火力發(fā)電廠鍋爐運(yùn)行優(yōu)化策略的相關(guān)研究

朱明皓

（國(guó)能內(nèi)蒙古呼倫貝爾發(fā)電有限公司，內(nèi)蒙古 呼倫貝爾 021511）

0 引言

當(dāng)前火力發(fā)電廠鍋爐運(yùn)行方式不佳，導(dǎo)致能耗較高，各項(xiàng)經(jīng)濟(jì)環(huán)保指標(biāo)不理想[1]。此時(shí)，在節(jié)能減排行動(dòng)縱深推進(jìn)的背景下，優(yōu)化火力發(fā)電廠鍋爐運(yùn)行參數(shù)，提高鍋爐運(yùn)行中煤炭能源利用效率，對(duì)于循環(huán)經(jīng)濟(jì)發(fā)展具有重要意義。

1 火力發(fā)電廠鍋爐運(yùn)行現(xiàn)狀

1.1 燃燒現(xiàn)狀

在火力發(fā)電廠鍋爐運(yùn)行過(guò)程中，額定蒸發(fā)量下鍋爐實(shí)際運(yùn)行效率遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于額定工況，且輔機(jī)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(wú)法有效控制煤粉細(xì)度與制粉單耗，對(duì)爐膛燃燒效率造成了較大負(fù)面影響。

1.2 吹灰現(xiàn)狀

當(dāng)前火力發(fā)電廠鍋爐運(yùn)行過(guò)程中，多采用易結(jié)渣煤，且煤質(zhì)偏離設(shè)計(jì)值的情況較為常見(jiàn)。此時(shí)，為避免嚴(yán)重積灰、結(jié)渣，多數(shù)火力發(fā)電廠會(huì)采用對(duì)受熱面進(jìn)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(yùn)行過(guò)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(dāng)，極易超出除塵設(shè)備設(shè)計(jì)容量，會(huì)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(shù)，初期應(yīng)用時(shí)兼具脫硝效率高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、維護(hù)難度小等優(yōu)良特點(diǎn)。但是，在后期運(yùn)行過(guò)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(jié)晶、噴氨不均導(dǎo)致脫硝系統(tǒng)出口截面氮氧化物分布偏差大等問(wèn)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(yù)器腐蝕風(fēng)險(xiǎn)。

