（热能工程专业论文）基于入炉煤煤质成分软测量的电厂锅炉燃烧在线优化系统的研究与应用.pdf

东南人学硕一卜学位论文 摘要 入炉煤煤质成分分析对于指导锅炉燃烧、提高锅炉热效率，优化全厂机组性能等具有重要 作用。对于人多数火力发电厂而言，锅炉入炉煤煤质分析一般都滞后于锅炉运行，而少数电厂 装备的煤质在线分析仪价格昂贵且不易维护。软测量技术为解决工业过程中无法直接测耸或直 接测量代价很人的过程量提供了一条十分有效的途径。随着电力市场化的逐步推进，锅炉的燃 烧优化越来越受到国内大多数电厂的重视，但目前采用的分散控制系统( d c s ) 控制调节往往 无法完全针对锅炉燃烧的特点控制最佳运行上况，而是运行人员的经验和操作水平在很人程度 上决定了机组的运行性能。 本文从煤的燃烧机理出发，采用机理分析和同归分析结合的建模方法，建立入炉煤煤质元 素分析成分的软测量模型，并根据煤的元素分析成分数据对1 ：业分析成分进行了估算：通过对 煤粉锅炉入炉煤燃烧特性的分析，判断入炉煤的煤种范围，结合锅炉运行的实时数据对锅炉的 燃烧状况进行分析评价，给出燃烧优化的指导意见。利j 【 j 电厂d c s 的丰富数据，开发了电厂锅 炉燃烧在线优化指导软件，具有运行参数住线监视、煤质成分在线监测、燃烧优化指导和报表 查询等功能，有助于电厂实现低成本的燃烧优化。 关键词：煤质成分分析；软测量；煤粉锅炉；燃烧优化 东南大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h ec o m p o n e n ta n a l y s i so fc o a li n t ot h ef u r n a c ep l a ya ni m p o r t a n tr o l ei np e r f o r m a n c ef o r g u i d i n go ft h eb o i l e rc o m b u s t i o n ，i m p r o v i n gb o i l e rt h e r m a le f f i c i e n c y , a n do p t i m i z i n gt h ee n t i r ep l a n t u n i t s f o rm o s tc o a l f i r e dp o w e rp l a n t s ，t h ec o a la n a l y s i so fc o a li n t ot h ef u r n a c ea r eg e n e r a l l yl a g g i n g b e h i n dt h eb o i l e rr u n n i n go no n eh a n d ，a n do nt h eo t h e rh a n de q u i p m e n to n l i n ec o a la n a l y z e r s e q u i p p e di nas m a l ln u m b e ro fp o w e rp l a n t sa r ee x p e n s i v ea n dh a r dt om a i n t a i n s o f t - s e n s i n g t e c h n i q u ep r o v i d e sav e r ye f f e c t i v ew a yf o rs o l v i n gt h i sp r o b l e m w i t ht h ed e v e l o p m e n to fe l e c t r i c i t y m a r k e ti nc h i n a ，t h eb o i l e rc o m b u s t i o no p t i m i z a t i o ni sr e c e i v i n gi n c r e a s i n ga t t e n t i o nf r o mm o s to ft h e p l a n t s b u tb e c a u s eo fl e s sa b i l i t yt oa d j u s tt h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h eb o i l e rc o m b u s t i o na n dt h eb e s t o p e r a t i o ns t a t u s ，n o tt h ed i s t r i b u t e dc o n t r o ls y s t e m ( d c s ) ，b u tt h ee x p e r i e n c ea n do p e r a t i n gs k i l lo f p e r s o nd e t e r m i n e st h el e v e lo fu n i tp e r f o r m a n c eo nal a r g ee x t e n t i nt h i sp a p e r , a c c o r d i n gt ot h em e c h a n