葉亞蘭,何長征
(1.江蘇海事職業(yè)技術(shù)學(xué)院,南京 211170;2.南京博沃科技發(fā)展有限公司,南京 210006)
隨著我國電力工業(yè)的快速發(fā)展,國內(nèi)新建了一批大容量超(超)臨界燃煤發(fā)電機(jī)組。其中大多數(shù)鍋爐都采用前后墻對(duì)沖旋流燃燒方式,并配置了先進(jìn)的低NOx旋流燃燒器,同時(shí)設(shè)置有燃盡風(fēng)(OFA),通過空氣分級(jí)燃燒來控制NOx的生成,大幅降低NOx的排放濃度[1-3]。但是,由于設(shè)計(jì)和運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)的不足,部分鍋爐存在尾部煙氣中CO排放濃度偏高的問題,如某電廠5號(hào)鍋爐,在習(xí)慣運(yùn)行方式下,NOx的排放濃度較低(SCR入口處約為250mg/m3(標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài))),但CO的排放濃度卻高達(dá)2300μL/L,導(dǎo)致鍋爐熱效率無法達(dá)到設(shè)計(jì)值。對(duì)于這類鍋爐,哪些運(yùn)行操作變量會(huì)影響到CO的排放,其中又有哪些是主要影響因素,哪些是次要影響因素,是相關(guān)工作人員非常關(guān)心的技術(shù)問題,掌握這些信息對(duì)于鍋爐的低CO排放運(yùn)行具有重要的指導(dǎo)價(jià)值。
然而,由于CO的排放特性與各運(yùn)行變量之間關(guān)系復(fù)雜,具有多維、高度非線性和強(qiáng)耦合性等特點(diǎn),使得傳統(tǒng)的物理和數(shù)學(xué)模型很難建立起來,此時(shí)灰色模型相對(duì)于傳統(tǒng)理論模型就顯得更為實(shí)用。灰色關(guān)聯(lián)分析法[4-5]是一種系統(tǒng)分析方法,基于系統(tǒng)的灰色過程,是動(dòng)態(tài)過程發(fā)展態(tài)勢的量化分析。它可以在不完全的信息中,通過一定的數(shù)據(jù)處理,在隨機(jī)的因素序列中找到其關(guān)聯(lián)性,提煉出影響系統(tǒng)的主要因素和因素間對(duì)系統(tǒng)影響的差別。由于它對(duì)樣本數(shù)量沒有過高的要求,也不要求數(shù)據(jù)具備典型的分布規(guī)律,具有計(jì)算量小、定性與定量分析結(jié)果能夠吻合等特點(diǎn),自提出以來便在各個(gè)工程領(lǐng)域中得到廣泛應(yīng)用[7-11]。
本文采用灰色關(guān)聯(lián)分析法,以某660MW超(超)臨界對(duì)沖燃煤鍋爐為對(duì)象,對(duì)鍋爐CO排放量的影響因素進(jìn)行研究,為同類型前后墻對(duì)沖旋流燃燒鍋爐的設(shè)計(jì)和優(yōu)化運(yùn)行提供參考和借鑒。
灰色關(guān)聯(lián)分析法以各因素的樣本數(shù)據(jù)為依據(jù),用灰色關(guān)聯(lián)度來描述因素間關(guān)系的強(qiáng)弱、大小和次序,基本思想是通過幾何形狀的相似程度來判斷數(shù)據(jù)間的關(guān)聯(lián)程度,認(rèn)為幾何形狀越接近則變化發(fā)展態(tài)勢越近,關(guān)聯(lián)度就越大;反之,關(guān)聯(lián)度越小。灰色關(guān)聯(lián)分析的實(shí)現(xiàn)方法可歸納如下[3-4]。
設(shè)參考序列為 X0={x0(1),x0(2),…,x0(n)},被比較序列為 Xi={xi(1),xi(2),…,xi(n)},i=1,2,…,m。參考序列 X0和比較序列Xi在k點(diǎn)處的關(guān)聯(lián)系數(shù)可表示為:
