王馳

（貴州大學(xué)，貴州 貴陽(yáng) 563100）

由于我國(guó)煤炭資源分布不均衡，各地煤炭的煤質(zhì)差異大，一些使用混雜煤種的火力發(fā)電廠，其鍋爐經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)燃燒不穩(wěn)定、爐膛結(jié)渣、氮氧化物排放超標(biāo)等問(wèn)題，除了影響鍋爐運(yùn)行效率外，也會(huì)縮短其使用壽命、造成環(huán)境污染。在各類鍋爐運(yùn)行的改良方案中，動(dòng)力配煤是一種實(shí)用效果好、操作難度低的方案，因此成為各火電廠優(yōu)化配煤的首選方法。為了達(dá)到預(yù)期的優(yōu)化效果，在動(dòng)力配煤中需要結(jié)合鍋爐實(shí)際情況，做好熱力計(jì)算，在計(jì)算結(jié)果達(dá)標(biāo)之后，再編制優(yōu)化配煤的詳細(xì)設(shè)計(jì)方案，以較低的成本投入，高標(biāo)準(zhǔn)完成鍋爐的配煤優(yōu)化改造。

1 鍋爐熱力計(jì)算實(shí)例

1.1 鍋爐概況

某火力發(fā)電廠2#機(jī)組為600MW 燃煤超超臨界機(jī)組，鍋爐為變壓運(yùn)行螺旋管圈直流爐，燃燒方式為單爐膛燃燒，使用一次中間再熱，配備有干式風(fēng)冷機(jī)械除渣系統(tǒng)。在鍋爐尾部連接2 臺(tái)回轉(zhuǎn)式空氣預(yù)熱器。該鍋爐各項(xiàng)參數(shù)的最大出力工況（BMCR）和額定負(fù)荷（BRL）如表1 所示。

表1 鍋爐基本參數(shù)

1.2 鍋爐汽水系統(tǒng)

該鍋爐的汽水系統(tǒng)包括省煤器、過(guò)熱蒸汽模塊、再熱蒸汽模塊等。鋼管式省煤器位于鍋爐尾部煙道處，將排煙余熱收集起來(lái)之后，對(duì)鍋爐給水進(jìn)行預(yù)加熱。經(jīng)過(guò)加入后的給水，在經(jīng)過(guò)爐膛受熱面時(shí)，能夠大幅度降低吸熱量，從而降低了燃煤熱量損耗，達(dá)到了省煤效果。給水通過(guò)垂直爐膛的加熱后，一部分在高溫作用下轉(zhuǎn)化為水蒸汽。通過(guò)汽水分離器后，將水蒸汽和水分離開(kāi)來(lái)。水流進(jìn)后爐頂管后，進(jìn)入到環(huán)行后煙井包覆管，并且在一級(jí)減溫水的作用下，將溫度降低。之后流入低溫過(guò)熱器、后屏過(guò)熱器、高溫再熱器等一系列設(shè)備。最后從末級(jí)過(guò)熱器流出，并經(jīng)過(guò)高/低壓缸的處理后，排出鍋爐。鍋爐汽水系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成和運(yùn)行流程如圖1 所示。

圖1 鍋爐汽水系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成

1.3 鍋爐熱力計(jì)算模型測(cè)試

鍋爐的熱力計(jì)算要借助于專門的數(shù)學(xué)模型來(lái)完成。而要想保障熱力計(jì)算模型輸出結(jié)果的精確性，需要進(jìn)行模型校正。具體方法是將鍋爐使用時(shí)的一些基本參數(shù)，如燃料特性、鍋爐負(fù)荷等，輸入到對(duì)應(yīng)的鍋爐熱力計(jì)算軟件中。計(jì)算機(jī)完成數(shù)據(jù)處理后，可以得到排煙溫度、鍋爐效率等數(shù)值。技術(shù)人員還能夠從軟件主界面左側(cè)的選項(xiàng)欄中，分別選擇“爐膛”、“屏式過(guò)熱器”、“低溫再熱器”等設(shè)備，查看詳細(xì)的計(jì)算結(jié)果。將所得的熱力計(jì)算結(jié)果，與該鍋爐產(chǎn)品說(shuō)明書上的設(shè)計(jì)值進(jìn)行對(duì)比，觀察兩組數(shù)值的差距，如表1所示。

