电站燃煤锅炉多目标燃烧优化算法研究.pdf

中南大学 硕士学位论文 电站燃煤锅炉多目标燃烧优化算法研究 姓名黄勤径 申请学位级别硕士 专业计算机应用技术 指导教师费洪晓 20080401 摘要 随着环保要求的提高，现代发电企业面临着降低运行成本与降低污 染物排放的双重要求，电站锅炉N O x 排放是造成环境污染的重要因素， 电站燃煤锅炉多目标燃烧优化要求在保证燃烧效率的基础上降低N O x 等 污染物的排放。 针对锅炉燃烧系统多变量、强耦合、强干扰、大滞后的复杂特性， 提出利用支持向量机 S V M 对锅炉燃烧特性建模，利用遗传算法对支 持向量机模型的参数进行了优化，获得了最优的模型参数，达到了比较 准确的预测效果。结合锅炉燃烧优化的特点提出了一种增减量结合的支 持向量机学习算法，舍弃了对最终分类无用的工况样本，在保证预测精 度的同时减少了训练时间。利用遗传算法对燃烧模型的工况进行寻优， 针对燃煤锅炉高效低N O x 运行两个方面的要求，提出基于适应度函数的 系数可调方案，从而将多目标优化问题转化为单目标优化问题求解，寻 找出最佳的运行参数来指导锅炉进行优化调整，实现锅炉燃烧的优化运 行。 将上述理论应用于仿真分析和实际运行中，开发电厂锅炉燃烧优化 系统。结果表明利片j 这些算法建立的燃烧优化系统实现了锅炉高效低 N O x 排放的燃烧优化，可以达到锅炉高效率和低污染排放目标的整体优 化效果。 关键词燃烧优化，支持向量机，遗传算法，锅炉效率 A BS T R A C T W i t ht h e d e v e l o p i n g d e m a n do fe n v i r o n m e n t a lp r o t e c t i o n ，p o w e r g e n e r a t o r s a r eb e i n gc o n f r o n t e dw i t ht w or e q u i r e m e n t st or e d u c ei t s o p e r a t i o nc o s t sa n dt ol o w e ri t se m i s s i o n s ．N O xe m i s s i o ni sam a i nf a c t o r t h a th a sg r e a ti m p a c t so nt h ee n v i r o n m e n t ．C o m b u s t i o no p t i m i z a t i o nf o rt h e b o i l e r si np o w e rs t a t i o ni s r e q u i r e db yr e d u c eN O xa n do t h e rp o l l u t a n t s e m i s s i o n sw h i c hb a s e do ne n s u r ec o m b u s t i o ne f f i c i e n c y ． A i ma tt h ec o m p l e x p r o p e r t i e so ft h eb o i l e rc o m b u s t i o ns y s t e m ，s u c ha s m u l t i v a r i a b l e s ，c l o s ec o u p l i n g ，s t r o n gd i s t u r b a n c e sa n dl o n g t i m ed e l a ye t c ． I nt h i sp a p e r , as u p p o r tv e c t o rm a c h i n em o d e li su s e dt os e tu pab o i l e r c o m b u s t i o n r e s p o n s ep r o p e r t ym o d e l ，p a r a m e t e r so ft h eS V Mm o d e l o p t i m i z e db yG e n e t i cA r i t h m e t i c ，b e s tp a r a m e t e r sw e r eo b t a i n e da n dg o o d p r e d i c t i n gp e r f o r m a n c ew a sa c h i e v e d ．