式中 ρ——分辨系數(shù),取值區(qū)間為[0,1],實(shí)際應(yīng)用中一般取為0.5;Δi(k)——參考序列中的指標(biāo)x0(k)與比較序列中的相應(yīng)指標(biāo)xi(k)的絕對(duì)差。
X0和Xi的關(guān)聯(lián)度r(X0,Xi)則通過式(3)計(jì)算得到:
式中 wi(k)——各點(diǎn)灰關(guān)聯(lián)系數(shù)對(duì)應(yīng)的權(quán)重。
在傳統(tǒng)的灰色關(guān)聯(lián)分析法中,灰關(guān)聯(lián)度的值取各點(diǎn)灰關(guān)聯(lián)系數(shù)的簡單算術(shù)平均數(shù),即wi(k)均取為1/n。這會(huì)帶來兩個(gè)缺點(diǎn):局部點(diǎn)關(guān)聯(lián)傾向,即在各點(diǎn)關(guān)聯(lián)測度分布離散的情況下,關(guān)聯(lián)測度值大的點(diǎn)決定了總關(guān)聯(lián)度的傾向;出現(xiàn)信息損失,平均值淹沒了多個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)的個(gè)性,沒有充分利用各點(diǎn)關(guān)聯(lián)度值提供的豐富信息。
為此,一些學(xué)者對(duì)關(guān)聯(lián)系數(shù)權(quán)重的求解展開深入研究,其中文獻(xiàn)[5]提出了一種基于灰熵分析的關(guān)聯(lián)系數(shù)權(quán)重,以加權(quán)關(guān)聯(lián)系數(shù)的灰熵極大化為目標(biāo)來確定wi(k),使關(guān)聯(lián)系數(shù)的波動(dòng)性得到了有效控制。其實(shí)現(xiàn)思想是通過施加加權(quán)灰色關(guān)聯(lián)熵H?(Ri)的極大化約束來使加權(quán)灰色關(guān)聯(lián)系數(shù)分布密度值pi(k)趨于均衡:
通過拉格朗日函數(shù)的構(gòu)造及其極值條件的求解可得到計(jì)算權(quán)重的n階線性方程組:
式(7)中的線性方程組存在唯一解,求解該方程組得到各點(diǎn)灰關(guān)聯(lián)系數(shù)權(quán)重wi(k)。
根據(jù)如下步驟得到灰色關(guān)聯(lián)度:
Step1:對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行無量綱化預(yù)處理,以保證參考序列和比較序列之間的可比性;
Step2:按式(1)得到各數(shù)據(jù)點(diǎn)的灰色關(guān)聯(lián)系數(shù)ξ(x0(k),xi(k));
Step3:按式(7)建立n階線性方程組;
Step4:求解Step3建立的方程組得到各灰色關(guān)聯(lián)系數(shù)的權(quán)重wi(k);
Step5:根據(jù)Step2和Step4獲得的結(jié)果按式(3)計(jì)算得到各比較序列Xi與參考序列X0之間的灰色關(guān)聯(lián)度r(X0,Xi)。
某電廠5號(hào)爐為660MW超(超)臨界直流爐,采用一次中間再熱、單爐膛、前后墻對(duì)沖燃燒,尾部煙氣擋板調(diào)溫、平衡通風(fēng)、固態(tài)排渣、全懸吊結(jié)構(gòu)Π型鍋爐。鍋爐最大連續(xù)蒸發(fā)量(BMCR)為2 060t/h,額定蒸汽壓力為26.2MPa,額定蒸汽溫度為605℃,再熱蒸汽溫度為602℃。該爐采用中速磨、直吹式、正壓冷一次風(fēng)制粉系統(tǒng),配6臺(tái)磨煤機(jī)。
