魏 來，葉振起，林茂盛

(國(guó)網(wǎng)遼寧省電力有限公司電力科學(xué)研究院，遼寧 沈陽 110006)

由于常規(guī)能源過量使用，全球能源供給局勢(shì)日益緊張，節(jié)能降耗越來越受到人們的重視。我國(guó)的能源資源結(jié)構(gòu)與消費(fèi)結(jié)構(gòu)以煤炭為主，是我國(guó)能源使用的重要特點(diǎn)，通過文獻(xiàn)研究可知，造成工業(yè)燃煤效率低下的主要原因?yàn)榇址殴芾怼⒆詣?dòng)化程度較差、資源浪費(fèi)等[1-2]。對(duì)燃煤鍋爐運(yùn)行能耗率開展調(diào)試，從某種意義來講，提高了工業(yè)燃煤鍋爐的效率，不僅可以提升經(jīng)濟(jì)效益，還可以減少污染物的生產(chǎn)與排放，對(duì)于環(huán)境保護(hù)與能源可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。

文獻(xiàn)[3]構(gòu)建可供在線計(jì)算的燃煤熱效率虛擬煤質(zhì)數(shù)據(jù)庫，通過數(shù)據(jù)計(jì)算與處理，控制燃煤鍋爐運(yùn)行能耗率，此方法在計(jì)算方面得到一定提升，但對(duì)燃煤鍋爐的實(shí)際監(jiān)測(cè)能力較差。文獻(xiàn)[4]通過ANSYS FLUENT搭建純煤燃燒和煤粉摻燒生物質(zhì)模型，分析了燃煤鍋爐運(yùn)行能耗率的影響因素，此模型對(duì)于數(shù)值模擬軟件的依賴性較強(qiáng)，適用性較低。本文根據(jù)燃煤鍋爐的運(yùn)行特點(diǎn)，基于潔凈煤燃燒技術(shù)對(duì)燃煤鍋爐運(yùn)行能耗率開展調(diào)試，強(qiáng)化鍋爐運(yùn)行過程的運(yùn)行管理與調(diào)節(jié)能力，從而達(dá)到提高能源使用質(zhì)量、節(jié)約能源的目的。

1 燃煤鍋爐運(yùn)行能耗率調(diào)試方法設(shè)計(jì)

為彌補(bǔ)傳統(tǒng)燃煤鍋爐運(yùn)行能耗率調(diào)試方法的不足，在潔凈煤調(diào)試方法設(shè)計(jì)的過程中，預(yù)先設(shè)定技術(shù)路線，為方法設(shè)計(jì)提供指導(dǎo)。具體技術(shù)路線如圖1所示。

圖1 燃煤鍋爐運(yùn)行能耗率潔凈煤調(diào)試方法設(shè)計(jì)路線

1.1 燃煤鍋爐運(yùn)行能耗率損失分析

為了分析燃煤鍋爐運(yùn)行能耗率，需要設(shè)定燃煤鍋爐運(yùn)行能耗率測(cè)試內(nèi)容及儀器，如表1所示。同時(shí)分析燃煤鍋爐運(yùn)行能耗率損失，明確測(cè)試的任務(wù)、目的及要求，完成測(cè)試的布置。

表1 燃煤鍋爐運(yùn)行能耗率測(cè)試內(nèi)容及儀器

根據(jù)表1內(nèi)容，選擇測(cè)量的儀器與位置，在檢驗(yàn)和校準(zhǔn)的有效期內(nèi)，完成測(cè)試儀器的布置與安裝。根據(jù)文獻(xiàn)研究結(jié)果，將燃煤鍋爐能耗率損失分為以下4部分。

a.機(jī)械不完全運(yùn)行能耗率損失

煤炭在燃燒過程中，常常有一部分固體煤炭與炭灰?guī)С鲥仩t外，還有一部分會(huì)與煤渣一起排走，這2部分造成運(yùn)行中的能源消耗，稱之為機(jī)械不完全運(yùn)行能耗率損失，其中飛灰消耗占較大比重。

b.散熱能耗率損失

鍋爐的金屬結(jié)構(gòu)煙道、風(fēng)道、汽水管道向環(huán)境中排放的熱量叫做散熱能耗率損失[5]，這種能耗率損失與鍋爐的外表面積有關(guān)。散熱能耗率損失為

(1)

式中:as為散熱能耗率損失，J；Bs為鍋爐整體能耗率，MJ/kWh；1650為煤炭能源；C為鍋爐外表面積，m2；Ain為煤炭投入，kg。

c.排煙能耗率損失

排煙能耗率損失是指隨煙氣帶出的能量，在鍋爐運(yùn)行過程中其能耗率損失最大，大型鍋爐其能耗率損失約為5%。在鍋爐運(yùn)行能耗率調(diào)節(jié)中，必須對(duì)此能耗率損失展開處理，以保證鍋爐運(yùn)行效果。排煙能耗率損失為

