火力发电厂锅炉设备燃烧优化方法研究

赵永设 王士强

（国家能源费县发电有限公司，费县 273400）

2022 年末，我国电力装机容量256 405 万kW，其中火电的比例高达52%。从目前的能源配置状况来看，到2050 年我国的电力总量仍以火电为主。煤炭是我国能源消费的重要组成部分，受资源和技术等各方面条件的限制，在今后相当长的一段时间，发电厂以燃煤发电为主的状况将很难改变[1]。当前，我国认识到可持续发展的重要性，采取了多种措施来提高火电机组的运行效率，以减少电力消耗，进而提高总体能源利用水平。电力行业的发展，不仅关乎我国的能源安全，更关乎国计民生。2002 年，国务院出台了《电力体制改革方案》。2022 年，国务院印发的《“十四五”市场监管现代化规划》提到，要推进自然垄断行业竞争性环节市场化改革，加快实现能源、铁路、电信、公用事业等行业竞争性环节市场化，放开竞争性业务准入，进一步引入市场竞争机制[2]。

近年来，由于煤炭资源紧缺，煤炭价格不断上升，使得火力发电厂的发电成本大幅增加[3]。为了保证利润，各发电厂正不断提高机组的运行水平，减少煤耗，以达到降低发电成本、节约能源的目的。火力发电厂锅炉设备燃烧优化的研究是提高能源利用效率和降低污染物排放的关键，可采用5 种方法进行优化。方法一，优化或改变燃烧方式。调整燃烧器的配风比例，使煤粉和空气能够更好地混合，达到充分燃烧的目的。同时，采用新型燃烧器，如低氮氧化物燃烧器，以减少氮氧化物的排放。方法二，优化燃料配比。根据不同的煤种和媒质，合理搭配使用各种燃料，包括高热值煤、低热值煤、油、天然气等。通过调整各种燃料的配比，可以提高燃烧率，减少污染物的排放。方法三，实现燃煤全水分高效洁净燃烧。通过采用新型的燃煤技术，如循环流化床燃烧技术等，可以实现燃煤全水分高效洁净燃烧，提高燃煤的利用率，减少污染物排放。方法四，应用先进控制系统，如模糊控制器等，智能化控制锅炉设备，提高燃烧效率和降低污染物排放。方法五，引入新型技术，如烟气脱硫技术、烟气脱硝技术等，减少锅炉设备排放的污染物对环境的影响。这些措施的实施，能够提高能源利用效率、减少污染物排放和保护环境。在这样的发展背景下，文章结合热力计算开展对火力发电厂锅炉设备燃烧优化的相关研究。

1 基于热力计算的锅炉设备燃烧优化目标函数建立

电站辅机在锅炉运行时会消耗大量电能，其中耗电较多的是磨煤机、引风机、送风机、给水泵和凝结水泵等，电力消耗将增加锅炉产热的费用[4]。在保证锅炉安全运行的前提下，以提高火力发电厂的经济效益为目标函数，结合热力计算分析锅炉的发热费用[5]。图1 为火力发电厂锅炉热力计算流程图，其中Tpy表示排烟温度，Ipy表示排烟焓，Trk表示设定的预热空气温度。

图1 火力发电厂锅炉热力计算流程图

锅炉设备燃烧优化目标函数为

式中：ε为燃烧效率；β为NOx排放量；γ为CO排放量；δ为排烟量；ω为权重系数。

锅炉产生热量的费用计算公式为

式中：B为燃料消耗量；Cj为原料煤配煤时的原材料价格；Xj为原材料配煤时的配比；Bj为燃料消耗量计算值；Qnct,ar,j为原材料收到基低位发热量；ηgl为锅炉设备的热效率；Zl为火力发电厂用电造成的发热成本增加量。

采用穷举法得到最优工况下的混合煤粉比例及过剩空气系数[6]。在锅炉运行优化模型的求解中，配煤和送风两个问题密切相关，解决关键在于确定最优的送煤比。配煤优化模型利用穷举法列举出每一种混煤的配比，在混煤配比已经确定的情况下可以列举不同的超额空气系数，从而找出每种混煤配比情况下的最优超额空气系数[7]。再借助锅炉热力计算找出发热成本，并对比所有混煤配比情况下的发热成本，从而确定锅炉发热成本最低时的混煤配煤比例[8]。

