（热能工程专业论文）基于排放物分析的电站锅炉燃烧状态评估的研究.pdf

华北电力大学博士学位论文摘要 摘要 现代电站的生产受到越来越苛刻的环保条件限制，特别是自京都议定 二b 和g b l3 2 2 3 2 0 0 3 火电厂大气污染物排放标准生效以来。本文以电 站锅炉的排放物为研究对象，通过对排放物的分析，来判断炉内燃烧过程的 状态。论文主要的研究内容分为以下几个方面： ( 1 ) 通过对煤燃烧过程的机理分析和对我国电力用煤的煤质统计分析 并结合锅炉燃烧排放物的在线测量，建立一个锅炉的入炉煤质的在线测量模 型。建模的原理基于燃烧排放物与燃烧状态和煤质密切相关，通过排放物反 推煤质具有科学性：同时，为了使模型可解，通过统计规律补足方程个数。 ( 2 ) 通过机理分析和统计规律建立的模型需要丰富的排放物信息，而 实际生产过程中由于设备原因或者技术原因，很多排放物并未得到有效的测 量和监测。论文中通过机理分析和统计规律，建立了诸如煤的含湿量和燃烧 产物中的二氧化碳含量等参数的软测量模型。通过其它已知或易知的量，实 现了对模型中未知或者难知量的间接计算。 ( 3 ) 通过模型得到在线的煤质后，燃烧的控制问题就归结为一个风煤 配比的问题，论文通过对煤质修正后的空气过量系数的优化来提高燃烧过程 的经济性。该部分内容没有对经济性进行直接的论述和计算，而是通过煤质 修正的空气过量系数这个中间参数实现对锅炉经济燃烧的指导。论文还通过 对典型工况的空气过量系数与优化空气过量系数的比较分析，指出了相应工 况下存在的问题。 ( 4 ) 论文中将电站锅炉的燃烧行为看作一个经济过程去考查，建立了 该过程的经济输出和输入比，其中输入中包含了环保收费。通过对输出输入 比的标幺化，得到了一个有着传统热效率表现形式的电站广义效率指标，并 通过该指标对电站的生产过程的经济环保性进行了分析和考查。典型工况的 经济环保性分析也是以该指标为量度的。 ( 5 ) 论文以广义效率指标最大化为目标函数，对机组间的负荷优化分 配进行了探讨研究。通过以广义效率最大化为目标的优化方案与实际的负荷 分配方案以及与传统的煤耗率最低为目标的负荷分配方案的比较，得到了 “按照以广义效率为指标的分配方案未必能提高单台机组的经济环保性，但 对于整个电站的经济环保生产是大有裨益”的结论。 华北电力大学博士学位论文摘要 关键词：电站锅炉排放物，燃煤分析模型，燃烧过程经济性，生产过程环保 性，负荷优化分配 华北电力大学博士学位论文摘要 j i = l l 暑宣暑暑昌薯昌昌互；昌鲁誓暑宣；暑昌葺置暑昌宣；宣茸昌皇暑；宣昌昌；宣昌= 昌罩；暑昌昌昌；暑宣昌；暑宣暑皇暑昌宣昌眚昌；昌号昌宣嗣 a b s t r a c t t h eo p e r a t i o no fm o d e r np o w e rp l a n t si sl i m i t e db ym o r ea n dm o r es t r i c t e n v i r o n m e n t a lr u l e s ，e s p e c i a l l ya f t e re f f e c t i v e n e s so fk y o t oa g r e e m e n ta n d g b13 2 2 3 2 0 0 3e m i s s i o ns t a n d a r do fa i rp o l l u t a n t sf o rt h e r m a lp o w e rp l a n t s t o o ke f f e c t m yt h e s i sr e s e a r c h e di n t oe m i s s i o n so fu t i l i t yb o i l e r s ，w h i c ha i m e d a tj u d g i n gc o m b u s t i o ns t a t eb a s e do ne m i s s i o na n a l y s i s m a i nc o n t e n to fm y t h e s i sc a nb es u m m a r i z e da sf o li o w s ( i ) a no n l i n em o n i t o r i n gm o d e lw a sb u i l tv i aa n a l y z i n gm e c h a n i s mo f c o m b u s t i o np r o c e s s ，a c h i e v i n gs t a t i s t i cl a w so fe l e m e n t sc o m p o n e n to fc o a l w h i c hw a sf o r p o w e rg e n e r a t i o n ，a n do n l i n em e a s u r i n ge m i s s i o n s t h e m e t h o d o l o g yi s b a s e do nt h ef a c tt h a te m i s s i o n sa r e p r o d u c t s o fc o a l c o