（动力机械及工程专业论文）大型电站锅炉燃烧系统运行优化技术研究.pdf

摘要 摘要 题名：大型电站锅炉燃烧系统运行优化技术研究 姓名：李辉 导师：徐治皋( 教授) 学校：东南大学 正文： 节能减排是我国目前主要的能源政策，大型燃煤电站锅炉的运行面临着降低运行成本与降低污 染物排放的双重要求，高效低污染的锅炉燃烧运行优化技术越来越受到关注和重视，因此如何利用 有效的锅炉燃烧运行优化技术，实现锅炉稳定、经济而又洁净的燃烧，一直是国内外热能工程领域 专家学者的研究目标。 本文以某6 0 0 m w 机组的燃煤电站锅炉为研究对象，对锅炉的燃烧系统运行优化问题进行了深入 的分析，论文的主要内容如下： 1 介绍了锅炉热效率计算的常用方法以及影响锅炉效率的主要因素；分析了锅炉燃烧丰要污染 物的形成机理和控制净化方法，并着重讨论了影响n 0 x 生成的主要因素，以及预测其排放鼍的主要方 法；简要介绍了与燃烧系统相关的辅机概况。 2 建立了锅炉燃烧特性的b p 人工神经网络综合模型。在对锅炉燃烧特性分析的基础上，利用 机理分析和数据验证等方法，研究了模型输入输出参数的选取问题，建立了一个燃烧特性的综合模 型；并简要讨论了模型样本数据的选取处理过程，以及模型训练测试过程，最后对结果进行了分析 和讨论。 3 研究了支持向帚机算法的基本理论和方法，并利用该算法对锅炉的燃烧特性进行建模，分别 建立了n 0 x 排放浓度、飞灰含碳量以及辅机电耗的支持向量机模型，重点研究了支持向量机关键参 数的选取方法，并将其建模的过程方法与神经网络进行了比较。 4 利用遗传算法对建立的锅炉燃烧特性综合模型进行参数寻优。介绍了遗传算法的步骤以及关 键算子的设计方法；提出了一个较合理的优化目标函数，利用算法对输入参数在其范围内和约束条 件下进行迭代寻优，获得了较合理的优化结果，并对结果进行了讨论。 关键词：火电机组；燃烧优化；神经网络；支持向量机；遗传算法 a b s t f a c t a b s t r a c t t i t l e ：r e s e a r c ho no p t i m i z a t i o no p e r a t i o nt e c h n o l o g yo fb o i l e rc o m b u s t i o ns y s t e mi nh i 【g hc a p a c i t y p o w e rs t a t i o n n a m e ：l i h u i s u p e r v i s o r ：p r o f x uz h i g a o s c h o o l ：s o u t h e a s tu n i v e r s i t y t e x t ： s a v i n ge n e r g ya n dr e d u c i n gp o l l u t i o n se m i s s i o na r eo u rc u r r e n te n e r g yp o l i c y ，t h eb o i l e rc o m b u s t i o n o f h i 曲c a p a c i t yp o w e rs t a t i o nf a c e dw i t hd u a lr e q u i r e m e n t so fi m p r o v i n gb o i l e re f f i c i e n c ya n dr e d u c i n g p o l l u t i o ne m i s s i o n s ，h i g he f f i c i e n c ya n d l o wp o l l u t i o nc o m b u s t i o no p e r a t i o nt e c h n o l o g yi sp a i dm o r ea n d m o r ea t t e n t i o n s oh o wt ou s et h i st e c h n o l o g yt or e a l i z ee c o n o m i c a la n dc l e a nc o m b u s t i o ni st h er e s e a r c h o b j e c t i v eo fm a n ye x p e r t si nt h e r m a le n g i n e e r i n gf i e l da l lt h et i m e a6 0 0 m wu n i t sc o m b u s t i o ns y s t e mo p e r a t i o no p t i m i z a t i o nw a sa n a l y z e di n - d e p t h ，a n dt h em a i n c o n t e n t sa n da c h i e v e m e n t so ft h ep a p e rc a nb ed e s c r i b e da sf o l l o w s ： 1 i n