趙志宏，劉吉，王莉，宿云山，李金麗

(1.內(nèi)蒙古京隆發(fā)電有限責(zé)任公司，內(nèi)蒙古 烏蘭察布 012100； 2.北京埃普瑞電力科技有限公司，北京 100055)

1 設(shè)備概況

某電廠680 MW機(jī)組鍋爐為超超臨界參數(shù)變壓運(yùn)行直流鍋爐，П形布置、單爐膛、一次中間再熱、墻式切圓燃燒方式，爐膛采用內(nèi)螺紋管垂直上升膜式水冷壁，啟動(dòng)系統(tǒng)采用帶再循環(huán)泵的啟動(dòng)系統(tǒng)。

制粉系統(tǒng)采用中速磨正壓直吹式系統(tǒng)，每臺(tái)鍋爐配6臺(tái)HP1003/Dyn磨煤機(jī)，鍋爐最大連續(xù)出力(BMCR)工況下5臺(tái)磨煤機(jī)運(yùn)行，1臺(tái)備用。每臺(tái)磨煤機(jī)供1層的4個(gè)燃燒器，采用低NOx燃燒器并配有分級(jí)送風(fēng)燃燒系統(tǒng)，以降低NOx的生成量。試驗(yàn)期間燃用煤種為電廠目前使用的煤種，試驗(yàn)煤質(zhì)特性見表1，鍋爐主要參數(shù)見表2。

表1 燃煤特性

表2 鍋爐主要參數(shù)

2 鍋爐性能優(yōu)化系統(tǒng)

鍋爐性能優(yōu)化系統(tǒng)(SOAP)是基于現(xiàn)代控制理論研究開發(fā)的過程優(yōu)化控制系統(tǒng)，由系統(tǒng)優(yōu)化軟件和過程參數(shù)監(jiān)測(cè)硬件共同組成。該系統(tǒng)引進(jìn)歐美發(fā)電企業(yè)先進(jìn)的系統(tǒng)理念和優(yōu)化思想，結(jié)合國(guó)內(nèi)燃煤電廠實(shí)際情況進(jìn)行了適應(yīng)性改進(jìn)。SOAP以專家系統(tǒng)為指導(dǎo)，增加了鍋爐系統(tǒng)運(yùn)行的關(guān)鍵參數(shù)在線監(jiān)測(cè)和控制，利用先進(jìn)的人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、統(tǒng)計(jì)學(xué)回歸分析和模糊數(shù)學(xué)等工具，分析并建立鍋爐運(yùn)行特性關(guān)系，為鍋爐系統(tǒng)多重的輸入?yún)?shù)和運(yùn)行輸出參數(shù)之間建立最佳組合模型。在保證鍋爐系統(tǒng)安全運(yùn)行的前提下，該系統(tǒng)可全面改善鍋爐性能，降低供電煤耗和NOx排放。該系統(tǒng)具有如下特點(diǎn)。

(1)鍋爐系統(tǒng)多目標(biāo)全面優(yōu)化。SOAP是一套對(duì)鍋爐系統(tǒng)性能進(jìn)行多目標(biāo)全面優(yōu)化的系統(tǒng)，能夠利用統(tǒng)計(jì)學(xué)和人工智能神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建立鍋爐系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)間的關(guān)系和鍋爐系統(tǒng)的運(yùn)行特性，以達(dá)到鍋爐系統(tǒng)全面優(yōu)化的目標(biāo)。

該軟件系統(tǒng)可解決的問題有：供電煤耗、減溫水量與排煙溫度的改進(jìn)，控制過熱器與再熱器超溫和緩解爐膛頂部受熱面結(jié)焦結(jié)渣，降低NOx，CO含量及飛灰含碳量等；同時(shí)，可對(duì)鍋爐系統(tǒng)中與能耗有關(guān)的子系統(tǒng)(脫硫、脫硝、制粉、吹灰等)進(jìn)行優(yōu)化，在提高效率的同時(shí)，不同程度地減少輔機(jī)電耗、漿液投放量并優(yōu)化吹灰方式。