在保证锅炉安全运行参数的前提下优化操作，找出最佳操作状态下的混合煤粉配比和过剩空气系数，从而获得锅炉主、辅设备的最佳操作模式，以达到降低整体锅炉发热成本的目的[9]。通过对最佳混合比及最佳过剩空气系数的计算，可以有效改善锅炉的实际操作条件[10]。

2 火力发电厂锅炉设备配煤优化与配风优化

锅炉设备燃烧优化目标函数建立后，结合配煤约束条件对火力发电厂锅炉设备进行配煤优化[11]。

发热量约束条件为

式中：Qnct,ar,min为发热量最小限值；Qnct,ar,max为发热量最大限值。

含硫量约束条件为

式中：Sar为含硫量；Sar,j为折算硫分。若火力发电厂锅炉设备产生的烟气进行脱硫处理，则可以不考虑含硫量Sar的约束条件。

在对火力发电厂锅炉设备配风优化时，要考虑锅炉过量空气系数对锅炉设备各项热损失的影响[12]。假设过量空气系数为a，排烟热损失为q2，结合经验公式得出排烟热损失的计算公式为

式中：m和n均为计算系数；αpy为排烟位置的过量空气系数；q4为机械未完全燃烧的热损失量；tlk为冷空气温度，通常情况下取值为20 ～30 ℃。

在锅炉设备运行过程中，机械未完全燃烧热损失量不仅与过量空气系数相关[13]，也与排烟热损失相关。当过量空气系数增加时，排烟热损失也会增加。这是因为较多的空气进入炉膛导致燃料未完全燃烧[14]，过量空气的增加会降低炉膛温度和辐射换热量，使得机械未完全燃烧的热损失增加。为了优化这一过程，可以通过调整燃料参数来达到最佳的配风效果[15]。

3 实验对比

目前，燃煤电厂新建项目以大容量的亚临界、超临界、超超临界锅炉为主，燃煤优化空间有限，难以测试。以某热电厂正在运行使用的循环流化床锅炉设备为例，应用提出的基于热力计算的优化方法对该锅炉设备燃烧进行优化，并通过对比优化前后的燃烧效果，验证优化方法是否可行。

验证设备运行效率指标的计算公式为

式中：η为锅炉设备运行效率；τ为锅炉设备出口热量；T为锅炉设备入口热量。结合式（6）记录优化前后锅炉设备的运行效率，如表1 所示。

表1 优化前后锅炉设备的运行效率记录表

从表1 可以看出，优化前锅炉设备的运行效率最高为87.1%，优化后能够控制在87%～90%。由此可见，提出的优化方法能够有效提高锅炉设备的运行效率，实现对锅炉设备燃烧的优化。

从锅炉设备燃烧时燃料消耗量角度验证优化方法的可行性。燃料消耗量是指在规定要求的燃烧任务条件下消耗的燃料量，计算公式为

式中：W为锅炉设备燃料消耗量；χ为燃料热值；e为锅炉热效率。结合式（7）记录优化前后锅炉设备燃烧时的燃料消耗量，如表2 所示。

表2 优化前后锅炉设备燃烧时燃料消耗量记录表

由表2 可以看出，优化前锅炉设备燃料消耗量平均值高于46 t·h-1，优化后的平均值控制在44.0 t·h-1以内，说明燃烧利用率更高，燃烧效果更理想。实验结果证明，提出的锅炉设备燃烧优化方法在实际应用中具有极高的应用价值，能够有效提高锅炉设备的运行效率，减少燃料消耗量。

4 结语

以热力计算为核心，提出一种全新的火力发电厂锅炉燃烧优化方法，并通过小容量机组对比应用该方法优化前后的锅炉设备燃烧效果，验证了优化方法应用的可行性。在今后的研究中，将针对其他更复杂的情况，如多个煤种、更高配煤精度条件下的火力发电厂锅炉燃烧进行优化，进一步提升火力发电厂锅炉设备燃烧品质。