单元太
天津城市建设管理职业技术学院 天津市 300170
【摘要】高效低污染是燃煤电站锅炉运行过程中的追求目标,结合我国大型容量机组承担调峰运行任务现状,以及燃煤电厂燃烧大量的煤所带来的环境污染问题。本文研究燃煤电站锅炉多目标燃烧优化包括燃烧的高效性和低NOx排放这两个方面。通过分析确定锅炉实际运行影响NOx排放以及锅炉效率的状态参数,建立多目标参数优化模型,以达到降低NOx排放浓度,提高锅炉效率的目的。
【关键词】 多目标优化;排烟温度;NOx排放浓度;锅炉效率
1.引言
近年来,随着我国煤电机组结构的进一步优化,大型容量机组承担调峰运行任务,成为电网调峰的主力。发电企业一方面面临如何在机组频繁参与调峰的背景下保持高效运行的挑战。另一方面,国家对火力发电企业提出了一系列更为严格的环保要求,要求火力发电企业高效低排放。基于此,如何使燃煤电站机组在变负荷运行情况下,保持良好的经济性和环保性成为燃煤电站亟需解决的问题。
根据对运行优化的要求,锅炉的燃烧调节具体可归纳为以下几方面:当负荷发生变化时,必须相应地改变燃料的供应量,以改变锅炉的产汽量。为保证燃烧过程的高效性,当燃料量改变时,锅炉的其他可调操作必须相应改变,以保证燃料的充分利用。即在保证锅炉运行安全性的前提下,提高锅炉变负荷运行的经济性和环保性。本文将低NOx排放为燃烧控制系统的一个具体要求,实现多目标燃烧优化。
2.研究对象分析:
本文的研究对象为:某电厂1000MW超超临界锅炉。锅炉采用一次再热、单炉膛单切圆燃烧、平衡通风、露天布置、固态排渣、全钢构架、全悬吊结构塔式布置。该炉制粉系统配有6台中速磨煤机(1台磨备用),5台磨煤机可以将锅炉负荷带到BMCR,每台磨煤机各带2层煤粉燃烧器,共12层煤粉燃烧器,锅炉燃烧器采用四角分层布置,风粉混合物吹入炉膛切圆燃烧。
3.锅炉运行经济性影响因素分析
电站煤粉锅炉是火力发电厂的重要设备,其经济性也决定了整个火力发电厂的运行成本。锅炉运行优化是节能降耗、提高能源利用率的有效措施,有效提高锅炉燃烧效率,降低机组供电煤耗,提高电力企业竞争力。电站锅炉实际运行中,其运行参数会在控制范围内不断浮动,加上设备老化、运行条件变化等原因,锅炉最佳运行参数也会变化[1]。对锅炉经济性影响较大的因素有以下几项:
3.1煤质
煤质在很大程度上影响着锅炉燃烧的稳定性和经济性。燃煤锅炉是利用煤的发热量并转换为蒸汽的热量然后利用蒸汽冲击汽轮机叶片做功。燃用煤的挥发分含量、发热量、灰分及煤种混合情况等因素会对锅炉经济性产生一定的影响。其中,挥发分含量会影响着火温度、火焰中心高度、排烟温度进而影响到锅炉经济性;发热量则与燃煤量、一次风量、排烟损失有关;灰分成分会影响煤粉着火、排渣热损,并且会磨损烟道以及加剧结渣[2]。因此,需要对燃煤进行化学成分分析,根据煤质分析结果计算风量及给煤量,合理的进行煤粉细度选择,改进燃烧器和配风,改善燃烧工况,使锅炉经济性尽可能提高。
3.2排烟温度
排烟温度与锅炉的排烟热损失q2息息相关,q2占锅炉热损失比例非常大,一般约在80%以上。煤质、参数、燃烧器喷嘴角度、配风等因素变化会引起改变。当过高不仅会导致q2升高,发电煤耗上升,而且会威胁到锅炉的运行安全;过低则会导致烟道尾部的金属腐蚀。通常设定在110至150℃之间比较合适。
3.3灰渣含碳量
灰渣含碳量是指燃料燃烧后产生的灰渣里未燃烧的可燃物质量百分数,包括飞灰含碳量与炉渣含碳量。灰渣含碳量的高低直接反应出锅炉机械不完全燃烧q4水平。灰渣含碳量影响因素很多;1.负荷,高负荷时煤粉的燃尽率更高,通常随着锅炉负荷的升高,q4呈现先减少后增大的趋势,在锅炉经济负荷是q4最小。2.煤质,挥发分越高、灰分水分越低的煤质越有利于煤粉的充分燃烧,对应的灰渣含碳量也较低。3.氧量,氧量增大,单位时间内煤粉燃烧会更加剧烈,但煤粉在炉内停留时间也会相应缩短,因此炉渣含碳量减少,飞灰含碳量增大。4.煤粉细度,煤粉越细,煤粉会更易燃尽,因此灰渣含碳量越低。