i s mo fc o a lc o m b u s t i o n ，as o f t - s e n s o rm o d e lf o rt h ec o a l e l e m e n t a la n a l y s i sc o m p o n e n t so fc o a li n t ot h ef u r n a c ei ss e tu p ，u s i n gt h em e c h a n i s ma n a l y s i sa n d r e g r e s s i o na n a l y s i sm e t h o d i na c c o r d a n c e 、衍t he l e m e n t a la n a l y s i so fc o a lc o m p o s i t i o nd a t a t h e c o m p o n e n tp r o x i m a t ea n a l y s i s o fc o a li se s t i m a t e d ；a c c o r d i n gt oa n a l y s i st ot h ec o m b u s t i o n c h a r a c t e r i s t i c so fc o a li n t ot h ep u l v e r i z e dc o a lb o i l e rf u r n a c e ，t h ek i n do fc o a li n t ot h ef l l r n a c ei s d e t e r m i n e d w i t ht h eb o i l e rr u n n i n gr e a l - t i m ed a t ao nt h es t a t u so ft h eb o i l e rc o m b u s t i o na n a l y s i sa n d e v a l u a t i o n ，s o m eg u i d a n c ea r eg i v e no i lt h ec o m b u s t i o no p t i m i z a t i o n u s i n gt h er i c hd a t ao fp l a n t d c s t h ep o w e rp l a n tb o i l e rc o m b u s t i o no p t i m i z a t i o no n l i n eg u i d es o f t w a r ei sd e v e l o p e d 、以t l l o p e r a t i n gp a r a m e t e r s 谢lo n l i n em o n i t o n n g ，o n l i n em o n i t o r i n go fc o a lc o m p o s i t i o n ，c o m b u s t i o n o p t i m i z a t i o ng u i d a n c ea n ds t a t e m e n t sq u e r ya n do t h e rf u n c t i o n s i ti sf a v o r a b l et oa c h i e v el o w - c o s t p o w e rp l a n tc o m b u s t i o no p t i m i z a t i o n k e yw o r d s ：c o a lc o m p o n e n ta n a l y s i s ；s o f tm e a s u r e m e n t ；p u l v e r i z e dc o a l - f i r e db o i l e r ；, c o m b u s t i o n o p t i m i z a t i o n 东南大学硕上学位论文 符号说明： c h d n s 彳 m 幺，删 f c 哳 口 4 口 d y h c 口 g t 足 占 q ) ， 只叼 p ，形 万 下标说明： 口， a d d d a f k 腩 矿 m m f 主要符号、变量注释表 碳元素含量， 氢元素含量， 氧元素含量， 氮元素含量， 硫元素含量， 灰分含量， 水分含量，；质量流量，k g h ，t h 收到基低位发热量，k j k g ，m j k g 收剑基挥发份含量， 收到基同定碳含鼍， 干燥无灰基挥发份含量， 过量空气系数 漏风系数 水或蒸汽流量，t h 单位质鼍燃料对应的气体体积，n m 3 l ( g 焓，k j k g 比热，k j ( k g ) 锅炉效率， 热量，k j k g 温度， 系数 燃煤消耗量，t h 容积流量，m 3 h 容积份额， 煤粉细度， 功率，k w 相对误差， 收到基 空气干燥基 干燥基 干燥无灰基 空气 冷空气 漏风 干燥剂 原煤 煤粉 烟气 v 东南人学硕上学位论文 上标说明： 0 ， 额定值 飞灰 灰渣 排烟 进入系统的 流出系统的 自用的 过热蒸汽 再热蒸汽 排污水 给水 干空气 三原子气体 二氧化碳 二氧化硫 氧气 氧气 水蒸气 入炉煤 理论值，初始值 入口处的值，修正值 出口处的值 v i p乃舷s叫秒加驴鹏m姚仍飓印砌 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人 已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构的学位或 证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 研究生签名：! 