锅炉的优化运行问题

1、锅炉的优化运行问题摘要电站锅炉是火力电站的三大主机设备之一。基于目前我国的火力电站锅炉以亚临界和超临界大容量锅炉为主，本题以300MW锅炉为例。由于设备本身以及操作管理等方面原因，我国与发达国家有着较大差距，主要表现在高耗煤及热效率低下，为提高锅炉效率及节约有限资源成为我国现状的当务之急。针对问题一，结合国内外优秀的经验，我们采用了定义算法，推导最佳过量空气系数表达式，通过对本文数据的研究以及带入验证的方法，得到了不同机组负荷下完全燃烧和不完全燃烧的比较可靠的最佳过量空气系数。针对问题二，通过研究过量空气系数与影响锅炉效率的因素，由经验公式推出过量空气系数与之间的关系，通过拟合得到，将其转化为

2、线性的关系。通过先研究过量空气系数与之间的关系，然后再由反平衡计算锅炉的效率公式得出锅炉效率与之间的关系，从而得出各个机组负荷的过量空气系数与锅炉效率之间的关系。针对问题三，由于锅炉运行参数与锅炉效率之间存在的是非线性关系，所以经过多次拟合锅炉运行参数得到拟合的表达式，得到了锅炉运行参数对锅炉效率的一组拟合数据，得到拟合曲线。再通过比较正反平衡计算锅炉的效率公式，从而得到锅炉的运行参数对锅炉效率的影响。针对问题四，对于锅炉的优化方案以及运行方法，本文提出了关于锅炉现存的一些问题，改善锅炉运行参数问题，提高过量空气系数的最佳值问题，以及改善在生产中外部因素对锅炉效率的影响。关键字：经验公式 定义

3、算法 多重数据拟合 一、问题重述在现代电站中，反映锅炉运行状况好坏的主要性能指标是锅炉效率。按照中华人民共和国国家标准的电站性能试验规程（GB PTC），电厂锅炉采用反平衡计算锅炉效率。 在锅炉的实际运行中，为使燃料燃尽，实际供给的空气量总是要大于理论空气量，超过的部分称为过量空气量，过量空气系数是指实际空气量与理论空气量之比。过量空气系数直接影响排烟热损失、化学不（或可燃气体未）完全燃烧热损失、机械（或固体）不完全燃烧热损失（如图1）。可见，当炉膛出口过量空气系数增加时，先减少后增加，有一个最小值，与此最小值对应的空气系数称为最佳过量空气系数。以300MW锅炉为例进行分析（锅炉参数见附录1）

4、。由于过量空气系数对化学不完全燃烧热损失影响较小，故可视为常数处理。附录2给出了实测飞灰含碳量与过量空气系数的关系。请对以下问题进行研究：1确定锅炉运行的最佳过量空气系数；2给出锅炉效率与过量空气系数的关系；3研究锅炉的运行参数对锅炉效率的影响；4探讨锅炉的优化运行方法。二、基本假设1、本论文中的锅炉都是300MW且属于同一种型号。2、在安全生产的条件下，研究锅炉运行参数与锅炉效率之间的关系。3、本论文中排除人为因素的影响且选定的煤质为无烟煤。4、假设三、符号说明符 号含 义碳含量氢含量硫含量氧含量氮含量无机物水分灰分应用基高位发热量烟气含氧量D主汽流量排烟温度过热蒸汽压力过热蒸汽温度给水温度

5、试验期间平均耗量过热蒸汽量过热蒸汽压力（绝对压力）过热蒸汽温度再热蒸汽入口压力（绝对压力）再热蒸汽入口温度再热蒸汽入口流量再热蒸汽出口压力（绝对压力）再热蒸汽出口温度再热蒸汽出口流量再热蒸汽减温水压力（绝对压力）再热蒸汽减温水温度再热蒸汽减温水流量锅炉给水压力（绝对压力）锅炉给水温度给水流量炉底灰渣可燃物炉底排渣率空气预热器出口烟气中二氧化碳含量环境温度四、模型的建立与求解4.1问题1 4.1.1问题1的分析：本小题探究的锅炉运行的最佳过量空气系数的确定，最佳过量空气系数直接影响排烟热损失，化学不（或可燃气体未）完全燃烧热损失、机械（或固体）不完全燃烧热损失。以上各项损失是随着过量空气系数的值

6、而变化的，如图所示。当增加时，燃料同空气反应机会加大，使化学不完全燃烧热损失和机械不完全燃烧热损失减少，却导致排烟热损失升高。三项损失的总和为一下凹的曲线，如图1所示，图1 过量空气系数与热损失的关系曲线其最低点的值即为最佳值。我们可通过经验公式和过量空气系数的定义来确定锅炉运行的最佳过量空气系数。4.1.2问题1模型建立： 值表示燃料特性系数，一般来说，对于木柴，；对于无烟煤，；对于烟煤，；对于褐煤，；对于重油，；对于天然气，；对于焦炉煤气，若忽略燃料中含量较少的硫和氮，则有 分子表示尚未与氧化合的“自由氢”，分母为碳含量。“自由氢”越多，系数越大。若燃烧完全，即无一氧化碳产生，则 过量空气