t r o d u c es o m ec a c u l a t i o mm e t h o d sa n di n f u e n t i a lf a c t o r so fb o i l e re f f i c i e n c y a n a l y z eo nt h e c r e a t i o nm e c h a n i s ma n dc o n t r o lm e t h o d so fp o l l u t i o n sf r o mc o a l - f i r e db o i l e r s ，e s p e c i a l l yr e s e a r c ho nt h e c r e a t i o nm e c h a n i s ma n di n f l u e n t i a lf a c t o r so fn o xe m i s s i o n ，a n dt h em e t h o d so ff o r e c a s t i n gp r o d u c t i o n , i n 仃o d u c et h ea u x i l i a r ye q u i p m e n tr e l a t e dt oc o m b u s t i o ns y s t e mb r i e f l y 2 a n e u r a ln e t w o r km o d e lo f b o i l e rc o m b u s t i o nw a sb u i l t ，t h em o d e l si n - o u tp a r a m e t e r sw a s e s t a b l i s h e do nt h eb a s i so fc o m b u s t i o nm e c h a n i s m ，t h ed a t ap r e p r o c e s s i n gm e t h o d sa n dt h em o d e l s r e s u l t sw a sd i s c u s s e db r i e f l ya tl a s t 3 t h et h e o r ya n dm e t h o do fs u p p o r tv e c t o rm a c h i n ei sr e s e a r c h e d ，a n dan o xe m i s s i o nf o r e c a s t i n g m o d e l ，a na s hm o d e la n da na u x i l i a r ye q u i p m e n tp o w e rc o n s u m p t i o nm o d e lw a sb u i l d e du s i n gt h i s a l g o r i t h m ，t h er e a s o n a b l es e l e c t i o nm e t h o do f t h es v m sk e yp a r a m e t e r si sd i s c u s s e d ，a n dc o m p a r et h e p r o c e s sw i t ht h en e u r a ln e t w o r km o d e l 4 t h ep a p e rr e s e a r c h e do nam o d e lo f b o i l e rc o m b u s t i o ns y s t e mo p t i m i z a t i o nb yg e n e t i ca l g o r i t h m ( g a ) w h i c hi sc o m p o s e do fan o xe m i s s i o nf o r e c a s t i n gm o d e la n dab o i l e re f f i c i e n c yc a l c u l a t i o nm o d e l i t a l s oi n 仃o d u c e dt h ec o n c e p ta n dt h ep a r a m e t e r sd e s i g nm e t h o do fg a ，p r o p o s e dar e a s o n a b l eo p t i m i z a t i o n f u n c t i o na n dc o n s w a i n t s ，a n dg o tas c i e n t i f i cr e s u l tw h i c hi sd i s c u s s e db r i e f l y 5 s u m m a r i z et h ep a p e r , g i v es o m eo p i n i o n so nw h i c hn e e dt ob er e s e a r c h e di n - d e p t ha n ds e v e r a l p l a c e sn e e dt ob ei m p r o v e d k e y w o r d s ：t h e r m a lp o w e rp l a n t ；c o m b u s t i o no p t i m i z a t i o n ；n e u r a ln e t w o r k ；s u p p o r tv e c t o r m a c h i n e ；g e n e t i ca l g o r i t h m 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。 