必 日 期：竺互：乡7 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论 文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子 文档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查 阅和借阅，可以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研究生院办理。 研究生签名：) 望主翊 导师签名：茎! 兰翌翠日期：2 7 v g 第奄绪论 1 1 研究背景 第一章绪论 我国是能源生产和使用大国，特别是煤炭的开采和使用，占总量的7 0 左右。而火力发电 又是使用煤炭的人户。截至2 0 0 7 年底，全国发电装机窖量达到7 1 3 2 9 万千瓦时，其中火力发电 机组容量为5 5 4 4 2 万千瓦时，占总容量的7 7 7 3 。发电标准煤耗为3 3 4 克千瓦时，较上年下 降了9 克千瓦时，这主要是由于关停了一部分中小火力发电机组的缘故，但较国外先进水平还 有一定的差距【1 1 。 造成发电煤耗大的原因有很多，其中入炉煤煤质的稳定性差是一个主要原冈。每台锅炉都 是针对特定的煤种设计的，煤种的变化对锅炉燃烧的影响很火，由于我国煤炭的多样性，以及 近年来煤炭市场不稳定的原因，致使现在人部分电厂锅炉的入炉煤煤质很杂，而且很多情况下 与设计煤种相差较远。煤质下降，造成锅炉出力下降、燃烧不稳、结焦严重、灭火放炮等问题。 另外，由于煤价一路走高，火力发电成本急剧上升，这就使得火电机组控制成本，提高燃煤效 率，降低损失的需求更加迫切。 当前，国内有许多针对3 0 0 m w 、6 0 0 m w 火电机组的热效率监测和能损诊断系统或燃烧优 化系统，采用以d c s 或d a s 数据为基础的分析软件，利用其数据鼙大的特点，能够比较准确 地提供机组的运行状况，但是由于入炉煤的煤质分析是采用离线的方式，致使这些分析或指导 软件的实时性不能满足运行调整的需要。 1 2 研究现状 1 2 1 对入炉煤煤质在线监测的研究 在2 0 世纪9 0 年代之前，由于电厂热工信息化程度不高，对于煤质成分的工业分析，主要 是靠在储煤场及给煤机入口的采样送到化学实验室完成的。这样得到的分析结果虽然比较精确， 但由于锅炉的耗煤量1 e 常大，采样和分析的时间又比较长，所以其对锅炉运行的实时参考价值 不大。国外从上世纪7 0 、8 0 年代起就开始了煤质在线监测技术的研究，国内也在9 0 年代初期 开始了这方面的研究，至今已开发出来不少成熟的产品。煤质在线监测方法主要有物理方法和 软测量方法两种。 1 2 1 1 物理方法 相对化学方法，物理方法方便快捷，易于实现在线监测。针对所要测量的煤质成分，物理 方法包括放射性核技术、微波技术和近红外光谱分析技术等【2 】【3 】1 3 。 放射性核技术已经非常成熟，因此发展的机理、方法比较多，包括双y 射线穿透法、y 射 线散射法、电子对法和中子活化分析法等。应用较多的是：双y 射线穿透法和中子活化分析法。 双y 射线穿透法的基本原理是：y 射线穿透物质后由于被穿透物质的吸收射线强度减弱， 煤炭中硅、铝、钙、铁的氧化物以及盐类是不可燃烧的物质( 即灰分) ，原子序数都比较火；灰 东南大学硕士学位论文 分的平均原子序数大于1 2 ，可燃物质与灰分的平均原子序数大于6 左右，利用它们对y 射线的 吸收差异( 前者吸收较强) 来检测灰分的含量。产品有德国b e r t h o l d 公司l b 4 2 0 型灰分仪、 西北电力集团燃料公司研制的t n 2 0 0 型测灰仪以及两安热工研究院有限公司开发的x l 6 3 3 8 型灰分发热量在线监测仪。 中子活化分析法的基本原理是：用中子辐照待测物质，使原子核发生核反应，生成放射性 元素( 一般是y 射线) ，然后对该放射性元素进行鉴别分析，从而确定该待测物质成分和含量。 其中，利用热中子俘获瞬发y 射线p g n a a ( p r o m p tg a m m a n e u t r o na c t i v a t i o na n a l y s i s ) 技术 大约是在2 0 世纪7 0 年代初到8 0 年代末提出来的。美国早在2 0 世纪7 0 年代末就开始了这方 面的研究：r 作，但是由于p g n a a 分析技术本身的缺陷如采用的是热中子活化反应，由于中子 平均能量低，分析煤中的氧元素、碳元素非常困难甚至不可能。 