m b u s t i o na n dc o m b u s t i o ns t a t e ，s oc a l c u l a t i o no fc o a li n f o r m a t i o na c c o r d i n g t oe m i s s i o n si sl o g i c a l ，m e a n w h i l e ，s t a t i s t i cl a w sm a k i n gt h em o d e lu s a b l e ( 2 ) t h em o d e l ，w h i c hb a s e so nm e c h a n i s ma n ds t a t i s t i ci a w s ，n e e d sm u c h e m i s s i o n si n f o r m a t i o n ，h o w e v e r ，p a r to fi n f o r m a t i o ni su n a t t a i n a b l eb e c a u s eo f e q u i p m e n tr e a s o n o rt e c h n i c a lr e a s o ni n p r a c t i c a l t e r m s i nm yt h e s i s ， s o f t - s e n s o rm o d e l s ，s u c ha sw a t e ri nc o a l ，c 0 2c o n t e n ti nf l u eg a sa n ds oo n ， w e r eb u ii tb yi n d i r e c tc o m p u t a t i o no fm e a s u r a b l eo re a s y s e c u r a b l ep a r a m e t e r s ( 3 ) a f t e rc o a le l e m e n t sc o m p o n e n tc a nb ea t t a i n e do n - l i n e ，t h ek e yp o i n t t oc o n t r o li st h er a t i oo fa i ra n dc o a l t h e s i st r i e dt o i m p r o v ec o m b u s t i o n e c o n o m i cp e r f o r m a n c ev i at h ee x c e s sa i rr a t i o ，w h i c hh a db e e na m e n d e dv i a c o a le l e m e n t sc o m p o n e n t t h e s i sd i dn o ti l l u s t r a t ea n dc a l c u l a t et h ee c o n o m i c i n d e xd i r e c t l y ，a n dh a dt h ea m e n d e de x c e s sa i rr a t i ot os u p e r v i s ec o m b u s t i o n t h e s i sa p p l i e dt h ea m e n d e de x c e s sa i rr a t i ot oa n a l y z er e p r e s e n t a t i v eo p e r a t i o n s t a t e st op o i n to u tt h e i rd e f i c i e n c y ( 4 ) c o m b u s t i o nw a st a k e na sa ne c o n o m i cp r o c e s st ob u i l di t sr a t i oo f o u t p u ta n di n p u t ，w h i l ee n v i r o n m e n t a lc h a r g e sw e r ei n c l u d e di ni n p u t a f t e r s t a n d a r d i z i n g ，a ne f f i c i e n c yi n d e xi ng e n e r a l ，w h i c hh a das i m i l a ra p p e a r a n c e t oc o n v e n t i o n a lt h e r m a le f f i c i e n c y ，w a sb u i l t t h ee f f i c i e n c yi n d e xi n g e n e r a l w a su s e da sm e a s u r e m e n to fr e p r e s e n t a t i v eo p e r a t i o ns t a t e s ( 5 ) o p t i m i z a t i o nl o a dd i s t r i b u t i o nw a s s t