鍋爐的優(yōu)化運行問題

1、鍋爐的優(yōu)化運行問題摘要電站鍋爐是火力電站的三大主機設備之一。基于目前我國的火力電站鍋爐以亞臨界和超臨界大容量鍋爐為主，本題以300MW鍋爐為例。由于設備本身以及操作管理等方面原因，我國與發(fā)達國家有著較大差距，主要表現(xiàn)在高耗煤及熱效率低下，為提高鍋爐效率及節(jié)約有限資源成為我國現(xiàn)狀的當務之急。針對問題一，結合國內外優(yōu)秀的經驗，我們采用了定義算法，推導最佳過量空氣系數表達式，通過對本文數據的研究以及帶入驗證的方法，得到了不同機組負荷下完全燃燒和不完全燃燒的比較可靠的最佳過量空氣系數。針對問題二，通過研究過量空氣系數與影響鍋爐效率的因素，由經驗公式推出過量空氣系數與之間的關系，通過擬合得到，將其轉化為

2、線性的關系。通過先研究過量空氣系數與之間的關系，然后再由反平衡計算鍋爐的效率公式得出鍋爐效率與之間的關系，從而得出各個機組負荷的過量空氣系數與鍋爐效率之間的關系。針對問題三，由于鍋爐運行參數與鍋爐效率之間存在的是非線性關系，所以經過多次擬合鍋爐運行參數得到擬合的表達式，得到了鍋爐運行參數對鍋爐效率的一組擬合數據，得到擬合曲線。再通過比較正反平衡計算鍋爐的效率公式，從而得到鍋爐的運行參數對鍋爐效率的影響。針對問題四，對于鍋爐的優(yōu)化方案以及運行方法，本文提出了關于鍋爐現(xiàn)存的一些問題，改善鍋爐運行參數問題，提高過量空氣系數的最佳值問題，以及改善在生產中外部因素對鍋爐效率的影響。關鍵字：經驗公式 定義

3、算法 多重數據擬合 一、問題重述在現(xiàn)代電站中，反映鍋爐運行狀況好壞的主要性能指標是鍋爐效率。按照中華人民共和國國家標準的電站性能試驗規(guī)程（GB PTC），電廠鍋爐采用反平衡計算鍋爐效率。 在鍋爐的實際運行中，為使燃料燃盡，實際供給的空氣量總是要大于理論空氣量，超過的部分稱為過量空氣量，過量空氣系數是指實際空氣量與理論空氣量之比。過量空氣系數直接影響排煙熱損失、化學不（或可燃氣體未）完全燃燒熱損失、機械（或固體）不完全燃燒熱損失（如圖1）?？梢姡敔t膛出口過量空氣系數增加時，先減少后增加，有一個最小值，與此最小值對應的空氣系數稱為最佳過量空氣系數。以300MW鍋爐為例進行分析（鍋爐參數見附錄1）

4、。由于過量空氣系數對化學不完全燃燒熱損失影響較小，故可視為常數處理。附錄2給出了實測飛灰含碳量與過量空氣系數的關系。請對以下問題進行研究：1確定鍋爐運行的最佳過量空氣系數；2給出鍋爐效率與過量空氣系數的關系；3研究鍋爐的運行參數對鍋爐效率的影響；4探討鍋爐的優(yōu)化運行方法。二、基本假設1、本論文中的鍋爐都是300MW且屬于同一種型號。2、在安全生產的條件下，研究鍋爐運行參數與鍋爐效率之間的關系。3、本論文中排除人為因素的影響且選定的煤質為無煙煤。4、假設三、符號說明符 號含 義碳含量氫含量硫含量氧含量氮含量無機物水分灰分應用基高位發(fā)熱量煙氣含氧量D主汽流量排煙溫度過熱蒸汽壓力過熱蒸汽溫度給水溫度