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。 第一章绪论 1 1 课题背景与意义 第一章绪论 随着我国电力行、j k 改革的不断深入，“厂网分开，竞价上网”的运行机制已成为必然。对各发电 企业而言，保障机组的安拿经济运行，努力降低发电成本，是参与竞争的必由之路：另一方面，节 能减排作为一项约束性指标，在国家“十一五规划”中制定了明确的目标，根据国家统计局最新的 统计公报显示，2 0 0 6 年我国煤炭消费量2 3 7 亿吨，增长9 6 。排放的大气污染物中，8 7 的二氧化硫、 7 1 的二氧化碳、6 7 的氮氧化物和6 0 的粉尘由煤燃烧过程生成川，煤燃烧的污染物排放己成为我 国最大的大气污染源，以燃煤为主的传统能源体系导致环境承载压力大、能源效率低等现实问题日 益凸显，因此作为我国电力生产的主要组成部分火力发电机组，特别是燃煤电站锅炉的运行面 临着降低运行成本与降低污染物排放的双重要求，高效低污染的锅炉燃烧运行优化技术日益引起关 注。 火力发电机组采用大容量和超临界参数是提高发电机组经济性的有效途径，已被世界许多国家 广泛采用，我国也将超临界机组作为今后一段时期火电机组建设的重点之一。目前，越来越多的国 产大型超临界火力发电机组逐渐陆续投产，已成为我国火力发电的主力机组，这标志着我国火电发 电设备的制造和运行水平都进入了一个新的阶段。 大型超临界发电机组的经济性高，可调性和可控性好，对优化火电结构，降低整体发电煤耗具 有重要作用，但应该清醒的认识到，由于种种原因，电站的运行还存在这许多不完善之处，机组容 量和参数的提高对锅炉的设计、调试、运行操作和维护都提出了更高的要求，大型电站锅炉的安全 和运行优化技术成为提高机组利用率、安伞性、经济性和环保性能的关键技术旧1 。 影响大型电站锅炉经济安全运行的因素错综复杂，涉及到炉内燃烧过程的优化调整、承压部件 的应力分析和寿命问题、炉内的积灰、结渣、腐蚀、磨损过程等，国内外对运行优化技术进行了大 量的理论研究和实践探索，取得了丰富的研究成果和实践经验，近年来电力工业发展迅速，大容量 机组纷纷投产，使得对大型电站锅炉安全运行优化技术的研究变得更为迫切和重要。 通过运行优化技术提高燃煤电站锅炉的热效率，节约有限的煤炭资源，同时降低燃煤过程产生 的污染，即实现煤炭燃烧过程中的效率最大化和污染最小化，不仅是我国能源实现可持续发展的当 务之急，也是电力科技工作者需要攻关的课题。因此，本课题的研究不仅有重要的理论意义，还有 着广阔的应用前景和巨大的社会效益。 1 2 锅炉燃烧运行优化技术发展与现状 利用有效的锅炉燃烧优化运行技术，实现锅炉稳定、高效而洁净的燃烧，一直是国内外热能工 程领域专家学者的研究目标。目前国内外该领域的研究文献较多，主要利用的技术有人工钾能技术、 火焰图像处理技术和燃烧理论建模技术【3 1 。本论文主要讨论基于人工智能方法的锅炉燃烧运行优化 技术。 电站锅炉燃烧是个复杂的物理化学过程，涉及到燃烧学、流体力学、热力学、传热传质学等学科 领域。任何与燃烧相关的参数检测调整、设备改造，都可以称为燃烧优化。从锅炉燃烧优化技术角度 看，锅炉燃烧优化技术可以分为三类：第一类通过在线检测锅炉燃烧的重要参数，指导运行人员调节 锅炉燃烧，这类燃烧优化技术目前在国内占据着主导地位；第二类燃烧优化技术是在d c s 的基础上， 作为锅炉运行的监督控制系统，通过采用先进的控制逻辑、控制算法，实现锅炉的燃烧优化，随着先 进控制和人工智能技术的逐步成熟和在工业e 成功的应用，这类燃烧优化技术发展迅猛：第三类燃烧 优化技术在设备层面，通过对燃烧器、受热面等的改造来改善锅炉的燃烧性能h 1 。上述三类技术在实 l 东南大学硕j ：学位论文 际中各有优点和应用，本文主要讨论第二类优化技术的研究和应用，即充分利用锅炉的实时运行数 据，并结合先进的人工智能技术对电站锅炉的燃烧特性进行建模和优化，最后给出合理科学的优化 值，以指导运行人员调节，达到不需要对锅炉设备进行任何改造，就能提高锅炉运行效率、降低n o x 排 放的效果。 人工智能技术，尤其是神经网络、支持向量机、遗传算法等方法的出现为锅炉燃烧系统的研究 提供了一条崭新的思路。电站锅炉燃烧是由燃料燃烧、传质、传热、流动等热工过程组成的，是一 个十分复杂的物理化学过程，是典型的多输入、多输出非线性系统，而利用神经网络或支持向帚机 可以在不清楚燃烧过程内部机理的情况下对燃烧系统建模，并利用遗传算法进行参数寻优，以指导 燃烧运行调整。 