u d i e d ，w h o s ea i m w a s i i i 一 华北电力大学博士学位论文摘要 m a x i m i z i n gt h ee f f i c i e n c yi n d e xi ng e n e r a l c o m p a r i s o na m o n gd i s t r i b u t i o n a c c o r d i n gt ot h ee f f i c i e n c yi n d e xi ng e n e r a l ，p r a c t i c a ll o a dd i s t r i b u t i o na n d d i s t r i b u t i o na c c o r d i n gt oc o a lc o n s u m p t i o nw a sm a d et oa c h i e v et h ec o n c l u s i o n t h a te f f i c i e n c yi n g e n e r a lo fs i n g l eu n i ti s u n n e c e s s a r i l yi m p r o v e da f t e f o p t i m i z a t i o nl o a dd i s t r i b u t i o na c c o r d i n gt ot h ee f f i c i e n c yi n d e xi ng e n e r a l ，b u t e f f i ci e n c yi ng e n e r a lo ft h ew h o l e p o w e rp l a n tm u s tb ei m p r o v e d k e yw o r d s ：e m i s s i o n sf r o mu t i l i t yb o i l e r s ，a n a l y s i sm o d e lo fc o a l ，e c o n o m i c p e r f o r m a n c eo fc o m b u s t i o np r o c e s s ，e n v i r o n m e n t a lp e r f o r m a n c eo fc o m b u s t i o n p r o c e s s ，o p t i m i z a t i o nl o a dd i s t r i b u t i o n - i v - 声明尸明 本人郑重声明：此处所提交的博士学位论文基于捧放物分析的电站锅炉燃 烧状态评估的研究，是本人在华北电力大学攻读博士学位期间，在导师指导下， 独立进行研究工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用的内容外，本学 位论文的研究成果不包含任何他人享有著作权的内容。对本论文所涉及的研究工作 做出贡献的其他个人和集体，均已在文中以明确方式标明。 签名： 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了解华北电力大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保管、并向有关部门送交学位论文的原件与复印件：学校可以采用影印、缩印或 其它复制手段复制并保存学位论文；学校可允许学位论文被查阅或借阅；学校 可以学术交流为目的，复制赠送和交换学位论文；同意学校可以用不同方式在不同 媒体上发表、传播学位论文的全部或部分内容。 c 涉密的学位论文在解密后遵守此规定) 作者签名：翩虢毒位翌 日期： 华北电力大学博士学位论文 1 1 电力发展概述 第1 章绪论 我国的电力生产，在新中国成立后特别是改革开放以来，得到了迅猛的 发展，主要体现在以下几个方面： ( 1 ) 装机容量和发电量突飞猛进 19 4 9 年，我国的电力装机容量仅为18 5 万千瓦，到19 8 7 年装机容量首 次突破1 亿千瓦，1 9 9 5 年我国的装机容量又突破了2 亿千瓦，2 0 0 5 已经达 到5 亿千瓦的容量，2 0 0 6 年更上层楼，超过6 亿千瓦，具体数据如图卜1 所示。伴随着装机容量的发展，发电量也由建国之初的不到1 0 0 亿千瓦时， 在经历了l9 8 7 年的5 0 0 0 亿千瓦时和2 0 0 0 年的13 6 7 8 亿千瓦时后，在2 0 0 6 年达到了2 7 5 5 7 4 6 亿千瓦时，如图2 - 2 所示。预计到2 0 10 年，我国的发电 量为3 2 3 3 万亿千瓦时，需要相应的装机容量为7 7 3 亿千瓦。 亿千瓦时 图1 - 1 我国装机容量统计图 ( 2 ) 单机容量不断提高 单机容量从建国初期的5 0 m w ，逐步发展到七八年代的12 5 3 0 0 m w ，进而 达到目前的3 0 0 m w 以上、以6 0 0 m w 为主的水平：蒸汽参数也由8 m p a 5 3 5 提高到17 m p a 5 4 0 ，并随着超临界和超超临界技术的推广应用，最终可达 到2 8 m p a 5 8 0 以上。 