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电站锅炉燃烧优化中最佳烟气含氧量设定值的计算

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电站锅炉燃烧优化中最佳烟气含氧量设定值的计算 第 34卷第 6期 2007年 l1月 华 北 电 力 大 学 学 报 Journ~of North China Electric Power University Vo1.34,No.6 Nov.,2007 电站锅炉燃烧优化中最佳烟气含氧量设定值的计算 谷俊杰 ,孔德奇 ,高大明 ,刘金魁 (1.华北电力大学 电站设备状态监测与控制教育部重点实验室,河北 保定 071003; 2.山东电力 I 程咨询院,山东 济南 250013) 摘要:合理确定最佳烟气含氧量的设定值是实现燃烧过程优化控制的...
电站锅炉燃烧优化中最佳烟气含氧量设定值的计算
第 34卷第 6期 2007年 l1月 华 北 电 力 大 学 学 报 Journ~of North China Electric Power University Vo1.34,No.6 Nov.,2007 电站锅炉燃烧优化中最佳烟气含氧量设定值的计算 谷俊杰 ,孔德奇 ,高大明 ,刘金魁 (1.华北电力大学 电站设备状态监测与控制教育部重点实验室,河北 保定 071003; 2.山东电力 I 程咨询院,山东 济南 250013) 摘要:合理确定最佳烟气含氧量的设定值是实现燃烧过程优化控制的关键 ,研究了基于烟气含氧量变化的电 站锅炉变工况运行经济分析方法,建立了各热经济性参数在烟气含氧量影响下的变化特性分析计算模型和以 最小供电煤耗率为目标的最佳烟气含氧量偏微分方程,通过求解该方程可以确定电站锅炉不同工况下最佳烟 气含氧量设定值。 关键词:燃烧;优化;烟气含氧量;供电煤耗 中图分类号:Tl<39 文献标识码:A 文章编号:1007—2691(2007)06—0061—05 Calculation of the optimal set value of flue gas oxygen content for the optimization of combustion in power plant boiler GU Jun-jie ,KONG De—qi ,GAO Da—ruing ,LIU Jin—kui (1.Key Laboratory of Condition Monitoring and Control for Power Plant Equipment of Ministry of Education,North China Electric Power University,Baoding 071003,China; 2.Shandong Electric Power Engineering Consulting Institute,Jinan 250013,China) Abstract:The set value of flue gas oxygen content is the key to realize the optimizing control in combustion process. The analysis method of the operation economy in variable operation condition of the boiler based on the variation of flue gas oxygen content was studied.The analysis an d calculation models of the variation characteristic for the boiler’s thermal economy parameters affected by the flue gas oxygen content and the optimal flue gas oxygen content partial differential equation were established.This equation takes the minimization net coal consumption rate as the target function.By solving the equation,the optimal