(2)

d.其他能耗率損失

鍋爐運(yùn)行過程中的其他能耗率損失主要由煤渣物理受熱造成；在大型鍋爐中，由于大量的零部件需要用水冷卻，則其他能耗率損失為

(3)

式中：Wex為水溫散熱系數(shù)；Qin為散熱比重。

1.2 設(shè)定燃煤鍋爐清潔因子

根據(jù)燃煤鍋爐運(yùn)行能耗率損失分析結(jié)果，將潔凈煤燃燒技術(shù)中的清潔因子作為調(diào)節(jié)過程中的指導(dǎo)參數(shù)。清潔系數(shù)是指鍋爐傳熱系數(shù)與潔凈煤燃燒技術(shù)要求的適應(yīng)度[6-7]。

(4)

式中：Ji為受熱面的實(shí)際傳熱系數(shù)；J0為受熱面的理論傳熱系數(shù)。在理想狀態(tài)下，理論輻射換熱系數(shù)βf和理論對(duì)流換熱系數(shù)βl如下。

(5)

(6)

式中：uj與uy分別為鍋爐金屬管的黑度與排煙黑度；T為金屬管溫度，K；δ為夾層厚度；Mx與My分別為鍋爐受熱面結(jié)構(gòu)的橫向參數(shù)與縱向參數(shù)；d為金屬管道外徑；η為煙氣導(dǎo)熱系數(shù)；Re與Pr分別為雷諾數(shù)與普朗特?cái)?shù)。

在燃煤鍋爐運(yùn)行過程中，使用DCS數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集鍋爐運(yùn)行數(shù)據(jù)[8]。數(shù)據(jù)采集時(shí)，爐內(nèi)燃燒與能量分布等因素均會(huì)對(duì)其造成干擾，影響清潔因子與鍋爐運(yùn)行能耗率的精度，因此對(duì)DCS數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理。針對(duì)潔凈煤燃燒技術(shù)的鍋爐運(yùn)行狀態(tài)，使用小波變換技術(shù)對(duì)DCS數(shù)據(jù)進(jìn)行剔除與保留。設(shè)定原始數(shù)據(jù)，在基本小波平移后得到數(shù)據(jù)，在不同尺度下進(jìn)行信號(hào)分析。處理過程可表示為

CWTf(e,f)=

(7)

式中：f為平移參數(shù)，其取值范圍可正可負(fù)；v(t)為原始數(shù)據(jù)函數(shù)；e為自然常數(shù)；?e,f(t)為基本小波函數(shù)?(t)通過數(shù)據(jù)伸縮平移后得到的小波基函數(shù)。

(8)

通過式(8)處理DCS數(shù)據(jù)，并將其代入式(5)—式(7)，設(shè)定合適的清潔系數(shù)，將其作為鍋爐運(yùn)行能耗率目標(biāo)之一。

2 試驗(yàn)及結(jié)果分析

2.1 試驗(yàn)環(huán)境設(shè)計(jì)

在完成了基于潔凈煤燃燒技術(shù)的燃煤鍋爐運(yùn)行能耗率調(diào)試方法的設(shè)計(jì)后，為了證實(shí)潔凈煤調(diào)試方法具有一定的使用價(jià)值與開發(fā)價(jià)值，對(duì)其展開試驗(yàn)測(cè)試。為提升試驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比性與代表性，選取2種不同的調(diào)試方法與其展開對(duì)比試驗(yàn)。鍋爐能耗率試驗(yàn)測(cè)試儀器如表2所示。

表2 鍋爐能耗率試驗(yàn)測(cè)試儀器

選取表2的儀器對(duì)鍋爐的相關(guān)參數(shù)進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試過程中保證鍋爐運(yùn)行狀態(tài)穩(wěn)定，測(cè)試時(shí)間為5 h，測(cè)試開始前與結(jié)束后的鍋爐水位、壓力、燃料厚度相同，參數(shù)測(cè)量過程中的燃料供給、給水量以及排渣速度相同。

