史義明,姚友工,蔡正春,常壽兵,江紫薇, 吳運凱,任強強,蘇勝,向軍
(1.華能國際電力股份有限公司海門電廠,廣東 汕頭 515000;2. 沃森能源技術(shù)(廊坊)有限公司,河北 廊坊 065000;3.煤燃燒國家重點實驗室(華中科技大學(xué)),湖北 武漢430074)
為了達(dá)到NOx超低排放目標(biāo),國內(nèi)火電廠普遍進行了空氣分級燃燒的鍋爐低氮燃燒技術(shù)改造[1-5],低氮燃燒改造后爐膛NOx排放質(zhì)量濃度得到較好控制,但由于爐膛主燃區(qū)貧氧造成以CO為代表的還原性氣體體積分?jǐn)?shù)的增加,容易引起燃料燃燒不充分而降低鍋爐效率。實際鍋爐低氮燃燒運行中,鍋爐效率與爐膛NOx排放之間存在明顯的矛盾,如何有效地平衡兩者之間的矛盾,是目前鍋爐高效、經(jīng)濟、環(huán)保運行研究的熱點。
在實際的鍋爐燃燒運行中,運行人員往往由于缺少監(jiān)測手段,無法及時了解鍋爐燃燒狀態(tài)變化,很難實現(xiàn)對鍋爐運行狀態(tài)及時有效調(diào)節(jié)[6-13],無法兼顧鍋爐低氮排放與高效燃燒。開發(fā)有效監(jiān)測手段以及建立科學(xué)合理的燃燒優(yōu)化指導(dǎo)模型是平衡鍋爐高效燃燒與低氮排放這對矛盾的有效途徑。目前研究表明[14-16]:采用低氮燃燒方式運行后,鍋爐各項熱損失和尾部CO體積分?jǐn)?shù)存在強烈的相關(guān)性,其中排煙熱損失q2隨著CO體積分?jǐn)?shù)的增大而減小,化學(xué)熱損失q3和機械熱損失q4隨著CO體積分?jǐn)?shù)的增大而增大,從而顯著影響鍋爐效率;同時,CO體積分?jǐn)?shù)還能側(cè)面反映出爐內(nèi)風(fēng)粉配比和局部燃燒情況好壞,用于調(diào)節(jié)鍋爐運行狀態(tài)以降低煙氣 NOx質(zhì)量濃度。目前的研究多集中在利用CO體積分?jǐn)?shù)與鍋爐效率或NOx質(zhì)量濃度的關(guān)系來設(shè)法提高鍋爐效率或降低煙氣NOx質(zhì)量濃度[17-18],對同時考慮CO體積分?jǐn)?shù)與鍋爐效率和NOx質(zhì)量濃度的關(guān)系對鍋爐運行狀態(tài)進行調(diào)整的綜合研究較少;此外,由于煙道漏風(fēng)影響,利用尾部氧量(體積分?jǐn)?shù))反映鍋爐整體燃燒狀況存在較大誤差。因此亟需建立基于尾部CO/O2雙參量調(diào)節(jié)的鍋爐燃燒優(yōu)化模型,對鍋爐運行狀態(tài)進行及時有效調(diào)整,從而實現(xiàn)鍋爐的高效、低氮燃燒。
本文以某電廠1 000 MW燃煤鍋爐為研究對象,通過在鍋爐尾部煙道加裝CO在線監(jiān)測系統(tǒng),并基于鍋爐長期歷史運行數(shù)據(jù)進行分析與挖掘,建立基于CO/O2雙參量調(diào)節(jié)的鍋爐燃燒優(yōu)化系統(tǒng),提出鍋爐實際運行的燃燒優(yōu)化方式及策略。
某電站1 000 MW鍋爐為高效超超臨界參數(shù)變壓直流爐,采用單爐膛、一次中間再熱、平衡通風(fēng)、運轉(zhuǎn)層以上露天布置、固態(tài)排渣、全鋼構(gòu)架、全懸吊結(jié)構(gòu)π型鍋爐,鍋爐型號為DG3000/26.15-,燃燒器采用前后墻對沖分級燃燒技術(shù)。在爐膛前后墻分3層布置低NOx旋流式HT-NR3煤粉燃燒器,每層布置8只,全爐共設(shè)有48支燃燒器,前后墻各布置24只。在前后墻距最上層燃燒器噴口—定距離布置燃盡風(fēng)噴口,且每層10個。