set value of flue gas oxygen content under different load of the power plant boiler can be ascertained. Key words:combustion;optimi zation;flue gas oxygen content;net coal consumption 0 引 言 目前,在电站锅炉运行规程中一般只给出了 额定负荷运行状态下的最佳烟气含氧量设定值, 当机组调峰运行或运行工况发生较大变化时,继 续维持该烟气含氧量设定值运行,会造成锅炉的 各项主要热损失增加,送、引风机运行经济性下 降,甚至使燃烧过程严重恶化,供电煤耗率明显 增加。因此当机组运行工况发生变化时,需要对 收稿日期:2007.03—30 最佳烟气含氧量设定值进行修改,当前通常由运 行人员根据经验进行操作,具有很大随意性,也 很难保证锅炉运行在最佳经济状态下。如何在锅 炉不同负荷和运行工况下既可以保证燃料的充分 燃烧,又可以使燃烧过程中各项热损失以及送、 引风机电耗造成的供电煤耗率增量之和达到最小 的最佳烟气含氧量的确定是实现对电站燃煤锅炉 燃烧过程优化控制,提高锅炉运行经济性的关 键。 维普资讯 http://www.cqvip.com 华 北 电 力 大 学 学 报 2o07年 1 基于烟气含氧量的供电煤耗率分 析计算模型 电站锅炉运行过程中烟气含氧量 O2的变化, 会同时引起灰渣平均含碳量 e、烟气中可燃气体 一 氧化碳含量 CO、排烟温度 f。 和送、引风机总 电耗 w 等热经济性参数的变化,进而通过引起 锅炉热效率 叩 l和辅机设备耗电份额 的变化对 机组供电煤耗率b 产生综合影响,将供电煤耗率 b 表示为各主要热经济性参数的函数,可以得 到 : ,】g=F [ .(()2,C,CO,tpy), (W )j (1) 将式 (1)对烟气含氧量求导,可以得到供 电煤耗率 b 对电站锅炉运行过程中烟气含氧量 O)变化的偏导数关系: 一 f + 迦 + d()2 a gl\ao2。aC ao2。aCO ao2。 1+ 韭 。 a02 a a a02 式中: , 分别为锅炉热效率 r/gi和辅机设备 or/ ,l d0 耗电份额 引起的锅炉供电煤耗率 b 的变化率; , , — , 分别为各热经济性参数0 a 2’ aC ’ aCO’ a ~ ⋯一 _L 一 引起的锅炉热效率 7 l的变化率; 为送、引 风机总电耗 W 引起的辅机设备耗电份额 的变 化率; , , , 分别为运行过程 中烟气含氧量 ()2变化引起的各热经济性参数的 变化率。 式 (2)建立的电站锅炉运行过程中基于烟 气含氧量变化的供电煤耗率定量分析计算模型, 用关系全面深入地反映了电站锅炉运行过程 中烟气含氧量变化引起各热经济性参数变化,进 而通过各热经济性参数影响锅炉热效率 和辅 机设备耗电份额 ,并最终引起供电煤耗率 b 变 化的本质过程。在基于烟气含氧量变化的供电煤 耗率定量分析计算模型的基础上,建立电站锅炉 运行过程中烟气含氧量 影响下主要热经济性 指标的微增量方程,便可以对电站锅炉变工况运 行经济性进行全面深入的定量分析计算,并为电 站锅炉燃料燃烧过程以及变工况运行过程中的优 化调整奠定基础。 2 烟气含氧量影响下主要热经济性 指标的微增量方程 2.1 灰渣平均含碳量对烟气含氧量偏导数的计 算 灰渣平均含碳量对烟气含氧量的偏导数 ae/ ao2的微增量数值: aC ao2 co 2 +AOz 一 . AO2 (3) 式中:eO^+△O^为烟气含氧量设定值变化 △()2后 对应的灰渣平均含碳量;Cn为给定烟气含氧量 设定值对应的灰渣平均含碳量;△O2为烟气含氧 量在给定的设定值附近的微小增量。 由式 (3)可得到烟气含氧量变化下灰渣平 均含碳量的偏导数 ae/a02。 2.2 一氧化碳含量对烟气含氧量偏导数的计算 电站锅炉运行过程中,在燃料不完全燃烧的 情况下生成的烟气中各气体含量与体积之间的比 例关系满足以下关系式: — RO2+ — CO : : f4) RO^ + Vco O^ N 式中:RO2,CO,02,N2为干烟气中三原子气 体 (C02和S02)、一氧化碳、氧气、氮气的容积 含量,%; R ,Vco,VO1,VN , 为于烟气中三 原子气体 (C02和S02)、一氧化碳、氧气、氮气 的体积,m3。 由式 (4)经过计算可得: f 0.21 1 J 。。