5.燃烧方式,例如燃烧器倾角,配风风量、配风比例等也都对灰渣含碳量有一定的影响作用。
3.4进风温度与配风
进风温度随季节性气温改变会有较大的变化,当进风温度过低时,烟道尾部可能发生凝露,腐蚀设备,此时就需要使用暖风机进行加温,但这样势必使煤耗升高;进风温度过高,不但会使排烟温度上升而且会威胁运行的安全性。配风的组成项目较多,因此运行时确定最佳配风方式比较复杂,而一、二次风对锅炉运行的经济性参数都有影响[3]。
3.5过量空气系数
过量空气系数直接影响到炉内燃烧工况的好坏以及排烟热损失的大小,对锅炉效率影响权重很大,是非常重要的炉侧运行参数。过量空气系数改变时,往往引起蒸汽初参数、锅炉排烟损失、机械不完全燃烧损失等参数指标的变化。因此对于运行中的锅炉,需要根据测量的烟气成分,来确定和调整过量空气系数的大小。
4.主要研究方法与技术路线
4.1确定优化参数
通过对电燃煤站锅炉目标优化展开机理分析,根据燃料和燃烧条件不同,NOx的生成机制分热力NOX、快速NOX和燃料NOX三种。在电站锅炉燃烧系统中,控制NOX的生成和排放量主要从三个方面着手:
(1)煤质及燃烧器结构方面,采用含氮量低的燃料,并对锅炉燃烧器进行相应的改造,降低炉膛火焰中心区域附近的过量空气系数,形成富燃料区,保证炉膛燃烧区域各处的火焰温度分布均匀,避免形成局部的高温区域,使锅炉的NOX排放量得到有效的控制。
(2)控制技术方面,选取与NOX生产相关的输入参数,建立精度较高且泛化能力广泛的非线性模型。再采用相关的有效的优化算法,对影响生成NOX的各个参量例如一次风、二次风、炉膛烟气含氧量等,进行有效的控制、寻找出最优的参数值,使得生成NOX的生成量最低。
(3)炉膛尾部烟气脱硝方面,燃料在锅炉燃烧后生的烟气,在烟道中经过SCR装置,在炉膛尾部烟道对烟气进行脱硝技术,将NOX还原成N2,从而降低排放到空气中的NOX。
随着我国“节能减排”政策的推广,在保证安全性的前提下,应尽可能地提高锅炉运行过程中的经济型和环保性。对燃煤电站锅炉效率展开分析。着重分析锅炉的排烟热损失和机械未完成燃烧热损失,确定在锅炉实际运行过程中与其相关联的重要参数[4]。在机组参与调峰过程中,选取锅炉效率和NOX排放量作为优化目标,实现锅炉变负荷过程中的经济环保运行。
4.2建立多目标优化模型
本文以锅炉燃烧调整实验数据为基础,选择以下变量作为神经网络的输入:代表锅炉负荷的发电负荷;总给煤量及各层给煤量;煤质特性取水分、灰分、干燥无灰基挥发分和低位发热量;各层一、二次风挡板开度以及紧凑燃尽分和分离燃尽风挡板开度;代表过量空气系数的炉膛氧量;代表燃料燃尽程度的飞灰含碳量和灰渣含碳量;给水温度、环境温度和排烟温度等共30个输入变量。输出变量2个,分别为锅炉效率和NOx排放浓度。
根据上述建立的锅炉效率和NOx排放浓度模型,以锅炉效率和NOx排放浓度为两种不同的变负荷运行优化目标,以锅炉的实际运行工况进行层次划分,对锅炉的进行变负荷运行优化。运用遗传算法自适应函数,对上述工况中的总煤量,炉膛出口氧量,给煤机给煤量,二次风挡板开度和分离燃尽风挡板开度等可调参数就行寻优,以确定不同工况下,锅炉燃烧系统相关联参数的优化区间,达到对电站锅炉燃烧能效状态以及NOx排放浓度参数的状态监测与评价,从而降低SCR入口NOx排放浓度,提高锅炉运行效率。
参考文献
[1]闫顺林.多元扰动下的热力系统能效分析模型及应用研究[D]. 华北电力大学(保定),2011.
[2]杨巧云.基于遗传算法的锅炉高效低NOx燃烧优化[J].节能技术,2013,31(03):265-268.
[3]杨晋芳.工业燃煤锅炉燃烧优化关键技术探析[J].煤质技术,2019,34(01):61-64.
[4]唐洪宇.锅炉热效率及NOx排放量优化研究[D].哈尔滨理工大学,2018.