C o m b i n e dw i t ht h eo p t i m i z a t i o no f c o m b u s t i o nc h a r a c t e r i s t i c s ，an e wa l g o r i t h mc o m b i no fr e d u c t i o nl e a r n i n g a n di n c r e m e n t a ll e a r n i n gw a sp r e s e n t e d ．I td i s c a r d e du s e l e s s sc o n d i t i o n s a m p l e sa n dk e p tt h ea c c u r a c ym e a nw h i l er e d u c e dt h et r a i n i n gt i m e ． O p t i m i z e do p e r a t i n gp a r a m e t e r sa r ef o u n di nt h em o d e lb yu s eo fG e n e t i c a l g o r i t h m ，t om e e tt h et w or e q u i r e m e n t so fh i g ee f f i c i e n c ya n dl o wN O x e m i s s i o n ，as c h e m ew i t ha d ju s t a b l ec o e f f i c i e n tb a s e do na c c m m o n d a t i o n f u n c t i o nw a sp u tf o r w a r d ，t h u st h em u l t i - o b j e c t i v eo p t i m i z e dm o d e lc a n t r e a t e da sa o n e o b j e c t i v eo p t i m i z a t i o np r o b l e m ．S ot h a t w ec a ng i v e g u i d a n c et ob o i l e rc o m b u s t i o na d j u s t m e n ta n dr e a l i z eo p t i m i z e do p e r a t i o no f t h eb o i l e rc o m b u s t i o ns y s t e m ． T h eb o i l e rc o m b u s t i o no p t i m i z i n gs y s t e mw a sd e v e l o p e d ，a p p l y i n gt h e a b o v et h e o r yt os i m u l a t i o ns t u d i e sa n dp r o d u c t i v ep r a c t i c e ，t h er e s u l t ss h o w t h a tt h es y s t e mb a s e do nt h e s ea l g o r i t h m si se f f e c t i v e ，w h i c hc a na c h i e v e o p t i m u ms e a r c h i n go fh i g he f f i c i e n c ya n dl o wN O xc o m b u s t i o ni nt h e b o i l e r K E YW O R D SC o m b u s t i o nO p t i m i z a t i o n ，S V M ，G e n e t i cA l g o r i t h m ， B o i l e rE f j f i c i e n c I I 原创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作 及取得的研究成果。尽我所知，除了论文中特别加以标注和致谢的地方 外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获 得中南大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。