(2)關(guān)鍵過程參數(shù)的在線監(jiān)測(cè)和控制。SOAP引入了關(guān)鍵的中間過程參數(shù)——爐膛出口煙氣溫度在線監(jiān)測(cè)。爐膛出口溫度是反映鍋爐運(yùn)行狀態(tài)的重要參數(shù)，有效控制該參數(shù)可以解決鍋爐燃燒、NOx生成量、過熱器/再熱器超溫等問題。SOAP特別安裝了爐膛出口煙氣溫度測(cè)量系統(tǒng)，可有效控制對(duì)流受熱面管壁溫度、減溫水投放量、爐膛頂部輻射受熱面積灰結(jié)焦、NOx排放量等，在鍋爐運(yùn)行優(yōu)化中起到了良好的效果。在人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建立運(yùn)行優(yōu)化數(shù)學(xué)模型的過程中，將此關(guān)鍵參數(shù)作為一個(gè)重要的限制條件。

(3)創(chuàng)造并精簡(jiǎn)數(shù)據(jù)。鍋爐運(yùn)行過程中各變量之間的關(guān)系極為復(fù)雜，任意一個(gè)調(diào)節(jié)參數(shù)的變化可能引起很多參數(shù)的變化。變量過多的情況下，鍋爐系統(tǒng)的優(yōu)化過程過于復(fù)雜，因此，去掉一些關(guān)聯(lián)度低或冗余的變量是SOAP的技術(shù)特點(diǎn)。通過專家系統(tǒng)剔除質(zhì)量不高的低關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)或用數(shù)據(jù)挖掘的方法補(bǔ)充數(shù)據(jù)缺陷，也是SOAP人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練快速收斂和建模的關(guān)鍵。

(4)優(yōu)化結(jié)果的可操作性。SOAP在優(yōu)化過程中直接采用實(shí)際的運(yùn)行參數(shù)，故提供的運(yùn)行優(yōu)化結(jié)果也是具有可操作性的運(yùn)行參數(shù)。對(duì)燃煤鍋爐而言，該系統(tǒng)可以詳細(xì)地指出一次、二次風(fēng)風(fēng)壓及風(fēng)量(包括一次、二次風(fēng)的配比)，風(fēng)室壓差，一次風(fēng)擋板開度，二次風(fēng)各層擋板開度和過氧量等具體調(diào)節(jié)參數(shù)。

(5)根據(jù)用戶的需求設(shè)定目標(biāo)值。用戶可以選擇SOAP對(duì)鍋爐性能進(jìn)行多目標(biāo)全面優(yōu)化，也可針對(duì)電廠自身的需求選擇單個(gè)或多個(gè)優(yōu)化對(duì)象。圍繞選定優(yōu)化的目標(biāo)制訂試驗(yàn)方案，提高相關(guān)因素的權(quán)重，達(dá)到選擇性優(yōu)化的目的。

3 SOAP在680 MW機(jī)組的應(yīng)用

通過現(xiàn)場(chǎng)技術(shù)調(diào)研論證，收集歷史運(yùn)行數(shù)據(jù)和實(shí)時(shí)運(yùn)行數(shù)據(jù)，劃分安全邊界與限制條件，分析鍋爐優(yōu)化方向及可能存在的優(yōu)化空間，確定可調(diào)參數(shù)和反應(yīng)參數(shù)，制訂一系列的試驗(yàn)方案，包括680 MW負(fù)荷下5臺(tái)磨煤機(jī)運(yùn)行、480 MW負(fù)荷下5臺(tái)磨煤機(jī)運(yùn)行、430 MW負(fù)荷下4臺(tái)磨煤機(jī)運(yùn)行的性能優(yōu)化試驗(yàn)。

在不同負(fù)荷、不同磨煤機(jī)組合運(yùn)行方式下，對(duì)鍋爐進(jìn)行全方位系統(tǒng)化試驗(yàn)，試驗(yàn)包括吹灰優(yōu)化、二次風(fēng)風(fēng)量與風(fēng)壓的調(diào)節(jié)、二次風(fēng)風(fēng)配風(fēng)方式的調(diào)節(jié)、一次風(fēng)風(fēng)量的調(diào)節(jié)、一次風(fēng)風(fēng)壓的調(diào)節(jié)、燃盡風(fēng)(OFA)風(fēng)量的調(diào)節(jié)、燃燒器使用的組合、煙氣擋板的調(diào)節(jié)等。使用SOAP軟件對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行篩選，通過人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行訓(xùn)練和分析后得出優(yōu)化結(jié)果，為運(yùn)行人員提供最佳運(yùn)行曲線。完成優(yōu)化結(jié)果的現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證后，發(fā)布優(yōu)化指導(dǎo)方案。

