郭建軍

（國能常州發(fā)電有限公司，江蘇常州 213000）

0 引言

為了保證發(fā)電，煤火力發(fā)電廠通常要保留一定的煤種，但由于煤炭市場的原因，電煤必須大量采購，因此實(shí)際使用的煤種越來越多樣化，導(dǎo)致鍋爐長期處于非設(shè)計(jì)煤種燃燒狀態(tài)下。另外，為了節(jié)約能源，增加經(jīng)濟(jì)效益，許多電廠積極采購低質(zhì)量、低價(jià)格的煤炭。但是，火力發(fā)電廠的鍋爐設(shè)計(jì)是根據(jù)設(shè)計(jì)煤種和檢查煤種來進(jìn)行的，如果采用設(shè)計(jì)煤種則鍋爐性能較好，否則會影響其燃燒效果、運(yùn)行穩(wěn)定性、低負(fù)荷調(diào)峰、熱效率下降、過熱結(jié)渣、過熱、脫硫系統(tǒng)不適應(yīng)、污染排放超標(biāo)等。

由于煤質(zhì)與設(shè)計(jì)煤種的偏差，導(dǎo)致我國電廠鍋爐燃煤熱能利用率總體上落后于國際先進(jìn)水平，形成大量能源浪費(fèi)。《中國能源政策（2012）》中提出清潔高效發(fā)展火電的目標(biāo)，對新建機(jī)組執(zhí)行更為嚴(yán)格的污染物排放標(biāo)準(zhǔn)，對既有機(jī)組則必須進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗和減排，這無疑使火電行業(yè)面臨更為嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)[1]。

由于煤炭品種多樣、安全、高效、環(huán)保等多方面的原因，我國的火力發(fā)電廠普遍采用混煤摻燒技術(shù)，把兩種或幾種煤按一定比例混合，使混合煤的性能滿足鍋爐的燃燒與排放，從而有效解決上述問題。不過也面臨著混煤的燃燒特性、污染物排放特性、混煤混合模式與尋優(yōu)算法、混煤燃燒優(yōu)化等問題。

1 系統(tǒng)構(gòu)成

1.1 配煤設(shè)備

煤場機(jī)械設(shè)備主要包括煤場的風(fēng)斗式采煤機(jī)、車輛式煤葉輪給煤機(jī)、火車煤葉輪給煤機(jī)、掀翻機(jī)械、煤場人工推煤機(jī)等，在應(yīng)用過程中可以參考各個(gè)廠的實(shí)際情況，還可能包括其他可用的料斗設(shè)備，如筒倉等。

1.2 入爐煤皮帶式煤質(zhì)在線檢測裝置

本文所用的激光煤全元素化學(xué)分析儀安裝在入爐煤帶上，將其置于設(shè)備的空隙中，以減少灰塵、噪聲、振動等直接影響儀器。本設(shè)備的前端裝有多段式整型裝置，保證輸送帶上的煤流不均勻，防止對設(shè)備造成損害。在新開工的上煤帶式原煤倉加煤后，利用高能量脈沖激光激發(fā)每一待測煤流，使煤流中的表面煤顆粒化學(xué)鍵斷裂，化學(xué)成分被電離而產(chǎn)生的金屬分離物，并對光譜信息進(jìn)行攝影、錄像和分析。確定并計(jì)算出待測元素的物理化學(xué)性質(zhì)譜，再根據(jù)光譜信息進(jìn)行化學(xué)工藝處理，進(jìn)而通過模擬計(jì)算實(shí)現(xiàn)對各種微量元素以及煤炭中水分、灰分、發(fā)高溫、硫分等的定性分析等[2]。利用該裝置可以對目前上煤帶煤流中的各種礦物進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，其中包括水的發(fā)熱、硫分、坩堝、灰分等以及目前煤炭中C（碳）、H（氫）、N（氮）、O（氧）等元素的含量。將帶式上實(shí)際煤流的所有礦物質(zhì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，然后通過網(wǎng)絡(luò)將其傳送至在線的最佳摻燒控制系統(tǒng)。

1.3 在線摻燒優(yōu)化軟件

軟件采用B/S 結(jié)構(gòu)，安裝在火力發(fā)電廠內(nèi)部網(wǎng)，其主要功能有煤廠內(nèi)部堆煤控制、精確配煤、實(shí)時(shí)運(yùn)行優(yōu)化、即時(shí)經(jīng)濟(jì)分析、執(zhí)行結(jié)果評價(jià)以及購煤提等。在線配煤摻燒系統(tǒng)主模塊邏輯關(guān)系如圖1 所示，用戶也通過因特網(wǎng)訪問使用。