5、試驗期間平均耗量過熱蒸汽量過熱蒸汽壓力（絕對壓力）過熱蒸汽溫度再熱蒸汽入口壓力（絕對壓力）再熱蒸汽入口溫度再熱蒸汽入口流量再熱蒸汽出口壓力（絕對壓力）再熱蒸汽出口溫度再熱蒸汽出口流量再熱蒸汽減溫水壓力（絕對壓力）再熱蒸汽減溫水溫度再熱蒸汽減溫水流量鍋爐給水壓力（絕對壓力）鍋爐給水溫度給水流量爐底灰渣可燃物爐底排渣率空氣預熱器出口煙氣中二氧化碳含量環(huán)境溫度四、模型的建立與求解4.1問題1 4.1.1問題1的分析：本小題探究的鍋爐運行的最佳過量空氣系數的確定，最佳過量空氣系數直接影響排煙熱損失，化學不（或可燃氣體未）完全燃燒熱損失、機械（或固體）不完全燃燒熱損失。以上各項損失是隨著過量空氣系數的值

6、而變化的，如圖所示。當增加時，燃料同空氣反應機會加大，使化學不完全燃燒熱損失和機械不完全燃燒熱損失減少，卻導致排煙熱損失升高。三項損失的總和為一下凹的曲線，如圖1所示，圖1 過量空氣系數與熱損失的關系曲線其最低點的值即為最佳值。我們可通過經驗公式和過量空氣系數的定義來確定鍋爐運行的最佳過量空氣系數。4.1.2問題1模型建立： 值表示燃料特性系數，一般來說，對于木柴，；對于無煙煤，；對于煙煤，；對于褐煤，；對于重油，；對于天然氣，；對于焦爐煤氣，若忽略燃料中含量較少的硫和氮，則有 分子表示尚未與氧化合的“自由氫”，分母為碳含量?！白杂蓺洹痹蕉啵禂翟酱?。若燃燒完全，即無一氧化碳產生，則 過量空氣

7、系數可根據煙氣分析的結果予以確定。 由于燃料中的氮含量很少，燃燒后燃料釋放出來的氮的容積遠小于煙氣中氮的容積，即。忽略燃料中的氮時，進入爐內的實際空氣量可簡化為煙氣中氮的容積為 所以 同理 于是 當鍋爐完全燃燒時，干煙氣的組成分為，即，于是表示為 當通過煙氣分析測出和之后，便可由上式求得過量空氣系數。由式(1)和式(5)有 由式(2)和式(5)有 對于燃煤鍋爐，數值上是很小的。對于式（6）可以忽略的影響，即可認為 則有 因此，當鍋爐完全燃燒時，過量空氣系數與煙氣中氧的容積成分基本上是對應的。當鍋爐不完全燃燒時，煙氣中的氧即來自過量空氣，也來自理論空氣中由于碳不完全燃燒而未消耗的氧。若不完全燃燒

8、產生中僅考慮時，未消耗的氧的體積份額為，即過量空氣中的氧應為煙氣分析測定的氧減去。因此 此時，干煙氣中氮的容積份額為 有式（3），式（4），式（7）及式（8）得 上式即為確定不完全燃燒時的過量空氣系數表達式。同樣也可確定氣體燃料燃燒的過量空氣系數。4.1.3問題1模型求解：，根據定義運用軟件編寫程序1進行求解（詳見附錄程序1）。由于同一鍋爐不同機組負荷產生的煙氣含氧量和排煙溫度不同，導致求解出的值不同（其中），分別得到鍋爐完全燃燒和不完全燃燒時的值，結果見表1、表2。 表1鍋爐完全燃燒時的最佳參數機組負荷結果298 5.121.3300245.3 5.081.3191215.8 5.881.3

9、889192.3 6.841.4831 表2鍋爐不完全燃燒時的最佳參數機組負荷O2結果298 5.121.2502245.3 5.081.2342215.8 5.881.3388192.3 6.841.4888注：由兩個表可以明顯看出機組負荷不同得到的最佳也不同。4.2問題2 4.2.1問題2的分析：在問題一中，通過運用與鍋爐有關的定義公式得出了過量空氣系數之間的關系，并且得到了鍋爐運行的最佳過量空氣系數。在此題中通過研究過量空氣系數與鍋爐效率之間的關系，我們發(fā)現(xiàn)，過量空氣系數是通過影響排煙熱損失，化學不（或可燃氣體未）完全燃燒熱損失，機械（或固體）不完全燃燒熱損失，散熱損失以及灰渣物理熱損失