3.1 SOAP對(duì)供電煤耗的作用

鍋爐性能優(yōu)化試驗(yàn)可全面協(xié)調(diào)并改善鍋爐系統(tǒng)的能量交換，是在鍋爐系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)與可靠性指標(biāo)中尋求統(tǒng)一的過程。例如，為了減緩氧化皮生長(zhǎng)速度，需要適當(dāng)降低爐膛溫度，但爐膛溫度降低會(huì)造成飛灰可燃物指標(biāo)惡化。因此，對(duì)單一指標(biāo)進(jìn)行局部調(diào)試或優(yōu)化調(diào)整，可能改善了某項(xiàng)指標(biāo)，但對(duì)其他經(jīng)濟(jì)性或可靠性指標(biāo)可能造成負(fù)面影響。只有對(duì)鍋爐系統(tǒng)指標(biāo)進(jìn)行全面尋優(yōu)并挖掘系統(tǒng)冗余空間，才有可能在超超臨界鍋爐系統(tǒng)的現(xiàn)有水平下實(shí)現(xiàn)突破。優(yōu)化結(jié)果主要表現(xiàn)在同步降低廠用電率、降低飛灰可燃物和排煙溫度、全面減少減溫水投放量、達(dá)到并保持額定蒸汽溫度和壓力等鍋爐運(yùn)行經(jīng)濟(jì)指標(biāo)、尋求并建立最佳運(yùn)行組合模式。

現(xiàn)對(duì)680 MW負(fù)荷下5臺(tái)磨煤機(jī)(A，B，C，D，E)燃燒組合方式試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。在保證鍋爐安全、穩(wěn)定燃燒的前提下，重新調(diào)整燃燒器擺角、OFA、燃燒器二次風(fēng)、送風(fēng)機(jī)電流。由圖1～圖3可以看出，在5臺(tái)磨煤機(jī)滿負(fù)荷運(yùn)行工況下，鍋爐的各項(xiàng)運(yùn)行參數(shù)均得到了極大改善：蒸汽參數(shù)達(dá)到設(shè)計(jì)值，氧量從1.95% 降至1.39%，空氣預(yù)熱器(以下簡(jiǎn)稱空預(yù)器)入口煙氣溫度從358 ℃降至356 ℃，飛灰中碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)從3.71%降至2.07%。根據(jù)節(jié)能對(duì)標(biāo)手冊(cè)《600 MW機(jī)組參數(shù)變化對(duì)煤耗率的影響》計(jì)算得到供電煤耗共降低3.614 g/(kW·h)，見表3。

圖1 主蒸汽溫度和再熱器溫度變化

圖2 空預(yù)器入口煙溫和煙氣氧量變化

圖3 飛灰中碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化

表3 680 MW負(fù)荷下5臺(tái)磨煤機(jī)運(yùn)行試驗(yàn)結(jié)果

該機(jī)組鍋爐在500 MW負(fù)荷下5臺(tái)磨煤機(jī)運(yùn)行、430 MW負(fù)荷下4臺(tái)磨煤機(jī)運(yùn)行試驗(yàn)顯示，優(yōu)化后分別降低供電煤耗2.052和2.454 g/(kW·h)，見表4、表5。

