以最佳過(guò)量空氣系數(shù)為載體的鍋爐運(yùn)行效率評(píng)估模型

(榆林職業(yè)技術(shù)學(xué)院, 陜西 榆林 719000)

當(dāng)前國(guó)外鍋爐在很大程度上已實(shí)現(xiàn)了計(jì)算機(jī)自動(dòng)化控制，在控制方式上引進(jìn)了現(xiàn)代化控制理論的最優(yōu)控制法、多變量頻域法、模糊控制法，所以鍋爐熱效率非常高，且運(yùn)行穩(wěn)定，還有效降低了環(huán)境污染程度。而國(guó)內(nèi)受制于經(jīng)濟(jì)技術(shù)條件，中小企業(yè)鍋爐設(shè)施水平相對(duì)羅霍，多數(shù)中小型鍋爐水平依舊停留于手動(dòng)與簡(jiǎn)單儀表操作層面。在20世紀(jì)80年代中后期，在我國(guó)鍋爐控制領(lǐng)域引進(jìn)先進(jìn)控制技術(shù)的形勢(shì)下，鍋爐的計(jì)算機(jī)控制實(shí)現(xiàn)了快速發(fā)展，直到20世紀(jì)90年代，鍋爐自動(dòng)化控制早已成為熱門(mén)領(lǐng)域，通過(guò)單片機(jī)、可編程序控制器、工業(yè)計(jì)算機(jī)、國(guó)外控制設(shè)備所研發(fā)的控制系統(tǒng)，開(kāi)始逐步應(yīng)用于鍋爐技術(shù)改造中，且開(kāi)始朝向新建爐體配套方向發(fā)展，很多新型控制方法，即自適應(yīng)控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制、專(zhuān)家控制等自動(dòng)化控制方法也在鍋爐自動(dòng)化控制中得到了廣泛應(yīng)用。但是因?yàn)榭刂萍夹g(shù)太過(guò)單一，控制算法建模無(wú)法切實(shí)反映真實(shí)的鍋爐燃燒狀態(tài)，使得實(shí)踐效果并不顯著，無(wú)法帶來(lái)良好經(jīng)濟(jì)效益與社會(huì)效益，嚴(yán)重打擊了用戶在工業(yè)鍋爐中引進(jìn)計(jì)算機(jī)控制的積極性。進(jìn)入21世紀(jì)后，為有效優(yōu)化鍋爐操作狀態(tài)、節(jié)能降耗、保障運(yùn)行安全性、減少大氣污染，在人工智能理論發(fā)展逐步成熟的趨勢(shì)下，智能控制技術(shù)的廣泛應(yīng)用為新型鍋爐計(jì)算機(jī)優(yōu)化控制系統(tǒng)研發(fā)與應(yīng)用奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

此外，鍋爐燃燒之后排放的煙塵會(huì)對(duì)大氣環(huán)境造成嚴(yán)重污染，其中最關(guān)鍵的原因就是鍋爐運(yùn)行時(shí)過(guò)量空氣系數(shù)控制不當(dāng)，導(dǎo)致?tīng)t膛內(nèi)部燃燒工況不佳，不僅浪費(fèi)能源，且無(wú)法消煙除塵。所以在實(shí)際運(yùn)行時(shí)，對(duì)于過(guò)量空氣系數(shù)控制需加強(qiáng)高度重視[1]。

1 過(guò)量空氣系數(shù)分析

過(guò)量空氣系數(shù)即鍋爐爐膛中的實(shí)際空氣量與理論計(jì)算所需空氣量的比值[2]。

一般通過(guò)分析煙氣內(nèi)CO、O2、CO2的含量，或者檢測(cè)尾部煙氣內(nèi)O2的含量，間接性計(jì)算過(guò)量空氣系數(shù)ω，計(jì)算公式為

(1)

式中：21為空氣內(nèi)O2的體積百分值。

2 鍋爐運(yùn)行效率分析

基于反平衡法計(jì)算鍋爐運(yùn)行效率，即通過(guò)鍋爐熱損失，獲取鍋爐運(yùn)行效率[3]。計(jì)算公式為

κ=100-(u2+u3+u4+u5+u6)%

(2)