一1 一 第l 章绪论 ( 3 ) 参数检测量日益庞大 机组的大容量和高参数带来的是过程参数测量点的大量增加，以一台 6 0 0 m w 机组为例，其运行过程的监控点多达6 0 0 0 7 0 0 0 个。 ( 4 ) 系统对控制的要求日益苛刻 随着机组对控制要求的提高，自动控制己从辅助运行人员监控机组运行 发展到实现不同程度的设备启停功能、过程控制和联锁保护的综合体系，担 负着机组主、辅机的参数控制、回路调节、联锁保护、顺序控制、参数显示、 异常报警等重要功能。近年来，借助计算机和网络技术的发展，电力生产过 程的自动化程度达到了前所未有的高度，监控和管理信息系统得到广泛应 用。自动控制技术已经从传统的生产控制领域逐步渗透到了电站运行和管理 的方方面面，包括对机组整体运行工况的监控、对发电过程经济性的分析、 对主辅机设备的维护和管理以及对生产过程的优化调度等。其中最为典型 的就是生产过程的g i s 和s i s 系统。 电力在得到迅猛发展的同时，也面临着诸多的问题，比如高能耗、高污 染等等。 1 2 电力能耗现状及分析 在我国的电力组成比重中，火电具有压倒性优势。建国之初，火电不到 15 0 万千瓦，占全国装机容量的9 0 以上；年发电不到6 0 亿千瓦时，占全国 发电量的8 2 。在全国装机超过1 亿千瓦的l9 8 7 年，火电装机容量占到了 亿千瓦 亿千瓦时 图1 - 3 我国火电装机容量统计图 一2 一 ( ) ( ) 华北电力大学博士学位论文 总数的7 0 7 ，当年火电发电3 9 71 亿千瓦时，占全国发电量的7 9 9 。统计 表明：2 0 0 5 年，火电机组装机总量为2 9 亿千瓦，占全国总装机容量的7 5 7 ； 火电全年发电19 8 5 7 亿千瓦时，占总发电量的8 4 6 。火电装机容量及其占 总装机容量的比例如图i - 3 所示，火电发电量和其在总发电量中的比重如图 卜4 所示。与发达国家的电源结构相比，我国的火电所占的7 5 7 的比重远 大于世界平均水平6 2 6 ，而像水电等比较清洁的能源在我国的l7 3 则低 于平均水平18 8 心1 ，因此我国的电源结构有待改善。 除了电源结构不合理的问题，单从火电方面比较，我国的发电煤耗远远 高于西方国家。我国的发电煤耗在建国之初大于7 0 0 克标准煤千瓦时， 2 0 0 0 年时降到了3 6 3 克标准煤千瓦时，取得了显著的进步( 具体的煤耗变 化情况如图i - 5 所示) 。即使是这样。据统计就3 0 0 m w 容量等级机组而言， 国产机组的供电煤耗比进口亚临界机组高4 - 1 2 克每千瓦时，比进口超临界 机组高15 2 0 克每千瓦时；就6 0 0 m w 容量等级机组而言，国产机组的供电煤 耗比进口亚临界机组高2 0 。2 3 克每千瓦时，比进口超临界机组高2 8 3 9 克每 千瓦时：加上一些5 0 m w 以下的小机组，我国的平均煤耗与世界先进水平相 比，大约高了6 0 克标准煤千瓦时。按照2 0 0 6 年的发电量2 7 5 5 7 4 6 亿千瓦 时计算，仅2 0 0 6 我国火电就多耗煤i 6 5 亿吨，这个数字对于我们这样一个 煤炭探明储量仅为1 0 0 7 7 亿吨，人均水平远远低于世界平均水平的国家来说 是触目惊心的。 g k w h 图i - 5 我国火电发电煤耗统计图 现阶段，我国的火电机组不仅煤耗高，耗水量也非常大，与国际先进水 平相比，耗水率高了4 0 多，一年多耗水15 亿立方米。从而造成了对极为 宝贵的水资源的极大浪费。 造成这种高能耗局面的原因是复杂的，有设备本身的原因、有控制不够 准确的原因，但是其中很大的一部分因素来自对生产现场很多重要参数的监 测不准确造成的，高精度的监测是实现准确控制的基础。下面将分析一下这 些因素。 1 2 1 电站锅炉的风量测量 一3 一 第1 章绪论 风量是一个重要的参数，给风是否适当直接决定了锅炉燃烧的经济性、 环保性甚至是生产的安全性。现阶段，应用于电站锅炉的主要风量测量装置 有：风道型文丘里管、翼型风量测量装置、笛形管以及双文丘里管等等。 风道型文丘里管 该装置就是把整个风道做成文丘里形式，从其入口及喉部取出静压测 点，进行差压测量。其特点在于作为风道的一部分结构简单、安装方便、输 出差压信号稳定可靠，缺点在于尺寸较大、占用较大的空间、阻力系数大， 导致了风机电耗增加一1 。 翼型风量测量装置 翼型风量测量装置仍属于节流装置的一种，一般用于大型风道，其特点 在于测量稳定、输出随风速变化线性度好，但是其测压孔较多，结构也更为 复杂，导致成本高阳。6 1 。 风道型文丘里管和翼型风量测量装置都会造成压力损失，而笛形管和双 文丘里管对压力造成的损失就较小。 笛形管 笛形管是一种安装在管道内一次性测量气流平均流速的非标准型测速 装置。双笛形管是将全压测管和静压测管组装在一起，在全压管的迎流面开 有一排全压测孔，在静压管背面开有一排静压测孔。笛形管要求布置在稳定 的流场中，同时其输出的信号较为微弱。 双文丘里管 双文丘里管有两支大小不同，型线相似的文丘里管装在同一轴线上而 成，通过取自内文丘里喉部的负压与气流的静压或者全压比进行测量。双文 丘里管输出的信号比较强，但要求布置在较为稳定的流场中，否则输出信号 的波动性会很大一1 。 