燃燒設(shè)備采用前后墻對(duì)沖燃燒方式的外濃內(nèi)淡型低NOx旋流煤粉燃燒器,總共36只,分3層布置在前、后墻,每層6只旋流燃燒器,配6臺(tái)中速磨煤機(jī),每臺(tái)磨煤機(jī)為同層的6只燃燒器提供風(fēng)粉混合物。在BMCR工況下燃用設(shè)計(jì)煤種時(shí),5臺(tái)磨煤機(jī)投運(yùn);在前、后墻旋流燃燒器的上方各布置了1層燃盡風(fēng),包括2只側(cè)燃盡風(fēng)噴口和6只燃盡風(fēng)噴口,用于進(jìn)一步降低NOx。煤粉燃燒器配風(fēng)分為一次風(fēng)、內(nèi)二次風(fēng)和外二次風(fēng),分別通過一次風(fēng)管、燃燒器內(nèi)同心的內(nèi)二次風(fēng)及外二次風(fēng)環(huán)形通道在燃燒的不同階段送入爐膛,其內(nèi)二次風(fēng)、外二次風(fēng)為旋流,燃燒器簡圖如圖1所示。
圖1 低NOx旋流燃燒器簡圖
2.2.1 關(guān)聯(lián)度計(jì)算模型數(shù)據(jù)來源
為了保證計(jì)算數(shù)據(jù)的有效性,可以采用鍋爐燃燒調(diào)整試驗(yàn)的現(xiàn)場實(shí)測數(shù)據(jù)。鍋爐在相同負(fù)荷(630MW左右)、相同煤種和磨煤機(jī)運(yùn)行方式(A、B、C、D、E磨運(yùn)行,F(xiàn)磨備用)下進(jìn)行了熱態(tài)調(diào)整試驗(yàn),調(diào)整對(duì)象包括省煤器進(jìn)口氧量、燃盡風(fēng)總風(fēng)門開度、燃盡風(fēng)直流風(fēng)門拉桿位置、同層燃燒器外二次風(fēng)配風(fēng)方式、燃燒器內(nèi)二次風(fēng)門拉桿位置等。
2.2.2 影響因素選取
鍋爐燃燒產(chǎn)物的生成機(jī)理非常復(fù)雜,受多種因素影響,包括機(jī)組熱負(fù)荷、燃料特性等非運(yùn)行調(diào)整可控因素,以及運(yùn)行氧量、配風(fēng)方式等運(yùn)行調(diào)整可控因素。結(jié)合現(xiàn)場試驗(yàn)情況,針對(duì)主要可控因素進(jìn)行分析,選取省煤器進(jìn)口氧量來表征運(yùn)行氧量對(duì)CO排放的影響,燃盡風(fēng)總風(fēng)門開度表征燃盡風(fēng)總量對(duì)CO排放的影響,燃風(fēng)直流風(fēng)門拉桿位置表征燃盡風(fēng)中直流風(fēng)量對(duì)CO排放的影響,同層燃燒器外二次風(fēng)門開度設(shè)置表征同層燃燒器外二次風(fēng)配風(fēng)方式對(duì)CO排放的影響,燃燒器內(nèi)二次風(fēng)門拉桿位置表征燃燒器內(nèi)二次風(fēng)量對(duì)CO排放的影響。以上幾項(xiàng)因素也是電廠日常運(yùn)行調(diào)整的操作變量。
2.2.3 灰色關(guān)聯(lián)度計(jì)算
以各試驗(yàn)工況下的CO排放濃度為參考序列X0,各工況下的省煤器進(jìn)口氧量為比較序列X1、各工況下的燃盡風(fēng)總風(fēng)門開度為比較序列X2,各工況下的燃盡風(fēng)直流風(fēng)門拉桿位置為比較序列X3,各工況下的同層燃燒器外二次風(fēng)門開度設(shè)置為比較序列X4,各工況下的燃燒器內(nèi)二次風(fēng)門拉桿位置為比較序列X5,對(duì)CO排放濃度的影響因素進(jìn)行灰色關(guān)聯(lián)度計(jì)算,結(jié)果如下:
為便于比較與分析,將上述計(jì)算結(jié)果與各影響因素相對(duì)應(yīng),并根據(jù)灰色關(guān)聯(lián)度值的大小進(jìn)行貢獻(xiàn)度排序,結(jié)果匯總于表1。
表1 灰色關(guān)聯(lián)度計(jì)算結(jié)果及貢獻(xiàn)度排序