10、來間接或者直接影響鍋爐效率。并將其中與過量空氣系數相關的運行參數進行擬合得到鍋爐效率與過量空氣系數之間的關系。4.2.2問題2模型建立：在鍋爐的實際運行中，為了保證進入鍋爐的燃燒的燃料能夠盡可能地完全燃燒，其空氣供給量必須比理論計算空氣供給量多一些，稱實際空氣量與理論空氣量的比值為過量空氣系數。 1.1 過量空氣系數與熱損失的關系 （1）與排煙熱損失的關系 根據經驗公式有 1 式中 排煙空氣溫度，； 環(huán)境溫度，。 排煙熱損失是鍋爐熱損失中最大的一項。在運行中，要盡可能地保證完全燃燒的條件下降低，來提高鍋爐的燃燒效率，從式1可以看出降低就可以降低。 （2）與化學不完全燃燒熱損失的關系 2 又 式

11、中 燃燒特性系數，與燃料種類有關； 煙氣中和的含量； 化學不完全燃燒損失較其他熱損失小，但是對熱效率也是有一定影響的 ，從式2可以看出與和乘積成線性關系。而在正在運行的情況下，若燃料不發(fā)生變化，的量是很小的，基本認為不變，故而可認為與也成線性關系。（3） 和固體不完全燃燒損失的關系 根據經驗公式 3 從式3可以容易看出，的大小不僅和有關，而且和有關，當增加時，分母變大，同時也變大，分子減少，減少，這是由于空氣供給量充足，燃料能充分燃燒。但當過大時，也會最加，這是因為過大，容易造成爐膛溫度降低，輻射換熱量減少，最終排煙溫度增加，所以造成的增加。由鍋爐的反平衡計算鍋爐效率公式為： ， ，其中，額定

12、蒸發(fā)量下的散熱損失；鍋爐的額定蒸發(fā)量，；鍋爐效率測定時的實際蒸發(fā)量， ；其中灰渣物理熱損失即爐渣、飛灰與沉降灰排出鍋爐設備時所帶走的顯熱占輸入熱量的百分率，表達式為，其中由爐膛排出的爐渣溫度，；固態(tài)排渣煤粉爐可取800；由煙道排除的沉降灰的溫度，可取為降灰上部空氣的溫度，；分別表示爐渣、飛灰及沉降灰的比熱，；其中干煙氣比熱容；水蒸氣比熱容；4.2.3問題2模型求解：根據分析并且結合問題一中的過量空氣系數之間的關系，首先可以認為與過量空氣系數之間的關系，進過擬合與與運行參數之間的關系，得到了一個非線性的關于鍋爐效率與過量空氣系數之間的關系：，由得，鍋爐效率為： （備注：由過量空氣系數對不完全燃燒

13、熱損失影響較小，故視為常數即：）。鍋爐有四組機組負荷，所以對應4個效率，如下表示：運用軟件求解出結果：根據上面數據可以得到四組機組負荷鍋爐的效率與過量空氣系數的關系，結果見表3表3鍋爐的效率與過量空氣系數1.11.21.31.41.51.6負荷10.93590.93180.92760.92350.91940.9153負荷20.93750.93350.92950.92550.92150.9176負荷30.94090.93720.93350.92980.92610.9224負荷40.94220.93860.93500.93140.92780.9242從而可以通過軟件繪制出鍋爐效率與過量空氣系數關系

14、圖（圖2） 圖2 鍋爐效率與過量空氣系數關系圖4.3問題34.3.1問題分析：根據問題二的擬合分析與求解可知，對鍋爐效率的影響是通過影響有效利用熱，化學不（或可燃氣體未）完全燃燒熱損失，機械（或固體）不完全燃燒熱損失，以及散熱損失和灰渣物理熱損失。 而的變化主要是受鍋爐運行的主要參數的變化而變化；所以通過運用鍋爐正平衡法計算公式的計算和反平衡計算公式的計算，從而得出，鍋爐效率與鍋爐運行參數之間的關系以及相互之間的影響。 4.3.2問題3模型建立：鍋爐熱效率=被鍋爐有效吸收的總熱量/進入鍋爐的全部熱量*100%正平衡法計算公式：鍋爐熱效率     