上述仪器在理想情况下能保证对风量的准确测量，但电站锅炉的实际运 行过程中存在诸多干扰因素，使得测量的结果与实际风量之间出现了较大的 偏差，分析如下： 直管段太短 风量测量装置一般会对测量仪器后的直管段长度有要求，而现场的管道 布置极为复杂，很多风量测量装置安装的位置达不到其对直管段的要求，影 响了其测量精度。 风道内气流分布不均匀 - 4 华北电力大学博士学位论文 风道上一般装有风门调节挡板，特别是在热风送粉系统中，热风道和冷 风道都装有风门调节挡板，在不同的运行工况下，它们有不同的组合，这就 导致了风流极不稳定，在同一风量下，由于其组合不同可能是风速和方向都 有差异，导致了风量测量的误差。 温度的影响 测量出的体积流量必须经过温度的补偿才能转化成质量流量，环境温 度，以及由于运行工况不同，导致了风道中的风温处于一个动态之中，使得 在由体积流量向质量流量转化过程中产生了误差。 漏风的影响 这是一个伴随着机器设备而产生的问题，从风通过风机吹入系统开始， 直至它变成烟气排放出系统，它所经过的每一个设备都存在漏风问题，而且 这个漏风量是一个伴随着工况和时间变化的量，很难建立一个模型。不同的 压力温度下，漏风量会不一样：同样随着时间的推移，各种设备的密封设施 会老化，漏风量也会与日俱增。 针对直管段长度不达要求的问题，文献 7 2 提出了使用整流器的改造方 案，该方法涉及设备的改造，可行性不大：针对流场不均匀和温度变化问题， 文献 8 进行了模拟仿真，但模拟的条件较为理想化，与实际有一定的距离； 文献 9 2 和 10 提出的利用软测量技术建立的风量软测量模型，有一定的实 用价值，但需要大量的数据作为模型整定用，目前还没有得到广泛的应用。 1 2 2 给煤量的测量 电站锅炉给煤量是一个至关重要的参数。从控制的角度来看，给煤量直 接取决于负荷指令；而给风的目标是实现给煤的经济燃烧，可以说给风是由 给煤决定的；合理的风煤比的燃烧结果就是经济的产出能支撑起负荷指令的 工质一一过热蒸汽；因此我们可以说给煤量处在一个中间桥梁的位置上。当 然，我们这里说的给煤量不是狭隘的仅仅指给煤的质量，而是还应该包括其 中的煤质信息，因为即使是同等质量的煤，由于其组成成分的差异，燃烧结 果也会大相径庭。这里我们将分给煤质量测量和给煤成分分析两个方面的内 容进行论述。 1 2 2 1 给煤质量的测量 电站锅炉的给煤系统是个较为复杂的辅机系统，其主要工艺流程为：由 一5 一 第1 章绪论 输煤皮带将煤由煤场送至磨煤机，经磨煤机后变成煤粉，煤粉由风吹入煤粉 仓，再经煤粉仓进入各燃烧器，或者由磨煤机直接吹入燃烧器。根据输送煤 粉的风的不同，可以分为热风送粉锅炉和乏气送粉锅炉；根据煤粉进入燃烧 器途径的不同，可以分为中储式锅炉和直吹式锅炉。 对于中储式锅炉来说，煤粉首先储存在煤粉仓中，燃烧时由风将煤粉从 煤粉仓吹入燃烧器，那么要计算流入燃烧器的煤量，就只有计算风粉两相流 的浓度或者监测煤粉仓中煤粉的减少量两种途径。 风粉的浓度测量，由于其两相流的特点使其具有了相当的复杂性和难 度，经过多年的研究，现阶段比较有代表性的测量方法为：适应于热风送粉 系统的热量法和适应于乏气送粉的动能或者动量法。1 们。这些方法由于涉及 到各种两相流管道条件以及温度等系数的修正，使其实际利用的精度远没有 实验分析的那么理想，无法达到理想的效果。 对于监测煤粉仓煤粉的减少量来说，目前电站中广泛应用的是重锤测量 的方法，其原理为将重锤从煤粉仓的项端以自由落体运动落下，直至其在煤 粉中停止，计算其下落时间，反推煤粉表面距离煤粉仓项部的距离，根据这 个距离的变化估算煤粉量的变化。该方法的优势在于测量方法简单，但是由 于其不能保证重锤在仓内做的运动是理想的自由落体而使精度大打折扣，同 时这也是一种抽样测量，不可能在短时间内完成整个过程，难以保证其实时 性。近年来由于超声波技术的发展而产生的超声波物位计在原理上能对煤粉 量进行实时高精度监测，但是由于电站锅炉的生产现场各种干扰广泛存在， 使其工作波段随时可能受到干扰，其测量结果也就与实验环境下的精确分析 有了不少的差距。 对于直吹式锅炉来说，给煤直接由磨煤机磨成煤粉后由给风送入燃烧 器，其给煤质量的监测可以避开复杂的两相流测量。经典的方法有电子皮带 秤直接测量输煤皮带上的原煤，估算其输送时间及磨内时间，可以作为给煤 质量的监测信号。该方法由于难以估算输煤皮带的掉煤和煤粉在磨内的残留 而使其精度受到影响。近年来，伴随着数据融合和软测量技术的兴起，有关 研究表明给煤质量与给煤机转速、给粉机转速、磨煤机转速、磨煤机电流、 磨煤机出口压差、热量信号、火焰辐射能等参数具有非常强的相关性0 1 ， 通过软测量模型对给煤质量进行监测取得了不俗的效果。 1 2 2 2 给煤煤质的监测 煤质分析技术中最古老和最成熟的就是传统的煤的元素分析和工业分 一6 一 华北电力大学博士学位论文 析。元素分析包括碳、氢、氮、氧和硫五项内容；工业分析也称技术分析或 者实用分析，是水分、灰分、挥发份和固定碳四项内容的总称。分析的方法 分为收到基分析、空气干燥基分析、干燥基分析和干燥无灰基分析。表卜l 和表1 - 2 分别给出了各种基准的元素分析和工业分析的平衡方程和各基准 问的转换关系8 2 引。 