由表1可以看出,與CO排放相關(guān)的主要可控因素中,對(duì)CO排放濃度的貢獻(xiàn)度排序?yàn)椋哼\(yùn)行氧量>燃盡風(fēng)中直流風(fēng)量>燃燒器內(nèi)二次風(fēng)量>同層燃燒器外二次風(fēng)配風(fēng)方式>燃盡風(fēng)總量。其中,運(yùn)行氧量、燃盡風(fēng)直流風(fēng)量和燃燒器內(nèi)二次風(fēng)量對(duì)CO排放濃度影響較大,而燃盡風(fēng)總風(fēng)量與同層燃燒器外二次風(fēng)配風(fēng)方式對(duì)其影響相對(duì)較小。
3.2.1 CO產(chǎn)生原因
為降低NOx的排放濃度,鍋爐采用了分級(jí)送風(fēng)技術(shù)。分級(jí)送風(fēng)技術(shù)的基本原理是將燃燒所需要的空氣分兩級(jí)送入爐膛,在主燃燒區(qū)內(nèi)送入80%左右的空氣量,形成富燃料燃燒區(qū),降低了燃燒區(qū)的溫度和燃燒速度,進(jìn)而抑制熱力型NOx的生成;在主燃燒區(qū)的上部(燃盡區(qū))將其余空氣從燃盡風(fēng)噴口送入,形成富氧燃燒區(qū),由于此區(qū)域火焰溫度低,生成的NOx并不多,最終使得總的NOx生成量得到有效控制。
但是,采用分級(jí)送風(fēng)在大幅降低NOx排放量的同時(shí)會(huì)帶來另外一個(gè)問題,即CO的排放問題。由于主燃燒器區(qū)處于貧氧、富燃料條件,在此區(qū)域內(nèi)必然會(huì)產(chǎn)生大量的CO,其中有一小部分CO會(huì)與NO發(fā)生化學(xué)反應(yīng)(生成CO2),剩余的大部分CO則進(jìn)入燃盡區(qū)。這樣,最終的CO排放量便取決于燃盡區(qū)對(duì)CO的氧化程度。另外,在燃盡區(qū),之前從燃料中析出的一些中間產(chǎn)物如CN會(huì)被氧化,生成CO,也會(huì)增加CO的排放量。
3.2.2 CO排放主要影響因素分析
由前面的計(jì)算結(jié)果可知,鍋爐運(yùn)行的主要可控因素中,運(yùn)行氧量、燃盡風(fēng)直流風(fēng)量、燃燒器內(nèi)二次風(fēng)量對(duì)鍋爐CO排放的影響較大,是CO排放的主要影響因素。
(1)運(yùn)行氧量表征了入爐總風(fēng)量,由于總風(fēng)量的變化一般不會(huì)改變各級(jí)燃燒空氣的比例,增大運(yùn)行氧量也就意味著同時(shí)提高主燃燒區(qū)和燃盡區(qū)的氧濃度,減少主燃燒區(qū)CO生成量的同時(shí)又增加了燃盡區(qū)CO的被氧化量,從而使CO的排放量減少,反之亦然。
(2)燃盡風(fēng)中直流風(fēng)量表征了燃盡風(fēng)的穿透力,提高燃盡風(fēng)直流風(fēng)量可使燃盡風(fēng)穿透力增強(qiáng),燃盡風(fēng)區(qū)域CO被氧化的比例升高,使得CO的排放濃度降低,反之亦然。
(3)燃燒器內(nèi)二次風(fēng)量對(duì)CO的影響須結(jié)合低NOx燃燒器的自身結(jié)構(gòu)來分析,內(nèi)二次風(fēng)處于燃燒核心區(qū)域,其作用是第一時(shí)間補(bǔ)充煤中焦炭和剩余揮發(fā)分燃燒所需的氧量,內(nèi)二次風(fēng)量過大會(huì)降低燃燒區(qū)溫度,過小則會(huì)增大不完全燃燒程度,影響CO的生成量;另外,內(nèi)二次風(fēng)量的大小還關(guān)系到內(nèi)二次風(fēng)的穿透力,由于該區(qū)域的高溫火焰粘度很大,內(nèi)二次風(fēng)速必須達(dá)到一定值才能穿透高溫火焰,從而促進(jìn)燃料的燃燒,減少CO的生成。