7、系数可根据烟气分析的结果予以确定。 由于燃料中的氮含量很少，燃烧后燃料释放出来的氮的容积远小于烟气中氮的容积，即。忽略燃料中的氮时，进入炉内的实际空气量可简化为烟气中氮的容积为 所以 同理 于是 当锅炉完全燃烧时，干烟气的组成分为，即，于是表示为 当通过烟气分析测出和之后，便可由上式求得过量空气系数。由式(1)和式(5)有 由式(2)和式(5)有 对于燃煤锅炉，数值上是很小的。对于式（6）可以忽略的影响，即可认为 则有 因此，当锅炉完全燃烧时，过量空气系数与烟气中氧的容积成分基本上是对应的。当锅炉不完全燃烧时，烟气中的氧即来自过量空气，也来自理论空气中由于碳不完全燃烧而未消耗的氧。若不完全燃烧

8、产生中仅考虑时，未消耗的氧的体积份额为，即过量空气中的氧应为烟气分析测定的氧减去。因此 此时，干烟气中氮的容积份额为 有式（3），式（4），式（7）及式（8）得 上式即为确定不完全燃烧时的过量空气系数表达式。同样也可确定气体燃料燃烧的过量空气系数。4.1.3问题1模型求解：，根据定义运用软件编写程序1进行求解（详见附录程序1）。由于同一锅炉不同机组负荷产生的烟气含氧量和排烟温度不同，导致求解出的值不同（其中），分别得到锅炉完全燃烧和不完全燃烧时的值，结果见表1、表2。 表1锅炉完全燃烧时的最佳参数机组负荷结果298 5.121.3300245.3 5.081.3191215.8 5.881.3

9、889192.3 6.841.4831 表2锅炉不完全燃烧时的最佳参数机组负荷O2结果298 5.121.2502245.3 5.081.2342215.8 5.881.3388192.3 6.841.4888注：由两个表可以明显看出机组负荷不同得到的最佳也不同。4.2问题2 4.2.1问题2的分析：在问题一中，通过运用与锅炉有关的定义公式得出了过量空气系数之间的关系，并且得到了锅炉运行的最佳过量空气系数。在此题中通过研究过量空气系数与锅炉效率之间的关系，我们发现，过量空气系数是通过影响排烟热损失，化学不（或可燃气体未）完全燃烧热损失，机械（或固体）不完全燃烧热损失，散热损失以及灰渣物理热损失

10、来间接或者直接影响锅炉效率。并将其中与过量空气系数相关的运行参数进行拟合得到锅炉效率与过量空气系数之间的关系。4.2.2问题2模型建立：在锅炉的实际运行中，为了保证进入锅炉的燃烧的燃料能够尽可能地完全燃烧，其空气供给量必须比理论计算空气供给量多一些，称实际空气量与理论空气量的比值为过量空气系数。 1.1 过量空气系数与热损失的关系 （1）与排烟热损失的关系 根据经验公式有 1 式中 排烟空气温度，； 环境温度，。 排烟热损失是锅炉热损失中最大的一项。在运行中，要尽可能地保证完全燃烧的条件下降低，来提高锅炉的燃烧效率，从式1可以看出降低就可以降低。 （2）与化学不完全燃烧热损失的关系 2 又 式

11、中 燃烧特性系数，与燃料种类有关； 烟气中和的含量； 化学不完全燃烧损失较其他热损失小，但是对热效率也是有一定影响的 ，从式2可以看出与和乘积成线性关系。而在正在运行的情况下，若燃料不发生变化，的量是很小的，基本认为不变，故而可认为与也成线性关系。（3） 和固体不完全燃烧损失的关系 根据经验公式 3 从式3可以容易看出，的大小不仅和有关，而且和有关，当增加时，分母变大，同时也变大，分子减少，减少，这是由于空气供给量充足，燃料能充分燃烧。但当过大时，也会最加，这是因为过大，容易造成炉膛温度降低，辐射换热量减少，最终排烟温度增加，所以造成的增加。由锅炉的反平衡计算锅炉效率公式为： ， ，其中，额定

12、蒸发量下的散热损失；锅炉的额定蒸发量，；锅炉效率测定时的实际蒸发量， ；其中灰渣物理热损失即炉渣、飞灰与沉降灰排出锅炉设备时所带走的显热占输入热量的百分率，表达式为，其中由炉膛排出的炉渣温度，；固态排渣煤粉炉可取800；由烟道排除的沉降灰的温度，可取为降灰上部空气的温度，；分别表示炉渣、飞灰及沉降灰的比热，；其中干烟气比热容；水蒸气比热容；4.2.3问题2模型求解：根据分析并且结合问题一中的过量空气系数之间的关系，首先可以认为与过量空气系数之间的关系，进过拟合与与运行参数之间的关系，得到了一个非线性的关于锅炉效率与过量空气系数之间的关系：，由得，锅炉效率为： （备注：由过量空气系数对不完全燃烧