2.2 試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

以某城市燃煤鍋爐為試驗(yàn)對(duì)象。使用潔凈煤調(diào)試方法與傳統(tǒng)調(diào)試方法對(duì)鍋爐的能耗率進(jìn)行調(diào)試并分析。為了使?jié)崈裘赫{(diào)試方法與傳統(tǒng)調(diào)試方法的使用效果更加細(xì)致化，將試驗(yàn)對(duì)比指標(biāo)設(shè)定為鍋爐熱效率比、鍋爐排煙口污染物比重以及鍋爐運(yùn)行成本。試驗(yàn)中包括了大量的數(shù)據(jù)運(yùn)算過程，為保證試驗(yàn)的一致性，將試驗(yàn)數(shù)據(jù)保留至小數(shù)點(diǎn)后2位。成本計(jì)算過程中設(shè)定燃煤的成本為250元/t，以此提升試驗(yàn)結(jié)果的可靠性與真實(shí)性。

2.3 試驗(yàn)結(jié)果分析

a.鍋爐熱效率比試驗(yàn)結(jié)果分析

鍋爐熱效率比試驗(yàn)結(jié)果如圖2所示。

圖2 鍋爐熱效率比試驗(yàn)結(jié)果

由圖2可知，傳統(tǒng)調(diào)試方法使用效果較差，無法實(shí)現(xiàn)對(duì)鍋爐能耗率損失的控制。潔凈煤調(diào)試方法使鍋爐熱效率得到一定提升，其增長(zhǎng)幅度也較為統(tǒng)一。潔凈煤調(diào)試方法對(duì)于鍋爐運(yùn)行過程中產(chǎn)生能耗率損失控制能力較好，在一定程度上可有效緩解鍋爐運(yùn)行時(shí)的損耗率，降低鍋爐燃煤的供給量，提高燃煤的利用率，因此潔凈煤調(diào)試方法的能耗率損失控制能力較為優(yōu)秀。

b.鍋爐排煙口污染物比重試驗(yàn)結(jié)果分析

在試驗(yàn)過程中，每小時(shí)對(duì)鍋爐排煙口的污染物成分進(jìn)行1次測(cè)試，根據(jù)污染物的比重對(duì)潔凈煤調(diào)試方法與傳統(tǒng)調(diào)試方法使用效果進(jìn)行分析。鍋爐排煙口污染物比重試驗(yàn)結(jié)果如圖3所示。

圖3 鍋爐排煙口污染物比重試驗(yàn)結(jié)果

由圖3可知，使用潔凈煤調(diào)試方法或傳統(tǒng)調(diào)試方法均會(huì)造成相應(yīng)的大氣污染，但潔凈煤調(diào)試方法在一定程度上控制了鍋爐的大氣污染情況。傳統(tǒng)調(diào)試方法產(chǎn)生的大氣污染物比重較大，無法實(shí)現(xiàn)燃煤徹底燃燒。此外對(duì)污染物的種類展開分析也可說明潔凈煤調(diào)試方法與傳統(tǒng)調(diào)試方法的差異性，如表3所示。

表3 排煙口污染物成分對(duì)比

由表3可知，潔凈煤調(diào)試方法比傳統(tǒng)調(diào)試方法更具備環(huán)保能力，可促進(jìn)燃煤鍋爐持續(xù)發(fā)展。

c.鍋爐運(yùn)行成本試驗(yàn)結(jié)果分析

鍋爐運(yùn)行成本試驗(yàn)結(jié)果如表4所示。

表4 鍋爐運(yùn)行成本試驗(yàn)結(jié)果 單位：元

由表4可知，潔凈煤調(diào)試方法可以降低鍋爐運(yùn)行成本，提高燃煤率。傳統(tǒng)調(diào)試方法對(duì)鍋爐能耗率的控制能力較低，使用效果較差，鍋爐運(yùn)行成本高，成本最大值與最小值相差較大，造成燃煤大量浪費(fèi)。

將鍋爐熱效率比、鍋爐排煙口污染物比重以及鍋爐運(yùn)行成本的試驗(yàn)結(jié)果綜合分析可知，潔凈煤調(diào)試方法與傳統(tǒng)調(diào)試方法相比，在日常使用過程中更具優(yōu)勢(shì)。

3 結(jié)語

在經(jīng)濟(jì)進(jìn)一步發(fā)展的過程中，能源問題成為影響經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要因素。煤炭作為不可再生能源，成為能源問題解決的關(guān)鍵。本文基于潔凈煤燃燒技術(shù)的燃煤鍋爐運(yùn)行能耗率調(diào)試方法對(duì)燃煤鍋爐運(yùn)行開展管理，并取得了相應(yīng)的效果。但由于技術(shù)與時(shí)間的限制，無法對(duì)此方法進(jìn)行大規(guī)模的實(shí)際應(yīng)用測(cè)試，今后還需要對(duì)此方法進(jìn)行應(yīng)用研究，以保證鍋爐的能耗率調(diào)試效果。