表卜1 煤质分析的各基准计算对照表 基质 元素分析工业分析 习惯名称国际名称 应用基收到基 c j r + h - r + 0 k + n 盯+ s i r + 厶r + m 叠r = 1 0 0 f c a f + r + r + m a r = 1 0 0 分析基空气干燥基 c 0 + h a d + 0 i l d + n t d + s i i d + a 晡+ m 订= 1 0 0 f c 。d + v i d + a d + m 。d = 1 0 0 干燥基干燥基 c d + h d + 0 _ + n d + s d + = 1 0 0 f c d + v d + a = 1 0 0 0 4 可燃基干燥无灰基 c d a f + h d j f + 0 k f + n d a f + s d a f = 1 0 0 f c d a f + v 如f = 1 0 0 表卜2 煤质的不同基准转换对照表 收到基空气干燥基干燥基干燥无灰基 1 0 0 一m a d 1 0 0l o o 收到基 l 1 0 0 一m 。 1 0 0 一m ”1 0 0 一m 。，一气， 1 0 0 一m a r 1 0 01 0 0 空气干燥基 1 1 0 0 一m 8 d1 0 0 一m a d 1 0 0 一m a d a d 干燥基 ! ! ! 二坚堑 1 塑：坚4 l l o o 1 0 01 0 0 1 0 0 一 1 0 0 一m 。，一1 0 0 一m a d 一 dl o o 一 干燥无灰基 l 1 0 01 0 0l o o 我国电站锅炉的生产过程中，普遍采用的是煤质的工业分析，在具体实 施过程中一般有三步： 验收入厂煤质量：此项检验是为了保证入厂煤的质量，并为煤的分 类存放和计价提供依据。 检验入炉煤质量：本项检验的结果可以为运行人员提供煤质信息， 以优化锅炉的运行。 检验煤场存煤的煤质：此项检验可以计算出入厂煤和入炉煤的差异， 一7 一 第1 章绪论 确定发电成本。 上述煤质分析均需要采样分析，其电站锅炉的实际生产过程中的具体工 艺流程如图1 - 6 所示。 图1 - 6 电站燃煤工业分析流程图 上述过程属于采样分析，需要满足采样分析的苛刻条件，才能有满意的 精度，同时工业分析过程中，需要经过采样、制样、干燥、灼烧等一系列的 物理化学变化才能完成，所以根本无法在线实现，致使无法将煤质信息投入 到自动控制系统中心引。 近年来随着仪表技术的发展，出现了一些具有代表性的煤质在线分析仪 器，主要有以下几类心卜3 们： 水分分析仪：国内外曾先后采用电导法、电容法、红外线法等测定 煤中水分，近年来开始使用微波法，即借助微波信号穿透煤层时产生的衰减 和相移来测定煤中水分。国内目前只有少数电厂应用微波在线水分分析仪， 如石洞口电厂和陡河电厂从德国b e r t h o l d 公司引进的l b 3 5 4 微波测水仪。 灰分分析仪：目前应用较为普遍的快速测灰仪是中子活化分析快速 测灰仪和双能厂射线快速测灰仪2 种。国内曾开展过中子活化分析快速测灰 仪的研究，研究表明我国煤的灰分含量与煤中硅、铝含量之和有很高的相关 性，用具有一定能谱分布的中子源激化煤样，测定煤样中硅、铝含量之和， 通过相关曲线，即可得煤样灰分含量：国外中子活化分析快速测灰仪的主要 产品为美国g a m m a m e t r ic s 公司的m o d e l3 6 12 c 型和澳大利亚s c a n t e c h 公司 的c o a l s c a n 9 0 0 0 型。目前双能测灰仪已在国内使用，如石洞口电厂使用的 l b 4 2 0 测灰仪，它所配备的闪烁探测器采用漂移和衰减的自动补偿以保证长 期使用的稳定性，西北电力集团燃料公司研制的t n - 2 0 0 型测灰仪也是采用 双能透射法进行煤质测量；国外，射线快速测灰仪主要产品有澳大利亚 一8 一 华北电力大学博士学位论文 s c a n t e c h 公司的c o a l s c a n 3 5 0 0 型，德国b e r t h o ld 公司的l b 4 2 0 型，美国 s c i e n c e a p p l i c a t i o n 公司的m o d e l 4 0 0 型等。 发热量快速测定仪：煤中灰分和发热量之间有很好的相关性，可以通 过回归方程由灰分值计算出煤发热量，利用灰分快速分析仪或工业分析快速 测定仪即可实现燃煤发热量的快速测定，德国b e r t h o ld 公司利用测定煤中 惰性物质含量和氢含量来测定煤发热量。 上述方法要么因为电厂的干扰巨大，难以保证其测量精度，要么由于造 价昂贵，很难在实际生产中普及。针对传统分析中存在的问题以及遇到的困 难处境，国外一些研究机构改进了评价体系，新的煤质分析方法主要是针对 煤和煤粉的非均质性的，针对有机质即煤的显微组分和无机矿物质两个方 面。该项技术主要包括n 5 q 引： 煤显微组分全反射率谱自动分析技术：煤的有机质非均匀性表现在 煤中显微组分的含量和分布的变化上，煤中三类显微组分，即壳质组、镜质 组、惰质组，其燃烧特性差异很大，这种差异还随煤种而变化，煤中显微组分 含量和分布的不同也意味着燃烧特性的不同，煤显微组分全反射率谱自动分 析技术( a u t o m a t e df u l lm a c e r a lr e f le c t o g r a m ) 将传统的煤显微组分、反 射率显微镜分析技术和自动图像处理技术相结合，从而得到煤的整体反射率 分布，不同的煤种具有不同的图谱，因此具有煤的“指纹性”特征。 