口煤粉細度、磨煤機功率，確定最佳分離器擋板位置。如某火力發(fā)電廠鍋爐制粉系統(tǒng)磨煤機分離器擋板由45°調整至55°，進出口差壓減小180 Pa，煤粉細度增加0.9%，電流減少1.5 A，得到了接近15%的磨粉細度數(shù)值，且制粉單耗與磨煤機運行電流、進出口差壓均顯著減少。在這個基礎上，在磨煤機正常處理下，進行通風量的調整，并測量對應煤粉細度、磨煤機功率，確定最佳風煤比，在保證煤粉細度的基礎上，增加煤粉濃度，確保鍋爐運行燃燒穩(wěn)定性。利用同樣的方法，調整正常處理下的磨煤機出口溫度，結合不同出口溫度對應的煤粉細度、磨煤機功率，確定最佳磨煤機出口溫度。進而在正常處理下，進行磨煤機磨輥加載壓力的調整，獲得最優(yōu)磨輥加載壓力，以便在降低磨煤機制粉電力損耗的同時，控制磨輥金屬損耗。

2.2 吹灰優(yōu)化

準確監(jiān)測鍋爐內部積灰、結渣是火力發(fā)電廠鍋爐吹灰優(yōu)化的前提。因此，在安裝運行可靠、性能良好的鍋爐受熱面蒸汽吹灰清渣系統(tǒng)并配備現(xiàn)代計算機數(shù)據(jù)采集控制系統(tǒng)的基礎上，應引入鍋爐積灰清渣在線監(jiān)測手段。鍋爐積灰清渣在線監(jiān)測主要是基于熱平衡原理，由省煤器出口著手，逐段沿著逆煙氣流程，核算各個受熱面熱平衡，具體如下：

式中：Q 為煙氣側熱量，kJ；D 為保熱系數(shù)；h1為受熱面進口蒸汽焓，kJ/kg；h2為受熱面出口蒸汽焓，kJ/kg；Δh3為減溫水焓，kJ/kg；B 為計算燃燒量，kg/h。

根據(jù)傳熱情況，結合已知受熱面出口煙氣溫度，可以得到受熱面實際傳熱系數(shù)，而受熱面實際傳熱系數(shù)、理想狀態(tài)下受熱面?zhèn)鳠嵯禂?shù)的比值為受熱面潔凈因子，在潔凈因子小于1 時，表明受熱面潔凈度小于設計潔凈度，需要及時吹灰。同時考慮到低負荷下污染增長速度不快，可以適當延長蒸汽吹灰間隔，反之則縮短蒸汽吹灰間隔。若無減溫水投入（或需多投減溫水），則出于提高再熱氣溫、過熱期溫度要求，應選擇更小的受熱面潔凈因子，增加對流受熱面蒸汽吹掃頻率，并優(yōu)先吹掃煙氣下游受熱面；在排煙溫度上升過程中，需要選擇更大的受熱面潔凈因子，延遲蒸汽吹灰[2]。

根據(jù)鍋爐實際燃煤量、受熱面換熱計算之間的密切關系，在機組出力一定的情況下，鍋爐熱效率對燃煤量具有直接的影響，包括燃煤發(fā)熱量、水分、灰分等。為避免燃煤量大幅度變化，可以預先設置煤質數(shù)據(jù)，結合入爐煤情況，在線靈活調整。同時根據(jù)在線計算用熱工參數(shù)動態(tài)變化特征，綜合考慮鍋爐熱力系統(tǒng)內部參數(shù)相互關聯(lián)、鍋爐內部熱工測點失效、內部故障等因素，前置熱工參數(shù)過濾模塊，在一定時間間隔內考察熱工參數(shù)變化趨勢，并利用[正常，低，高，過低，過高]集合進行表述，降低鍋爐受熱面潔凈度計算過程中的不確定性。在這個基礎上，根據(jù)鍋爐機組負荷頻繁變化特點，實時修正汽機側計算值、鍋爐給水量、電負荷等數(shù)據(jù)，并對煙氣側溫度進行精準校核，確保多工況下鍋爐爐膛出口煙氣溫度實測值與設計值差值小于誤差限定范圍。

