沈躍云，高小濤

（1.江蘇經(jīng)貿(mào)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇南京211168；2.江蘇省電力公司電力科學(xué)研究院，江蘇南京211103）

燃煤電站鍋爐實(shí)際運(yùn)行過程中，鍋爐NOx的排放濃度除取決于鍋爐設(shè)計(jì)參數(shù)外，更重要的是還依賴于運(yùn)行參數(shù)和煤質(zhì)特性。這兩方面包含的影響因素眾多，且許多因素的影響相互耦合，如低NOx燃燒時(shí)煤的揮發(fā)分和溫度因素，而實(shí)際過程中還有一些因素（如煤質(zhì)變化）是不可控的，此外還有些不確定因素（煤粉流量的均勻連續(xù)性）。這意味著鍋爐的NOx排放特性十分復(fù)雜，表現(xiàn)出強(qiáng)烈的多變量、非線性特征。但是，實(shí)際運(yùn)行過程中，在運(yùn)行工況和煤質(zhì)變化時(shí)需要對(duì)燃燒進(jìn)行必要的調(diào)整以保持鍋爐的運(yùn)行性能和低的NOx排放濃度。運(yùn)行人員可以根據(jù)機(jī)組的性能和運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)對(duì)各因素變化及相應(yīng)調(diào)整的影響進(jìn)行評(píng)估，以確定較佳的調(diào)整方式和幅度。但是依據(jù)經(jīng)驗(yàn)并非總是有效，特別是面臨復(fù)雜的因素變化。因而，如果能為運(yùn)行提供必要的可靠預(yù)測方法和手段，無疑可顯著提高運(yùn)行水平。為此，國內(nèi)外在鍋爐NOx排放的預(yù)測和控制方面進(jìn)行了大量的研究工作。

1 經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ秃腿紵{(diào)整試驗(yàn)方法

經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ蛯?shí)際上是建立在實(shí)驗(yàn)研究的基礎(chǔ)上，通過大量的實(shí)驗(yàn)室和電站鍋爐上的系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)，總結(jié)出鍋爐NOx排放量與各種參數(shù)變化之間的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式，用于運(yùn)行中鍋爐NOx排放量的預(yù)測。目前國內(nèi)外提出的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ秃芏郲1，2]。如Pohl等人提出的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ蚚1]考慮了煤質(zhì)特性、運(yùn)行氧量、鍋爐燃燒器區(qū)域熱負(fù)荷、燃燒方式（分級(jí)或不分級(jí)）等對(duì)NOx排放量的影響，該模型被包括在美國EPRI煤質(zhì)評(píng)價(jià)專家系統(tǒng)中用于鍋爐NOx排放量的預(yù)測。

由于現(xiàn)有經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ屯捎煤唵蔚暮瘮?shù)形式，難以描述各因素之間的相互影響和相互作用，因此，現(xiàn)有經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ皖A(yù)測的準(zhǔn)確性和通用性一般是極有限的。另一方面，許多經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式提出的年代較早，而對(duì)于采用先進(jìn)低NOx燃燒系統(tǒng)的鍋爐，其適用性則需要實(shí)際情況的檢驗(yàn)或者重建。

在中國，電站鍋爐運(yùn)行中NOx的排放控制一般依賴于鍋爐的燃燒調(diào)整試驗(yàn)的結(jié)果。在燃燒調(diào)整試驗(yàn)時(shí)，試驗(yàn)人員一般通過改變單一的主要運(yùn)行參數(shù)，如通過改變過量空氣系數(shù)（或氧量）、配風(fēng)方式、磨煤機(jī)磨組運(yùn)行方式等，獲得單一參數(shù)變化時(shí)NOx排放量的變化，并繪制出相應(yīng)的單一因素和NOx排放量的關(guān)系曲線，以提供給電廠運(yùn)行人員。

燃燒調(diào)整試驗(yàn)在單因素影響的預(yù)測方面具有實(shí)用性，但單因素試驗(yàn)都是在基準(zhǔn)工況條件下的變量試驗(yàn)，而鍋爐運(yùn)行的條件和因素很多，這些在運(yùn)行過程中一般是變化的，為了適應(yīng)其他因素變化的影響，經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式的系數(shù)一般必須隨運(yùn)行的條件而改變[3]。盡管如此，燃燒調(diào)整試驗(yàn)方法是目前我國大型電廠廣泛使用的方法，它也是其他預(yù)測模型建立和評(píng)價(jià)的基礎(chǔ)。根據(jù)單因素試驗(yàn)的結(jié)果，確定各因素對(duì)NOx排放影響程度，以此為基礎(chǔ)根據(jù)主要因素的影響，對(duì)鍋爐運(yùn)行時(shí)NOx排放進(jìn)行預(yù)測則可提高預(yù)測方法的可靠性和實(shí)用性。