2 0 世纪8 0 年代末9 0 年代初，人们开始利j j 非弹反应i n ，n 7 y 】产生的瞬发y 射线解决碳 和氧以及其它成分难于用p g n a a 法测定的问题。美国t s a h ig o z a n i 于1 9 8 7 年较先提出利用 1 4 m e v 快中子与物质相互作用的非弹反应i n ，n y 】产生的y 射线进行元素分析，即所谓的 p i n a a ( p r o m p ti n e l a s t i cn e u t r o na c t i v a t i o na n a l y s i s ) 法。美国a r t h u rn t h o r p e 于1 9 8 8 年利 用中子发生器产生的快中子分析了煤。他的结论是利用1 4 m e v 快中子只对碳和氧分析有利， 而对煤中相当多的其它元素还是依靠热中子俘获y 射线分析。1 9 9 8 年美国l d e p 、m b e l b o t 、 gv o u r v o p o u l o s 等人应用脉冲式快中子发生器和b g o 探测器进行了煤的在线元素分析的试验 研究。实验结果表明：应用脉冲快热中子感生瞬发y 射线分析技术( p f l n a ) 在煤中测量硫的 精度达o 0 5 ( 质量百分比) ，测量碳的精度可接近1 。他们认为这是当今世界最有生命力的 在线分析方法。 活化分析法理论上已很成熟，对煤质检测是一种很灵活的方法，它能进行单一煤种和混合 煤种的全元素检测，并依次计算出煤的热值、水分、灰分和氧化物等含量的指标，但其开发技 术装置费用极高。国内产品有南京大陆中电的m j a 型煤质成份在线检测装置，美国g a m m a m e t r i c s 公司1 2 1 8 型在线测煤仪，能够直接测鼍硫、灰分、碳、氢、氮、氟、硅和水分等，并 可间接测鼍发热量和二氧化硫等，但还没有在线测定煤质挥发分的仪器。另外利用中子活化分 析开发的测灰仪有美国g a m m am e t r i c s 公司的m o d e l 3 6 1 2 c 型测灰仪和澳火利亚s c a n t e c h 公司 的c o a l s c a n 9 0 0 0 型测灰仪等。 微波技术主要用于煤中水分的测量。主要原理如下：微波穿过物料时，使自由水分子旋转， 这一效应降低了微波的强度和速度，通过强度和速度降低的幅度测算出水分值。主要产品有德 国b e r l m o l d 公司l b 3 5 4 型测水仪，波兰w i l m a g 一8 7 一c 型测水仪等。 近红外光谱法近年来国内研究比较多，国外这方面的研究也还不成熟，冈此成型的产品很 少。基本原理如下：待分析的物体用近红外线照射，由于组成物体的化学键不同，会产生某些 特征波长的吸收，吸光度的多少与成分含量的人小有密切关系，根据其漫反射光谱分析物体成 分。其难点在于：电厂的工作环境较恶劣，开发的在线检测仪器要精密、耐用：煤样的近红外 漫反射信号很弱，现场煤粉的细度、堆积密度等状况对近红外光谱方法的影响都较大。 前述煤质测量的物理方法人多只是针对煤质分析的_ 全部分而开发形成的，如要进行全元 素分析则需要几种方法结合起来。比如日本关西电力公司研制了一套需要采制样的煤质在线分 析系统，该系统完成了从采样、传送、预处理、煤质分析全过程的全自动煤质在线分析，该系 统该装置对煤样的元素分析基本上采用燃烧吸收红外线方式，工业分析采用热天平方式和炉内 氛围气体控制方式，一次分析时间为l 小时左右。 此外，硬件直接测量技术对工作环境的要求比较高而且装置普遍较贵，在电厂实际运行中 故障率较高，因此在中小型电厂的应用受剑限制。 2 第一章绪论 1 2 1 2 软测量方法 近十年来，软测量技术广泛应用于过程：r = 业中，领域包括炼油、石化、聚合、造纸、采矿、 食品、医药精细化j 、半导体、纺织及微电子行业。其中，大量应用丁化i ：行业的有诸如推断 控制等高级控制、反馈控制、操作指导、质量管理、调度优化、决策支持等环肖：电厂过程控 制软测苗技术的采川也越来越多，各种基于软测量的高级控制也越来越成熟。软测鼋方法是在 成熟的硬件传感基础上，以计算机技术为核心，通过软测量模犁，利用较易在线测量的辅助变 量和离线分析信息去估计不可测革或难测量的变量。目前，由于环保的要求，大容鼍锅炉都配 备了较为全面的排烟气体成分监测仪表。大量现场测试表明，烟气体成分中蕴涵了大苗的燃煤 成分的信息。通过对燃料燃烧的分析，可以建立入炉煤质监测的软测量模型。充分利用现场气 体成分的测量仪表，挖掘烟气成分中蕴涵的信息，就可以实现入炉煤质的在线监测，和单一成 分的监测设备相比，这种方法能够对入炉煤的所有成分进行全面的监测和综合分析，投资少， 并且容易与机组经济性监测系统配套，从而完成对整个机组经济指标的监测。 千建国等利用对管式空气预热器的监测实现对锅炉烟气量的软测副4 j ：李智、陈型5 卜1 7 等 利用对锅炉运行：j ：况的监测实现对匕灰含碳量的软测量；此外还有氧量、空气预热器积灰、锅 炉烟气成分、排烟温度、高温对流受热面进出口烟温、磨煤机料位高度等热i ：测量项目。 与此同时，国内国外进行了电厂煤质软测量方面的尝试，比较成功的有美国e x e r g e t i c s y s t e m s 公司开发的输入损失技术 7 1 。