_9l× (RO2+CO)+0.605C0= 21一 (RO2+O2) (5) f 0.21 1 令 l—— 一0.79V l= J RO , +Vco ‘ j 将代入化简后得: 21—02= (1+ )R02+ (0.605+ )CO (6) 式 (6)即为表示烟气中各气体含量关系的 电站锅炉燃料不完全燃烧方程,其中|8仅与燃料 的收到基各元素含量有关,称之为燃料特性系 维普资讯 http://www.cqvip.com 第 6期 谷俊杰 ,等:电站锅炉燃烧优化中最佳烟气含氧量设定值的计算 数,对于一定的燃料为常数,可以通过燃料的收 到基各元素含量分析结果进行计算。 根据电站锅炉一氧化碳含量变氧量分析计算 模型,烟气中可燃气体一氧化碳 CO含量的计算 公式: cO= (7) 式中:o2为烟气中氧气的容积含量,%;Ro2为 烟气 中三原子 气体 (co2 和 so2 )的容积含 量,%; 为燃料特性系数。 对烟气含氧量求偏导可得: =一丽 1o2 (8) a 0 . 605+ 、 由式 (8)可知,电站锅炉运行过程中一氧 化碳含量对烟气含氧量的偏导数 0(;0 /0o2与燃 料特性系数 口有关,根据燃料的收到基各元素含 量分析结果,即可对偏导数 0(;0 /0o2进行汁算。 但需要注意,此偏导数 0(;0 /002的计算公式 (8)仅适用于烟气中实际一氧化碳含量 CO>0的 情况。当根据一氧化碳含量 CO计算公式 (7)计 算的烟气中一氧化碳含量 CO为负值时,计算公 式 (8)不再适用,此时偏导数 0CO/0o2 的值取 0。 2.3 排烟温度对烟气含氧量偏导数的计算 根据偏导数的性质 /aO2可以表示为 Otpy : . (93 ao2 O ap ao2 、 可得排烟温度对烟气含氧量的偏导数 。 /aO2 为 一 ao2 —— {21.338V (1+K)(1—0.65 . 厂)(tp + 273.15)}/{[ +1.016 1KV~+ 1.016 1(a 一1)(1+K) 。]× 2.35f+ × [21_一 (02—0.5C()一21K)] (10) 在式 (10)中,f=ad/( cI+af),表示烟 气对流传热系数在总传热系数中所占的份额。理 论干烟气体积 、理论空气体积 和理论烟 气体积 可以利用燃料的收到基各元素含量分 析结果进行计算,其他参数在计算中可以视为常 数。给定不同的烟气含氧量设定值,即可以对电 站锅炉变氧量运行过程中排烟温度对烟气含氧量 的偏导数 Ot阿/ao2 进行计算。 2.4送引风机电耗对烟气含氧量偏导数的计算 根据偏导数的性质 OW。 /ao2 可以表示为 鬻=器· ⋯ a a 送引风机电耗对烟气含氧量的偏导数 OW阿/ao2 为 aW a 3 6 10[21 0些2_ 0 21K .× 。 一( 一 .5C:o一 )] 1 + : 鱼 ± I (12) 【】7s】7m,s 】7y】7m,y J 在式 (12)中,理论干烟气体积 可以利 用燃料的收到基各元素含量分析结果进行计算, 其它参数在计算中可以视为常数。给定不同的烟 气含氧量设定值,即可以对电站锅炉变氧量运行 过程中送、引风机电耗对烟气含氧量的偏导数 OW /2o2进行计算。 3 电站锅炉最佳烟气含氧量偏微分 方程 根据最优化控制理论,当供电煤耗率 b 对 电站锅炉运行过程中烟气含氧量 O2变化的偏导 数关系式 (2)右边各项之和等于 0时,可以使 供电煤耗率 b 达到最小值,此时的烟气含氧量 即为最佳烟气含氧量。因此使电站锅炉运行过程 中在不同负荷和运行工况下供电煤耗率 b 达到 最小值的最佳烟气含氧量设定值应满足以下偏微 分方程: 一 O — F — f 迦 坌 色.Otpy\ a】7gl\ao2。OC ao2。aCO ao2 。Otpyao2 堕 :0 f1 1 a∈OW ao2 一 式 (13)即为以最小供电煤耗率 b 为目标 的电站锅炉运行过程中最佳烟气含氧量偏微分方 程。通过求解式 (13),可以确定电站锅炉运行 过程中不同负荷和运行工况下对应的最佳烟气含 氧量设定值,在计算过程中,对于某一负荷,首 先根据初始运行工况下的各热经济性参数计算出 最佳烟气含氧量偏微分方程中的各偏导数,然后 给定不同的烟气含氧量,将烟气含氧量的变化量 乘以各热经济性参数对烟气含氧量变化的偏导数 可以预测计算出各热经济性参数的变化,并利用 3 , , ● - ‘ \ 维普资讯 http://www.cqvip.com 华 北 电 力 大 学 学 报 2007年 各热经济性参数的预测值对各偏导数进行重新计 算,采用逐次逼近的方法使最佳烟气含氧量偏微 分方程中左边各项之和最终为 0,最后一次给定 的烟气含氧量即为所求的最佳烟气含氧量设定值 。 