鍋爐效率決定了燃燒所需燃料量,表現(xiàn)為燃煤發(fā)電系統(tǒng)的燃料運行成本;而鍋爐排放的NOx質(zhì)量濃度影響了煙氣脫硝系統(tǒng)NH3等脫硝介質(zhì)使用量,表現(xiàn)為脫硝運行成本。為了實現(xiàn)鍋爐效率與NOx排放綜合優(yōu)化,必須保證燃料運行成本與脫硝運行成本的兩者之和(即綜合成本)獲得最低值。考慮到鍋爐效率和爐膛NOx排放質(zhì)量濃度均與鍋爐尾部CO/O2的排放體積分?jǐn)?shù)存在明顯的關(guān)聯(lián)性,可以建立基于尾部CO/O2排放體積分?jǐn)?shù)與綜合成本之間的關(guān)聯(lián)模型,并根據(jù)模型計算出綜合成本最低時所對應(yīng)的CO體積分?jǐn)?shù)優(yōu)化值。通過對鍋爐尾部CO/O2排放體積分?jǐn)?shù)實時監(jiān)測和調(diào)整優(yōu)化,將尾部CO體積分?jǐn)?shù)調(diào)至優(yōu)化值,從而平衡鍋爐效率與NOx排放質(zhì)量濃度之間的矛盾。其中,燃料成本模型綜合考慮了鍋爐效率、汽輪機效率以及管道效率。
鍋爐爐膛NOx排放質(zhì)量濃度對燃煤電廠煙氣選擇性催化還原(selective catalytic reduction,SCR)脫硝過程經(jīng)濟性有直接影響,鍋爐煙氣SCR脫硝過程主要的成本有運行成本和檢修維護成本等。運行成本主要指的是燃煤電廠SCR脫硝裝置在正常運行狀態(tài)下所產(chǎn)生的各項生產(chǎn)支出類型的成本,主要包括以下費用[19]:還原劑費用、電費、水費、蒸汽費和人工費。檢修維護成本主要指的是維持燃煤電廠SCR 脫硝系統(tǒng)保持正常運行的各種維護費用支出,主要包括[20]催化劑更換費用和檢修維護費用等。上述燃料運行成本與脫硝運行成本之和定義為綜合經(jīng)濟指標(biāo)[21],即:
C=Ccoal+CNOx,
(1)
(2)
(3)
式中:C為綜合成本;Ccoal為燃料成本;CNOx為脫硝成本;ηgl,max為某一穩(wěn)定運行負(fù)荷下鍋爐最高效率;ηgl為當(dāng)前鍋爐效率;B0為最高效率下對應(yīng)的燃料量,t/h;Sc為煤價,元/t;t為該負(fù)荷全年運行時長,h;DNOx,n為負(fù)荷n下當(dāng)前NOx質(zhì)量濃度,mg/m3;DNOx,min為該負(fù)荷下最低NOx質(zhì)量濃度,mg/m3;B為當(dāng)前燃料量,t/h;Vgy為當(dāng)前1 kg煤不完全燃燒的干煙氣體積,m3/kg;Vgy,0為最低煙氣NOx含量下1 kg 煤不完全燃燒的干煙氣體積,m3/kg;CP為單位脫硝成本,元/kg;P為有功功率,kW。
以綜合成本作為對鍋爐效率與NOx生成耦合評價的定量經(jīng)濟指標(biāo),從而構(gòu)建相應(yīng)的燃燒優(yōu)化模型;該模型與鍋爐尾部CO /O2的排放特性存在顯著相關(guān)關(guān)系,因此可以對鍋爐長期歷史運行數(shù)據(jù)進行深入分析與數(shù)據(jù)挖掘,建立基于CO/O2雙參量調(diào)節(jié)的鍋爐燃燒優(yōu)化模型和系統(tǒng),提出鍋爐實際運行的燃燒優(yōu)化方式及策略,研究中使用的詳細(xì)模型見文獻[21-24]。
研究過程中采用的CO在線監(jiān)測裝置型號為Walsn CEA-100,主要是以新型電化學(xué)方法為主的煙氣CO體積分?jǐn)?shù)在線監(jiān)測系統(tǒng)。系統(tǒng)由探頭單元、反吹單元和分析單元等組成。傳感器將CO體積分?jǐn)?shù)轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的電信號,再將此電信號處理為模擬信號輸出[25-26],該CO監(jiān)測儀的結(jié)構(gòu)示意如圖1所示。該套分析儀能夠滿足大量程CO體積分?jǐn)?shù)測量(0~4 ×10-3,最大到1×10-1),精度為±1%測量值,分辨率1×10-6,零點漂移小于等于2×10-5,每月的量程漂移小于2%測量值,且線性度、重復(fù)性好、靈敏度高、雙傳感器設(shè)計,增強了樣氣分析單元的可靠性。