圖1 在線配煤摻燒系統(tǒng)主模塊邏輯關(guān)系

2 工作流程

2.1 精準(zhǔn)配煤

火力發(fā)電廠的主要燃料有機(jī)車用煤和煤場用煤，其中機(jī)車用煤通過傳動裝置、翻車機(jī)等裝置輸送到1#皮帶，然后通過輸送站、皮帶，最后到達(dá)3 號轉(zhuǎn)運(yùn)站，煤場通過齒輪給煤機(jī)將煤裝到10#皮帶，再在3 號換乘站將機(jī)車煤混勻；煤場用煤經(jīng)人工分層堆存，利用斗輪式取煤法將煤直接運(yùn)至9#皮帶，再經(jīng)由4 號換乘站和3 號轉(zhuǎn)換站的煤炭進(jìn)行混合（圖2）。電廠職工可根據(jù)實(shí)際情況選用火車煤葉輪送煤機(jī)或翻轉(zhuǎn)機(jī)械輸送煤、火車煤卸煤溝、煤場斗輪堆取煤機(jī)械輸送等多種組合方式。

圖2 配煤流程

通過對入爐后的煤質(zhì)進(jìn)行分析，確定了最終的配煤方案：在上煤完畢后，通過安裝在4 號換車后的入爐煤帶煤流煤質(zhì)實(shí)時(shí)監(jiān)測系統(tǒng)，監(jiān)測入爐煤帶煤流中的煤質(zhì)，并將煤質(zhì)信息傳輸至摻燒優(yōu)化軟件[3]。采用摻燒優(yōu)化程序可以實(shí)時(shí)地計(jì)算出入爐煤帶煤的實(shí)際煤質(zhì)與配煤方案中的理想煤質(zhì)之間的誤差，如果偏差較大，可以通過調(diào)節(jié)最前端煤種及比例，直至全部入爐煤皮帶實(shí)際煤質(zhì)達(dá)到配煤解決方案的要求，從而實(shí)現(xiàn)了精確配煤總體目標(biāo)。煤質(zhì)偏差檢測結(jié)果見表1，其中Qnet為收到基低位發(fā)熱量。

表1 煤質(zhì)偏差檢測結(jié)果

2.2 實(shí)時(shí)優(yōu)化調(diào)整

裝置的基本運(yùn)行過程是，先由SIS（Safety Instrument System，安全儀表系統(tǒng)）采集各給煤機(jī)的給煤量等基本數(shù)據(jù)，然后根據(jù)實(shí)際給煤的皮帶數(shù)量和煤流等煤質(zhì)數(shù)據(jù)，計(jì)算爐內(nèi)實(shí)際點(diǎn)燃的煤炭量（表2）。

表2 實(shí)時(shí)入爐煤質(zhì)的計(jì)算結(jié)果

通過對煤粉鍋爐的煤質(zhì)分析，結(jié)合SIS 的主要控制參數(shù)，得出煤粉鍋爐的冷卻、熱風(fēng)的啟動、煤粉鍋爐的細(xì)化、煤粉鍋爐的優(yōu)化等關(guān)鍵指標(biāo)，以及各層的二次風(fēng)開度、燃盡風(fēng)開度、尾煙擋板高度及運(yùn)行氧量等（圖3）。

圖3 實(shí)時(shí)優(yōu)化調(diào)整

2.3 實(shí)時(shí)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)計(jì)算

從SIS 收集鍋爐的核心運(yùn)行數(shù)據(jù)，然后分析燃料生產(chǎn)、燃料運(yùn)輸、脫硫、脫硝、除塵、系統(tǒng)維護(hù)等成本，以實(shí)現(xiàn)對實(shí)際發(fā)電效益的實(shí)時(shí)計(jì)算（表3）。

表3 實(shí)時(shí)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)計(jì)算結(jié)果

由于實(shí)際的發(fā)電費(fèi)用能反映目前煤炭的設(shè)備維護(hù)費(fèi)用和環(huán)保投資費(fèi)用，因此能用來對電廠進(jìn)行綜合評價(jià)。

3 收益分析

3.1 燃用經(jīng)濟(jì)煤種收益分析

在配煤摻燒工藝中，為提高熱排放達(dá)標(biāo)的高壓鍋爐帶負(fù)荷生產(chǎn)能力，通常都采取比較保守的配煤方法，即硫濃度分配偏少一些、發(fā)熱量分配偏高一些。電廠在引進(jìn)了基于實(shí)際入爐煤質(zhì)的即時(shí)摻燒工藝后，對煤質(zhì)進(jìn)行監(jiān)測，實(shí)現(xiàn)了對煤質(zhì)的準(zhǔn)確控制[5]，可以確保上煤加倉的煤質(zhì)數(shù)據(jù)更加貼近配煤摻燒要求，從而能夠提出更為科學(xué)合理的配煤計(jì)劃，并相應(yīng)提高燃用高硫煤和低熱值煤等標(biāo)煤價(jià)格比較便宜的煤種類，進(jìn)而降低電站的高壓煤價(jià)格生產(chǎn)成本。