该技术于1 9 8 8 年开始开发，基于锅炉机组的能鼍循环及 运行特性，通过迭代技术对c 0 2 、0 2 的排放进行测最来确定煤的流量、成分及发热量。但是该 技术对电厂的自动化要求很高，而且进行迭代计算时需要设定的参数很多，这些参数对于国内 电厂而言有不小的筹异。因此虽然该技术在美国、加拿大等不少电厂的应用效果不错，但在国 内却实施不起来，当然价格也是一个原因。 我国至2 0 0 2 年才有山东电力研究院开始从事煤质在线分析的软测馈实时监测技术的研究 1 2 9 1 ，己成功在一台3 0 0 m w 的机组上试运行成功。但这种煤质在线监测软测量技术的稳定性、 普遍适用性还有待改善。 近几年，人工神经网络在测量与控制领域得到广泛的应用。锅炉机组作为一种复杂的综合 的系统，热工工程往往表现出非线性、慢时变、大延迟和不确定性。常规的建模方法无法解决 非线性生产过程的辨识，很多方面的监测和控制效果还不尽如人意。而神经网络技术以其强大 的非线性逼近能力止受到越来越多研究者的青睐。然而，神经网络方法监测入炉煤煤质也有它 的缺陷，由于煤的多样性，神经网络模型的训练需要大量的煤质化验数据和现场运行数据，实 质上是要求预先建立一个很大的数据库；加上锅炉设计对特定煤种的针对性很强，作为一种黑 箱模型，神经网络模型只能用于特定的锅炉机组，而用于其它锅炉时则必须重新训练网络模型 和建立数据库，其程序的可移植性和扩展性都比较差。 1 2 2 电厂自动化现状 1 2 2 1 分散控制系统的普遍应用 在全球信息化、自动化的推动下，电力行业也跨入了信息集成的时代。随着火力发电机组 向高参数、大容量的发展，对机组自动化的要求日益提高，以“4 c ”( c o m p u t e r 、c o n t r o l 、 c o m m u n i c a t e 、c r t ) 技术为基础的现代火电厂热工自动化技术得到了相应发展。其中最有代表 性的是问世于2 0 世纪7 0 年代的集散控制系统( d i s t r i b u t e dc o n t r o ls y s t e m ，d c s ) 。火电厂d c s 的应用在不同程度上提高了火力发电机组的数据采集预处理、生产过程控制、逻辑控制、监视 3 东南人学硕t 学位论文 报警、连锁保护、操作管理的能力和水平，是目前热控系统的主流。 目前，基于t 业p c 的分散控制系统的应用已经完全覆盖了单元机组监控所需的各个方面， 包括模拟量控制系统( m c s ) 、顺序控制系统( s c s ) 、数据采集系统( d a s ) 、锅炉炉膛安全监 控( f s s s ) 、汽轮机数字电液调：1 l ( d e h ) 、汽轮机紧急跳闸系统( e t s ) 、电气控制( e c s ) 、自 动发电控制( a g c ) 等，实现了机组控制的数字化；电厂的辅助车间和辅助系统也相应地采用 p l c 或小型分散控制系统实现了数字化；有些新建电厂以此为基础形成集成化的全厂信息共享 的数字化网络，建立了厂级监控系统( s i s ) 和管理网( m i s ) 的网架，并配置了一些故障诊断、 状态检修以及性能优化等监控利管理软件，为全厂数字化准备了基础条件。分散控制系统技术 伴随着计算机、网络技术进步利应用范同扩大而发展，但在信号输入技术上却一直停滞不前。 随着控制技术、计算机和通信技术的进一步发展和用户对生产过程控制要求的日益提高， 促进了对新犁控制系统的研究，一种全数字化的控制系统现场总线控制系统( f c s ) 问世 了。f c s 与d c s 相比具有开放性、系统效率高、结构简单等优越性，但由于现场总线通信标准 不统一、数据传输速率低等缺陷，f c s 在火电厂中的广泛应用受到了一定的限制。 近年来，基于数据交换技术的工业以太网( e t h e r n e t ) 得到了快速的发展。将现场总线控制 系统与e t h e r n e t 结合，拓宽了测量控制系统的范围，改善了f c s 的通信性能，是今后生产现场 控制自动化发展的必然趋势。 1 2 2 2 烟气捧放连续监测系统 烟气排放连续监测系统( c o n t i n u o u se m i s s i o nm o n i t o r i n gs y s t e m ，简称c e m s ) ，是监测烟 气污染物排放的现代化手段，剧来连续监测污染物( s 0 2 、n o ，、烟尘等) 以及烟气内其他气体 的排放浓度和排放总量。1 9 9 7 年开始实施的火电厂大气污染物排放标准首次从法规层面上 对我国电厂提出装设c e m s 的要求，自此我国大批电厂开始安装c e m s 系统。通过c e m s 系 统可获得包括c 0 2 、s 0 2 、0 2 等气体成分的百分含量、烟气流量、烟尘浓度、烟气温度、压力、 湿度等烟气参数的在线数据。另一方面，虽然我国自2 0 0 4 年开始实施火电厂大气污染物排放 标准( g b l 3 2 2 3 2 0 0 3 ) 规定2 0 0 8 年以前所有火电机组均应安装符合火电厂烟气排放连续监 测技术规范( h j t 7 5 2 0 0 1 ) 的烟气排放监测系统，但实际上在已安装的近4 0 0 套c e m s 系统 中能够正常使用获得完整数据的仅占2 0 ，其中绝大部分c e m s 系统都缺少烟气c 0 2 的分析装 置。