結(jié)合表2 可以發(fā)現(xiàn)。在鍋爐BMCR 工況下，像過(guò)熱蒸汽出口溫度、鍋爐計(jì)算小了、燃料消耗量等指標(biāo)，其計(jì)算值與設(shè)計(jì)值的誤差較小，在允許的誤差范圍以內(nèi)。說(shuō)明該熱力計(jì)算模型對(duì)火電廠鍋爐具有較為理想的適用性，可以作為優(yōu)化配煤的依據(jù)。

表2 鍋爐設(shè)計(jì)值與計(jì)算值的對(duì)比表

1.4 受熱面灰污系數(shù)修正模型

現(xiàn)階段一些新型鍋爐基本上都配備了自動(dòng)吹灰裝置，因此鍋爐受熱面被灰塵污染的問(wèn)題得到了較好的解決。但是隨著鍋爐投入使用年限的增加，吹灰系統(tǒng)的性能也會(huì)逐步降低，吹灰不足的情況變得更加明顯。因此，在鍋爐優(yōu)化配煤的設(shè)計(jì)中，也要重點(diǎn)關(guān)注受熱面灰污能力的提升。其中，灰污系數(shù)（ζ ）是決定受熱面吹灰能力的一個(gè)重要指標(biāo)，通過(guò)構(gòu)建數(shù)學(xué)修正模型的方式，可以較為精確地計(jì)算出鍋爐受熱面吹灰系統(tǒng)修正后的灰污系數(shù)。結(jié)合鍋爐運(yùn)行實(shí)際，選擇幾個(gè)影響較為顯著的因素作為模型的輸入變量，如過(guò)量空氣系數(shù)、鍋爐工質(zhì)流量等，具體如圖2 所示。

圖2 受熱面灰污系數(shù)修正模型建模原理

2 基于鍋爐熱力計(jì)算的優(yōu)化配煤

2.1 基于鍋爐熱力計(jì)算的動(dòng)力配煤模型

動(dòng)力配煤是根據(jù)煤質(zhì)特性將兩種以上的煤炭，按照一定比例進(jìn)行混合，使其發(fā)熱量、經(jīng)濟(jì)性、耗損量等達(dá)到最佳的一種方法。在構(gòu)建動(dòng)力配煤模型時(shí)，鍋爐本身的工況參數(shù)是一個(gè)重要影響因素，基于鍋爐熱力計(jì)算的動(dòng)力配煤模型構(gòu)建方法如下。

2.1.1 動(dòng)力配煤的優(yōu)化目標(biāo)

火力發(fā)電廠在優(yōu)化配煤時(shí)，在保證發(fā)電質(zhì)量的前提下，追求成本最低化是最終目標(biāo)。而發(fā)電成本又受到多種因素的影響，總結(jié)來(lái)說(shuō)主要涵蓋了四個(gè)方面，即燃煤成本、輔機(jī)耗電成本、排放成本以及設(shè)備磨損成本，發(fā)電成本的具體組成如圖3 所示。

在圖3 中，燃煤成本中的耗煤量，是可以通過(guò)優(yōu)化配煤進(jìn)一步降低的。因此，動(dòng)力配煤的優(yōu)化目標(biāo)，就在于降低鍋爐運(yùn)行中的耗煤量，達(dá)到控制成本的效果。

圖3 發(fā)電成本的主要構(gòu)成

2.1.2 動(dòng)力配煤的約束條件

在實(shí)際生產(chǎn)中，鍋爐優(yōu)化配煤可以將兩種及以上的單煤進(jìn)行混合。本文只探究?jī)煞N單煤混合的情況。假設(shè)某火電廠所用煤種為n，則Pi代表第i 種單煤，Pj代表第j 種單煤，則i 和j 兩種煤的優(yōu)化配煤模型為：

式（1）中，C 為燃煤成本，MinC 即最佳燃煤成本，Ci和Cj是兩種煤的單價(jià)，B 為入爐煤量。該優(yōu)化配煤模型的約束條件如下：

2.2 基于遺傳算法的優(yōu)化配煤算法

2.2.1 個(gè)體編碼方式

選擇不同的編碼方式，對(duì)遺傳進(jìn)化運(yùn)算的效率和結(jié)果也會(huì)產(chǎn)生不同的影響。為防止動(dòng)力配煤的最優(yōu)解中出現(xiàn)不符合實(shí)際的非整數(shù)，本文選擇了二進(jìn)制編碼的方式進(jìn)行個(gè)體編碼。為每一種優(yōu)化配煤方案設(shè)立一個(gè)集合，該集合內(nèi)有包括若干子集，每個(gè)子集中記錄了摻混煤種的編號(hào)、比例等具體信息。用0-5表示6 種煤種編號(hào)，用不加百分號(hào)的數(shù)值表示第一種摻混煤的混合比例，這一串?dāng)?shù)值組成的集合，經(jīng)過(guò)解碼后就是一種配煤方案。例如，某個(gè)集合中包含了以下數(shù)字串：