与我共同工作的 同志对本研究所作的贡献均已在论文中作了明确的说明。 作者签名 吼丛年立月多 学位论文版权使用授权书 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即学校有权 保留学位论文并根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文，允许学 位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内容，可以 采用复印、缩印或其它手段保存学位论文。同时授权中国科学技术信息 研究所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库，并通过网络向 社会公众提供信息服务。 作者签名 翩签名趁吼垃年皇月勿 硕j { 学位论文 第一章绪论 1 ．1 研究背景 第一章绪论 随着国民经济建设的迅速发展，我国的电力事业蒸蒸同上。目前，我国的年发 电量仅次于美国，己跃居世界第二位。其中火力发电量占总发电量的8 0 ％左右，已 经拥有世界上最多的燃煤电站机组n 1 。随着国家建立节约型社会的号召以及发电企 业自身降低生产成本的要求，发电企业一方面面临厂网分开、竞价上网的电力市场 竞争，另一方面由于能源紧张导致煤价上涨，进一步加大了发电企业的生产成本。 因此发电企业迫切要求挖掘机组运行的潜力，提高机组运行效率，从而降低生产成 本，提高企业竞争能力业1 。由于我国的火电厂是以煤为主要燃料的发电厂，煤的成 本占整个发电成本的7 0 ％以上，以一台3 0 0 M W 锅炉为例，若使其可用系数提高l ％， 则每年可以多发电0 ．3 5 8 8 亿度，若每度电的发电利润按O ．0 5 元计算，则每年可多 增发电利润1 7 9 ．4 万元。。目前，我国火电厂平均供电煤耗率远高于世界发达国家 同类指标，节能潜力十分巨大。各发电企业均把增效挖潜、节能降耗作为内部管理 的重点。显然，在确保机组安全运行的前提下，使机组始终保持在最佳工况运行， 最大限度地降低供电煤耗，切实提高运行的经济性，是提高发电企业竞争实力的重 要手段，是市场经济对发电企业提出的切实要求。 同时，随着两会的召开，坏保同益成为国家可持续发展战略的重要议题。电厂 是高污染排放企业，火电厂大气污染物的排放对环境的污染R 益严重。为了有效地 控制大气中T S P 总悬浮颗粒物 浓度、S 0 2 和N O 。的浓度，国家制定了燃煤电 厂大气污染物排放标准、锅炉大气污染物排放标准、火电厂大气污染物排放标 准等针对电厂的大气污染排放标准。氮氧化物N O 。是其中重要的大气污染物之一， 是酸雨和城市光化学烟雾的重要构成因素，电站燃煤锅炉N O x 排放的特性非常复 杂，受到诸如煤种、煤粉细度与均匀性、过量空气系数、配风方式、煤粉分配、空气 预热温度、排烟温度、炉温均匀性、燃烧器型式、锅炉负荷、炉体结构等多种因素 的影响H 1 。燃煤电站锅炉是N O 。的主要排放源之一，约占总排放量的4 0 ％晴1 。因此做 为N O 。排放大户的电厂，国家对电站N O 。排放的限制越来越严格。国家环保部门 已明确要求所有新建大型燃煤机组都需同步采用低N O 。燃烧方式，所以目前，解决 N O 。等污染物排放量大的问题迫在眉睫，而研究产生的环保、经济效益也是非常可 观的。 使锅炉燃烧达到高效率低污染排放等优化目标属于燃烧优化，锅炉的燃烧优化 问题已是一个较“古老”的命题，经历了很多代科技工作者的深入研究，并产生了 各种不同的优化方法 或系统 ，比如最常用的正交试验法、风粉平衡监测系统、 耗差分析以及针对运行氧量的单因素优化等等。一般而言，煤粉高效燃烧与低N O 。 1 硕十学位论文第一章绪论 排放是互为矛盾的，降低N O 。排放的关键在于控制燃烧区域的高温与煤粉高浓度不 同时存在，但高温与高浓度不同时存在会影响煤粉的燃烧效率，协调使之综合效果 最佳，就要求对煤粉燃烧的全过程加以优化控制m 3 。由于锅炉燃烧优化技术能够有 效提高机组运行效率，降低发电成本，并能够达到有效降低锅炉N O 。排放等优化目 标，因此得到发电企业的普遍关注，电站锅炉燃烧优化技术将会得到更加广泛的研究 和应用。 