最后通过此烟气含氧量对应的各热经济性 参数的预测值,可以对锅炉燃烧过程优化调节后 的锅炉各热经济性指标和优化效果进行计算分 析。 某台 300 MW 燃煤汽轮发电机组 由 1台 13(31000/170一I型亚临界燃煤锅炉和 l台 N300 — 165/550/550型汽轮机组成。根据电站锅炉最 佳烟气含氧量偏微分式 (13)对电站锅炉不同负 荷下最佳烟气含氧量的设定值进行计算,并将锅 炉热效率和供电煤耗与优化前数据进行比较。锅 炉变工况运行过程的基本参数、偏微分方程求解 过程与计算结果见表 l--3。 表 1 锅炉基本运行参数 Tab.1 Basic operation parameter of boiler 含意与符号 电站锅炉变工况运行数据 表 2 偏微分方程求解过程 Tab.2 Solution process Of the partial differential equation 表 3 最佳烟气含氧量设定值与燃烧过程优化分析 Tab .3 Optimal,set value of flue gas oxygen content and the analysis of the combustion process 根据表 3可得图 l所示的电站锅炉不同负荷 下最佳烟气含氧量设定值曲线: 维普资讯 http://www.cqvip.com 第 6期 谷俊杰,等:电站锅炉燃烧优化中最佳烟气含氧量设定值的计算 65 蓬 咖 缸 蜃 图 1 不 同负荷 下最佳烟 气含氧量设定值曲线 Fig.1 Optimal set value of flue gas oxygen content curve under different load 通过图 1中的不同负荷下最佳烟气含氧量设 定值曲线可以根据机组负荷变化实时调整锅炉运 行过程中最佳烟气含氧量的设定值。 4 结 论 通过求解式 (13),可以确定电站锅炉运行 过程中不同负荷和运行工况下对应的最佳烟气含 氧量设定值。以此值作为锅炉燃烧控制系统中烟 气含氧量校正回路的烟气含氧量设定值,便可以 根据实际烟气含氧量与烟气含氧量设定值之问的 偏差通过送风机 (二次风机)调节进入炉膛的二 次风量,对燃料燃烧过程进行优化调节,使实际 烟气含氧量最终等于最佳烟气含氧量设定值。此 时的二次风量既可以保证燃料的充分燃烧,又可 以使电站锅炉运行过程中不同负荷和运行工况下 各项热损失及送、引风机电耗引起的供电煤耗率 增量之和达到最小,实现电站锅炉的高效经济运 行。 参考文献: [1]李智,蔡九菊,曹福毅.电站锅炉效率在线计算方 法 [J].节能,2005,(3):28—29. 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[10]杨宏民,李建刚,杨小银.电站锅炉排烟热损失计 算研究 [J].电站系统工程,2000,16(2):94-- 95. 附录 : 文中所用符号表示的意义:02烟气含氧量、 e灰渣平均含碳量、CO一氧化碳含量、£。 排烟 温度、W 送、引风机总电耗、叩d锅炉热效率、 辅机设备耗电份额、b 供 电煤耗率、F函数、 F .以 叩d为变量的函数、F∈以 为变量的函数、 gl ’ d导数、a偏导数、CO^+△()^烟气含氧量设定值变 化 Lx02 后对应的灰渣平均含碳量、Co给定烟气 含氧量设定值对应的灰渣平均含碳量、.L x02 烟气 含氧量在给定的设定值附近的微小增量、R(),、 干烟气中三原子气体 (c02 和 s02)容积含量、 N2氮气的容积含量、 R()^、Vco、VO^、VN 干 烟气中三原子气体 (C0,和s02)、一氧化碳、氧 气、氮气的体积、 燃料特性系数、 理论干 烟气体积、 理论空气体积、 理论烟气体 积、K 烟道漏风系数、a。 排烟过量空气系数、 ad烟气对流传热系数、af烟气辐射传热系数、0 传热温差、B锅炉燃煤量、P 二次风压力、P 烟气压力、刁 送风机效率、qm送风机电机传动,s 机械效率、仉引风机效率、~]rll,y引风机电机传动 机械效率、o2"最佳烟气含氧量设定值。 作者简介:谷俊杰 (1959一),男,华北电力大学电站设备 状态监测与控制教育部重点实验室教授,主要从事火电机组的优 化与控制等方面的研究工作。 维普资讯 http://www.cqvip.com
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