式中：u2為排煙熱損失，%；u3為化學(xué)不完全燃燒熱損失，%；u4為機(jī)械不完全燃燒熱損失，%；u5期散熱損失，%；u6為灰渣物理熱損失，%。

2.1 排煙熱損失分析

鍋爐所排出煙氣焓值超過(guò)進(jìn)入爐膛內(nèi)部冷空氣焓值所引發(fā)的熱損失，即所謂的排煙熱損失，屬于鍋爐熱損失的最大項(xiàng)，通常控制在4%～8%，主要受排煙溫度與煙氣容積影響。計(jì)算公式為

(3)

式中：fp為排出煙氣的焓值,kJ/kg；fd為進(jìn)入爐膛內(nèi)部冷空氣焓值,kJ/kg；Es為鍋爐輸入熱量，即燃料所接收的基低位發(fā)熱量，kJ。

就過(guò)量空氣系數(shù)與排煙溫度可近似獲取排煙熱損失[4]，計(jì)算公式為

u2=(0.35ω+0.5)(Dp-Dd)

(4)

式中：Dp為排煙溫度，℃；Dd為空氣溫度，℃。

2.2 化學(xué)不完全燃燒熱損失分析

鍋爐爐膛內(nèi)CO、H2、CH4未完全燃燒隨著煙氣所帶走的熱損失，即化學(xué)不完全燃燒熱損失，主要受燃料揮發(fā)分、過(guò)量空氣系數(shù)、燃燒器結(jié)構(gòu)、鍋爐爐膛溫度、鍋爐內(nèi)部空氣動(dòng)力場(chǎng)所影響。就燃煤鍋爐而言，煙氣可燃?xì)怏w由于H2、CH4含量過(guò)少，明確為可燃?xì)怏w只有CO。在正常燃燒狀態(tài)時(shí)，化學(xué)不完全燃燒熱損失一般控制在0.5%以內(nèi)。計(jì)算公式即

(5)

簡(jiǎn)化為

(6)

式中：v(CO)、v(H2)、v(CH4)分別為煙氣中CO、H2、CH4的比容，m3/kg;ω(CO)為CO的過(guò)量空氣系數(shù)。

就鍋爐來(lái)講，煙氣中CO百分比含量在過(guò)量空氣系數(shù)合適狀態(tài)下的變化并不顯著，控制在4.5%左右便可。

2.3 機(jī)械不完全燃燒熱損失分析

飛灰可燃物與爐渣可燃物未完全燃燒造成的熱損失，即機(jī)械不完全燃燒熱損失，主要受鍋爐負(fù)荷、過(guò)量空氣系數(shù)、煤粉細(xì)度、收到基灰分、收到基低位發(fā)熱量所影響。在正常燃燒狀態(tài)下，機(jī)械不完全燃燒熱損失控制在5%左右即可。計(jì)算公式為

(7)

式中：A為收到基灰分,%。

就固態(tài)排渣爐而言，爐渣量大約占據(jù)總灰粉量的5%～10%，且相比飛灰，爐渣可燃物含量相對(duì)較少，一般情況下，可直接忽略爐渣可燃物。計(jì)算公式為

(8)

總機(jī)械不完全燃燒熱損失，計(jì)算公式為

(9)

結(jié)合式(4)與式(6)，可得

(10)

若煤種為既定狀態(tài)，收到基灰分與低位發(fā)熱量都是常數(shù)，則機(jī)械不完全燃燒熱損失只受飛灰含碳量影響。

通過(guò)既有數(shù)據(jù)調(diào)研分析，可知u2、u3、u4熱損失之和占據(jù)總熱損失的約80%，所以散熱損失與灰渣物理熱損失相對(duì)其他損失而言，占據(jù)的比例非常小，且受負(fù)荷變化的影響不顯著，一般情況下認(rèn)為u2、u3、u4熱損失之和為鍋爐運(yùn)行效率的主要影響因素。通過(guò)對(duì)u2、u3、u4熱損失進(jìn)行分析，可知過(guò)量空氣系數(shù)對(duì)于其影響明顯，因此過(guò)量空氣系數(shù)是影響鍋爐運(yùn)行效率的最關(guān)鍵參數(shù)。所以最佳過(guò)量空氣系數(shù)即u2、u3、u4熱損失之和最小時(shí)的過(guò)量空氣系數(shù)。過(guò)量空氣系數(shù)與熱損失間的關(guān)系式為