6) 控制回路投用率的管理??焖僬页鐾队寐实突蚩刂菩阅艿拖碌幕芈?,利用PID參數(shù)整定工具優(yōu)化PID參數(shù),或根據(jù)儀表、回路、控制閥診斷的結(jié)果,維護與優(yōu)化相關(guān)控制回路,保證控制回路投用率。
圖1 CO監(jiān)測儀結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Structure of CO monitor
燃燒優(yōu)化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。燃燒優(yōu)化系統(tǒng)在鍋爐尾部煙道增設(shè)了4套CO在線監(jiān)測裝置,左、右煙道各2套,布置位置與原有O2體積分?jǐn)?shù)監(jiān)測裝置位置靠近,如圖3所示,用于實時監(jiān)測尾部CO的生成體積分?jǐn)?shù)。燃燒優(yōu)化系統(tǒng)基于鍋爐熱效率以及爐膛出口NOx排放綜合經(jīng)濟指標(biāo)優(yōu)化值,輸出鍋爐總氧量,從而實現(xiàn)對鍋爐燃燒優(yōu)化的調(diào)整與指導(dǎo)。
DCS—離散控制系統(tǒng),distributed control system 的縮寫。
圖3 CO在線監(jiān)測裝置測點布置Fig.3 Measuring point layout of CO online monitoring device
煤質(zhì)和負(fù)荷為影響鍋爐燃燒最關(guān)鍵的因素,因此在開展分析時,應(yīng)根據(jù)煤質(zhì)與負(fù)荷對歷史數(shù)據(jù)進行了劃分。首先根據(jù)歷史上的煤質(zhì)化驗工業(yè)分析結(jié)果將煤質(zhì)進行了劃分,總體上劃分為常用煤質(zhì)與非常用煤質(zhì)。分析常用煤質(zhì)發(fā)現(xiàn)該鍋爐長期運行煤質(zhì)較為穩(wěn)定,揮發(fā)分含量大多維持在某一特定范圍內(nèi),因此根據(jù)揮發(fā)分含量劃分為2個常用煤質(zhì):當(dāng)煤質(zhì)收到基揮發(fā)分在24%~30%之間時為煤質(zhì)1;當(dāng)收到基揮發(fā)分在30%~36%之間時為煤質(zhì)2,此外均為非常用煤質(zhì)。鍋爐運行典型負(fù)荷為額定負(fù)荷的50%、75%、100%。進而根據(jù)典型負(fù)荷與常用煤質(zhì)情況對歷史數(shù)據(jù)做一定篩分,劃分6個基本工況。對于所劃分6個基本工況,均對尾部CO體積分?jǐn)?shù)與燃燒特征參數(shù)進行關(guān)聯(lián)性分析,構(gòu)建基于燃料成本與脫硝成本的綜合指標(biāo)與尾部CO體積分?jǐn)?shù)關(guān)聯(lián)性模型;同時建立歷史數(shù)據(jù)庫和實時數(shù)據(jù)庫,以構(gòu)建燃燒優(yōu)化軟件。燃燒優(yōu)化軟件內(nèi)置邏輯如圖4所示。
圖4 燃燒優(yōu)化模型邏輯Fig.4 Logic of combustion optimization model
燃燒優(yōu)化軟件內(nèi)置3個模型,分別為實時計算模型、優(yōu)化模型和非優(yōu)化模型。實時計算模型主要實時計算鍋爐效率、鍋爐各項熱損失和各項成本;優(yōu)化模型針對計算模型結(jié)果進行優(yōu)化計算,得出目標(biāo)尾部CO體積分?jǐn)?shù);非優(yōu)化模型的建立則是基于電站鍋爐最為重要的安全性考慮,當(dāng)鍋爐負(fù)荷低于50%額定負(fù)荷時存在熄火風(fēng)險,當(dāng)處于非常用煤質(zhì)時則存在潛在未知風(fēng)險(熄火、結(jié)渣和設(shè)備腐蝕),為了深入保護鍋爐燃燒的穩(wěn)定性與安全性,在上述基礎(chǔ)上對尾部氧量同樣做出了限制。