要克服目前存在燃烧优化方法 或系统 的缺点，即给出“当前时刻锅炉应该如 何运行才是最佳的 ’’的真『F 的、科学的答案，就应该解决以下几个问题日1 1 建立锅炉各运行参数与控制目标值 如锅炉效率、S 0 2 排放浓度、N O 。排 放浓度等 之间的映射关系，即输入一输出变量之间的数学模型。在条件发生变化 时，先前已经建立的输入一输出变量之间的数学模型已不再适用，需重新调整这种 映射关系。 2 如何寻求在当前的限制条件下，优化目标参数的最优值，并获得可控的 输入参数设定值。 3 将寻求到的可控调整参数值设定到D C S 控制系统中，来真正实现这一优 化目标最优值。上述输入一输出模型调整以及优化过程应反复进行，但不应依赖于 运行操作人员，即整合到D C S 控制系统中。 伴随着机器学习算法、参数寻优算法、计算机软硬件技术以及控制技术的发展， 才使得解决上述问题有了可能砷1 。本文就是在这样的背景下产生的，寻求一种新的 智能算法用于锅炉燃烧过程的优化，以提高锅炉燃烧控制的自动化程度，达到燃烧 高效低污染的多目标优化效果。 1 ．2 国内外研究现状 任何与燃烧相关参数的检测、与燃烧相关设备的改造，都可以称为燃烧优化， 从锅炉燃烧优化技术角度看，锅炉燃烧优化技术可以分为三类呻叫第一类通过在 线检测锅炉燃烧的重要参数，指导运行人员调节锅炉燃烧，这类燃烧优化技术目前 在国内占据着主导地位。第二类燃烧优化技术在设备层面，通过对燃烧器、受热面 等的改造实现锅炉的燃烧优化调整。第三类燃烧优化技术是在D C S 的基础上，作 为锅炉运行的监督控制系统，通过采用先进的控制逻辑、控制算法或人工智能技术， 实现锅炉的燃烧优化。随着先进控制和人工智能技术的逐步成熟和在工业上成功的 应用，这种这类燃烧优化技术发展迅猛。 国内早期燃烧优化研究最常用的有萨交试验法、风粉平衡监测系统、耗差分析 以及针对运行氧量的单因素优化等，燃烧控制技术的研究主要为锅炉烟气含氧量的 优化控制研究。另一种可以被称为燃烧优化控制的技术为闭环均衡燃烧控制系统 B C C S ，该系统是由以主蒸汽压力为被调节量、总给粉量 燃料 为调节手段的主 2 硕f 学位论文 第一章绪论 调节系统和以煤粉浓度为被调节量、给粉机转速为调节手段的若干个副调节系统组 成的一个闭环控制系统u 引。 在这些燃烧优化技术中，基于模型预测和多目标寻优技术的燃烧优化闭环控制 技术不需要对锅炉设备进行任何改造，能够充分利用锅炉的运行数据，在D C S 控 制的基础上，通过先进建模、优化、控制技术的应用，直接提高锅炉运行效率，降 低N O 。排放，具有投资少、风险小、效果明显的优点，因而成为很多电厂首选的燃 烧优化技术n 3 1 。常用的模型预测技术有神经网络技术，贝叶斯概率统计技术等4 J 。一 些欧美公司已经在此基础上开发了燃烧优化软件产品，如U l t r a m a r 公司的基于贝叶 斯统计和加权非线性回归分析相结合的燃烧优化技术，这种优化性能得以实现的核 心就在于运用了贝叶斯统计的建模方法，该系统的优化实际上是一个在模型实时更 新基础上的稳态优化，目前全世界已经有3 0 多个电厂运用了此系统。另外还有美 国P e g a s u s 公司基于人工智能神经网络技术设计的燃煤电厂燃烧优化控制的 N e u S I G H T 系统、P o w e rP e r f e c t e r 系统等引。由于相对于国外燃煤电站锅炉，我国 电站锅炉具有煤质多变，负荷大范围变化的特点，这导致一些进口的燃烧优化控制 软件在国内应用存在很多问题，主要表现为对煤种多变的适应性差，对负荷大范围 变化的适应性差，同时价格昂贵也是进口软件的一个缺点。 很明显，以往的各种锅炉燃烧优化试验方法 或系统 存在着如下一些缺陷 1 只是在一定程度上改善了锅炉的燃烧，不能够调整锅炉到较佳运行状态。 2 对于最常用的正交试验方法，由于受测试工况数量的限制以及设备状态、 煤质、环境因素、锅炉各参数之间的复杂关系等等的影响，也只能是在特定边界条 件下得C f J 木H 对较高的锅炉效率，也不是真正意义上的“最佳工况”。试验获得的运 行工况指导卡片也很难在较长时I ’日J 以及边界条件发生变化的情况下起到真正指导 意义，更难以实现实时的锅炉运行指导。 3 除了正交试验方法外，其它燃烧优化系统均存在考虑影响因素简单，只 能在一定程度上改善燃烧的问题。 4 优化变量的最佳值是在特定条件下获得的，因此难以适应边界条件的变 化，比如煤质变化、设备运行状况的变化 比如煤粉细度发生变化，空预器漏风 率变化 等等。