15、;      其中， :被鍋爐有效吸收的總熱量；    ：進入鍋爐的全部熱量； 由鍋爐的反平衡計算鍋爐效率公式為： ，由于爐膛出口飛灰含碳量與過量空氣系數關系不是線性的，遂進行最小二乘法來進行多次擬合，得到以下模擬模型4.3.3問題3模型求解： 模型通過五次曲線擬合，運用軟件得出結果：p = -3.3846 25.7622 -77.2705 114.4985 -84.0085 24.5047節(jié)點誤差：y = 0.0590 0.0510 0.0475 0.0460 0.0455 0.04

16、50 0.0445 0.0443 0.0450y2 = 0.0590 0.0510 0.0474 0.0461 0.0455 0.0450 0.0445 0.0443 0.0450并畫出擬合曲線（如圖3） 圖3對預測模型進行均方誤差分析，得出均方誤差為：，表明均方誤差很小，表明擬合效果較好 注：均方誤差（Mean Squared Error, MSE）是衡量“平均誤差”的一種較方便的方法，可以評價數據的變化程度。標準誤差定義為各測量值誤差的平方和的平均值的平方根。設個測量值的誤差為，則這組測量值的標準誤差等于：機組負荷對鍋爐效率的影響，根據問題2中，鍋爐效率與過量空氣系數的關系，計算出不同機組

17、在不同負荷下的關系函數。此時，利用插值法，找出不同機組負荷的相應的相應的過量空氣系數，搭建起機組負荷和鍋爐效率的關系。編寫matlab程序（見附件程序4）計算相應的值（表4）： 表4 1.11.21.31.41.51.6負荷2980.93590.93180.92760.92350.91940.9153負荷245.30.93750.93350.92950.92550.92150.9176負荷215.80.94090.93720.93350.92980.92610.9224負荷192.30.94220.93860.93500.93140.92780.9242計算四種不同負荷下，效率的平均值分別為：

18、 0.9256 0.9275 0.9316 0.9332畫出機組負荷對鍋爐效率關系圖（圖4）： 圖44.4問題4通過對前面問題的建模與求解可知，鍋爐的主要運行參數以及過量空氣系數是主要影響鍋爐效率的因素，針對以上模型的求解及分析，我們可以根據以下幾個途徑來優(yōu)化鍋爐優(yōu)化運行的方法：1、人為作業(yè)大量參與其中，針對鍋爐各個方面出現(xiàn)的問題及時的修整。2、在鍋爐運行中，隨時關閉各個火門孔，減少爐膛負壓以及磨煤機的壓強，一般可以降低排煙溫度23度。3、采取固定的煤質來源，確保鍋爐的運行參數在大環(huán)境下不改變，及時補充及協(xié)調變化參數的大小，始終保持鍋爐安全高效。4、在燃燒器中的配風方式以及燃燒器的運行條件要隨著鍋爐運行參數的變化做及時調整。五、模型評價、改進與推廣1、模型的優(yōu)點：本論文主要圍繞鍋爐效率，過量空氣系數，鍋爐運行參數之間展開，將三者之間的關系較全面地展現(xiàn)在文章中，并且第一二問得出了較好的結果，恰當的處理了二三問之間的銜接。2、模型的推廣：本文中，可將二三問的銜接法運用到更多關于三個量之間的不明顯的隱含的關系，通過中間變量的代替，更方便簡潔的刻畫出相互之間的關系，從而得出需要的結果。3、模型的缺陷和改進：本文最大的優(yōu)點也是最大的缺點，只是深入的研究了關于鍋爐效率，過量空氣系數，以及鍋爐運行參數之間的關系，忽略了大量外在因素對鍋爐效率的影響。并且在模型三中，如果運用RBF網絡神