基于克里格模型的锅炉优化燃烧技术在指导锅炉掺配烧中的应用

张林仙，吴鸿霞，邓彬伟

（湖北理工学院电气与电子信息工程学院，湖北 黄石435003）

刘宝平，何春生

（湖北西塞山发电股份有限公司，湖北 黄石435002）

锅炉燃烧优化技术是电力系统信息化进程的一个必然步骤，针对目前燃煤机组在煤炭采购不稳定，锅炉燃烧经常偏离设计煤种情况下所采取的基于克里格模型燃烧控制技术，通过采用遗传算法寻优以调整锅炉燃烧的风粉配比等控制参数，实现锅炉燃烧工况动态最优，它克服了传统试验法指导燃烧优化调整的缺点。在市场煤、计划电的大环境下，非坑口电厂往往无法获得机组燃用的设计煤种，对采购煤种进行掺配后获得近似设计煤种情况下的最优燃烧效果，是当前有巨大经济效益的一项工作［1］，通过电厂运行试验证明该优化运行技术在指导锅炉掺配烧中具有较为的应用前景。

1 基于克里格模型的锅炉优化燃烧技术原理

图1 锅炉燃烧性能克里格模型

由于电站锅炉燃烧的复杂性，锅炉NOx排放、飞灰含碳量等受多种因素的影响，且表现出明显的非线性特性。克里格模型具有将有限的采样点扩展到整个空间的能力和良好的泛化能力，对复杂问题具有自适应和自学习能力，在非线性系统辨识方面得到了广泛的应用［2－3］。因此，根据稳态试验数据，采用克里格模型方法建立锅炉效率的预测模型，寻找入炉煤质的发热量与锅炉效率之间的最优关系，可对锅炉掺配烧进行科学指导。

锅炉热效率主要受2个变量影响，即飞灰含碳量和排烟温度，这2个变量受锅炉的操作参数如一次风、二次风、环境温度和烟气含氧量等影响。由NOx排放机理可知，锅炉NOx排放与炉膛温度有直接关系，炉膛温度直接受操作量影响。根据上述机理，采用克里格模型基于试验数据建立排烟温度、炉膛温度、飞灰含碳量、NOx排放量这4个量的拟合计算函数［4－5］，分别用f1、f2、f3、f4表示，则可以建立锅炉燃烧克里格混合模型，如图1所示。其中，A为预测排烟温度的克里格模型；B为预测炉膛温度的克里格模型；C为预测飞灰含碳的克里格模型；D为预测NOx排放的克里格模型。

2 应用实例

武汉锅炉股份有限公司生产的亚临界中间一次再热自然循环汽包锅炉（锅炉型号为WGZ1004／18.34－1），采用单炉膛、Π型露天布置、固态排渣、全钢架结构、平衡通风，四角切向燃烧方式，钢球磨、中储式制粉系统。过热器系统由顶棚管、包墙管、屏过（分割屏和后屏）、低温过热器和高温过热器组成，过热汽温采用两级给水喷水减温调节。再热器系统由低温再热器和高温再热器组成，再热汽温主要采用烟气挡板调节，此外在再热蒸汽进口管道上装有2只事故喷水减温器，作为事故紧急喷水用，以保护再热器，微量喷水接在低温再热器出口和高温再热器进口间管道上，控制进入高温再热器两侧的蒸汽温度偏差。省煤器布置在尾部竖井烟道，炉后布置2台三分仓容克式回转空气预热器。炉底密封采用水封结构。锅炉不同负荷下主要设计参数见表1。

表1 锅炉不同负荷下主要设计参数表

锅炉设计煤种为陕西、河南混合贫煤，校核煤种A为河南密县贫煤，校核煤种B为河南混合贫廋煤，其煤质分析见表2。

表2 锅炉设计燃用煤种煤质

1）数据来源及计算说明 数据统计计算时间为2012年3月～6月，数据全部来源于电厂优化控制系统和电厂正平衡计算结果。平均负荷、主汽流量、主汽压、再热汽压、主汽温、再热汽温、过热一级减温水总流量、过热二级减温水总流量、再热器喷水总流量、排烟温度、烟气含氧量、飞灰含碳量等均来自优化控制系统的现场数据；入炉煤各成分含量及低位发热量来自每日煤量统计表；原煤耗量、标准煤耗量、发电标煤耗、供电标煤耗均来自运行日报；入炉煤的特性参数取一天的混合化验结果。

2）结果分析 计算结果根据发热量整理分成8段，在统计过程中发现，对于某些段，在其他参数都相似的条件下，原煤耗量、发电标煤耗的数据严重偏离正常煤耗数据，删除这些些异常数据后重新整理修正的结果计算如表3所示。

在这4个月间，最大锅炉平均效率和最小锅炉平均效率分别出现3月1日（锅炉效率为92.93%）和6月22日（锅炉效率为90.48%）。3月1日效率高的原因主要是因为排烟温度偏低，平均为100.24℃，于设计的123.9℃相差有20多度，导致排烟损失下降，但是有可能导致尾部受热面的低温腐蚀。从这两天的煤质参数看，3月1日的干燥基灰分为29.76%，6月22日为36.86%，6月22日的干燥基灰分比3月1日的干燥基灰分要多7%，从而导致了机械不完全燃烧损失的增加（3月1日为1.14%，6月22日为2.34%）。从低位发热量看，最大效率对应低位发热量为5239.26kcal／kg，而最小效率对应的低位发热量为4558.37kcal／kg，可见，低位发热量高效率高，反之亦然。

为了更加形象的展现统计数据和计算结果间的相互关系，将表3中主要参数间的关系绘制成图（见图2和图3），并加以分析。

表3 不同低位发热量区间经济性比较（修正后）

图2 锅炉平均效率与平均低位发热量的关系

图3 平均原煤耗量与平均低位发热量的关系

从图2可以看到，锅炉的平均效率大致随着低位发热量的增加而增加。从图3可以看到，优化控制系统提供的数据和电厂运行正平衡计算的结果趋势大致相同，低位发热量在4900、5100kcal／kg左右都有一个极小值，但是优化控制系统显示的结果没有正平衡统计数据波动明显，主要原因是电厂正平衡统计数据在生产过程中有其他人为因素的影响，而优化控制系统排除了此类干扰因素。

3 结 论

（1）锅炉优化控制系统与正平衡计算结果统计分析说明，入炉煤的低位发热量在4900～5100kcal／kg，锅炉煤耗最低。

（2）多煤种混合燃烧的电厂因煤质的差异导致供电煤耗差别较大，应用锅炉优化控制系统，通过归纳总结燃烧效率的热值区间，从而为多煤种掺烧提供理论指导，对于提高锅炉燃烧效率，降低能源消耗及减少氮氧化物的排放等都具有重要的现实意义。

［1］时元田，亓磊，孙建军 .提高锅炉效率的适应性改造［J］.中国设备工程，2006（1）：31.

［2］Chiles J P，Delfiner P.Geostatistics：Modeling Spatial Uncertainty［M］.New Yor k：Wiley，1999.

［3］Ripley B D.Spatial statistics［M］.New Yor k：Wiley，1981.

［4］周昊，朱洪波，岑可法 .基于人工神经网络和遗传算法的火电厂锅炉实时燃烧优化系统［J］.动力工程，2003（5）：2665－2669.

［5］Boot h R C，Roland J W.Neural net work－based combustion optimization reduces NOxemissions while improving performance［A］.Illinois Inst of Technology［C］.Chicago：IL，1998：667－672.