这一方面是由于系统硬件上投资方面的考虑，同时也表明各电厂对烟气参数不重视、使用 率低。 1 2 2 3 飞灰含碳量的在线测量 锅炉飞灰含碳量是电厂考核机组运行调整的重要指标，以前很多电厂采用的取样化验方法 了解锅炉飞灰含碳量，对运行人员的调整指导缺乏时效性。现在不少电厂都采片；j 了飞灰含碳量 在线监测装置，其测量的基本原理是利用碳对微波的吸收率远大于灰中其他元素的特性，通过 微波的能量损耗得到飞灰中的含碳量。目前应用较广的飞灰在线监测方法按取样方式不同主要 有撞击式、外抽离心式、自抽式、全烟道截面式等。飞灰在线监测系统的主要问题有取样部件 堵塞、腐蚀、磨损及取样代表性较差、附属设备多等。 1 2 3 火电机组燃烧优化技术的发展现状 锅炉燃烧优化是通过对锅炉燃料供给和配风参数的调挺，以及对其控制方式的改变等，保 4 第一章绪论 证送入锅炉炉膛内的燃料及时、完全、稳定和连续地燃烧，并在满足机组负荷变动需要的前提 下，获得最佳燃烧i i 况的t 作。 锅炉燃烧优化最早以提高锅炉燃烧安全性和经济性为目标，通过燃烧优化来降低锅炉煤耗， 提高火电厂发电效率，保证锅炉的安全性和经济性。具体可! j 纳为：( 1 ) 保证止常稳定的汽压、 汽温和蒸发量；( 2 ) 着火稳定、燃烧安全，火焰均匀充满炉膛，不结渣，不烧损燃烧器和水冷 壁、过热器不超温；( 3 ) 使机组运行保持最高的经济性；( 4 ) 减少燃烧污染物排放。但目前采 用的分散控制系统( d c s ) 控制调：i 了往往无法完全针对锅炉燃烧的特点控制最佳运行丁况，而 是运行人员的经验和操作水平在很大程度上决定了机组的运行性能。建立锅炉燃烧优化系统来 提高锅炉d c s 的控制调节能力，减少操作人员的人为影响，正受到越来越多的关注。 现代测量技术、计算机网络技术、人工智能和优化控制等新技术和新理论的飞速发展，极 大地推动了真止意义上的燃烧诊断优化技术的实现。目前不论在燃烧诊断优化系统的数据平台， 还是智能诊断的理论方法和所能完成的功能方面都取得了飞速进展。今后的燃烧诊断和优化系 统正向着智能化、实时性、闭环控制的目标发展。近年来国内外关于燃烧优化方面的研究成果， 人致可以分成四类【l8 】：d c s 控制模块改进，常规性的燃烧优化试验调整，基于在线检测设备 的优化系统，基于多目标寻优技术的燃烧优化闭环控制系统。 1 3 课题研究的主要内容和方法 1 3 1 研究目的和意义 在锅炉的运行当中，煤炭的质量对锅炉的安全、稳定、经济的运行起着十分重要的作用， 这主要包括煤的发热量、挥发分、灰分、水分等冈素。实时监测入炉煤质，可使运行人员根据 煤质的变化及时调整锅炉燃烧，有效提高锅炉运行的经济性。所以对于锅炉入炉煤质的在线监 测系统的开发是十分必要的。国内目前虽开发了部分煤质检测的成型产品，但实际应j 【f j 情况远 未达到预期效果。而直接购买进口仪器设备价格又比较昂贵。并且这些煤质监测仪器的测试精 度还受电厂用煤特点、仪器安装、测量点的选择等条件的制约，所开发的在线检测仪器不仅要 精密，还要能够适应电厂恶劣的工作环境。在这种情况下，寻求一种既投资少，又安全可靠的监 测系统是十分必要的。运用软测量技术，通过对锅炉运行中容易测量的数据分析如烟气成分， 根据对应关系采用数学的方法建立模型，以实现对入炉煤质的在线监测的方法正适合此要求。 本文正是利用软测量技术，提取排烟气体成分中蕴涵了大量的燃煤成分的信息，通过对燃料燃 烧的分析，建立入炉煤质元素成分及发热量的监测模型和煤质挥发分监测模型，并在此基础上 对锅炉燃烧进行实时分析，给予优化调整方面的指导。 1 3 2 本文主要内容 锅炉排烟气体成分中蕴涵了入炉煤元素含量的信息，排烟气体成分和煤元素含量之间存在 一定程度的对应关系，即“一定组成的煤燃烧后就生成一定组成的烟气”，基于最基本的物质平 衡原理和煤燃烧化学分析，将煤燃烧生成的各种气体表示成干燥无灰基元素含量的方程。依据 煤的燃烧方程式、烟气成分中三原子气体与氧气的关系、飞灰含碳量计算公式及低位发热量的 元素分析计算公式可以构造关于煤中c 、h 、o 、n 、s 、灰分、低位发热量及烟气c 0 2 含量这 8 个朱知数的方程组，使用迭代方法解这个方程组，就可以得到入炉煤元素分析及灰分的近似 值。 通过c e m s 系统得到锅炉的烟气参数，即锅炉输出物质的成分与总量，同时可以由皮带秤 5 东南大学硕十学位论文 或空气预热器热平衡计算得到入炉煤的流晕和一次、二次风量即输入锅炉的物质总量，由相同 时间内输入输出锅炉的物质总鼍相等，将两者对应即可得到入炉煤的煤质元素含量。锅炉燃烧 过程中还存在着烟气泄漏，水分物态变化，未燃尽碳等影响物质平衡的状况，通过在线测量， 计算以及预测等方式来完善整个锅炉系统的物质流动平衡，并最终可以推导出入炉煤的组成成 分含量。另外，通过制粉系统热平衡计算，可以比较准确地得剑原煤的水分含量。 与此同时，对燃煤挥发分进行简化分析，确定挥发分与元素分析之间的关系，然后根据已 知的条件最后确定煤质的挥发分成分。