2 數(shù)學(xué)模型和優(yōu)化方法

除燃燒調(diào)整試驗(yàn)方法外，考慮到鍋爐NOx排放量的影響因素眾多和復(fù)雜性，目前國外有相當(dāng)多的電廠采用基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的方法對(duì)鍋爐NOx排放量進(jìn)行預(yù)測，并應(yīng)用于控制系統(tǒng)中進(jìn)行運(yùn)行的優(yōu)化控制[4]，我國在這方面也開展了相當(dāng)多的卓有成效的研究工作[5]。

用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)來預(yù)測NOx排放的模型是一種較好的非線性黑箱模型[5]，它不需要詳細(xì)了解NOx排放與各操作參數(shù)之間的關(guān)系，就可以預(yù)測NOx的排放量，已有的研究表明其具有相當(dāng)?shù)臏?zhǔn)確性。但是普通的人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型難以給出輸入各參數(shù)與輸出的關(guān)系，或者說很難給出各運(yùn)行工況參數(shù)對(duì)輸出參數(shù)（即NOx排放量）貢獻(xiàn)的大小，因此對(duì)于運(yùn)行的需要而言并不直觀。雖然可以在建模方面進(jìn)行一定的改進(jìn)，如在模型中考慮NOx生成機(jī)理和電廠運(yùn)行實(shí)際條件，但其作用在于提高模型的準(zhǔn)確性，上述問題仍然難以解決。

理論上看，采用基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法預(yù)測鍋爐NOx排放量能應(yīng)用于機(jī)組控制系統(tǒng)，但從鍋爐運(yùn)行人員的角度看，必要時(shí)仍然需要根據(jù)鍋爐運(yùn)行參數(shù)對(duì)NOx排放量影響特性用于運(yùn)行優(yōu)化調(diào)整。雖然目前有采用參數(shù)識(shí)別和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的結(jié)合來得到主要運(yùn)行參數(shù)與NOx排放量之間的關(guān)系[6]，但其結(jié)果仍有待于試驗(yàn)結(jié)果的檢驗(yàn)，而模型和上述關(guān)系的建立也依賴于大量試驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)及其可靠性。此外，人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法建模本身還存在許多問題有待于進(jìn)一步的研究解決[7]，特別是網(wǎng)絡(luò)建模所必需的樣本數(shù)量多，而目前的研究中采用實(shí)爐測試工況數(shù)據(jù)數(shù)量很有限，且實(shí)際測量數(shù)據(jù)在統(tǒng)計(jì)意義上的準(zhǔn)確性和可靠性也可能存在不確定性。由于試驗(yàn)條件限制而不可能進(jìn)行大量工況的試驗(yàn),又不可能進(jìn)行經(jīng)常性的現(xiàn)場試驗(yàn),這也是基于試驗(yàn)工況所建立的模型難以適應(yīng)實(shí)際工況的重要原因。因此，人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法的研究、開發(fā)和應(yīng)用也有待于鍋爐燃燒NOx試驗(yàn)方法的研究和改進(jìn)。應(yīng)用鍋爐現(xiàn)有在線測量數(shù)據(jù)，則可以對(duì)上述缺陷進(jìn)行改進(jìn)，目前這方面也有較好的嘗試。

除人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法之外，支持向量機(jī)模型方法也被應(yīng)用到NOx排放的預(yù)測和運(yùn)行優(yōu)化，國內(nèi)近年來在這方面開展了大量的研究[7]。支持向量機(jī)(SVM)算法作為一種新的統(tǒng)計(jì)學(xué)習(xí)方法在建模方面顯示了良好的優(yōu)勢，成為了模式識(shí)別和回歸分析領(lǐng)域的重要工具。該方法可應(yīng)用于NOx排放預(yù)測的建模，以實(shí)現(xiàn)在線運(yùn)行的優(yōu)化，采用在線運(yùn)行數(shù)據(jù)，可獲得運(yùn)行參數(shù)和NOx排放之間的關(guān)系，這無疑可為運(yùn)行人員提供良好的參考依據(jù)，因而具有良好的應(yīng)用前景。

