燃煤电站锅炉最佳烟气含氧量在线计算模型

石伟晶 王景成 史元浩

(1.上海交通大学自动化系，上海 200240；2.系统控制与信息处理教育部重点实验室，上海 200240)

在电厂规程中，一般只会给出锅炉在额定工况下的最佳烟气含氧量设定值，但是锅炉在实际运行中会因受到多种外界因素影响而无法完全按最佳工况运行。在工况不断变化的情况下，计算出不同工况相应的最佳烟气含氧量设定值，可提高锅炉效率。

国内已有很多学者开展关于烟气含氧量最优值的研究。苍国超等建立运行氧量、机组供电煤耗率与机组运行参数的网络模型,并以机组的供电煤耗率为优化目标,借助遗传算法对模型的输入参数进行全局寻优,最终得到了不同运行工况下的最佳氧量预测值[1]。刘福国等分析了多个运行经济指标在炉膛出口烟气含氧量变化下的影响,建立了以净供电煤耗为因变量，运行经济指标为自变量的方程，从而求出机组的经济运行氧量[2]。谷俊杰等分析了热经济性参数在烟气含氧量影响下的变化特性，并建立以最小供电煤耗率为目标的最佳烟气含氧量偏微分方程,从而得出电站锅炉不同工况下的最佳烟气含氧量设定值[3]。

笔者以锅炉热平衡原理为基础，分析过量空气系数、飞灰含碳量和排烟温度在烟气含氧量影响下的变化特性并建立以锅炉效率为目标的在线最佳烟气含氧量计算模型,通过在线计算可以确定电站锅炉在不同负荷下的最佳烟气含氧量设定值。

1.1 反平衡法锅炉效率表示

根据反平衡法计算锅炉的各项热损失，求取锅炉热效率：

ηb=100-∑q=100-q2-q3-q4-q5-q6

(1)

式中Q2——单位质量燃料的排烟热损失，kJ/kg；

Q3——单位质量燃料的化学未完全燃烧热损失，kJ/kg；

Q4——单位质量燃料的机械未完全燃烧热损失，kJ/kg；

Q5——单位质量燃料的锅炉散热热损失，kJ/kg；

Q6——单位质量燃料的灰渣物理热损失，kJ/kg；

Qr——燃料的收到基发热量，kJ/kg；

q2～q6——相应各部分的热损失百分比，%；

ηb——锅炉效率，%。

在我国现行的电站锅炉性能试验规程GB 10184-1988中，一般用燃料的收到基低位发热量Qdw来代替Qr。

1.2 锅炉效率关键参数计算

建立笔者提出的最佳烟气含氧量在线计算模型需要利用煤的元素分析和低位发热量。采用GB 10184-1988进行锅炉效率试验，主要测量如下参数。

入炉的燃煤化学元素分析成分。主要包括燃煤的收到基低位发热量Qdw(kJ)、燃煤的碳含量Car(%)、灰分Aar(%)、氢含量Har(%)、氧含量Oar(%)、氮含量Nar(%)、硫含量Sar(%)和水分Mar(%)。

笔者所选的研究对象为贵州某燃煤火力电站2号300MW机组锅炉，其入炉燃煤的化学成分如下：

Aar27.67%

Car58.02%

Har1.90%

Mar10.00%

Nar0.83%

Oar0.89%

Sar0.69%

Qdw20 992kJ/kg

锅炉的生产测量参数主要包括锅炉烟气含氧量O2(%)、排烟温度tpy(℃)、烟气的飞灰含碳量Cfh(%)及空气绝对湿度dk(kg/kg)等。

1.3 基于烟气含氧量的锅炉效率分析计算模型

排烟温度是电站燃煤锅炉运行中非常重要的一个参数。排烟热损失是锅炉各项热损失中最大的一项，排烟热损失占所有热损失的60%～80%[4]。如果排烟温度过高，则会影响电站锅炉的安全性和经济性。灰渣含碳量也是锅炉运行中一个重要的参数。电站锅炉中灰渣含碳量包括飞灰含碳量和炉渣含碳量。与灰渣平均含碳量有关的损失为机械不完全燃烧热损失。过量空气系数定义为燃料燃烧时实际空气量和理论燃烧空气量的比值。过量空气系数的变化对电站锅炉的燃烧影响比较大。另外，过量空气系数与其他运行参数的耦合性比较强。当过量空气系数变化时，主汽温、主汽压、再热汽温、再热汽压、排烟温度及灰渣含碳量等都会发生变化[5]。

因此，笔者建立以锅炉效率ηb为因变量，过量空气系数α、排烟温度tpy和飞灰含碳量Cfh为自变量的函数，即：

ηb=f(α,tpy,Cfh)

(2)

将式(2)对烟气含氧量O2求导，可以得到锅炉效率ηb对电站锅炉运行过程中烟气含氧量O2的偏导数关系：

(3)

建立了电站锅炉运行过程中基于烟气含氧量变化的锅炉效率定量分析计算模型，从数学角度反映了电站锅炉运行过程中烟气含氧量变化引起热经济性参数变化，进而通过热经济性参数影响锅炉热效率的本质过程。

2 热经济性参数的微增量方程计算

2.1 基于烟气含氧量的过量空气系数变化对锅炉效率的影响

根据GB 10184-1988可以得到过量空气系数变化对锅炉效率的影响为：

(4)

(5)

2.2 基于烟气含氧量的排烟温度变化对锅炉效率的影响

与排烟温度有关的热损失为排烟热损失，其占比q2定义为：

(6)

当过量空气系数一定，基准温度一定时，只考虑排烟温度影响的排烟热损失。当排烟温度变化时，引起锅炉效率的变化量为：

(7)

=-K·Δtpy

因此有：

(8)