晟后将计算所得煤质的分析数据应用于锅炉燃烧调整的 实时指导。主要从以下几个方面展开丁作： ( 1 ) 建立煤质水分计算模型，通过磨煤机热平衡得到入炉煤的收到基水分含晕； ( 2 ) 建立煤质元素分析成分计算模型，并由煤质元素分析成分及低位热值数据计算锅炉效 率； ( 3 ) 入炉煤质挥发分监测模型的建立。由煤质工业分析的在线数据对燃煤煤种及质量进行 评估； ( 4 ) 根据煤质发热量和锅炉效率计算方法设计其他在线测量参数( 包括入炉煤流量等) ； ( 5 ) 编写数据采集、计算软件，实现数据的实时采集和计算； ( 6 ) 开发基于煤质成分实时监测的锚炉燃烧优化指导软件。 6 第二章煤粉的燃烧机理及计算 第二章煤粉的燃烧机理及计算 2 1 煤的形成及分类 煤是由远古植物被埋入地层后经过物理、化学演变沉积而成的。这些远古植物在地下长期 处于高温和高压环境中，原植物中的纤维素、木质素经脱水腐蚀，其含氧量不断下降，而碳含 量不断增加，逐渐形成化学稳定性强、含碳量较高的同体碳氢燃料镍。煤的形成大致可以 分成两个阶段【l9 】：第一阶段为泥炭化阶段。在这个阶段中，生活在水流较平静的湖泊、泻湖或 浅海环境中的植物死亡后，其遗体随泥沙等一起沉积到湖底或海底，在缺氧的还原环境中，在 微生物作用下，经过一系列复杂的生物化学作用，不断分解、聚积形成泥炭。这个阶段中，起主 要作用的是生物化学作用。第二个阶段为煤化阶段。在这一阶段中，泥炭随地层- 卜沉，在适宜 的地质环境中，由于沉积岩覆盖引起的高温高压作用影响，原来疏松多水的泥炭受到紧乐、脱 水、胶结、聚合并逐渐堆积变厚转变成煤。泥煤在地下温度和压力均较高的环境中，由于所经受 的地质作用的强弱不同，因此就形成了不同的煤种，通常分为褐煤、烟煤、贫煤和无烟煤。 2 2 煤的成分和燃烧特性 煤的成分有工业分析成分和元素分析成分两种描述方法。 2 2 1 煤的元素分析 煤是复杂的高分子碳氢化合物，其主要成分是碳( c ) 、氢( h ) 、氧( o ) 、氮( n ) 、硫( s ) 、 灰分( a ) 和水分( m ) ，即煤的元素分析成分。除灰分和水分之外，其他元素多以化合物状态 存在。元素分析就是分析煤的c ，h ，o ，n ，s 五种元素占煤的质量百分数，还需分析煤的水 分和灰分。 2 2 2 煤的工业分析 将煤加热到一定温度时，煤的成分将会发生变化：首先其中的水分被蒸发出来，接着随着 温度的升高，煤中的氢、氧、氮、硫乃部分碳所组成的有机化合物将会分解，变成挥发份析出， 剩下由同定碳和灰分组成的焦炭。 煤的工业分析就是分析煤的水分、挥发分、灰分、固定碳占煤的质量百分数以及煤的发热 量、焦渣特性鉴定、灰熔点测定、煤的颗粒度测定等，广义的工业分析还包括全硫分的测量。 2 2 3 元素分析与工业分析之间的关系 两种分析都是动力燃料成分分析的重要项目。元素分析是评价燃料质量的重要指标，是锅 炉设计和燃烧控制所需掌握的重要数据。根据工业分析，可以初步判断燃料的种类、性质和用 7 东南人学硕 学位论文 途。煤的工业分析和元素分析是对煤从不同方面，按不同方法进行分析，其结果是对同种煤 性质的描述，所以两种分析结果之间存在一定的内在相互关系，两者之间的关系及煤的成分的 不同基准划分见图2 1 。 灰分( a ) 崮定碳( f c )拌发份( v )水分( m ) jl ach o n s tm i n hm f 干燥无灰基( d a f ) j l 1_r 干燥基( d ) 一 l 1r 空气干燥基( a d ) 收到基( 盯) 图2 1 煤的成分基准 m 厂外在水分；m i 。h - 一内在水分；s 广可燃硫( 或称全硫) 2 2 4 煤的折算成分 对于锅炉燃烧来说，煤中的水分、灰分和硫分是有害成分，为了反映这些成分对锅炉工作 的影响，用相对值米表示，规定把相对于每l m j 收到基低位发热量的煤所含的收到基水分、灰 分和硫分，分别称为折算水分，、折算灰分4 甜，和折算硫分，其计算公式为【3 8 】： 2 券舢 晓- ， 4 ，：警洲j 4 ，2 茜洲j ( 2 2 ) s a r , r = l o s ：a , 删 c 2 3 ， 其中，如，删的单位是m j k g ，煤的折算成分含昔大小的判别范围如表2 - 1 所示【3 8 】： 折算成分低中等高 m 孙r 1 2 0 a f 1 7 o s a r r o 50 5 v 1 31 3 8 第二章煤粉的燃烧机理及计算 2 2 5 煤的着火和燃烧特性 煤的着火及燃烧特性包括着火特性、稳燃特性和燃尽特性等，有很多具体的指标，对煤的 着火、燃烧及燃尽的难易程度的判断具有较大的参考价值。国内常川的指标有燃料比如、通用 着火特性指标尼、着火温度指数小着火稳定性能指数、可燃性指数c 、煤焦比表面积s 等3 8 】【3 9 】。其中如、，z 与煤的灰分、水分、发热量、挥发份等都是常规的实验室指标，而小c 、 尬等是采用示差热天平加热煤样得到燃烧分布曲线而引出的燃烧特性指标，属于非常规实验室 指标。 2 2 5 1 燃料比届 燃料比r b = f c 是煤t 业分析成分中的同定碳与干燥无灰基挥发份的比值，燃料比越 大，说明煤的i 制定碳含量越高，挥发份含量越少，煤的着火和燃尽也就越凼难。 