另外,此次計(jì)算中燃盡風(fēng)總量的灰色關(guān)聯(lián)度較低,很可能是因?yàn)閰⑴c此次計(jì)算的樣本數(shù)據(jù)中燃盡風(fēng)份額(燃盡風(fēng)總量占二次風(fēng)量的比例)還未達(dá)到一定高值。從理論上來說,當(dāng)燃盡風(fēng)份額提高到一定程度時(shí),CO排放濃度肯定會(huì)迅速升高。這也說明,燃盡風(fēng)份額可能存在一個(gè)臨界點(diǎn),在臨界點(diǎn)以下,燃盡風(fēng)總量的變化對(duì)CO排放濃度影響不大,超過臨界點(diǎn)以后,燃盡風(fēng)總量的變化對(duì)CO排放濃度的影響才比較明顯。
在所有測試工況中,工況1和工況13是鍋爐CO排放濃度最高的兩個(gè)工況,CO排放濃度分別達(dá)到1885μL/L和1415μL/L。通過各工況運(yùn)行數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn),工況1下的運(yùn)行氧量最低(只有2.75%),可以認(rèn)為運(yùn)行氧量偏低是造成該工況下CO排放濃度較高的主要原因;工況13下的燃盡風(fēng)直流風(fēng)門拉桿和燃燒器內(nèi)二次風(fēng)門拉桿拉出的長度最短,分別只有50mm和375mm,而風(fēng)門拉桿拉出長度越短意味著風(fēng)量越小。因此可以認(rèn)為,燃盡風(fēng)中直流風(fēng)量和燃燒器內(nèi)二次風(fēng)量偏低是造成該工況下CO排放濃度較高的主要原因。
為降低CO排放濃度以保證鍋爐熱效率,可根據(jù)上述分析結(jié)果進(jìn)行有針對(duì)性的燃燒調(diào)整。需要注意的是,這些操作很可能會(huì)造成NOx排放濃度升高的負(fù)面效應(yīng)。鍋爐的CO和NOx的排放濃度相關(guān)性如圖2所示。由圖2可以看出,CO和NOx的排放濃度具有明顯的負(fù)相關(guān)特性。
圖2 各工況CO及NOx排放濃度分布
由此也說明,鍋爐CO排放濃度過高從另外一方面也可理解為是低NOx燃燒系統(tǒng)的“低NOx效應(yīng)”過于顯著。不過,鑒于該機(jī)組在正常運(yùn)行時(shí)投運(yùn)了煙氣脫硝裝置(SCR),可滿足當(dāng)?shù)丨h(huán)保排放的要求,因此以適量增幅的NOx排放為代價(jià)來換取較高的鍋爐運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性(低CO排放)是可取的。
本文采用灰色關(guān)聯(lián)分析法,以某660MW超(超)臨界對(duì)沖燃煤鍋爐為對(duì)象,結(jié)合試驗(yàn)數(shù)據(jù)計(jì)算了運(yùn)行氧量、燃風(fēng)總量、燃風(fēng)直流風(fēng)量、同層燃燒器外二次風(fēng)配風(fēng)方式、燃燒器內(nèi)二次風(fēng)量等因素與鍋爐CO排放濃度的灰色關(guān)聯(lián)度。結(jié)果表明,運(yùn)行氧量、燃盡風(fēng)直流風(fēng)量和燃燒器內(nèi)二次風(fēng)量對(duì)CO排放濃度影響較大,而燃盡風(fēng)總風(fēng)量及同層燃燒器外二次風(fēng)配風(fēng)方式對(duì)其影響較小。最后,從燃燒機(jī)理出發(fā)分析了運(yùn)行氧量、燃盡風(fēng)直流風(fēng)量和燃燒器內(nèi)二次風(fēng)量,這3個(gè)主要影響因素對(duì)CO排放濃度的影響,并分析了CO和NOx的負(fù)相關(guān)特性。這些研究結(jié)果可為同類型前后墻對(duì)沖燃燒鍋爐的設(shè)計(jì)和優(yōu)化運(yùn)行提供參考和借鑒。本文方法也可作為鍋爐排放特性建模時(shí)輔助變量的選取辦法。
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