在这些条件变化后，优化变量的最佳值实际上己发生变化，丽优化 系统并不能感知。 5 以往各种燃烧优化系统均为指导系统，运行效果的优劣，在很大程度上 依赖于运行人员的操作。事实上，绝大多数系统都难以起到真正的作用，形同虚设。 6 优化目标单一，通常仅限于对锅炉效率的优化，对N O 。排放浓度等这样 的污染物排放为目标的多目标优化并没有涉及。 7 人工神经网络己广泛地应用于各种复杂系统输入输出关系的建模过程，人 工神经网络通过对样本集合的学习，提取出有效的知识和规则，通过对权值和阈值的 3 硕十学位论文 第一章绪论 修正，实现对复杂系统的模化，非常适合于将锅炉燃烧问题视为黑箱模型的燃烧优化 建模n 6 。1 8 1 。但基于神经网络的锅炉燃烧模型的最终解过于依赖初值，收敛速度比较 慢且网络的隐节点数难以确定，因而其最终解在通常情况下仍非最优解u 引。 1 ．3 本文的工作 本文利用一种新的人工智能算法一支持向量机 S V M ，S u p p o r tV e c t o rM a c h i n e 回归方法设计燃烧优化模型。这一方法基于V a p n i k 统计学习理论、H u b e r 稳健回归 理论和W o l f e 对偶规划理论。它具有速度快、拟合精度高、推广能力强和全局最优 等特点，有着广泛的应用幽卜2 。和前向神经网络、径向基函数网络等方法比较，这 一算法的计算时问通常可减小1 - 2 两个数量级，而所得回归函数的预测精度则会有 较大幅度的提高心引。 本文在深入研究了人工智能算法以及在对燃烧试验研究数值模拟的基础上提 出利用S V M 对锅炉效率、N O 、排放值与锅炉负荷、锅炉燃用煤种以及其它锅炉运行 参数之问的函数关系进行学习建模。在锅炉燃烧特性建模完成的基础上，利用遗传 算法寻优算法对锅炉的最佳燃烧工况进行寻优，获得不同煤种下各燃烧参数的最佳 设定值，以实现燃烧优化。丌发的燃烧优化控制系统采用从D C S 下载运行参数、 通过D C S 控制参数调整的方式，可以大幅提高锅炉燃烧优化控制水平，达到多目 标燃烧优化的效果。 本文的工作主要分为四部分内容 1 ．多目标燃烧优化相关问题研究 锅炉燃烧多目标优化中的多目标可以包括锅炉的高效率燃烧以及低N O 。排放 以及其他污染物的低排放为目标，以锅炉效率以及N O 。排放排放为燃烧优化的优化 目标，分别对燃烧效率的计算模型以及N O ；排放形成的原因进行了探讨。对燃烧过 程中的煤粉燃烧机理进行了研究，结合燃烧优化的要求，对优化参数进行了分析。 2 ．支持向量机建模算法研究 支持向量机是一种新的人工智能方法，目前是研究的一个热点。本文针对燃烧 锅炉的特性，选择利用支持向量机对燃烧过程进行建模，对支持向量机核函数确定 和核函数的参数确定方法进行了讨论，采用的主要方式是“试凑”方式以及用遗传 算法实现核函数参数的选择。针对工况多变的状况，提出了一种增减量结合的在线 训练学习算法，并给出了燃烧建模的实际分析，并与神经网络等其他方式做了分析 比较。 3 ．参数寻优算法研究 遗传算法做为一种寻优算法，在很多方面都有着广泛的应用。本文提出利用遗 传算法对锅炉燃烧的可调参数进行寻优，以达到多目标优化的效果。对遗传算法的 研究主要是针对燃烧优化的特点，在编码方式上进行了设计，用实数方式进行编码。 4 硕} 学位论文 第一章绪论 支持向量机的输出参数是锅炉效率和N O 。排放，因此遗传算法的最优解包括锅炉效 率和N O 。排放两项指标，在此基础上设计了反映多目标寻优需要的适应度函数。最 后对遗传算法寻优进行了实验分析。 4 ．可调的多目标优化方法研究 锅炉的燃烧优化目标不是一成不变的，不同的时候有不同的标准和要求，提出 用加权的方法转化为约束条件，来解决多目标优化中如何协调锅炉的高效运行和低 污染控制可能存在不同的视角的问题，最后给出了实际运行中的应用分析结果。 1 ．4 论文组织结构 本文共分为六章，论文的组织结构如下 第一章绪论。介绍了多目标燃烧优化的研究背景、存在的问题、国内外研究 现状以及本文的工作和组织结构。 第二章对多目标燃烧优化相关问题的一些研究。对优化目标锅炉效率和N O 。 排放进行了分析，最后在研究煤炭燃烧机理的基础上对燃烧控制系统的一些控制参 数做了说明。 第三章提出了适合解决燃烧优化问题的算法，其中首先分析了燃烧模型特点， 然后提出用支持向量进行燃烧建模型，对支持向量机的原理和思想进行了介绍。