(11)

3 評(píng)估模型設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

3.1 最佳過(guò)量空氣系數(shù)評(píng)估模型

3.1.1 模型設(shè)計(jì)

由于不能在線分析煤質(zhì)與灰渣含碳量，目前還無(wú)法在線監(jiān)測(cè)鍋爐運(yùn)行效率，所以難以獲得準(zhǔn)確的效率計(jì)算公式，但是可近似替換鍋爐計(jì)算公式的未知變量，以推到構(gòu)建最佳空氣系統(tǒng)評(píng)估模型，基于相關(guān)參數(shù)，便可計(jì)算獲取不同機(jī)組負(fù)荷下的最佳過(guò)量空氣系數(shù)。

對(duì)于排煙熱損失，在燃料盡可能完全燃燒的前提，過(guò)量空氣系數(shù)越小越好。但對(duì)于機(jī)械不完全燃燒損失而言，為促使燃料與空氣的高度混合，實(shí)現(xiàn)完全燃燒，在既定范圍內(nèi)的過(guò)量空氣系數(shù)越大越好，但不可超出既定范圍，否則氣流流速過(guò)高，將會(huì)造成熱損失增加。所以，為確保燃料完全燃燒，并保證熱損失處于最小狀態(tài)，可實(shí)現(xiàn)相對(duì)持衡，需促使排煙損失變化部分與機(jī)械不完全燃燒時(shí)損失變化部分相等，以此相應(yīng)的過(guò)量空氣系數(shù)處于最佳狀態(tài)。

據(jù)此可構(gòu)建最佳過(guò)量空氣系數(shù)評(píng)估模型[5]即

(12)

3.1.2 模型實(shí)現(xiàn)

以600 MW鍋爐為例分析，在機(jī)組負(fù)荷為597 MW，負(fù)荷為99.5%時(shí)，排煙溫度為142.2 ℃，空氣溫度為21 ℃，代入評(píng)估模型關(guān)系式，得知最佳過(guò)量空氣系數(shù)為1.35。

同理，可得不同機(jī)組負(fù)荷下時(shí)最佳過(guò)量空氣系數(shù)[6]，具體如表1所示。

表1 不同機(jī)組負(fù)荷時(shí)最佳過(guò)量系數(shù)

由表1可知，機(jī)組負(fù)荷為597 MW時(shí)，最佳過(guò)量空氣系數(shù)為1.35；機(jī)組負(fù)荷為506 MW時(shí)，最佳過(guò)量空氣系數(shù)為1.41；機(jī)組負(fù)荷為460 MW時(shí)，最佳過(guò)量空氣系數(shù)為1.49；機(jī)組負(fù)荷為390 MW時(shí)，最佳過(guò)量空氣系數(shù)為1.52。

3.2 過(guò)量空氣系數(shù)與鍋爐運(yùn)行效率關(guān)系

詳細(xì)分析散熱損失與灰渣物理熱損失的影響要素，分別給定二者表達(dá)式，結(jié)合u2、u3、u4熱損失之和表達(dá)式，以及反平衡鍋爐效率計(jì)算公式，獲得鍋爐效率新計(jì)算公式，根據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)，擬合飛灰含碳量與過(guò)量空氣系數(shù)的函數(shù)關(guān)系，帶入新計(jì)算公式，便可獲得鍋爐運(yùn)行效率與過(guò)量空氣系數(shù)間的關(guān)系。