式中cgy——干烟气平均比热，kJ/(kg·℃)；

cH2O——水蒸气平均比热，kJ/(kg·℃)；

t0——基准温度，℃；

tpy——排烟温度，℃；

Vgy——单位燃料燃烧生成的干烟气体积，m3/kg；

VH2O——烟气中所含水蒸气容积，m3/m3。

排烟温度对烟气含氧量的偏导数∂tpy/∂O2可以表示为：

(9)

其中，f=ad/(ad+af)，表示烟气对流传热系数在总传热系数中所占的份额，ad为烟气对流传热系数，af为烟气辐射传热系数；k为烟道漏风系数。可以采用空气预热器出入口的氧含量来间接计算其漏风系数，漏风系数可以由空预器出口过量空气系数减去入口过量空气系数求得，即k=αout-αin。

2.3 基于烟气含氧量的飞灰含碳量变化对锅炉效率的影响

灰渣含碳量表明燃煤在炉内未燃尽的程度，灰渣含碳量越高，未燃尽的碳越多，未完全燃烧热损失就越大。与灰渣平均含碳量有关的损失为机械未完全燃烧热损失，其占比q4定义为：

(10)

(11)

式中afh——飞灰份额，%，对于研究对象的W型火焰煤粉炉其通常取85%；

Cfh——飞灰含碳量，%；

Clz——炉渣含碳量，%。

由于炉渣含碳造成的机械不完全损失为0.5%～1.0%，对锅炉效率影响较小，所以将Clz认定为定值。飞灰含碳量变化，其他参数都不变，则对锅炉效率的影响为：

(12)

因此有：

(13)

利用2012年4～5月的锅炉运行数据，建立不同负荷下飞灰含碳量与烟气含氧量之间的数学关系。结果见表1。

表1 不同负荷下飞灰含碳量(%)与烟气含氧量的对应关系

锅炉二次风主要为煤粉燃烧提供氧气，如果氧气不足，会导致煤粉缺氧燃烧，化学不完全燃烧损失会增加，从而导致飞灰含量增大，但是氧量过大也会导致飞灰增多，原因是过多的二次风进入炉膛使锅炉的温度水平降低，使煤粉燃尽难度变大。另一方面过高的氧量会增加烟气量，使烟气流速增加。烟气流速的增加导致煤粉在炉膛里燃烧时间缩短，可能会带走部分没有燃尽的煤粉，从而也会导致飞灰增多[6]。

锅炉运行负荷增加时，煤粉消耗量增多，水冷壁的吸热量也会随之增加，使得炉膛平均温度升高，煤粉在高负荷时，容易燃尽，使飞灰含碳量降低。但锅炉负荷并非越高越好，过高的锅炉负荷容易引起炉膛结焦[7]。

根据以上氧量和负荷对飞灰含碳量影响的分析，飞灰含碳量与氧量的关系用抛物线方程拟合，负荷与氧量的关系用线性方程拟合，即f(Cfh)=a(1)x2+a(2)xy+a(3)x+a(4)y+a(5)，其中x为烟气含氧量，%；y为锅炉负荷，MW；a(1)、a(2)、a(3)、a(4)、a(5)为方程的系数。

表1中数据的最小二乘拟合结果为：

f(Cfh)=0.2237x2+0.0050xy-3.5455x-

0.0275y+17.3530

(14)

3 实例验证和分析

笔者选取的实验仿真对象为贵州某燃煤火力电站2号300MW机组锅炉。将式(4)、(5)、(8)、(9)、(13)、(15)和不同负荷下(180、200、220、240、260、280、300MW)的运行参数代入式(3)，即可得到不同负荷下的最佳烟气含氧量(图1)。

图1 不同负荷下最佳烟气含氧量设定值曲线

由于模型所用参数都能通过锅炉安装的DCS系统在线获得，因而模型可以在线计算最佳烟气含氧量。相比之前许多学者的研究结果基本都是离线下的分析结果，这是该模型的优势之一。在线计算结果如图2所示，数据采集为锅炉某天约10h的数据，采样间隔时间为5s，共有7 000个点。

图2 在线最佳烟气含氧量监测曲线

4 结束语

建立了过量空气系数、排烟温度和飞灰含碳量的变化对锅炉效率影响的计算模型和各经济参数与烟气含氧量的变化关系，这些研究对运行人员在工作中调节控制电站锅炉有一定的指导意义。在此基础上，得到了不同负荷下最佳烟气含氧量设定值曲线并实现了在线计算最佳烟气含氧量的目标，据此可以调节锅炉不同负荷下的二次风量，使实际烟气含氧量等于最佳烟气含氧量设定值，实现电站锅炉的高效经济运行。

[1] 苍国超,吴海姬,王雷,等.锅炉运行氧量基准值确定方法的研究[J].锅炉技术,2008,39(2):22～25.

[2] 刘福国,郝卫东，杨建柱，等.电厂锅炉变氧量运行经济性分析及经济氧量的优化确定[J].中国电机工程学报,2003,23(2):176～180.

[3] 谷俊杰,孔德奇，高大明，等.电站锅炉燃烧优化中最佳烟气含氧量设定值的计算[J].华北电力大学学报(自然科学版),2007,34(6):61～65.

[4] 张斌.电站锅炉运行参数对供电煤耗率的影响[D].保定：华北电力大学,2010.

[5] 张金龙.张家口热电300MW锅炉燃烧系统优化控制试验研究[D].北京：华北电力大学,2011.

[6] 杨卫娟,周俊虎,刘茂省，等.煤粉再燃过程中飞灰含碳量的影响因素分析[J].中国电机工程学报,2006,26(18):116～120.

[7] 周新刚,刘志超,路春美,等.燃煤电厂锅炉飞灰含碳量影响因素分析及对策[J].节能,2005,(9):45～47.