13、热损失影响较小，故视为常数即：）。锅炉有四组机组负荷，所以对应4个效率，如下表示：运用软件求解出结果：根据上面数据可以得到四组机组负荷锅炉的效率与过量空气系数的关系，结果见表3表3锅炉的效率与过量空气系数1.11.21.31.41.51.6负荷10.93590.93180.92760.92350.91940.9153负荷20.93750.93350.92950.92550.92150.9176负荷30.94090.93720.93350.92980.92610.9224负荷40.94220.93860.93500.93140.92780.9242从而可以通过软件绘制出锅炉效率与过量空气系数关系

14、图（图2） 图2 锅炉效率与过量空气系数关系图4.3问题34.3.1问题分析：根据问题二的拟合分析与求解可知，对锅炉效率的影响是通过影响有效利用热，化学不（或可燃气体未）完全燃烧热损失，机械（或固体）不完全燃烧热损失，以及散热损失和灰渣物理热损失。 而的变化主要是受锅炉运行的主要参数的变化而变化；所以通过运用锅炉正平衡法计算公式的计算和反平衡计算公式的计算，从而得出，锅炉效率与锅炉运行参数之间的关系以及相互之间的影响。 4.3.2问题3模型建立：锅炉热效率=被锅炉有效吸收的总热量/进入锅炉的全部热量*100%正平衡法计算公式：锅炉热效率     

15、;      其中， :被锅炉有效吸收的总热量；    ：进入锅炉的全部热量； 由锅炉的反平衡计算锅炉效率公式为： ，由于炉膛出口飞灰含碳量与过量空气系数关系不是线性的，遂进行最小二乘法来进行多次拟合，得到以下模拟模型4.3.3问题3模型求解： 模型通过五次曲线拟合，运用软件得出结果：p = -3.3846 25.7622 -77.2705 114.4985 -84.0085 24.5047节点误差：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并画出拟合曲线（如图3） 图3对预测模型进行均方误差分析，得出均方误差为：，表明均方误差很小，表明拟合效果较好 注：均方误差（Mean Squared Error, MSE）是衡量“平均误差”的一种较方便的方法，可以评价数据的变化程度。标准误差定义为各测量值误差的平方和的平均值的平方根。设个测量值的误差为，则这组测量值的标准误差等于：机组负荷对锅炉效率的影响，根据问题2中，锅炉效率与过量空气系数的关系，计算出不同机组

17、在不同负荷下的关系函数。此时，利用插值法，找出不同机组负荷的相应的相应的过量空气系数，搭建起机组负荷和锅炉效率的关系。编写matlab程序（见附件程序4）计算相应的值（表4）： 表4 1.11.21.31.41.51.6负荷2980.93590.93180.92760.92350.91940.9153负荷245.30.93750.93350.92950.92550.92150.9176负荷215.80.94090.93720.93350.92980.92610.9224负荷192.30.94220.93860.93500.93140.92780.9242计算四种不同负荷下，效率的平均值分别为：

18、 0.9256 0.9275 0.9316 0.9332画出机组负荷对锅炉效率关系图（图4）： 图44.4问题4通过对前面问题的建模与求解可知，锅炉的主要运行参数以及过量空气系数是主要影响锅炉效率的因素，针对以上模型的求解及分析，我们可以根据以下几个途径来优化锅炉优化运行的方法：1、人为作业大量参与其中，针对锅炉各个方面出现的问题及时的修整。2、在锅炉运行中，随时关闭各个火门孔，减少炉膛负压以及磨煤机的压强，一般可以降低排烟温度23度。3、采取固定的煤质来源，确保锅炉的运行参数在大环境下不改变，及时补充及协调变化参数的大小，始终保持锅炉安全高效。4、在燃烧器中的配风方式以及燃烧器的运行条件要随着锅炉运行参数的变化做及时调整。五、模型评价、改进与推广1、模型的优点：本论文主要围绕锅炉效率，过量空气系数，锅炉运行参数之间展开，将三者之间的关系较全面地展现在文章中，并且第一二问得出了较好的结果，恰当的处理了二三问之间的衔接。2、模型的推广：本文中，可将二三问的衔接法运用到更多关于三个量之间的不明显的隐含的关系，通过中间变量的代替，更方便简洁的刻画出相互之间的关系，从而得出需要的结果。3、模型的缺陷和改进：本文最大的优点也是最大的缺点，只是深入的研究了关于锅炉效率，过量空气系数，以及锅炉运行参数之间的关系，忽略了大量外在因素对锅炉效率的影响。并且在模型三中，如果运用RBF网络神