同 时选用遗传算法做为参数寻优算法。对遗传算法的一些基本思想，算法结构以及关 键的问题做了分析。 第四章在前面一章的基础上继续对相关算法在多目标燃烧优化上的应用做了 研究，研究了支持向量机参数的选择和在线学习训练算法，以及遗传算法在燃烧优 化问题上的一些改进与设计。 第五章验证了用可调的参数权值比例作为解决优化目标不同需求的可行性， 对其做了实验分析。在次基础上开发了燃烧优化控制系统，并对燃烧优化控制系统 的一些主要功能模块设计做了说明。 第六章总结和展望。对本文所做工作进行了全面的总结，分析了工作中的问 题，并对下一步的研究工作进行了探讨。 5 硕十学位论文 第一二章多目标燃烧优化相关问题研究 第二章多目标燃烧优化相关问题研究 2 ．1 燃烧的高效率与低污染 燃烧优化的目标多种多样，最常见的是燃烧效率的优化，这也是长期以来锅炉 燃烧优化的主要内容。多目标燃烧优化包括的目标除了锅炉燃烧效率外，还可以包 括N O 。排放、S 0 2 排放等目标，本文研究的多目标燃烧优化方法是一个普遍适用的 方法，对N O 。排放的目标优化设计方法也能用于其他优化目标上。文中的燃烧优化 的多目标是指以燃烧的高效率以及低N O 。排放为目标。 在对燃烧优化的目标进行优化之间，必须对其相关问题进行研究，进行燃烧效 率模型与N O x 排放研究的最主要目的就足研究影响燃烧效率以及影响N O 。排放 的主要因素，为后续的燃烧建模算法提供输入参数，以及为参数寻优算法缩小搜索 空间，提高搜索速度，是一种“粗调”的手段。 2 ．1 ．1 锅炉效率计算模型 煤在锅炉中燃烧放出大量的热能，其中绝大部分被锅炉受热而中的工质吸收， 这是被利用的有效热量。在锅炉运行中，煤实际上不可能完全燃烧，其可燃部分未 燃烧造成的热量损失称为锅炉未完全燃烧热损失。此外，煤燃烧放出的热量也不可 能完全得到有效利用，有的热量被排烟和灰渣带走或透过炉墙损失了，这些损失的 热量，称为锅炉热损失。锅炉热损失的大小决定了锅炉的热效率，评价锅炉运行经 济性的重要指标瞳3 1 。针对煤元素分析困难，计算过程复杂，在线计算燃效率困难的 问题化引，提出利用反平衡法来计算锅炉热效率，锅炉热效率按反平衡的方法可写成 [ 2 5 】 ● 7 7 1 0 0 ％一 q l q 2 q 3 q 4 q 5 2 一1 式2 一l 中q 。中为排烟热损失，q 2 为可燃气体不完全燃烧热损失，g ，为机械不完 全燃烧损，g 。为锅炉散热损失，吼为其它热损失。 1 ．排烟热损失q ． 排烟损失是锅炉的主要热损失，主要由锅炉排烟带走一定的热量造成的，排烟 损失是锅炉机组热损失中最大的一项，一般为5 ％至1 2 ％，其大小主要由排烟温度、 排烟量来决定。常规计算中，烟气量的计算是依据煤的元素分析、按照化学反应方 程进行，计算复杂，所需参数多，由于煤的元素分析比较耗时，并且有些参数现场 不具备条件提供，因此排烟损失无法在线计算。在电站锅炉工作范围内，排烟量可 以由煤的低位发热量、烟气的含氧量和参考温度决定，为此采用拟合公式进行排烟 损失计算心别 6 硕十学位论文 第二章多目标燃烧优化相关问题研究 f 口。望L l o o ％ { “ Q 。．耐1 0 0 0 ．0 2 - 2 I g M ，‘ q ，y ％ ‘弓一q ∥ ％ ‘乃 式2 2 中Q 帅d 一空气干燥基燃煤低位热值，M J ／姆 Q ，一相对与基准温度的排烟热量损失，移／姆； M ．，一烟气的摩尔数，k m o l ／堙； e ，， 乙 一烟气在排烟温度乙下的摩尔热容量，J ／t 0 0 1 ．K ； C ，．， 乃 一烟气在基准温度乃下的摩尔热容量，，／t 0 0 1 ．K 。 2 ．化学未完全燃烧热损失g ， 化学未完全燃烧热损失q ，也叫可燃烧气体末完全燃烧热损失，是指排烟中残留 的可燃气体如C O 、H 2 、C H 4 和重碳氢化合物C m H n 等未放出其燃烧热而造成的热损 失。在燃煤锅炉中，当煤粉喷入炉膛后，在火焰和高温烟气的加热下，首先是水分 析出，紧接着是挥发分析出并裂解为可燃气体。挥发分是以气态的形式燃烧的，在 挥发分析出的过程中，会形成对空气的排挤作用，造成局部区域空气不足，由于受 炉膛容积热负荷下限的制约，炉膛的体积有限，燃料在炉膛内停留的时间很短，仅 有几秒钟，虽然炉膛内总的空气量是过剩的，但是气体燃料仍然难于在这样短的时 问内与空气充分均匀地混合，达到完全燃烧，所以炉膛出口烟气中常含有少量可燃 气体。