2 0 世纪9 0 年代以来，国内外不少学者将人工神经网络和遗传算法应用于锅炉燃烧系统优化运行， 在这方而进行了广泛和深入的研究，取得了一些成果。k f r e i n s c h m i d t ( 1 9 9 1 美国) 采用神经网络方 法对电站锅炉进行了仿真研究，同时指出神经网络方法在电站锅炉控制中具有广阔的应用前景【6 】； m h u n t 等( 1 9 9 4 ，美国) 采用人工智能方法对一台6 5 0 m w 机组的热效率、污染物排放及维修状况 进行了在线诊断，结果使锅炉热效率得到提高，n o x 的排放量得到降低【7 】：r c b o o t h 等( 1 9 9 8 ， 美国) 采用神经网络方法对一台4 0 0 m w 的锅炉进行了燃烧优化控制，结果锅炉热效率提高0 5 ， n o x 的排放量降低2 0 2 5 t 引。国内，浙江大学热能工程研究所周剥9 】等人采用b p 人工神经网络对某 台3 0 0 m w 锅炉飞灰含碳量特性进行建模，建寺锅炉热效率和锅炉相关运行参数f 一、二次风门开度、 燃尽风门开度、煤质、负荷) 之间的关系，设定锅炉热效率为优化目标，利用普通遗传算法进行寻优 计算，实现了锅炉的燃烧优化，东南大学林波提出了遗传算法的p i d 参数整定寻优的方法，基于燃烧 过程的复杂性，采用b p 神经网络来逼近锅炉燃烧过程的复杂的非线性关系，在实际训练中采用了改 进的l - m 算法来加快学习过程，分析了电站燃烧控制中风煤比对锅炉效率和污染物排放的影响，为 优化燃烧控制系统的设计和实现提供了一种新途径【1 0 】；东北大学李智采用r r b f 网络建立锅炉燃烧 系统模型，结合电站锅炉热效率计算公式，提出了一种模块化的锅炉燃烧系统r b f 神经网络组合模 型，给出了一种r b f 神经网络的在线学习算法，结合模型特点提出了一种基于r b f 隐含层节点中心 的启发式实数编码遗传算法，该算法改进了种群初始化和变异操作的方法，使得寻优的收敛速度、 寻优结果的稳定性都有了显著的提高，并基于具有在线学习能力的锅炉燃烧系统i 强f 神经网络组合 模型和启发式的实数编码遗传算法，开发了一套锅炉燃烧优化系统1 3 j 。 2 0 世纪9 0 年代中期以来，以支持向量机算法为代表的机器学习方法得到了空前的关注，国内外 很多学者从事这方面的研究t 作，支持向量机算法的优良性能在短短十年时间内得到了广泛的应用， 从最初的线性分类，到各种模式分类问题，以及在回归分析方而都有出色的表现。v a p n i k i 最初提 出支持向量机算法时是在数字识别问题上进行算法测试；m u l l e r 等人1 1 2 谰支持向量机算法进行了时 间序列预测研究，并与径向基函数神经网络算法在两个数据集上进行了比较，预测精度得到了较大 提高：l e e b 3 1 介绍了支持向量机算法在数据挖掘中的应用；c h i 锄g 等人【1 4 】采用s v m 进行了故障诊断 方面的研究；g o e t h a l s 等人【i5 】采用最d , - 乘支持向量机算法对多输入、多输出模型辨识问题进行了研 究；s y k e n s l l 6 1 采用最小二乘支持向量机算法进行了最优控制研究。国内，邓乃扬m 】系统介绍了支持 向量机算法在数据挖掘中的应用：浙 r 亡大学王春林等l 】8 j 采用支持向量机方法对锅炉n o x 排放进行了 建模和研究；黄景涛l9 1 对支持向量机算法在电站锅炉系统中的应用进行了探讨，以再热汽温建模为 例说明了支持向量回归算法在建立数据模型上的有效性，为解决某电站锅炉再热汽温偏差提供了参 考和依据。 目前研究电站锅炉燃烧系统优化运行技术，一般都分两个步骤进行，首先是建立燃烧系统模型， 其次是对模型的最优化处理。实现锅炉燃烧优化首要解决的问题是建立燃烧系统模型，由于锅炉炉 内煤粉燃烧过程极其复杂，无法用常规方法建立燃烧系统模型，因此必须寻找新的方法，本文拟尝 试利用人工神经网络和支持向量机算法对其进行建模；实现锅炉燃烧系统优化运行的另一个关键技 术是模型的参数寻优。锅炉燃烧的各种设定工况如一次风量、二次风量、二次风分配、氧量、磨煤 机通风等多种因素对锅炉燃烧的安全性、稳定性、经济性以及污染物排放都有直接的影响，因此锅 炉燃烧系统的寻优问题足一个多变量、大延迟、非线性问题，本文拟尝试利用遗传算法对建立的模 2 第一章绪论 型的参数进行优化，以给出合理的优化运行方案。 1 3 本文的主要研究内容 本文以某6 0 0 1 哪超l 晦界机组的锅炉为研究对象，在对锅炉燃烧系统运行优化技术进行机理分析的 基础上，利用人工神经网络和支持向量机建立锅炉燃烧特性综合模型，并利用遗传算法进行参数寻 优。本文的丰要研究内容如下： 第一章主要介绍课题的背景与意义，以及锅炉燃烧运行优化技术的发展与现状，并给出本文的 主要内容。 第二章主要分析燃煤电站锅炉运行优化技术的主要内容，即实现锅炉的高效低污染燃烧。