2 火力發(fā)電廠鍋爐運(yùn)行優(yōu)化策略

2.1 燃燒優(yōu)化

2.1.1 煙風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)化

入爐總風(fēng)量的大小與鍋爐效率的高低密切相關(guān)，總風(fēng)量過(guò)大會(huì)使排放煙氣量增加，從而導(dǎo)致排煙熱損失（排煙過(guò)量空氣系數(shù)）增加；總風(fēng)量過(guò)少，會(huì)使燃料燃燒不充分。同時(shí)入爐總風(fēng)量變化會(huì)影響爐膛溫度，從而影響煤粉開始反應(yīng)的時(shí)間和過(guò)程，兩方面因素都對(duì)飛灰及爐渣可燃物含量產(chǎn)生影響，致使機(jī)械和化學(xué)不完全燃燒熱損失發(fā)生改變。因此，選取合適的入爐總風(fēng)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(jìn)行鍋爐氧量調(diào)整試驗(yàn)，600 MW 鍋爐氧量（氧氣體積分?jǐn)?shù)）調(diào)整試驗(yàn)時(shí)表盤氧量由2.7%（工況T-1）調(diào)整至2.5%（工況T-2），再調(diào)整至2.3%（工況T-3），最后再調(diào)整至3.4%（工況T-4）的過(guò)程中，四個(gè)工況下鍋爐修正后熱效率最高為93.16%（T-3 工況表盤運(yùn)行氧量控制在2.3%），SCR 入口煙氣NOX含量?jī)蓚?cè)平均降低38 mg/Nm3，脫硝效率控制保持在80%左右時(shí)，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(jī)出口溫度、分離器折向擋板開度、加載力大小等。針對(duì)煤粉細(xì)度無(wú)法達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求的制粉系統(tǒng)，可以磨煤機(jī)擋板著手，在磨煤機(jī)正常出力、一次風(fēng)量不變的情況下，調(diào)整擋板開度，并測(cè)量對(duì)應(yīng)擋板開度的出口煤粉細(xì)度、磨煤機(jī)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(jī)分離器擋板由45°調(diào)整至55°，進(jìn)出口差壓減小180 Pa，煤粉細(xì)度增加0.9%，電流減少1.5 A，得到了接近15%的磨粉細(xì)度數(shù)值，且制粉單耗與磨煤機(jī)運(yùn)行電流、進(jìn)出口差壓均顯著減少。在這個(gè)基礎(chǔ)上，在磨煤機(jī)正常處理下，進(jìn)行通風(fēng)量的調(diào)整，并測(cè)量對(duì)應(yīng)煤粉細(xì)度、磨煤機(jī)功率，確定最佳風(fēng)煤比，在保證煤粉細(xì)度的基礎(chǔ)上，增加煤粉濃度，確保鍋爐運(yùn)行燃燒穩(wěn)定性。利用同樣的方法，調(diào)整正常處理下的磨煤機(jī)出口溫度，結(jié)合不同出口溫度對(duì)應(yīng)的煤粉細(xì)度、磨煤機(jī)功率，確定最佳磨煤機(jī)出口溫度。進(jìn)而在正常處理下，進(jìn)行磨煤機(jī)磨輥加載壓力的調(diào)整，獲得最優(yōu)磨輥加載壓力，以便在降低磨煤機(jī)制粉電力損耗的同時(shí)，控制磨輥金屬損耗。

2.2 吹灰優(yōu)化

準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)鍋爐內(nèi)部積灰、結(jié)渣是火力發(fā)電廠鍋爐吹灰優(yōu)化的前提。因此，在安裝運(yùn)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(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)采集控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，應(yīng)引入鍋爐積灰清渣在線監(jiān)測(cè)手段。鍋爐積灰清渣在線監(jiān)測(cè)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(gè)受熱面熱平衡，具體如下：

式中：Q 為煙氣側(cè)熱量，kJ；D 為保熱系數(shù)；h1為受熱面進(jìn)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(jì)算燃燒量，kg/h。

根據(jù)傳熱情況，結(jié)合已知受熱面出口煙氣溫度，可以得到受熱面實(shí)際傳熱系數(shù)，而受熱面實(shí)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(shí)，表明受熱面潔凈度小于設(shè)計(jì)潔凈度，需要及時(shí)吹灰。同時(shí)考慮到低負(fù)荷下污染增長(zhǎng)速度不快，可以適當(dāng)延長(zhǎng)蒸汽吹灰間隔，反之則縮短蒸汽吹灰間隔。若無(wú)減溫水投入（或需多投減溫水），則出于提高再熱氣溫、過(guò)熱期溫度要求，應(yīng)選擇更小的受熱面潔凈因子，增加對(duì)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(guò)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(shí)際燃煤量、受熱面換熱計(jì)算之間的密切關(guān)系，在機(jī)組出力一定的情況下，鍋爐熱效率對(duì)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(yù)先設(shè)置煤質(zhì)數(shù)據(jù)，結(jié)合入爐煤情況，在線靈活調(diào)整。同時(shí)根據(jù)在線計(jì)算用熱工參數(shù)動(dòng)態(tài)變化特征，綜合考慮鍋爐熱力系統(tǒng)內(nèi)部參數(shù)相互關(guān)聯(lián)、鍋爐內(nèi)部熱工測(cè)點(diǎn)失效、內(nèi)部故障等因素，前置熱工參數(shù)過(guò)濾模塊，在一定時(shí)間間隔內(nèi)考察熱工參數(shù)變化趨勢(shì)，并利用[正常，低，高，過(guò)低，過(guò)高]集合進(jìn)行表述，降低鍋爐受熱面潔凈度計(jì)算過(guò)程中的不確定性。在這個(gè)基礎(chǔ)上，根據(jù)鍋爐機(jī)組負(fù)荷頻繁變化特點(diǎn)，實(shí)時(shí)修正汽機(jī)側(cè)計(jì)算值、鍋爐給水量、電負(fù)荷等數(shù)據(jù)，并對(duì)煙氣側(cè)溫度進(jìn)行精準(zhǔn)校核，確保多工況下鍋爐爐膛出口煙氣溫度實(shí)測(cè)值與設(shè)計(jì)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(dòng)蝶閥開度，在全部噴氨格柵手動(dòng)蝶閥開啟狀態(tài)下嘗試關(guān)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(jìn)而在330 MW、450 MW 負(fù)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(zhì)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(dòng)閥，調(diào)整脫硝系統(tǒng)對(duì)應(yīng)側(cè)噴氨量，并將一側(cè)調(diào)整數(shù)據(jù)預(yù)先設(shè)置到另外一側(cè)，逐一減少脫硝系統(tǒng)出口氮氧化物質(zhì)量濃度分布相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差。