炉热态试验中，由于微量的可燃气体难以测量准确，一般将g 忽略不计。 3 ．机械未完全燃烧热损失吼 绝大部分机械不完全燃烧损失是由飞狄中含碳造成的，其计算主要依赖于飞灰 含碳量的多少。本文飞灰含碳量的测量采用安装于锅炉水平烟道的微波测碳仪来实 现炉渣含碳量的在线测量。对于电站锅炉来说，在燃煤锅炉中，因燃用煤质和燃烧 方式不同，炉渣含碳造成的机械不完全燃烧损的变化幅度较大，大约为0 ．5 ％至8 ％， 它主要由三部分组成从炉排漏入狄坑的煤、灰渣中的可燃物、随烟气排出炉外飞灰 中的可燃物。通常利用入炉煤的含灰量与燃烧后生成的飞灰和炉渣中的含狄量之间 应该是平衡的方法来对q ，进行计算，即瞳5 | 口，33728．9xFC。a／100．OxU／100．0100．0 2 3 口， 一 U ．U L 么一J ， 。 Q ㈣积x 1 0 0 0 ．0 式2 3 中F C a 。一燃煤空气干燥基固定碳，％； U 一固定碳的未燃烬率 未燃烬的碳与初始固定碳之比 ，％； 7 硕 学位论文第二章多目标燃烧优化相关问题研究 4 ．锅炉散热损失g 。的计算 锅炉的散热损失与很多因素有关锅炉形式，炉墙的质量，水冷壁的敷设情况， 管道的绝热情况等，由于散热损失的测量和技术方法较为复杂，额定负荷运行下， 通常根据锅炉的额定蒸发量取估计值进行计算。当锅炉负荷变化时，散热损失绝对 值变化很小，因此散热损失相对值实际上与锅炉的负荷成反比。散热损失的测量是 非常困难的，锅炉额定负荷下的散热损失是按经验曲线来查取的，比较常用的一种 计算式为比引 q 。 - 0 ．3 3 x X o ／1 0 0 0 ．4 9 5 2 - 4 式2 - 4 中X 。为机组的负荷率即当前负荷与机组满负荷的比值，参数为查经验 曲线得到的常用参数雎引。 5 ．其它热损失玑的计算 灰渣排出炉外时的温度比进入炉子的燃煤温度高而带走的热量占输热量的百 分率称为狄渣物理热损失，其它热损失主要指狄渣带走的物理热损失，对于大型电 站锅炉来说，这部分占整个热损失的比例相对较小，通常取0 ．3 ％左右。或者只有当 灰分较高时才考虑炉渣物理热损失。 2 ．1 ．2N O 。排放研究 煤燃烧过程中产生的氮氧化物N O 。主要是N O 和N 0 2 ，这二者统称为N O 。。为 了控制污染物排放，认识污染气体N O 。的形成和破坏机理，在工程上寻求降低污染 气体排放的技术措施是十分必要的。在煤燃烧过程中，与S 0 2 的生成机理不同的是 N O 。的生成量和排放量与煤燃烧方式，特别是燃烧温度和过量空气系数等燃烧条件 密切相关。国内外学者对N O 、形成和破坏机理作了深入研究，但燃烧过程中形成 N O 。的过程是一个复杂的过程，具体的N O 。形成机理还不十分清楚。现阶段有燃料 型N O 。、热力型N O 。和快速型N O 。三种已接受的机理可以解释这一过程每种途 径生成的N O 。所占的份额是由燃料的种类、化学组成和燃烧方式等因素决定的雎7 | 。 1 燃料型N O 。燃料型N O 。是燃料中的N 经过复杂的氧化还原反应产生的， 是燃煤电站N O 。排放的主要来源，约占总排放的6 0 ％至8 0 ％㈣1 。燃料氮向N O 、转化 的过程可分为3 个阶段首先是有机氮化合物随挥发分析出 热解 ；其次是挥发分中 氮化物燃烧，在富氧条件下生成N O ，贫氧条件下也可还原成N 0 2 ；最后是焦炭中有 机氮燃烧，同样在富氧条件下生成的N O ，贫氧条件下也可还原成N 0 2 。燃料型N O 。 的生成量与火焰附近氧浓度密切相关，通常在过剩空气系数小于1 ．4 条件下，转化 率随着0 2 浓度上升而呈二次方曲线增大。 2 热力型N O 。热力型N O 。的生成是空气中的N 和0 2 在高温下按Z e l d o v i c h 机理反应的产物，是一种缓慢的反应过程，是天然气、重油等燃料中N O 。生成的主 8 硕 学位论文 第二章多目标燃烧优化相关问题研究 要来源，但是电站锅炉煤粉燃烧过程中产生的热力型N O 。只占N O 。总排放量的2 ％ 至3 0 ％雎引。温度是影响热力型N O x 生成最重要和最显著的因素，其作用超过了0 2 浓度和反应时间。随着温度的升高，热力型N O 。生成量达到峰值，然后由于发生高 温分解反应而有所降低。随着0 2 浓度和空气预热温度的升高，N O 。生成量存在一 个最大值，但是当0 2 浓度过高时，由于存在过量氧对火焰的冷却作用N O 。