首先 介绍了锅炉热效率的主要计算方法，以及影响锅炉热效率的主要因素，然后介绍煤粉炉燃烧过程中 主要污染物排放的机理以及控制净化技术，对n o x 的生成机理、影响因素以及控制措施进行了重点讨 论，通过对效率和污染物排放的机理分析，为锅炉燃烧特性建模提供依据，同时介绍了与燃烧系统 密切相关的主要辅机设备。 第三章主要是在第二章分析的基础上，利用b p 人工神经网络，建立锅炉燃烧特性的综合模型。 首先介绍人工神经网络以及b p 网络结构，然后对模型输入输出参数的确定、模型样本数据的选取以 及模犁的训练测试过程进行了详细的分析与讨论。 第四章主要是利用支持向量机建立锅炉燃烧特性模型。首先阐述了机器学习的主要思想以及统 计学理论的基本概念，并重点介绍了回归支持向量机理论，然后利用第三章中的样本数据进行建模、 训练测试，并将其训练的过程结果与利用神经网络方法进行比较分析。 第五章主要是利用遗传算法对建立的锅炉燃烧特性神经网络模型进行参数寻优。首先介绍了遗 传算法的基本概念和特点，讨论了优化目标函数和约束条件的确定方法，各算予参数的设计原则， 然后利用确定好参数的算法对模型进行优化，以获得较合理的运行优化值，实现燃烧工况的经济、 稳定。 第六章是全文的结论与展望，对本文的主要内容进行总结，并指出该课题今后值得进一步深入 研究的方向。 3 第二章锅炉燃烧运行优化技术 第二章锅炉燃烧运行优化技术 2 1 概述 锅炉燃烧系统的工作过程如图2 - i 所示【2 们，运输到电厂的原煤，经过初步破碎和除铁、除木屑后， 进入原煤斗，煤从原煤斗靠自重落下，经过给煤机进入磨煤机，磨制成合格的细粉，由预热的空气 和磨好的煤粉按一定的比例混合，经过燃烧器送入炉膛燃烧，使燃料的化学能转化为燃烧产物( 烟 气) 的热能，高温烟气经炉膛依次经过水平烟道和尾部烟道内的各受热面，以辐射和对流的方式与 受热面管内的水进行热量交换，最后的烟气经除尘器除去飞灰后，利用引风机将其通往烟囱，排入 大气。 煤粉制备和输送用的一次风由一次风机供给，一次风由一次风机出来分为两路，一路通过空预 器加热为热风，一路不经空预器为冷风，这两路风经过各自的调节挡板，混合至适当的温度送入磨 煤机，将煤加热和干燥，便于磨制细粉，同时将磨好的煤粉输送到燃烧器，送入炉膛燃烧，这股携 带煤粉的空气称为一次风；冷空气由送风机送到炉膛尾部的空气预热器中，加热后通过燃烧器直接 送入炉膛，主要起混合、扰动、强化燃烧的作用，称为二次风。 原 冷? 一l 次l 煤风i i 热 次 风 制 粉 设 备 及 系 图2 - i锅炉燃烧系统的工作流程图 本文重点讨论的锅炉燃烧运行优化技术主要是通过如何调整运行参数，实现锅炉高效低污染燃 烧和主要辅机电耗增加尽量小的目的，即在d c s 系统的基础上，充分利用锅炉的运行数据，通过采用 人工智能算法，对锅炉的燃烧特性建模和优化，给出可行合理的运行方案，使机组始终处于最佳的运 行工况，随着人工智能技术和先进控制技术在工业上逐步成熟应用，这类燃烧优化技术发展迅猛，成 为很多电厂首选的燃烧优化技术。 2 2 锅炉热效率计算 锅炉效率是反映锅炉运行经济性的一项非常重要的经济技术指标。一般通过不同运行工况下的 热效率试验，并分析试验数据，可以确定锅炉运行的经济性、查找锅炉的热损失根源，找出影响锅 炉运行经济性的主要冈素，以便为运行人员及时进行燃烧调整，使锅炉保持在最佳工况下运行，获 褥尽可能高的经济性提供科学依据。 但由于热力试验周期长，往往不能及时为运行管理人员提供机组当前的运行性能指标和可以改 进的方向，同时对一些节能措施的效果也难以验证，影响了运行人员对机组的运行工况进行优化， 因此，采用新方法实现对锅炉机组的在线性能计算，成为锅炉技术人员和电力工作者日益关注的一 项重要课题。 4 东南人学硕士学位论文 2 1 1 锅炉的热平衡分析 锅炉的热平衡计算是研究锅炉效率的基础，锅炉机组的热平衡是指输入锅炉设备的热量与锅炉 设备输出的热量之间的平衡盔。 输入热量主要是指煤在锅炉中燃烧放出大量的热能，其中绝大部分被锅炉受热面中的工质吸收， 这部分热量称为锅炉的有效利用热爱；但在锅炉运行中，由于各种原因，煤实际上不可能完全燃烧， 而且煤燃烧放 h 的热量也小可能完全得到有效利用，不可避免的要产生一部分热量损失，这部分损 失的热量称为锅炉的热损失，是评价锅炉运行经济性的重要指标。通过热平衡计算就可以看出煤燃 烧产生的热量有多少被有效利用，有多少变为热量损失，这些损失又具体表现在哪些方面，以便找 出热量损失的原因，提出改进措施，进而可以提高锅炉效率，节约能源。 在锅炉稳定的热力状态下，l k g 煤带入锅炉内的热量、锅炉有效利用热量和热损失之间有如下关 系： q = g + q + q 3 + q + q 5 + q 6 ( k j k g ) ( 2 1 ) 式中： q 1 k g 煤带入锅炉内的热量( k j k g ) g 锅炉有效利用热量( k j k g ) q 喇 烟热损失( k j k g ) q 3 化学未完全燃烧热损失( k j k g ) q 机械未完全燃烧热损失( k j k g ) g 锅炉散热损失( k j k g ) q 其他热损失( k j k g ) 将上式两边同时除以输入热量q ，( 一般指煤的应用基低位发热量) ，则锅炉热平衡可用占用热量的 百分比来表示： 1 0 0 = q l + 9 2 + 吼+ 口4 + 9 5 + 9 6 ( 2 2 ) 式中： 绑= q q l o o 川炉热效率 ( ) 铲蚤则o o 一排烟热损失百分率c ， 吼= q q 3 1 o o 化学未完全燃烧热损失百分率 ( ) g 。