表4 500 MW負(fù)荷下5臺(tái)磨煤機(jī)運(yùn)行試驗(yàn)結(jié)果

表5 430 MW負(fù)荷下4臺(tái)磨煤機(jī)運(yùn)行試驗(yàn)結(jié)果

通過挖掘鍋爐系統(tǒng)的節(jié)能冗余空間，實(shí)現(xiàn)了在低氧運(yùn)行方式下提高與燃燒有關(guān)的鍋爐運(yùn)行經(jīng)濟(jì)指標(biāo)的目的。按照傳統(tǒng)燃燒理論，爐膛氧量的降低會(huì)造成過熱蒸汽和再熱蒸汽溫度降低，可能對(duì)供電煤耗指標(biāo)產(chǎn)生負(fù)面作用。但系統(tǒng)優(yōu)化試驗(yàn)結(jié)果顯示，鍋爐系統(tǒng)在設(shè)計(jì)和運(yùn)行方式方面存在可挖掘的空間，可以采用系統(tǒng)優(yōu)化的方法同步改善各項(xiàng)經(jīng)濟(jì)性和可靠性指標(biāo)。

3.2 SOAP實(shí)現(xiàn)吹灰優(yōu)化

吹灰系統(tǒng)優(yōu)化是根據(jù)鍋爐受熱面進(jìn)、出口煙氣溫度的變化來判斷鍋爐各受熱面的結(jié)焦、結(jié)渣與積灰情況，優(yōu)化吹灰次數(shù)、吹灰時(shí)間和吹灰次序，對(duì)鍋爐系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行產(chǎn)生良好影響。在該項(xiàng)目中，結(jié)合爐膛測(cè)溫儀提供的爐膛出口煙溫以及各子系統(tǒng)的入口和出口溫度，進(jìn)行鍋爐系統(tǒng)能量交換的邏輯分析和優(yōu)化。

電廠之前的吹灰習(xí)慣為每天每班對(duì)鍋爐爐膛、水平煙道、豎井煙道吹掃1次，對(duì)空預(yù)器吹掃2次，即爐膛、水平煙道、豎井煙道每天吹掃3次，空預(yù)器吹掃6次。

3.2.1 爐膛吹灰

圖4為吹灰試驗(yàn)時(shí)爐膛煙溫(即爐膛出口煙溫)的變化。09:00—10:40為爐膛吹灰期，爐膛出口煙溫從1 030 ℃降至940 ℃，降低了90 ℃；10:40—14:30為非吹灰時(shí)段，爐膛出口煙溫有明顯上升趨勢(shì)，上升至1 020 ℃左右后基本穩(wěn)定。說明爐膛吹灰對(duì)煙溫影響較大，應(yīng)配合蒸汽溫度參數(shù)和減溫水投放情況進(jìn)行綜合分析，做出最佳吹灰時(shí)機(jī)、吹灰時(shí)間以及次數(shù)的選擇。此外，這種煙氣溫度的變化形式表明結(jié)焦情況不嚴(yán)重，利用吹灰改善結(jié)焦情況作用不大。

圖4 吹灰試驗(yàn)時(shí)爐膛出口煙溫變化

3.2.2 水平煙道吹灰

圖5為水平煙道吹灰試驗(yàn)時(shí)過熱器煙溫變化曲線。12:50—14:10為吹灰期，過熱器煙道右側(cè)煙溫從528 ℃下降到517 ℃，降低了11 ℃；14:10—15:50停止吹灰，過熱器煙道右側(cè)煙溫1 h后回升到524 ℃，并保持穩(wěn)定。該現(xiàn)象表明，水平煙道吹灰對(duì)煙氣溫度的影響有限，在積灰與落灰處于某種動(dòng)態(tài)平衡的情況下，水平煙道可以減少吹灰次數(shù)甚至不吹。

圖5 水平煙道吹灰試驗(yàn)時(shí)過熱器煙溫變化

3.2.3 豎井煙道吹灰

圖6為豎井煙道吹灰試驗(yàn)時(shí)再熱器煙溫變化曲線。15:20—16:00為吹灰期，16:00—17:35為非吹灰時(shí)段，在這兩個(gè)區(qū)間中，再熱器煙氣擋板入口與省煤器出口煙溫基本無明顯變化，說明豎井煙道無積灰現(xiàn)象，可減少吹灰或不吹。