基于反平衡計(jì)算鍋爐效率κ=100-(u2+u3+u4+u5+u6)%，其中所有熱損失共同決定了鍋爐熱效率。

鍋爐運(yùn)行過(guò)程中，爐壁部分構(gòu)件溫度總是比周?chē)諝鉁囟雀?，以此?dǎo)致了熱量損失，即鍋爐散熱損失。通常散熱損失與鍋爐形式、管道絕熱狀況息息相關(guān)。鍋爐容量越大，單位表面積越小，則散熱損失占據(jù)輸入熱量的比例越小。額定負(fù)荷下鍋爐運(yùn)行，散熱損失二分之一是基于鍋爐額定蒸發(fā)量取估計(jì)值加以計(jì)算分析。在鍋爐負(fù)荷有所改變時(shí)，散熱損失絕對(duì)值的變化并不顯著，所以散熱損失相對(duì)值與鍋爐負(fù)荷之間呈反相關(guān)關(guān)系，散熱損失即：

u5=-0.34W+50.2

(13)

式中：W為機(jī)組負(fù)荷率，目前負(fù)荷與機(jī)組負(fù)荷的比例值,%。

灰渣物理熱損失則是基于灰渣被排除時(shí)，溫度高于進(jìn)入鍋爐時(shí)的燃煤溫度，從而帶走的熱量與進(jìn)入熱量之間比值，則

(14)

基于式(11)、式(12)，則鍋爐效率表達(dá)式為

(15)

基于MATLAB軟件制作飛灰含碳量與過(guò)量空氣系數(shù)的曲線圖[7]，具體如圖1所示。

圖1 飛灰含碳量與過(guò)量空氣系數(shù)的曲線圖

由圖1可知，飛灰含碳量與過(guò)量空氣系數(shù)的關(guān)系接近二次函數(shù)關(guān)系，通過(guò)擬合獲得二者關(guān)系式，即

Clf=16.73ω2-46.23ω+36.33

(16)

基于擬合結(jié)果檢驗(yàn)，得知誤差平方和為0.135，偏小，由此擬合結(jié)果良好。則鍋爐效率與過(guò)量空氣系數(shù)關(guān)系式即

(17)

3.3 鍋爐運(yùn)行效率評(píng)估模型

3.3.1 模型設(shè)計(jì)

以600 MW鍋爐為例分析，則已明確鍋爐某些性質(zhì)或運(yùn)行所需條件，則不需要再分析過(guò)熱蒸汽溫度與給水溫度等要素，只需分析負(fù)荷率、排煙溫度、出口含氧量等動(dòng)態(tài)要素在鍋爐運(yùn)行效率中的影響性。且負(fù)荷率變化會(huì)造成排煙溫度與出口含氧量變化，所以進(jìn)行分析時(shí)，本質(zhì)上只分析了一種變量。基于鍋爐運(yùn)行效率公式，以及不完全燃燒狀態(tài)下過(guò)量空氣系數(shù)測(cè)試計(jì)算公式，便可構(gòu)建鍋爐運(yùn)行效率評(píng)估模型，以此分析鍋爐運(yùn)行參數(shù)對(duì)于鍋爐運(yùn)行效率的影響性。

在燃燒過(guò)程，就煙氣成分分析可得不完全燃燒狀態(tài)下過(guò)量空氣系數(shù)測(cè)試計(jì)算公式，即

(18)

通常燃燒都比較完全，煙氣內(nèi)CO含量都相對(duì)較弱，所以可簡(jiǎn)化成：

(19)

以600 MW鍋爐分析，將鍋爐運(yùn)行參數(shù)確定值代入鍋爐運(yùn)行效率表達(dá)式中，則

(20)

灰渣物理熱損失與不完全燃燒損失相對(duì)較小，可忽略，簡(jiǎn)化后可得

(21)

鍋爐出口含氧量代表著鍋爐燃燒用煤粉所需要的氧量與爐膛內(nèi)進(jìn)入氧量的比值。通常，在確保煤粉顆粒燃盡狀態(tài)下，出口氧量越大，則排煙溫度越低，引發(fā)的排煙熱量損失越大，所以在此變化中存在著某機(jī)組負(fù)荷率下出口氧量與排煙溫度相應(yīng)的鍋爐運(yùn)行效率處于最高狀態(tài)。