將數(shù)字串解碼后，其表示的配煤方案為：選擇煤庫(kù)中第5 種（101）和第6 種（110）單煤，按照前者30%（0011110）、后者70%的比例混合。

2.2.2 初始群體的產(chǎn)生

理論上來(lái)說(shuō)，某個(gè)種群中個(gè)體數(shù)目越多，則個(gè)體的多樣化程度越明顯，基于遺傳算法得出的最優(yōu)解其參考價(jià)值越高。因此，在設(shè)置初始群體時(shí)，傾向于將種群規(guī)模變大，以突顯個(gè)體的多樣性。但是在實(shí)際中，隨著種群規(guī)模的變大，尋找最優(yōu)解的計(jì)算量也會(huì)相應(yīng)的上升。因此，還必須對(duì)種群的規(guī)模進(jìn)行適度控制。本文將初始群體中個(gè)體數(shù)量n 限定了20-200 之間。

2.2.3 種群的熱力計(jì)算

在確定種群后，能夠得到相應(yīng)的混煤煤質(zhì)，然后結(jié)合每一種煤質(zhì)的特性，以及混合比例等進(jìn)行熱力計(jì)算。計(jì)算機(jī)上的熱力計(jì)算軟件會(huì)將計(jì)算結(jié)果呈現(xiàn)在顯示屏上，包括過(guò)熱汽溫、再熱汽溫、引風(fēng)量、磨煤量等。

2.2.4 適應(yīng)度函數(shù)計(jì)算

適應(yīng)度的作用是評(píng)價(jià)配煤方案是否滿足約束條件的關(guān)鍵指標(biāo)。個(gè)體適應(yīng)度越高，則說(shuō)明該配煤方案越優(yōu)秀，反之則代表該方案較差。在適應(yīng)度函數(shù)計(jì)算時(shí)，需要將每一個(gè)個(gè)體均帶入函數(shù)式中進(jìn)行判斷。函數(shù)式如下：

2.3 動(dòng)力配煤計(jì)算實(shí)例

使用上文介紹的基于遺傳算法的動(dòng)力配煤模型，可以得到4 個(gè)函數(shù)表達(dá)式，分別為初始種群函數(shù)evpop（）、選擇個(gè)體函數(shù)pickchroms（）、交叉操作函數(shù)crossover（）、變異操作函數(shù)mutation（）。其中，交叉概率為0.73，變異概率為0.01，最大遺傳代數(shù)為286，最大迭代代數(shù)為35。經(jīng)過(guò)動(dòng)力配煤模型的處理后，可以得到該模型的約束條件，具體如下：

過(guò)熱汽溫：（590-5）℃＜tsh＜（590+5）℃

再熱汽溫：（582-5）℃＜trh＜（582-5）℃

水分：1.64≤Mad≤1.88

灰分：24.47≤Mad≤32.71

揮發(fā)分：22.68≤Mad≤29.05

發(fā)熱量：19.47≤Mad≤25.18

硫分：Sad≤1.5%

以上述約束條件作為抽選要求，從表3 提供的煤庫(kù)中選出符合要求的最佳配煤方案。

表3 不同煤種的煤質(zhì)參數(shù)和價(jià)格

運(yùn)用遺傳算法的自動(dòng)尋優(yōu)功能，所得最佳配煤方案為M1與M4 兩種煤摻和，比例為27%和73%，總耗煤量為260.1t/h。其中，M1 用煤量為70.22t/h，M4 用煤量為189.88t/h，燃煤總成本為230725.15 元/h。

3 結(jié)論

優(yōu)化配煤是火電廠鍋爐改造的內(nèi)容之一，通過(guò)構(gòu)建鍋爐的熱力計(jì)算模型和動(dòng)力配煤模型，以鍋爐基本參數(shù)作為依據(jù)，明確優(yōu)化目標(biāo)和設(shè)置約束條件，運(yùn)用遺傳算法選出最佳的配煤方案，在保證發(fā)電質(zhì)量的前提下，幫助火力發(fā)電廠最大程度上降低發(fā)電成本，有助于實(shí)現(xiàn)鍋爐運(yùn)行效益的最大化。