= q q 4 xl0 0 机械未完全燃烧热损失百分率( ) 吼= q ，q l o o 卅炉散热损失酚率 ( ) 9 62 q q 6 l o o 其他热损失百分率 ( ) 5 第二章锅炉燃烧运行优化技术 锅炉热效率的计算和各项热损失的计算在下一小节中详述。 2 2 2 锅炉热效率计算 锅炉效率是表征锅炉经济运行的主要综合性指标之一，常用的计算锅炉热效率模型有：国内锅 炉原理教科书中的锅炉效率计算模型、火力发电厂技术经济性指标计算中的锅炉效率计算模型、国 家标准电站性能试验规程( g bp t c ) 中的锅炉效率计算模型、美国机械工程师协会电站性能试验规程 ( a s m ep t c ) 中的锅炉效率计算模型，本文主要介绍前两种计算方法。 常用计算锅炉效率的两种方法有正平衡法和反平衡法两种，一种是测定输入热量q 和有效利用 热量q 1 来计算锅炉热效率，称为正平衡求效率法：另一种是通过测定锅炉的各项损失g 来计算锅 炉热效率，称为反平衡求效率法。 门 正平衡求锅炉热效率，按下式计算：r = 旱1 0 0 。 ( 2 - 3 ) 线 以反平衡求锅炉热效率，按下式计算：r = l o o - z q = 1 0 0 一( 9 2 + q 3 + 9 4 + 9 5 + 9 6 ) ( 2 4 ) 正平衡法要求锅炉在比较长时间内保持稳定的运行工况，这在锅炉运行过程中难以做到，另外 对于大型燃煤锅炉机组，尤其是中间储仓式制粉系统，输入热量和有效利用热最相当困难而且不易 测准，因此大多用来确定小型锅炉的热效率，此外，这种方法也不能找出影响锅炉效率的各种原因 和提高热效率的途径。而对于大型电站燃煤锅炉机组，目前常用反平衡法计算锅炉热效率，实际上 是通过试验测定锅炉的各项热损失q ，吼，q 。，q ，和吼，然后代入公式( 2 4 ) 。 2 2 2 1 锅炉原理中的计算方法旧副 ( 1 ) 排烟热损失百分率q 2 煤粉燃烧产生的烟气在经过锅炉最后受热面时，温度一般仍有l i o c 1 6 0 c ，排烟所携带的热 量将排入大气而不能得到利用，这部分热量占输入热量的百分数即是排烟热损失。但排烟的热量并 非全部来自输入热量，其中包括冷空气带入炉内的那部分热量，因此计算时排烟热损失应扣除这部 分热量。故锅炉排烟热损失为： q = ( 一i r k ) ( 1 一而q 4 ) = 【易一a p y v 。( 甜) 雎】( 1 1 - 裔o ) ( k j k g ) ( 2 - 5 ) g：堕x100(2-6) “ q 式中：，排烟焓，按排烟过量空气系数口。和排烟温度来计算， k j k g l 冷宅气焓，k j k g ( c t ) ，。1n m 冷空气焓，k j n m 3 排烟损失是锅炉机组热损失中最大的一项，一般为5 - 1 2 ，由上式可以看出，其大小主要由 排烟温度和排烟量来决定。在常规计算中，烟气量的计算是依据煤的元素分析、按照化学反应方程 进行，所需参数多，计算也比较复杂，并且有些参数现场不具备条件提供，因此排烟损失无法实现 在线计算，因此在实际计算中一般用简化的拟合公式，如东南大学张小桃等人幢副提出一种基于拟合 公式的实用方法，利用煤的低位发热量、烟气的含氧量和冷空气参考温度来计算排烟损失。 6 东南大学硕 ：学位论文 铲詈吣啦讪( 。刊1 0 似 + 警池+ o o l x ( k 嘶吲) ( 矿协1 0 0 式中： q ，燃煤带入锅炉内的热量( 低位) ( k j k g ) ； f 排炯温度( ) ；t , k 冷空气参考温度( ) ； 2 丽0 2 ，一过量空气系数；q 一省煤黜口氧量( ) k ：+ 旦：；o 6 + 旦l 0 0 5 6 700 2 3 3 7 k 2 9 903 0 3 1 0 0 01 0 0 0 岛= o 9 。o - 0 0 1 6 3 急0 0 0 ；缸= o 0 1 3 9 + 0 0 0 8 9 旦1 0 0 0 1 ( 2 ) 化学未完全燃烧热损失百分率吼 ( 2 - 7 ) 化学未完全燃烧热损失又称可燃气体不完全燃烧热损失，主要指锅炉排烟中残留的可燃气体如 c o 、h e 、c h 4 和重碳氧化合物q 以等未放出其燃烧热而造成的热损失。一般烟气中巳以含 量极少，可略去不计，故化学未完全燃烧热损失主要是指一氧化碳朱完全燃烧热损失。 9 3 = 2 3 6 ( c y + 0 3 7 5 s y 丽c o 丁1 0 0 - q 4 ( 2 8 ) 式中：尺a 炉膛出口处烟气二氧化碳和二氧化硫含量的体积百分数 由于电站锅炉排烟中的一氧化碳含量很少，煤粉炉中9 3 一般不超过0 5 ，在实际计算中，有 时也可以认为吼等于零。 