圖6 豎井煙道吹灰試驗(yàn)時(shí)再熱器煙溫變化

3.2.4 空預(yù)器吹灰

圖7為吹灰試驗(yàn)時(shí)空預(yù)器出口煙溫的變化。14:00—15:15為吹灰期，空預(yù)器出口煙溫下降約1 ℃，吹灰效果不明顯，對(duì)排煙溫度影響很小。因此，可減少空預(yù)器吹灰次數(shù)，可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)煙氣溫度變化情況1天吹1次或2天吹1次即可，既可節(jié)省吹灰損耗也可降低過吹造成吹灰器磨損。

圖7 空預(yù)器出口煙溫變化

3.3 SOAP對(duì)降低NOx的作用

在保證鍋爐系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性參數(shù)達(dá)標(biāo)的前提下，合理采用低氧運(yùn)行方式能有效抑制NOx的生成和排放。由圖8～圖10 可知， NOx的排放質(zhì)量濃度隨氧量的減少而減少，在燃用接近設(shè)計(jì)煤種和BMCR工況下，鍋爐NOx的排放質(zhì)量濃度不超過160 mg/m3，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于國(guó)家排放標(biāo)準(zhǔn)400 mg/m3。

圖8 680 MW(5臺(tái)磨)試驗(yàn)NOx排放與氧量變化

圖9 500 MW(5臺(tái)磨)試驗(yàn)NOx排放與氧量變化

圖10 430 MW(4臺(tái)磨)試驗(yàn)NOx排放與氧量變化

在680 MW負(fù)荷5臺(tái)磨煤機(jī)運(yùn)行優(yōu)化試驗(yàn)前，NOx排放質(zhì)量濃度為260 mg/m3，煙氣中氧的體積分?jǐn)?shù)為2.51%，經(jīng)過全方面系統(tǒng)化的試驗(yàn)后，NOx排放質(zhì)量濃度降至163 mg/m3，煙氣中氧的體積分?jǐn)?shù)降至1.90%。在500 MW負(fù)荷5臺(tái)磨煤機(jī)運(yùn)行優(yōu)化試驗(yàn)前NOx排放質(zhì)量濃度為267 mg/m3，鍋爐性能優(yōu)化試驗(yàn)后NOx質(zhì)量濃度降至195 mg/m3。在430 MW負(fù)荷4臺(tái)磨煤機(jī)運(yùn)行優(yōu)化試驗(yàn)后，NOx排放質(zhì)量濃度由試驗(yàn)前的282 mg/m3降至213 mg/m3。

3.4 SOAP提高鍋爐系統(tǒng)的可靠性

爐膛出口煙溫是整個(gè)煙氣系統(tǒng)的上游參數(shù)，如果控制好該溫度，煙氣系統(tǒng)所面臨的超溫、鍋爐頂部結(jié)焦結(jié)渣等問題將迎刃而解。圖11為680 MW負(fù)荷時(shí)爐膛出口煙氣溫度的變化趨勢(shì)。優(yōu)化試驗(yàn)期間，爐膛出口煙溫從1 100 ℃左右降至1 060 ℃左右且一直保持平穩(wěn)，下降約40 ℃，這對(duì)控制管壁超溫、降低排煙溫度并減緩氧化皮的生長(zhǎng)速率等都有積極作用。

圖11 680 MW(5臺(tái)磨)試驗(yàn)爐膛出口煙溫變化

同時(shí)，SOAP可實(shí)時(shí)讀取管壁溫度，實(shí)時(shí)監(jiān)控和預(yù)測(cè)氧化皮的生長(zhǎng)速率及高溫受熱面管材的剩余壽命，可有效提高鍋爐管材的可靠性。

4 結(jié)論

通過鍋爐性能優(yōu)化試驗(yàn)，提高了鍋爐設(shè)備運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性，在滿負(fù)荷(680 MW)工況下降低發(fā)電機(jī)組供電煤耗3.24 g/(kW·h)，同時(shí)提高了運(yùn)行的可靠性；鍋爐系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)全面優(yōu)化，可預(yù)防或治理鍋爐四管超溫、結(jié)焦結(jié)渣以及高溫腐蝕，并具有氧化皮生長(zhǎng)速率評(píng)估功能；實(shí)現(xiàn)了鍋爐系統(tǒng)運(yùn)行科學(xué)化管理，規(guī)范了運(yùn)行人員的運(yùn)行方式。

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