本文所研究的兩個(gè)300 MW 機(jī)組年平均負(fù)載為75%，所以使用的3 類原煤煤質(zhì)比對在單裝鍋爐中燃用的燃料質(zhì)量所產(chǎn)生的影響。在沒有入爐煤質(zhì)的測試資料時(shí)，為保證煙氣中SO2等不會超標(biāo)，選擇20∶40∶40 的原煤混合工藝。采用現(xiàn)場煤質(zhì)管理技術(shù)，在滿足排放標(biāo)準(zhǔn)的前提下，將3 種原煤的混合比改為20∶35∶45，含硫的其他煤的比例從40%增加至45%，不僅能達(dá)到脫磺堿的機(jī)組工作條件，還由于使用優(yōu)質(zhì)的經(jīng)濟(jì)煤種，兩個(gè)機(jī)組將節(jié)約成本441.40 萬元。如果再考慮通過增加較低熱值煤摻燒的比重和利用高配煤摻燒增加發(fā)電機(jī)組的穩(wěn)燃性能、帶負(fù)荷性能、減少污染物排放量等所獲得的利益，其經(jīng)濟(jì)性和環(huán)境價(jià)值將更大。

3.2 鍋爐效率提高收益分析

在沒有進(jìn)行入爐煤的煤質(zhì)參數(shù)監(jiān)控之前，由于電廠實(shí)際配煤參數(shù)與預(yù)報(bào)值不符，導(dǎo)致煤質(zhì)與預(yù)測值有較大差異，實(shí)際進(jìn)爐煤質(zhì)波動較大時(shí)，火力發(fā)電廠對煤質(zhì)的影響較大，如果既不能得到真實(shí)入爐燃燒的煤質(zhì)，也不能為鍋爐的正常運(yùn)轉(zhuǎn)提出有效優(yōu)化措施，則燃煤鍋爐的運(yùn)轉(zhuǎn)參數(shù)也不能達(dá)到最優(yōu)化[6]。

利用在線摻燒調(diào)整技術(shù)，一方面能及時(shí)掌握進(jìn)爐煤種的情況，方便對煤種進(jìn)行反應(yīng)，調(diào)整煤種的比例，避免煤質(zhì)的波動[7]。另一方面還可以獲得在鍋爐設(shè)備中或?qū)嶋H進(jìn)入爐膛之前燃燒的煤種，并通過使用煤種控制鍋爐運(yùn)行氧量、風(fēng)門開度、風(fēng)開量、磨煤機(jī)的種類，保證鍋爐設(shè)備運(yùn)行處于最優(yōu)狀態(tài)，從而大大提高設(shè)備效率，達(dá)到節(jié)能的目的[8]。

在開發(fā)期間，對該系統(tǒng)投入使用前和投入使用后的效果比較試驗(yàn)。結(jié)果表明：系統(tǒng)未投入運(yùn)行前，入爐煤炭的煤質(zhì)發(fā)生了很大變化，并且有時(shí)由于燃煤鍋爐的總氧含量過低，燃煤鍋爐固體在不充分燃燒時(shí)的熱損失明顯增加，總壓煤高壓鍋爐效率僅為88.6%；系統(tǒng)投運(yùn)后，不僅入爐的燃煤質(zhì)量比較穩(wěn)定，而且可以實(shí)時(shí)控制燃煤鍋爐的運(yùn)行參數(shù)，壓煤和高壓鍋爐的效益達(dá)到89.77%，較常規(guī)燃煤鍋爐的經(jīng)濟(jì)效益提高1.09%。按照當(dāng)前的225 MW 機(jī)組容量計(jì)算，每臺機(jī)組每小時(shí)可以節(jié)約煤炭0.91 t。按電站的兩臺發(fā)電機(jī)組月平均使用總小時(shí)數(shù)3500 h 估算（按225 MW 折算則約為4666 h），可年節(jié)省標(biāo)準(zhǔn)煤8493 t。按標(biāo)準(zhǔn)煤單價(jià)500 元/t 測算，每年節(jié)省成本約424.60 萬元的費(fèi)用。

4 結(jié)束語

利用實(shí)時(shí)煤質(zhì)信息的實(shí)時(shí)摻燒優(yōu)化技術(shù)，克服了傳統(tǒng)配煤系統(tǒng)機(jī)械采樣中煤質(zhì)信息滯后的影響，可以做到精確配煤摻燒，實(shí)現(xiàn)對燃煤鍋爐有關(guān)參數(shù)的最優(yōu)調(diào)整。利用該技術(shù)，電廠可燃燒更多價(jià)格較低的劣質(zhì)煤種，并采用精確配煤措施，根據(jù)鍋爐的有關(guān)技術(shù)參數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié)，確保鍋爐長期工作在良好工況，進(jìn)而為企業(yè)創(chuàng)造更多利潤。