2 2 5 2 通用着火特性指标尼 这是清华大学傅维标教授提出的判别指标。因为燃煤挥发份的析出着火只是形成煤粉稳定 燃烧的必要条件，由此可能引起煤焦着火( 对高挥发份煤) ，但也可能不发展成为稳定的燃烧( 对 低挥发份煤) ，所以煤焦着火才是煤粉气流稳定着火燃烧的充分条件。通用着火特性指标就是用 于衡量煤焦着火温度与煤的工业分析值之间的关系的。 疋= ( + m 甜) 2 c 二1 0 - 4 ( 2 4 ) 式中，p 0 、 锄、c 0 分别为煤的空气干燥基挥发份、水分和含碳量。 2 2 5 3 着火温度指数白 着火温度的实验室定义是煤样在加热过程中由吸热转为放热时的温度。 与煤样的空气干燥基氧含量瓯d 有关： t a 2 5 3 8 一1 4 ，( 回归曲线相关系数为o 8 ) 2 2 5 4 着火稳定性能指数崩 着火稳定性能指数尬是与着火温度和最大燃烧速度相关的指数， - 的近似关系为： m l = 1 3 3 7 + 0 0 4 8 3 v , 坷 2 2 5 5 可燃性指数c 一般认为，该指数 ( 2 5 ) 它与干燥无灰基挥发份 ( 2 6 ) 可燃性指数是与燃烧分布曲线最高燃烧速度区平均燃烧速率有关的指数，综合了煤的着火、 燃烧和燃尽的性能，与实际锅炉上的燃烧状况比较符合，可以较好地反映煤的着火与燃烧特性。 9 东南大学硕上学位论文 可燃性指数与v a f 的拟合公式为： c = ( 0 0 4 5 v d t - + o 5 2 ) x 1 0 6 2 2 5 6 比表面积s ( 2 7 ) 比表面积就是包括内部微孔在内的单位质量燃料的表面积。煤粉的比表面积与煤种及颗粒 尺寸有关。比表面积越人，则煤粉越容易被加热到着火温度，焦炭也越容易燃尽。但煤粉在热 分解过程中比表面积会发生变化，有时甚至会增大一个数量级，冈此，为了判断焦炭的燃尽度， 采用焦炭的比表面积更为合理。片j 管式炉制焦所得的比表面积s 与干燥无灰基挥发份哳的近 似关系为： s = 0 5 3 e 0 0 8 9 9 2 2 5 7 煤的着火、燃烧及燃尽特性判别界限 ( 2 8 ) 根据实验室数据及电厂运行经验可以得到各特性指标的判定界限，判断出煤的着火燃烧和 燃尽的难易程度，从而为燃烧运行调整提供有用的参考，见表2 2 【3 8 】： 表2 2 煤的着火燃烧特性判别界限 着火燃 v “) r bf z t d 【) m i cs 烧或燃 m g ( m i n k 2 ) 】 尽特性 极难燃99o 56 3 81 7 7o 9 3 2 o 3 2 7 1 9 3 2 3 煤粉的燃烧过程 煤燃烧本身是一种发光发热的化学反应，是煤中的可燃成分与空气中的氧气在高温下进行 的快速氧化反应。煤的燃烧过程是非常复杂的。在整个燃烧过程中包括化学反应的放热、物质 问的相互运动及传热传质、能量的相互转化等一系列物理化学过程。 以煤粉颗粒为主体米描述煤的燃烧过程，首先是煤粉的颗粒被外来能量加热和干燥剑1 0 0 以上，煤中水分逐渐被蒸发，之后随着温度的升高析出挥发分和形成煤焦，达到着火温度后 挥发物和煤焦着火燃烧，最后是煤中的矿物质生成灰渣。这些阶段在燃烧空间充分的条件下可 能顺序发生，在燃烧空间不充分或连续添加煤料时也可能各阶段相互交叉或者同步进行。挥发 分析出的过程可能在水分没有完全蒸发尽就开始，煤焦也可能在挥发物没有完全析出前就开始 着火燃烧。煤中可燃物的主体是州定碳，是释放热量的主要来源，燃尽时间也最长。煤焦的燃 烧就是煤燃烧过程中起决定性作用的阶段，它决定着燃烧反应的最主要特征。一般来说干燥和 析出挥发分大约占总燃烧时间的l o ，而煤焦的燃烧时间占9 0 。 1 0 第- 二章煤粉的燃烧机理及计算 以煤燃烧反应中的气体为主体描述煤的燃烧过程，首先是氧气通过气流边界层在灰层中扩 散和在煤粒内部微孔中扩散，之后在煤表面上发生化学吸附与氧化反应，解吸后的反应产物通 过内部微孔扩散到达煤的外表面，再继续扩散通过灰层，进而通过气流边界层进入主气流进行 扩散。燃烧过程整个时间由化学反应时间和扩散时间构成。化学反应时间主要取决于煤的本性、 成煤物质和变质科度和温度；扩散时间则主要取决于气流速度和灰层厚度。 可见，煤的燃烧过程是一个以煤热解、焦炭燃烧为主体复台而成的复朵过程。 2 4 燃料燃烧计算 2 4 1 燃烧所需空气量计算 燃料煤中的可燃元素有碳、氢和硫。燃烧所必需的条件是有足够高的温度和充足的氧气。 在一般t 业设备中，燃烧所需的氧气主要来自丁二空气。如果燃料中的可燃元素完全燃烧而没有 剩余的氧气存在，这时所需的空气量就是理论空气量。根据燃料中各可燃元素的燃烧化学方程 式，即可计算出l k g 收剑基燃料完全燃烧所需的理论空气量。 碳完全燃烧化学反应方程式为： c + o p c 0 2 1 2 k g c + 2 2 4 1 n m 3 以一2 2 4 1n m 3 c 0 2 即：l k g c + 1 8 6 6 n m 3 d 户1 8 6 6 n m 3 c 0 2 ( 2 9 ) 由于l k g 燃料中包含“1 0 0 k g 的碳，所以l k g 燃料中的碳完全燃烧所需的氧气量为 1 8 6 6 c j l 0 0 n m 3 。 同