鍋爐運(yùn)行效率關(guān)于負(fù)荷率、排煙溫度、出口氧量的表達(dá)式，即

(22)

代入φ(RO2)=13.06，則鍋爐運(yùn)行效率的評(píng)估模型[8]即：

(23)

3.3.2 模型實(shí)現(xiàn)

基于給定負(fù)荷率、排煙溫度、出口含氧量數(shù)據(jù)，獲得相應(yīng)鍋爐運(yùn)行效率，具體如表2所示。

表2 不同機(jī)組負(fù)荷時(shí)鍋爐運(yùn)行效率

根據(jù)表2數(shù)據(jù)，基于MATLAB軟件進(jìn)行鍋爐運(yùn)行效率相對(duì)于負(fù)荷率的變化趨勢(shì)分析[9]，具體圖2所示。

圖2 鍋爐運(yùn)行效率相對(duì)于負(fù)荷率的變化趨勢(shì)圖

由表2可知，在機(jī)組負(fù)荷逐步減少的趨勢(shì)下，出口氧量呈現(xiàn)緩慢增加狀態(tài)，而排煙溫度呈現(xiàn)逐漸降低狀態(tài)，這時(shí)鍋爐運(yùn)行效率呈現(xiàn)先上升后下降的形態(tài)，由圖2可清楚觀察到鍋爐運(yùn)行效率的具體變化形勢(shì)。

對(duì)于600 MW鍋爐，在過(guò)量空氣系數(shù)為1.49，負(fù)荷率約76.7%時(shí)，鍋爐運(yùn)行效率達(dá)到最高，即98.29%，相應(yīng)的出口含氧量約5.86%，排煙溫度約126.10%。

4 結(jié) 論

綜上所述，過(guò)量空氣系數(shù)是影響鍋爐運(yùn)行效率的主要因素，基于反平衡計(jì)算法進(jìn)行鍋爐運(yùn)行效率計(jì)算分析，構(gòu)建過(guò)量空氣系數(shù)與熱損失間的關(guān)系式，建立過(guò)量空氣運(yùn)行系數(shù)評(píng)估模型，以尋求熱損失最小時(shí)過(guò)量空氣系數(shù)，以其為最佳過(guò)量空氣系數(shù)，通過(guò)擬合最佳過(guò)量空氣系數(shù)與鍋爐負(fù)荷間的關(guān)系曲線，構(gòu)建鍋爐運(yùn)行效率評(píng)估模型，以明確鍋爐運(yùn)行最高效率。以600 MW鍋爐為例進(jìn)行了最佳過(guò)量空氣系數(shù)與鍋爐運(yùn)行效率計(jì)算分析，結(jié)果表明，機(jī)組負(fù)荷為597 MW時(shí)，最佳過(guò)量空氣系數(shù)為1.35，機(jī)組負(fù)荷為506 MW時(shí)，最佳過(guò)量空氣系數(shù)為1.41，機(jī)組負(fù)荷為460 MW時(shí)，最佳過(guò)量空氣系數(shù)為1.49，機(jī)組負(fù)荷為390 MW時(shí)，最佳過(guò)量空氣系數(shù)為1.52；在機(jī)組負(fù)荷逐步減少的趨勢(shì)下，出口氧量呈現(xiàn)緩慢增加狀態(tài)，而排煙溫度呈現(xiàn)逐漸降低狀態(tài)，這時(shí)鍋爐運(yùn)行效率呈現(xiàn)先上升后下降的形態(tài)，由圖可清楚觀察到鍋爐運(yùn)行效率的具體變化形勢(shì)；在過(guò)量空氣系數(shù)為1.49，負(fù)荷率約76.7%時(shí)，鍋爐運(yùn)行效率達(dá)到最高，即98.29%，相應(yīng)的出口含氧量約5.86%，排煙溫度約126.10%。