2.3 選擇性還原催化脫硝優(yōu)化

在選擇性還原催化脫硝系統(tǒng)用還原劑一定的情況下，提前記錄噴氨格柵手動蝶閥開度，在全部噴氨格柵手動蝶閥開啟狀態(tài)下嘗試關閉噴氨蝶閥，記錄空行程以及壓差，判定噴氨支管的噴氨量。進而在330 MW、450 MW 負荷下記錄脫硝系統(tǒng)入口煙氣成分、出口煙氣成分，確定氮氧化物質量濃度偏差最大的斷面[3]。

確定偏差最大的斷面后，借助脫硝系統(tǒng)入口每一根噴氨支管上手動閥，調整脫硝系統(tǒng)對應側噴氨量，并將一側調整數(shù)據(jù)預先設置到另外一側，逐一減少脫硝系統(tǒng)出口氮氧化物質量濃度分布相對標準偏差。

3 火力發(fā)電廠鍋爐運行優(yōu)化效果

3.1 燃燒優(yōu)化效果

煙風系統(tǒng)與制粉系統(tǒng)優(yōu)化前后燃燒參數(shù)如表1所示。機組相同負荷下，不同氧量控制對于鍋爐熱效率影響高達0.41%，SCR入口煙氣NOX含量降低38mg/Nm3，通過煙風系統(tǒng)優(yōu)化，需求最優(yōu)控制氧量，可大幅提升鍋爐熱效率，同時降低有害氣體排放量，減少大宗材料使用量，提升經(jīng)濟效益。

表1 煙風系統(tǒng)優(yōu)化前后運行狀況

由表2 可知，優(yōu)化前制粉系統(tǒng)煤粉細度為11.95%±1.52%，遠小于設計數(shù)值15%，對制粉單耗、出力造成了不同程度的負面影響。優(yōu)化后，制粉系統(tǒng)煤粉細度與設計數(shù)值偏差較小，有利于制粉單耗與出力控制，磨煤機每小時功耗顯著減小。

表2 制粉系統(tǒng)與輔機優(yōu)化前后運行狀況

3.2 吹灰優(yōu)化效果

吹灰優(yōu)化前后火電廠鍋爐受熱面潔凈因子變化如表3 所示，吹灰優(yōu)化后屏式過熱器、低溫再熱器、低溫過熱器、省煤器等受熱面的潔凈因子均小于吹灰優(yōu)化前。其中省煤器、屏式過熱器受熱面潔凈因子變化較為顯著，可能是由于省煤器、屏式過熱器本身傳熱效率較高，吹灰前后換熱量變化受熱工參數(shù)不穩(wěn)定直接影響，但總體監(jiān)測結果在合理范圍內。

表3 吹灰優(yōu)化前后火電廠鍋爐受熱面潔凈因子變化

3.3 噴氨優(yōu)化效果

選擇性還原催化脫硝系統(tǒng)優(yōu)化前后噴氨量見表4。

表4 選擇性還原催化脫硝系統(tǒng)優(yōu)化前后噴氨量

由表4 可知，調整選擇性還原催化脫硝系統(tǒng)反應區(qū)域噴氨支管手動閥后，出口煙氣中氮氧化物排放沿煙道橫向分布相對均勻，且噴氨支管、噴氨格柵手動門差壓顯著減少，有利于在提高脫硝效率的基礎上減少噴氨量。

4 結語

當前火力發(fā)電廠鍋爐運行現(xiàn)狀不佳，鍋爐燃燒效率具有較大的提升空間，且鍋爐吹灰效益有待提高。因此，火力發(fā)電廠可以鍋爐制粉系統(tǒng)為對象，優(yōu)化搭配煤粉細度、二次風、風煤比等參數(shù)，并借助模糊PID控制器優(yōu)化控制爐膛負壓、煙氣含氧量、主蒸汽，尋找鍋爐最佳運行工況點。在這個基礎上，根據(jù)出口煙氣氮氧化物排放質量濃度分布，調整選擇性還原催化脫硝系統(tǒng)反應區(qū)域噴氨支管手動閥，確保鍋爐穩(wěn)定脫硝，提高火力發(fā)電經(jīng)濟效益與環(huán)保效益。