燃燒優(yōu)化軟件主操作界面如圖5所示。除目標(biāo)值為燃燒優(yōu)化模型計算所得,其余所有實時數(shù)據(jù)均為現(xiàn)場采集數(shù)據(jù)。電廠運行人員根據(jù)實際情況可選擇自動或手動模式:當(dāng)選擇手動模式時,軟件不直接進行控制,只是顯示指導(dǎo)建議,但運行人員可根據(jù)界面上的操作建議手動調(diào)節(jié)燃燒系統(tǒng)的風(fēng)門開度等裝置,使實時CO體積分?jǐn)?shù)逐漸達(dá)到對應(yīng)目標(biāo)濃度值,完成優(yōu)化,即開環(huán)模式;當(dāng)選擇自動模式時,生成指令直接調(diào)節(jié)風(fēng)門開度,即閉環(huán)控制。
圖5中:左側(cè)“CO實時體積分?jǐn)?shù)”一欄中“左省1”“左省2”“右省1”“右省2”分別用于實時顯示裝于鍋爐尾部省煤器出口處的CO測量裝置所測讀數(shù);有功功率、總?cè)剂狭俊⒖傦L(fēng)量和反應(yīng)器入口NOx質(zhì)量濃度均為電廠DCS系統(tǒng)中實時值;飛灰含碳量和爐渣含碳量都為電廠監(jiān)測值;排煙熱損失q2、化學(xué)熱損失q3、機械熱損失q4、鍋爐效率的實時值和目標(biāo)值均為軟件內(nèi)部動態(tài)鏈接庫計算所得;省煤器出口氧量、爐膛出口CO平均體積分?jǐn)?shù)、反應(yīng)器入口平均NOx質(zhì)量濃度目標(biāo)值為動態(tài)鏈接庫建模尋優(yōu)得到的最優(yōu)值;“指導(dǎo)建議”一欄根據(jù)模型給出的目標(biāo)值結(jié)果,通過調(diào)節(jié)風(fēng)機風(fēng)壓在系統(tǒng)界面顯示“增大風(fēng)壓”“減小風(fēng)壓”“尾部總氧量正常不做風(fēng)壓調(diào)整”這幾項內(nèi)容;同時在“氧量偏置”一欄給出調(diào)整后目標(biāo)氧量與實時氧量的比值。通過構(gòu)建的燃燒優(yōu)化模型實時計算尾部出口氧量、爐膛出口CO平均體積分?jǐn)?shù)、爐膛出口平均NOx質(zhì)量濃度和各項燃燒熱損失及鍋爐效率并實時顯示,最終給出燃燒優(yōu)化指導(dǎo)建議和控制量的偏置值。
圖 5中:按鈕“煤與飛灰”包含電廠所用煤質(zhì)與飛灰信息,該數(shù)據(jù)為在運行人員手動輸入電廠的數(shù)據(jù)系統(tǒng)后,由燃燒優(yōu)化模型專用數(shù)據(jù)庫讀取得到,主要有煤質(zhì)參數(shù)空干基揮發(fā)分、固定碳、水分、灰分、硫、低位發(fā)熱量和收到基水分;飛灰參數(shù)主要有兩側(cè)飛灰含碳量、爐渣含碳量等。輸入完成自動存入數(shù)據(jù)并傳送至動態(tài)鏈接庫進行下一步計算。按鈕“參數(shù)設(shè)置”,用于運行人員輸入煤價和氨價,輸入完成自動存入數(shù)據(jù)并傳送至動態(tài)鏈接庫以便進行成本計算。燃燒優(yōu)化軟件具備歷史數(shù)據(jù)庫查詢功能,可根據(jù)需求自主選擇存入歷史庫的數(shù)據(jù)查詢和顯示。查詢時,可對范圍數(shù)據(jù)查詢并以時間為橫軸顯示;此外,通過歷史數(shù)據(jù)查詢后可根據(jù)要求進行歷史數(shù)據(jù)導(dǎo)出分析。
圖5 燃燒優(yōu)化軟件主操作界面Fig.5 Main operation interface of combustion optimization software
基于構(gòu)建的燃燒優(yōu)化系統(tǒng)給出的建議指導(dǎo)及參數(shù)值,進行鍋爐現(xiàn)場燃燒優(yōu)化調(diào)整試驗,試驗時煤質(zhì)特性見表1。