生成量 有所降低。尽量避免氧浓度、温度双峰值同时出现，是降低热力型N O 。的有效措施 之一。 3 快速型N O 。快速型N O 。是由空气中氮和燃料中碳氢离子团如C H 等反 应生成的N o x ，其转化率取决于反应中空气过剩系数和温度水平。快速型N O 。生成 量在通常炉温水平下是微不足道的，尤其是对于大型锅炉燃料的燃烧更是如此，通 常只占到N O 。总排放量的5 ％以下。快速型N O x 通常是在火焰表面上生成的，所谓 快速是与燃料型N O x 缓慢反应速度相比较而言的。快速型N O 。生成量受温度影响 不大，而受压力影响比较显著，成0 ．5 次方关系。 根据N O 。形成原理，现在有多种的燃烧中控制低N O 。的方法。控制电站锅炉 N O 。排放的方法主要从以下三个方面展开①燃料方面，采用低氮燃料如轻质油， 并进行相应的锅炉改造，使锅炉的N o x 排放得到控制。②燃烧中N O ；控制技术低 N O ，燃烧技术包括低过量空气系数、空气分级燃烧、燃料再燃技术、烟气再循环、 低二燃烧器等。③燃烧后的烟气处理控制技术，即对进入尾部烟道的烟气进行脱硝 处理㈨。 在控制N o 。排放的技术中，燃烧技术措施成本较低，而烟气净化措施成本较高。 深入研究锅炉高效低N O 。排放特性，研究开发低成本、有效地降低污染气体排放的 优化燃烧技术，无疑是非常重要的。从N O ，生成机理可以看出，减少燃煤生成的 N O 。，主要的是设法建立富燃烧区，使燃料氮在贫氧状态下尽可能多地挥发，从而 使生成的N O 。转化为N 2 ，这意味着要降低N O 。排放，就要尽可能地降低过剩空气 系数、提早煤粉着火、扩大还原区和延迟煤粉与二次风和三次风的混合时间，而这 些措施却使烟气中可燃物含量增加，导致锅炉的效率下降。为此，锅炉效率的增加 和N O 。排放量的减少是一对矛盾，在理论上存在一个最优结合点，这就是优化燃烧 的理论基础。锅炉燃烧运行的配风、配煤运行方式不仅影响锅炉效率，而且对N O x 的排放也有很大影响。随着国家对环保要求的提高，锅炉运行在保证锅炉效率的同 时应努力降低烟气的N O ，排放量。目前国内有些条件较好的电站，锅炉实现了烟气 N O 。排放的在线监测。如果将优化燃烧技术应用在这类锅炉上，同时以锅炉效率和 N O 。排放量作为优化目标，则可在提高锅炉效率的同时降低N O 。的排放量，实现锅 炉的经济环保运行。 9 硕十‘’≯何论文第二章多H 标燃烧优化相关问题研究 2 ．2 燃烧过程与运行参数 通过以上分析可以看到，煤粉在炉膛内高效低N O 。排放燃烧的过程是一个复杂 的物理化学过程，受炉膛温度、锅炉负荷、燃料特性以及操作参数等多种因素的二F 扰，不同的运行参数下将有不同的锅炉效率和N O 。排放量。优化燃烧技术就是通过 某种技术于段，针对不同负荷F 的煤质特性，找到锅炉各操作量的最佳值，并使锅 炉在这些参数卜运行，达到锅炉高效或者低N O ，排放的臼的。要想通过设定值调整 使锅炉运行于最佳工况，首先就要了解燃烧过程的特性，寻找到影响燃烧过程的参 数，在各运行参数的耿值范围内，搜寻到一。个变量组合，使锅l ；f - 在此组合的作用l o ， 性能达到最优。 2 ．2 ．1 稳定燃烧机理研究 良好的燃烧稳定性是锅炉安全、经济和清洁运行的基本要求。要研究煤粉燃烧 的稳定性，必须从煤粉的本质出发，研究煤粉着火及燃烧的机理，在此基础上建立 煤粉燃烧稳定性预测模型。研究燃煤机理的目的是通过建立单个焦碳颗粒的燃烧模 型，找到影响燃烧稳定性、燃烧效率以及污染排放的一些相关特性。“1 。 煤粉空2e 混和物经山燃烧器以射流方式进入炉膛后，通过紊流扩散的外回流以 及旋流射流卷吸周围的高温烟户C 。若有钝体稳燃器，则由钝体稳燃器产生的内回流 卷吸周围的高温烟7e ，促使煤粉气流与炽热炯气产生强烈混和。同时煤粉气流又受 到炉膛四壁和高温火焰的辐射，而将悬浮在气流巾的煤粉迅速加热。其煤粉碳颗粒 燃烧过程的移动火焰锋面模型示意图如图2 1 所示 单个碳颗粒火焰锋丽 C O 2 图2 - 1 煤粉颗粒燃烧过程模型示意图 在煤热解过程中颗粒半径 凡 不变，密度减小，形成的焦碳颗粒中只含有固定 碳和狄分两种成分，灰分集中在碳颗粒中心，形成半径为R 。的峰硬骸心。燃烧过 程中，狄分与碳的密度相等，即碳粒密度不再改变。碳粒表面的碳首先被氧化成 C O ，边界层内的C O 着火后在气体边界层内形成无限