3 計(jì)算流體力學(xué)（CFD）模擬方法

計(jì)算CFD模擬是預(yù)測電站鍋爐燃燒過程和NOx排放量常用方法[8]。因CFD模型可詳細(xì)考慮爐內(nèi)的流動(dòng)、傳熱、燃燒反應(yīng)和NOx生成過程，在已知鍋爐結(jié)構(gòu)燃燒系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和運(yùn)行輸入條件的前提下，理論上可以準(zhǔn)確預(yù)測不同運(yùn)行條件下鍋爐的NOx排放量及煤質(zhì)等條件變化的影響。因此，目前該方法在國內(nèi)外被廣泛用于鍋爐特別是燃燒器及燃燒系統(tǒng)設(shè)計(jì)和燃燒改造時(shí)預(yù)測NOx排放量，以預(yù)測設(shè)計(jì)、改造方案的效果，也更多地應(yīng)用于鍋爐運(yùn)行性能和NOx排放特性的研究和分析[8]。雖然CFD技術(shù)因受各基礎(chǔ)模型在理論上的準(zhǔn)確性和輸入運(yùn)行數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性的限制，其預(yù)測結(jié)果的準(zhǔn)確性因而受影響，但隨著燃燒等基礎(chǔ)模型研究的進(jìn)步，其可靠性正日益提高，這也是該技術(shù)日益廣泛應(yīng)用的原因。在國外，CFD技術(shù)甚至被開發(fā)作為重要的輔助手段結(jié)合到鍋爐運(yùn)行控制中[8]，應(yīng)用其對(duì)爐內(nèi)流動(dòng)和燃燒過程模擬得到的豐富分布數(shù)據(jù)為運(yùn)行人員提供更全面的運(yùn)行信息，這方面在提高運(yùn)行水平上無疑具有良好的應(yīng)用前景。

數(shù)值模擬的對(duì)象是某廠超超臨界1 000 MW機(jī)組鍋爐的爐膛。該爐膛橫截面為長方形，由膜式水冷壁構(gòu)成。爐膛寬度為32 084 mm、深度15 670 mm、高度65 900 mm。爐膛上方布置高度為14 500 mm的分隔屏和屏式過熱器。

3.1 計(jì)算區(qū)域和網(wǎng)格

計(jì)算區(qū)域包括整個(gè)爐膛及屏區(qū)，從冷灰斗到屏式過熱器后的爐膛出口煙窗。計(jì)算根據(jù)鍋爐和燃燒器的實(shí)際結(jié)構(gòu)尺寸在以上區(qū)域劃分計(jì)算網(wǎng)格。在網(wǎng)格劃分時(shí)，各角燃燒器各噴口和AA風(fēng)噴口采用了實(shí)際的尺寸和結(jié)構(gòu)布置。為適應(yīng)燃燒器噴口的尺寸和實(shí)際的結(jié)構(gòu)布置，并考慮燃燒器噴口附近區(qū)域流動(dòng)、反應(yīng)過程參數(shù)的顯著變化，在燃燒器區(qū)域爐膛和AA風(fēng)區(qū)域爐膛特別是燃燒器噴口附近采用了局部加細(xì)的網(wǎng)格。而對(duì)燃燒器區(qū)域與AA風(fēng)區(qū)域之間、燃燒器區(qū)域以下和AA風(fēng)以上區(qū)域爐膛，網(wǎng)格尺寸逐漸放大，以實(shí)現(xiàn)網(wǎng)格尺寸的平穩(wěn)過渡。對(duì)于屏區(qū)空間特別是爐膛寬度方向也采用了加細(xì)的網(wǎng)格，以合理模擬屏區(qū)的流動(dòng)和傳熱過程。計(jì)算區(qū)域的網(wǎng)格及其分布如圖1所示。

3.2 CFD模型選擇

數(shù)值模擬計(jì)算時(shí)采用的模型簡述如下：

（1）爐內(nèi)氣體流動(dòng)模型。爐內(nèi)氣體流動(dòng)為三維湍流流動(dòng)，其平均流可視為穩(wěn)態(tài)流，模擬時(shí)采用常規(guī)的守恒方程（連續(xù)性方程、動(dòng)量守恒方程和能量守恒方程等）進(jìn)行描述。其中氣相湍流的描述采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε雙方程模型。

（2）煤粉顆粒的運(yùn)動(dòng)采用拉格郎日方法描述，即采用隨機(jī)軌道模型來模擬爐內(nèi)顆粒的運(yùn)動(dòng)過程。

（3）煤粉顆粒燃燒模型的主體為顆粒的能量平衡方程，其中考慮顆粒加熱、熱解和揮發(fā)分釋放、煤焦燃燒過程以體現(xiàn)顆粒燃燒過程的熱質(zhì)變化，這些熱質(zhì)變化作為源項(xiàng)作用到連續(xù)相（氣相）的守恒方程之中去。對(duì)于煤粉的燃燒過程，熱解采用傳統(tǒng)的雙方程模型來描述，而焦顆粒的燃燒則采用動(dòng)力學(xué)/擴(kuò)散模型。

（4）氣相湍流燃燒的過程采用非預(yù)混燃燒模型模擬，采用混合分?jǐn)?shù)-概率密度函數(shù)模型來描述氣相燃燒。

（5）爐內(nèi)輻射過程的描述則采用P1模型，該模型對(duì)于鍋爐這種大尺寸結(jié)構(gòu)內(nèi)輻射傳熱計(jì)算既可節(jié)省計(jì)算時(shí)間又不失計(jì)算的精度。