计算机控制扫描电子显微镜( c c s e m ) ：c c s e m 是一种先进的煤中矿物 质分析仪器，它可以提供煤粉中矿物质的种类、颗粒大小及其分布的定量信 息，扫描电镜在计算机控制下对试样截面的选定区域进行逐点扫描，矿物质 颗粒的探测通过一个颗粒识别和测量程序进行，而矿物质颗粒的组成和大小 由x 射线能谱分析仪测定，通常对试样中10 0 0 - 2 0 0 0 个煤粉颗粒进行分析， 所得的结果通过特殊的计算机程序进行处理，从而得到矿物质含量、组成、 颗粒大小等的分布信息。 煤灰热机械分析仪：煤灰热机械分析仪( t h e r m o - m e c h a n ic a l a n a ly z e r ，t m a ) 是常规灰熔融温度测量的一种替代仪器，该仪器主要是通过 特性温度预测煤灰特性，也是一种离线分析方法。 文献 4 0 和 4 1 提出了一种基于烟气分析的煤质在线分析模型，但其中 将煤的理论发热量等于炉膛内的实际热量信号，来迭代求解难以直接测量的 飞灰含碳量，是一个明显的不足。因为如果理论发热量在数值上等于实际热 量信号的条件下，说明煤粉在炉内的燃烧率为1 0 0 ，那么飞灰内就不应该 有碳存在了。 一9 一 第1 章绪论 1 3 电力工业面临的环保压力 京都议定书诞生于1 9 9 7 年12 月，由14 9 个国家和地区代表在日本 东京召开的联合国气候变化框架公约缔约方第三次会议上制定，旨在限 制发达国家温室气体排放量以抑制全球变暖。议定书规定，到2 0 l0 年，所 有发达国家排放的二氧化碳等6 种温室气体的数量，要比1 9 9 0 年减少5 2 。 对各发达国家说来，从2 0 0 8 年到2 0 12 年必须完成的削减目标是：与19 9 0 年相比，欧盟削减8 、美国削减7 、日本削减6 、加拿大削减6 、东欧各 国削减5 。8 。新西兰、俄罗斯和乌克兰则不必削减，可将排放量稳定在1 9 9 0 年水平上。议定书允许爱尔兰、澳大利亚和挪威的排放量分别比19 9 0 年增 加10 、8 、1 。议定书规定在第一阶段发展中国家没有减排义务。我国 于1 9 9 8 年5 月2 9 日签署了该议定书。 目前我国二氧化碳排放量已位居世界第二，排放量占发展中国家的 5 0 ，占世界的15 ：甲烷、氧化亚氮等温室气体的排放量也居世界前列。 预测表明，到2 0 2 5 年前后，我国的二氧化碳排放总量很可能超过美国，居 世界第一位。在人均二氧化碳排放量方面，我国也已丧失排放水平低的优势。 由于技术和设备相对陈旧、落后，能源消费强度大，单位国内生产总值的温 室气体排放量也比较高。 虽然现阶段我国不承担减排义务，但是，由于中国是该条约的签约国之 一，同时，在京都议定书生效之后，关于控制温室气体排放的第二承诺 期的谈判即将展开，届时中国不可避免地将成为谈判各方关注的焦点，很有 可能被要求承担相应的减排义务。电力是我国温室气体排放的大户，一旦承 担减排义务，将首当其冲。另外，美国有报道称，中国计划新建5 6 2 座电厂， 产生的温室效应气体将是京都议定书减少排放目标量的5 倍，“中国将彻底 埋葬京都议定书”。这种言论给了我国发电企业当头一棒，也给以不足 4 的人口比例排放着2 5 世界温室气体排放量的美国，拒绝批准议定书的借 口中除“减少温室气体排放将会影响美国经济发展 和“发展中国家也应该 承担减排和限排温室气体的义务”外，又增加了一个幌子。 作为京都议定书确定的“联合履行一( j i ) 、“清洁发展机制”( c d m ) 和“排放贸易”( e t ) 三种域外减排机制，其中，与发展中国家关系最为密 切的便是清洁发展机制( c d m ) 。c d m 允许不同的缔约方联合开展二氧化碳等 温室气体减排项目。这些项目产生的减排数额可帮助某些缔约方履行减排承 诺。又可为发展中国家提供部分资金援助和先进技术，是种双赢机制。我国 于2 0 0 4 年6 月，发布了中国清洁发展机制项目暂行管理办法，并从该 一l o 华北电力大学博士学位论文 年起，在联合国开发计划署的帮助下，开始实施c d m 项目。北京安定垃圾场 填埋气收集利用项目和内蒙古风力发电项目获得国家批准。其中，北京安定 垃圾场填埋气收集利用项目与国际能源系统( 荷兰) 公司合作，在1 0 年将 减少排放近8 0 万吨二氧化碳。截止2 0 0 5 年1 1 月底，包括为数不多的c d m 项目在内，我国与发达国家企业合作的削减温室气体项目达3 0 个，预计每 年减排量约3 9 0 0 万吨。我国有望自2 0 0 5 年起，减排全年排放总量的1 。 2 0 0 3 年1 2 月2 3 日公布的g b l3 2 2 3 - 2 0 0 3 专门对火电厂的大气污染物排放作 了限制。该标准对不同时段建设的电站的排放要求具体规定如下引： 1 9 9 6 年1 2 月3 1 日前建成投产或通过建设项目环境影响报告书审批 的新建、扩建、改建火电厂建设项目，执行第1 时段排放控制要求。 1 9 9 7 年1 月1 日起至本标准实施前通过建设项目环境影响报告书审 批的新建、扩建、改建火电厂建设项目，执行第2 时段排放控制要求。 