3 火力發(fā)電廠鍋爐運(yùn)行優(yōu)化效果

3.1 燃燒優(yōu)化效果

煙風(fēng)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(jī)組相同負(fù)荷下，不同氧量控制對(duì)于鍋爐熱效率影響高達(dá)0.41%，SCR入口煙氣NOX含量降低38mg/Nm3，通過(guò)煙風(fēng)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(shí)降低有害氣體排放量，減少大宗材料使用量，提升經(jīng)濟(jì)效益。

表1 煙風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)化前后運(yùn)行狀況

由表2 可知，優(yōu)化前制粉系統(tǒng)煤粉細(xì)度為11.95%±1.52%，遠(yuǎn)小于設(shè)計(jì)數(shù)值15%，對(duì)制粉單耗、出力造成了不同程度的負(fù)面影響。優(yōu)化后，制粉系統(tǒng)煤粉細(xì)度與設(shè)計(jì)數(shù)值偏差較小，有利于制粉單耗與出力控制，磨煤機(jī)每小時(shí)功耗顯著減小。

表2 制粉系統(tǒng)與輔機(jī)優(yōu)化前后運(yùn)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(guò)熱器、低溫再熱器、低溫過(guò)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(guò)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(guò)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(cè)結(jié)果在合理范圍內(nèi)。

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(jiàn)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(diào)整選擇性還原催化脫硝系統(tǒng)反應(yīng)區(qū)域噴氨支管手動(dòng)閥后，出口煙氣中氮氧化物排放沿?zé)煹罊M向分布相對(duì)均勻，且噴氨支管、噴氨格柵手動(dòng)門差壓顯著減少，有利于在提高脫硝效率的基礎(chǔ)上減少噴氨量。

4 結(jié)語(yǔ)

當(dāng)前火力發(fā)電廠鍋爐運(yùn)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(duì)象，優(yōu)化搭配煤粉細(xì)度、二次風(fēng)、風(fēng)煤比等參數(shù)，并借助模糊PID控制器優(yōu)化控制爐膛負(fù)壓、煙氣含氧量、主蒸汽，尋找鍋爐最佳運(yùn)行工況點(diǎn)。在這個(gè)基礎(chǔ)上，根據(jù)出口煙氣氮氧化物排放質(zhì)量濃度分布，調(diào)整選擇性還原催化脫硝系統(tǒng)反應(yīng)區(qū)域噴氨支管手動(dòng)閥，確保鍋爐穩(wěn)定脫硝，提高火力發(fā)電經(jīng)濟(jì)效益與環(huán)保效益。