表1 試驗煤質(zhì)特性Tab.1 Coal properties
分別在1 000 MW、750 MW、500 MW負(fù)荷下,維持制粉系統(tǒng)及鍋爐主要運行參數(shù)不變,保持鍋爐穩(wěn)定運行4 h左右。分別在燃燒調(diào)整前后,實測SCR進口及空預(yù)器出口煙氣含氧量、排煙溫度、煙氣中NOx質(zhì)量濃度、煙氣中CO體積分?jǐn)?shù),記錄大氣條件及鍋爐主要運行參數(shù),采集原煤、飛灰、爐渣等樣品縮分并密封保存化驗,計算分析鍋爐熱效率以及爐膛出口NOx質(zhì)量濃度情況。
在1 000 MW負(fù)荷工況下,燃燒優(yōu)化系統(tǒng)給出氧量建議值為2.84%,指導(dǎo)建議為增大風(fēng)壓及增大二次風(fēng)機電流直至尾部氧量為建議值。燃燒調(diào)整前后測試結(jié)果見表2。
表2 1 000 MW負(fù)荷下省煤器出口截面煙氣成分?jǐn)?shù)據(jù)匯總Tab.2 Summary of flue gas composition data of the economizer outlet section under 1 000 MW
由表2可知:在1 000 MW負(fù)荷工況下,省煤器出口NOx排放質(zhì)量濃度為139 mg/m3,與燃燒調(diào)整前試驗數(shù)據(jù)相比,省煤器出口NOx排放質(zhì)量濃度降低33 mg/m3。省煤器出口CO排放體積分?jǐn)?shù)為483 μL/L,與燃燒調(diào)整前試驗數(shù)據(jù)相比,省煤器出口CO排放體積分?jǐn)?shù)降低2 054 μL/L。鍋爐熱效率、進風(fēng)溫度偏差和給水溫度偏差按照有關(guān)規(guī)程進行修正,計算結(jié)果見表3。
由表3可知:1 000 MW負(fù)荷工況下,調(diào)整后的實測鍋爐熱效率為94.21%,與燃燒調(diào)整前鍋爐熱效率相比提高約0.53%。
表3 1 000 MW負(fù)荷下鍋爐效率計算匯總Tab.3 Summary of boiler efficiency under 1 000 MW
在750 MW負(fù)荷工況下,燃燒優(yōu)化系統(tǒng)給出的氧量建議值為3.71%,指導(dǎo)建議為增大風(fēng)壓,增大二次風(fēng)機電流直至尾部氧量為建議值;同時輸出了參數(shù)調(diào)整后,鍋爐預(yù)期能夠達(dá)到的優(yōu)化鍋爐效率,如圖6所示。燃燒調(diào)整前后測試結(jié)果見表4。
圖6 750 MW燃燒調(diào)整前系統(tǒng)主界面Fig.6 Main operation interface before combustion adjustment under 750MW load
表4 750 MW負(fù)荷下省煤器出口截面煙氣成分?jǐn)?shù)據(jù)匯總Tab.4 Summary of flue gas composition data of the economizer outlet section under 750 MW load
由表4可知:在750 MW負(fù)荷工況下,調(diào)整后省煤器出口NOx排放質(zhì)量濃度為115 mg/m3,與燃燒調(diào)整前試驗數(shù)據(jù)相比,省煤器出口NOx排放質(zhì)量濃度降低23 mg/m3;省煤器出口的CO排放體積分?jǐn)?shù)為178 μL/L,與燃燒調(diào)整前試驗數(shù)據(jù)相比,省煤器出口CO排放體積分?jǐn)?shù)降低437 μL/L。