自2 0 0 4 年1 月1 日起，通过建设项目环境影响报告书审批的新建、 扩建、改建火电厂建设项目( 含在第2 时段中通过环境影响报告书审批的新 建、扩建、改建火电厂建设项目，自批准之日起满5 年，在本标准实施前尚 未开工建设的火电厂建设项目) ，执行第3 时段排放控制要求。 g b l3 2 2 3 2 0 0 3 中对具体污染物的排放限制如下列表格( 表卜3 是锅炉 烟尘最高允许排放浓度和烟气黑度限值，表1 - 4 是二氧化硫最高允许排放浓 度，表1 - 5 是组氮氧化物最高允许排放浓度) ： 表1 - 3 火力发电锅炉烟尘最高允许排放浓度和烟气黑度限值 烟尘最高允许排放浓度( 单位：m g m3 )烟气黑度 ( 格林曼 时段第1 时段第2 时段 第3 时段 黑度，级) 实施2 0 0 5 年12 0 1 0 年1 2 0 0 5 年1 2 0 1 0 年1 2 0 0 4 年12 0 0 4 年1 时间月1 日月1 日月1 日月1 日月l 口月1 日 燃煤 3 0 0 12 0 0 1 5 05 0 2 0 01 0 0 31 0 0 3 锅炉 6 0 0 25 0 0 2 2 0 0 42 0 0 1 o 燃油 2 0 01 0 0l o o5 0 5 0 锅炉 县级及县级以上城市建成区及规划区内的火力发电锅炉执行该限值。 县级及县级以上城市建成区及规划区以外的火力发电锅炉执行该限值。 在本标准实施前，环境影响报告书已批复的脱硫机组，以及位于西部非 一1 1 一 】 2 3 ( l ( 注 第1 章绪论 两控区的燃用特低硫煤( 入炉燃煤收到基硫分小于0 5 ) 的坑口电厂锅 炉执行该限值。 ( 4 以煤矸石等为主要燃料( 入炉燃料收到基低位发热量小于等于 1 2 5 5 0 k j k g ) 的资源综合利用火力发电锅炉执行该限值。 表卜4 火力发电锅炉二氧化硫最高允许排放浓度( 单位：m g m3 ) 时段第1 时段第2 时段篇3 时段 2 0 0 5 年12 0 1 0 年12 0 0 5 年12 0 1 0 年12 0 0 4 年1 实施时间 月1 日月1 日月1 日月1 日月1 日 4 0 0 燃煤及燃 2 1 0 0 11 2 0 0 1 2lo o 4 0 0 8 0 0 3 油锅炉1 2 0 0 21 2 0 0 2 1 2 0 0 4 注：( 1 该限值为全厂第l 时段火力发电锅炉平均值。 ( 2 在本标准实施前，环境影响报告书已批复的脱硫机组，以及位于西部非 两控区的燃用特低硫煤( 入炉燃煤收到基硫分小于o 5 ) 的坑口电厂锅 炉执行该限值。 ( 3 以煤矸石等为主要燃料( 入炉燃料收到基低位发热量小于等于 1 2 5 5 0 k j k g ) 的资源综合利用火力发电锅炉执行该限值。 ( 4 位于西部非两控区内的燃用特低硫煤( 入炉燃煤收到基硫分小于0 5 ) 的坑口电厂锅炉执行该限值。 表卜5 火力发电锅炉及燃气轮机组氮氧化物最高允许排放浓度( 单位：m g m3 ) 时段第1 时段第2 时段第3 时段 2 0 0 5 年1 月12 0 0 5 年1 月12 0 0 4 年1 月1 实施时间 日日日 f 2 0 4 5 0 燃油锅炉6 5 04 0 02 0 0 燃油1 5 0 燃气轮机组 燃气8 0 g b l3 2 2 3 - 2 0 0 3 除对上述排放物的浓度做出了明确限制外，还对二氧化 硫的排放速度以及各地区的排放控制系数进行了量化，并对排放速度和排放 系数的计算进行了附属说明。 一1 2 华北电力大学博士学位论文 2 0 0 7 年1 月2 9 日，全国电力工业上大压小节能减排工作会议在京召开。 国务院批转了国家发改委能源办关于加快关停小火电机组的若干意见。 会议决定：今后四年，全国要关停小燃煤机组5 0 0 0 万千瓦以上，燃油机组 7 0 0 万千瓦至1 0 0 0 万千瓦，不再新上小火电项目，每年可节能5 0 0 0 万吨以 上标准煤、减排1 6 0 万吨以上二氧化硫。今后规划新建火电项目，都要尽可 能采用6 0 万千瓦及以上超临界、超超临界机组。关停范围包括：单机容量 5 万千瓦以下的常规火电机组；运行满2 0 年、单机容量l0 万千瓦级以下的 常规火电机组：按照设计寿命服役期满、单机2 0 万千瓦以下的各类机组； 以及供电标准煤耗高、未达到环保排放标准和其他应予关停的机组。会后， 两大电网和五大发电集团分别与国家发改委签订了目标责任书。 1 4 论文的研究内容及组织结构 本文将针对我国火电生产现状中存在的煤质在线监测问题展开，以国内 典型的6 0 0 m w 机组为研究对象，通过对入炉煤质的分析，给出一个优化的风 煤配比方案，以达到“节能降耗”的目的；同时通过对排放物的分析，建立 一个锅炉生产过程的环保性评估指标，以适应电力生产对环保要求的日益提 高。具体的内容如下： 完备排放物信息的煤质分析模型 通过对燃烧机理的分析和运用基于数据数理统计规律的数学手段，建立 起燃煤的各组成成分，与锅炉燃烧排放物之间的数学描述，并联立这些数学 描述建立一个煤质与排放物之间的关系模型，该模型以锅炉的排放物为输 入，入炉煤质为输出。这部分内容将在论文的第2 章中详细阐述。 不