化学未完全燃烧热损失与燃料性质、炉膛过量空气系数、炉膛结构以及运行工况等因素有关。 在炉膛结构一定和煤种确定的情况下，吼就主要与炉膛出口处的过量空气系数有关。实际上，炉膛 过量空气系数的大小和燃烧过程的组织方式直接影响炉内可燃气体与氧气的混合工况，所以它们与 未完全燃烧损失密切相关。若过量空气系数过小，可燃气体将得不到充足氧气而无法燃尽；若过大， 又会使炉内温度降低，不利于燃烧反应的进行，因此应根据燃料性质和燃烧方式取用合理的过量空 气系数。 ( 3 ) 机械未完全燃烧损失百分率吼 机械未完全燃烧损失主要是指部分固体燃料颗粒在炉内未能燃尽就被排出炉外而造成的热损 失。这些未燃尽的颗粒可能随灰渣从炉膛中被排出，或者经过炉排漏入灰斗中，或以飞灰形式随烟 气逸出，进入除尘器。对于燃煤电站锅炉，主要足由灰渣损失和飞灰损失两部分组成，即： g 。= g 把+ g 朋= 三黯+ 三黠 c 2 9 ， 式中：9 4 舷灰渣损失；吼乃飞灰损失 口 ：灰渣量占燃料总灰量的份额 般取5 第二章锅炉燃烧运行优化技术 口痨飞灰量占燃料总灰量的份额 一般取9 5 c b 灰渣中可燃物含量的质量百分数( 灰渣含碳鼍) c m 飞灰中可燃物含量的质量卣分数( 飞灰含碳鼍) 彳y 应用基灰分 ( 注释：通常认为灰渣和飞灰中残留的可燃物为纯碳，取其发热量为3 2 7 0 0 k j k g ) 机械未完全燃烧损失也是燃煤电站锅炉主要损失之一，通常仅次于排烟热损失。燃料性质、炉 膛过量空气系数、炉膛结构以及运行工况等因素均影响其大小，般来说，燃煤的挥发份越高，灰 分越少；煤粉越细，此项损失越小；过量空气系数减小，一般会使机械未完全燃烧损失增大。对于 固体排渣煤粉炉q 。约为0 5 - 5 ，其中落入灰斗中的灰渣只占入炉总灰量的很小部分，所以由灰渣 中可燃物造成的机械未完全燃烧损失通常仅有0 5 - 1 o ，绝大部分机械朱完全燃烧损失是由飞灰 中的可燃物即飞灰含碳量造成的，但目前尚无有效的方法进行在线的准确测量，般都采用通过建 立模型进行软测最。 ( 4 ) 锅炉散热损失百分率玑 锅炉运行时，炉墙、金属构架、管道、联箱以及其他附件的外表面温度高于周围环境温度，这 样就不可避免的通过自然对流和辐射向周围散热，这个热量损失即是散热损失。其大小主要与锅炉 实际负荷有关，散热面积的大小、管道的保温以及周围环境温度也对其有影响。般可以近似的认 为散热损失与实际负荷成反比变化，可用下式确定： d 吼= 吼詈 ( 2 一l o ) 上， 式中：吼锅炉额定负荷下的散热损失； d 。娟炉额定蒸发量，t h ；d e 瑚炉实际蒸发量，t h 由于散热损失的测董在一般情况下是非常困难的，所以一般锅炉额定负荷下的散热损失玑都是 利用额定蒸发最与散热损失的关系图所示的经验曲线来台取。 ( 5 ) 其他热损失百分率吼 锅炉的其他热损失是指灰渣带走的物理热损失g 。舷和冷却热损失g 。叼。 q 6 = q 6 垃4 - q 6 幻 ( 2 一1 1 ) 对于大型电站锅炉来说，这部分占整个热损失的比例相对较小，通常取吼= 0 3 。 通过分析锅炉各项损失可以发现，利用排烟温度、省煤器出口氧量、冷空气参考温度、飞灰含 碳量、炉渣含碳量、发电机组负荷等运行监控参数，再通过对燃煤的低位发热最、收到基灰分等燃 煤工业分析，可以通过模型来计算锅炉的热效率，且满足电站锅炉燃烧系统优化运行的需要。相应 的，这些参数也正是影响锅炉效率的主要因素。 2 2 2 2 火力发电厂技术经济指标计算方法心引 ( 1 ) 排烟热损失 门 口，= 丝x 1 0 0( 2 一1 2 ) q ， q 2 = q 2 + q 2 2 d ( 2 1 3 ) q 2 y c p ( 曰一矿) 幺2 。；：。c 卵：。( 一0 ) 8 ( 2 - 1 4 ) ( 2 - 1 5 ) 东南人学硕士学位论文 式中： q 2 9 y 干烟气带走的热量，( k j k g ) ；q 2 2 0 媚气所含水蒸汽的显热，( k j k g ) ； 每千克燃料燃烧生成的实际干烟气体积，( m 3 k g ) ： ，d 每千克燃料燃烧产生的水蒸汽及相应空气湿分带入的水蒸汽体积，( 3 k g ) ； 排烟温度，( ) ：0 送风温度，( ) ； c p p y 干烟气从f 。至臼的平均定压比热，( k j ( k g 。k ) ) ； c p h ：。水蒸汽从，。至口缈的平均定压比热，( k j ( k g 。k ) ) 。 如果采用燃料的元素分析对排烟热损失进行计算，应参照g b l 0 1 8 4 中的计算方法。如果用燃料 的工业分析进行简化计算，可以按如下计算方法。 实际干烟气体积可以通过下式计算，即： = ( 曙) 。+ 一1 ) ( 曝) 。 ( 2 1 6 ) 式中：( 噶) 。每千克燃料燃烧所需的理论干空气量，( m 3 k g ) ；( 嘭) 。每千克燃料燃 烧产生的理论干烟气量，( m 3 k g ) ；口空气预热器出口的过剩空气系数。 理论干空气量及理论干烟气量用下式计算： ( 喀) 。2 志( k ：既r ) ( 2 - 1 7 ) ( 吧) 。