鍋爐調(diào)整穩(wěn)定后,燃燒優(yōu)化系統(tǒng)給出運行指導(dǎo)建議為“尾部總氧量正常,不做風(fēng)壓調(diào)整”。鍋爐調(diào)整后綜合燃燒優(yōu)化系統(tǒng)界面如圖7所示,鍋爐熱效率計算結(jié)果見表5。
圖7 750 MW燃燒調(diào)整后系統(tǒng)主界面Fig.7 Main operation interface after combustion adjustment under750 MW load
表5 750 MW負(fù)荷下鍋爐效率計算匯總Tab.5 Summary of boiler efficiency under 750 MW load
由表5可知:750 MW負(fù)荷工況下,調(diào)整后的實測鍋爐熱效率為94.71%,與燃燒調(diào)整前鍋爐熱效率相比提高約0.63%。
在500 MW負(fù)荷工況下,燃燒優(yōu)化系統(tǒng)給出的氧量建議值為4.18%,指導(dǎo)建議為減小風(fēng)壓,減小二次風(fēng)機電流直至尾部氧量為建議值。燃燒調(diào)整前后測試結(jié)果見表6。
表6 500 MW負(fù)荷下省煤器出口截面煙氣成分?jǐn)?shù)據(jù)匯總Tab.6 Summary of flue gas composition data of the economizer outlet section under 500 MW load
由表6可知:在500 MW負(fù)荷工況下,調(diào)整后省煤器出口NOx排放質(zhì)量濃度為128 mg/m3,與燃燒調(diào)整前試驗數(shù)據(jù)相比,省煤器出口NOx排放質(zhì)量濃度降低18 mg/m3;省煤器出口的CO排放體積分?jǐn)?shù)為68 μL/L,與燃燒調(diào)整前試驗數(shù)據(jù)相比,省煤器出口CO排放體積分?jǐn)?shù)升高30 μL/L,但總體排放量較小。鍋爐熱效率計算結(jié)果見表7。
由表7可知:500 MW負(fù)荷工況下,調(diào)整后的實測鍋爐熱效率為94.83%,與燃燒調(diào)整前鍋爐熱效率相比提高0.91%。
表7 500 MW負(fù)荷下鍋爐效率計算匯總Tab.7 Summary of boiler efficiency under 500 MW load
綜上所述,對于該1 000 MW機組鍋爐,參照開發(fā)的基于CO在線監(jiān)測的燃燒優(yōu)化系統(tǒng)輸出的指導(dǎo)建議及參數(shù),對鍋爐進行燃燒優(yōu)化調(diào)整試驗,在各個典型運行負(fù)荷工況下均實現(xiàn)了鍋爐效率的提高和NOx質(zhì)量濃度的降低,保證了鍋爐安全、高效、低污染運行。由于現(xiàn)場試驗條件的限制,采集數(shù)據(jù)有限,燃燒優(yōu)化模型存在一定的局限性;后期會對該模型進一步優(yōu)化,在較長時間內(nèi)比較現(xiàn)場運行結(jié)果,實時給出指導(dǎo)建議,提高該系統(tǒng)的準(zhǔn)確性。
本文構(gòu)建了基于CO/O2在線監(jiān)測的燃燒優(yōu)化系統(tǒng),并通過參照開發(fā)的燃燒優(yōu)化系統(tǒng)輸出的鍋爐運行調(diào)整建議及參數(shù),對鍋爐進行了燃燒優(yōu)化調(diào)整試驗。結(jié)果表明:投入該系統(tǒng)進行燃燒調(diào)整后,不同負(fù)荷下的鍋爐效率都得到提高,同時NOx排放濃度分別實現(xiàn)了一定程度的降低;鍋爐調(diào)整性能試驗結(jié)果與燃燒優(yōu)化系統(tǒng)預(yù)測結(jié)果基本一致,該燃燒系統(tǒng)能夠根據(jù)不同工況和煤種實時給出燃燒優(yōu)化的指導(dǎo)建議,平衡鍋爐的高效燃燒與低氮排放問題,實現(xiàn)鍋爐的經(jīng)濟、高效、環(huán)保運行。