（6）熱力NOx生成模型采用經(jīng)典的擴(kuò)展Zeldovich機(jī)理。對(duì)于燃料NOx的生成，模型考慮煤的揮發(fā)分和焦中燃料N的轉(zhuǎn)化，因模擬涉及的煤種均為典型的煙煤，所以假定揮發(fā)分和焦炭N轉(zhuǎn)化為中間產(chǎn)物HCN，HCN再氧化成NO或轉(zhuǎn)化成N2。除燃料N轉(zhuǎn)化外，模型還包括了NO在焦表面的還原過程及其對(duì)NOx生成的影響。

3.3 數(shù)值模擬的邊界條件

數(shù)值模擬的入口邊界條件主要是燃燒器各噴口的入口條件，包括氣相的速度、溫度、湍流特性以及煤粉顆粒流量、溫度、粒徑分布等。出口邊界即爐膛出口煙窗，采用普通的出口條件描述。固體壁面上采用無速度滑移和無質(zhì)量滲透條件,還考慮溫度和輻射率等特性。

燃燒器噴口的入口條件根據(jù)鍋爐的設(shè)計(jì)和運(yùn)行條件確定，其中氣相即空氣采用各次風(fēng)速、風(fēng)溫等來確定，而對(duì)煤粉顆粒，除考慮速度和溫度外，還包括顆粒特性。顆粒尺寸采用Rosin-Rammler分布，煤粉細(xì)度R90=18%～20%（設(shè)計(jì)值）。因模擬鍋爐額定（BRL）負(fù)荷下的爐內(nèi)燃燒過程，實(shí)際過程采用5臺(tái)磨運(yùn)行，所以模擬時(shí)采用5層濃淡煤粉燃燒器運(yùn)行方式。模擬采用隨機(jī)軌道模型跟蹤煤粉的運(yùn)動(dòng)和燃燒過程，計(jì)算中共跟蹤7 200顆粒。而對(duì)于壁面，主要采用輻射率和表面溫度來模擬其輻射特性，而表面溫度根據(jù)熱力計(jì)算結(jié)果估算。

3.4 模擬計(jì)算結(jié)果

采用CFD數(shù)值計(jì)算得到的1 000 MW超超臨界鍋爐爐膛內(nèi)NOx濃度場分布的結(jié)果模擬計(jì)算得到CO的濃度場、O2的濃度場和NOx的濃度場分布結(jié)果[8]，如圖2—4所示。

模擬計(jì)算結(jié)果表明，該鍋爐采用PM燃燒器和MACT燃燒系統(tǒng)，燃燒區(qū)域形成了巨大的還原性區(qū)域，體現(xiàn)出爐內(nèi)深度空氣分級(jí)燃燒的作用，因而顯著地抑制了主燃燒區(qū)域NOx的生成和有利于以生成的NOx的還原，其結(jié)果是爐膛雙切圓的中部大部分區(qū)域NOx濃度極低，因此爐內(nèi)整體NOx濃度水平也不高。

相對(duì)于燃燒調(diào)整試驗(yàn)，CFD技術(shù)可獲得豐富的爐內(nèi)流動(dòng)、燃燒和NOx生成特性等方面的信息，利用該技術(shù)對(duì)先進(jìn)燃燒系統(tǒng)鍋爐的運(yùn)行進(jìn)行模擬研究和性能分析，更適應(yīng)于深入了解低NOx燃燒系統(tǒng)的燃燒和NOx生成排放特性，以作為鍋爐低NOx燃燒運(yùn)行的參考依據(jù)，這無疑對(duì)充分發(fā)揮先進(jìn)系統(tǒng)的作用，實(shí)現(xiàn)鍋爐安全、穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行和低NOx排放具有重要的意義。

4 結(jié)束語

燃煤電廠運(yùn)行過程中對(duì)鍋爐NOx排放量的預(yù)測和控制的常用方法，主要包括基于燃燒調(diào)整試驗(yàn)的經(jīng)驗(yàn)方法、基于優(yōu)化控制的數(shù)學(xué)模型方法和CFD性能模擬和分析方法。在國內(nèi)外研究和應(yīng)用現(xiàn)狀評(píng)述的基礎(chǔ)上，采用CFD技術(shù)對(duì)先進(jìn)燃燒系統(tǒng)鍋爐的運(yùn)行進(jìn)行模擬研究和性能分析，以實(shí)現(xiàn)鍋爐安全穩(wěn)定、高效和低NOx排放運(yùn)行的目標(biāo)。鍋爐運(yùn)行人員可以通過對(duì)NOx排放量的可靠預(yù)測，來提高鍋爐優(yōu)化運(yùn)行的水平。

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