= k 。( 噶) 。 ( 2 1 8 ) x 。、足，可根据燃料的种类及燃料无灰干燥基挥发份的数值在表2 一l 中选取。 表2 - 1 排烟热损失计算系数表 燃料种类无烟煤贫煤烟煤烟煤长焰煤褐煤 ，( )5 1 01 0 2 02 0 3 03 0 - 4 0 3 7 3 7 k l o 9 8o 9 80 9 80 9 8 o 9 80 9 8 尼0 2 6 5 90 2 6 0 80 2 6 2 00 2 5 7 00 2 5 9 50 2 6 2 0 成，( ) 1 32 5 3 52 5 3 53 5 3 43 - 4 烟气中所含水蒸汽容积可用下式计算： v h 2 0 = 1 2 4 等等+ 1 2 9 3 吲曝川 ( 2 - 1 9 ) 式中：玩，燃料收到基氧含量，( ) ；m 。，燃料收到基水分含量，( ) ； 以环境空气绝对湿度，( k g k g ) 。 燃料收到基氢含晕可以在表2 1 中选取，或选取近期的煤质元素分析数值。一般情况下，干烟 气的平均定压比热可以取1 3 8k j ( k g k ) ，水蒸汽的平均定压比热可以以1 5 1k j ( k g k ) ，空气 绝对湿度可以取0 0 1 k g k g 。 ( 2 ) 可燃气体未完全燃烧热损失 可燃气体未完全燃烧热损失是指排烟中可燃气体成分未完全燃烧而造成的热量损失占输入热量 的百分率。对于燃煤锅炉可以忽略。 对于燃油及燃气锅炉可燃气体未完全燃烧热损失的计算应按g b t 1 0 1 8 4 进行计算。 9 第二章锅炉燃烧运行优化技术 ( 3 ) 机械未完全燃烧热损失 机械未完全燃烧热损失是指锅炉灰渣可燃物造成的热量损失和中速磨煤机排出石子煤的热量损 失占输入热量的百分率。 q 4 ：3 3 7 _ 2 - 7 a , , rc+g(2-20) 式中：g 中速磨煤机排出石子煤的热量损失率，( ) ； a 口，燃料收到基灰分含量，( ) ；c 灰渣中平均含碳量与燃煤灰量之比率，( ) 。 萨嚣川。 2 - ， 6 ：竺芷篁堡+ 竺生兰! 生 ( 2 2 2 ) 1 0 0 一q1 0 0 一c 厢 式中：线，中速磨煤机排出石子煤的低位发热量，( k j k g ) ； b ，锅炉燃料累计消耗最，( t ) ； b s z 石子煤的排放量，( t ) ； 口。炉渣灰量占燃煤总灰量的质最含龟百分比，( ) ； 口历飞灰灰量占燃煤总灰量的质量含量百分比，( ) ： c 坛炉渣中碳的质量百分比，( ) ；c 历飞灰中碳的质量百分比，( ) ： 口凸、口历的数值可根据最近灰平衡试验或锅炉性能试验来选取。对于固态排渣煤粉锅炉， 2 l o ，口历= 9 0 ；对于液态排渣煤粉锅炉，a 么= 3 0 - 9 0 ；口薅2 l o o - ；对于燃油及燃气锅炉， 此项损失可忽略。 ( 4 ) 散热损失 锅炉散热损失是指锅炉炉墙、金属结构及锅炉范围内管道( 烟风道及汽、水管道联箱等) 向四 周环境中散失的热量占总输入热量的百分率。热损失值的大小与锅炉机组的热负荷有关，应根据 g b l 0 1 8 4 中的规定选取和计算。 ( 5 ) 灰渣物理热损失 灰渣物理热损失是指炉渣、飞灰排出锅炉设备时所带走的显热占输入热量的百分率： g 。：拿l 掣毕+ 垒氅三垃i ( 2 - 2 3 ) ” q ，l l o o 一吒 1 0 0 c ，l lf 、 式中：屯炉膛排出的炉渣温度，( ) ；气炉渣的比热，( k j ( k g k ) ) ； c 历飞灰的比热，( k j ( k g k ) ) 。 对于固态排渣煤粉锅炉，炉渣温度可以取8 0 0 ：炉渣的比热可以取0 9 6k j ( k g k ) 。鉴于排 烟温度一般介于1 0 0 c 2 0 0 之间，飞灰的比热一般可以取0 8 2k j ( k g k ) 。当燃煤的折算灰分小 于1 0 ( 即4 1 8 7 a , , , s o ， ( 2 - 2 7 ) 氧原子的来源主要是氧在炉内高温离解，在受热面表面催化离解或其他一些反应中生成：当高温烟 气流经水冷壁积灰层时，由于灰中的v 2 0 s 和f e 。0 。的催化作用，也会使s 0 。转化为s o 。；此外，煤中的 硫酸盐c a s o 。热解也会产生s 0 。 c a s 0 。_ c a o + s 0 ， ( 2 - 2 8 ) 热解温度大概为1 0 0 0 ，影响s 0 。生成量的主要因素有燃料中的含硫量，过量窄气系数以及火 焰中心温度等。 任何一种煤的可燃硫部分在煤的燃烧过程中几乎全部和氧燃烧生成s 0 。由此可知，影响s 0 ：、 s o 。的生成丰要因素是燃料中的可燃硫的含量，过量空气系数以及炉内的火焰温度。我国煤种中以 c a s o , 、m g s o 。等硫酸盐形态存在的无机硫很多，s 0 ：的释放温度也很低，在1 2 0 0 c 几乎全部释放，因 此，s o s 生成量主要是与煤的含硫量有关。 2 3 1 3 n o x 的形成机理及影响因素 1 3 第二章锅炉燃烧运行优化技术 煤粉在燃烧过程中，氮氧化物的生成是燃烧反应的一部分，燃烧