CN104806995A - 一种用于煤质多变情况下优化锅炉运行的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于煤质多变情况下优化锅炉运行的方法，第一步：建立CFD模拟耦合尾部烟道热力校核计算模型：其方法包括（1）、在对某燃煤锅炉进行性能实验的基础上，得到该锅炉在一定负荷下的燃烧某煤种的关键性能参数；（2）、是根据第（1）步所得的实验数据对同工况下的锅炉炉膛来进行CFD模拟，建立准确的CFD计算模型。（3）、完成建立CFD模拟耦合尾部烟道热力校核计算模型；第二步：当锅炉燃用煤质或者运行参数发生变化时，只需在建立的准确的CFD计算模型基础上输入新的煤质和运行参数，进行适量模拟计算和热力计算即可获得新条件下炉膛的燃烧和污染物的生成情况和受热面温度情况进而选择最优锅炉运行方式。本发明是将CFD模拟和锅炉尾部烟道热力校核计算相耦合的一种可以预测并指导锅炉优化运行的方法。

Description

一种用于煤质多变情况下优化锅炉运行的方法

技术领域

本发明涉及一种用于煤质多变情况下指导锅炉优化运行的方法，通过将CFD数值模拟与锅炉尾部烟道热力校核计算相互耦合，得到一种用于指导在煤质多变情况下锅炉的优化运行的方法。

技术背景

我国的常规能源利用中，一直以来都是以煤炭为主，此能源利用结构决定了我国能源生产结构、消费结构以及电源结构以煤炭为主，目前煤炭在我国的一次能源生产和消费中占到了70%以上的份额，并且预计在相当长的时期内，我国发电能源构成将继续保持以煤电为主的格局。

一般情况下，对于电站锅炉来讲，最好是燃用其设计煤种或与设计煤种比较接近的煤种，以确保燃烧稳定及各参数在正常范围内运行。多年以来，火力发电虽然一直占据我国电力供应的主要地位，但电厂锅炉绝大多数不能燃烧设计煤种，这是因为我国电煤资源的供需平衡不断发生变化，发电企业的电煤供应日趋多元化，且由于客观条件的限制，电厂购入的煤质也不能保证长期的稳定性，导致电煤质量波动幅度增大 ，煤质多变现象成为火电行业较为突出的问题。

由于煤质多变在我国火力发电行业是普遍存在的现象，由此也带来了锅炉运行过程中的一系列的问题。在锅炉的设计过程中，一些重要参数的选取，比如容积热负荷，燃烧器区域热负荷，截面热负荷等均和设计煤种的结渣特性有很重要的关系。根据设计煤种低位发热量和结渣特性确定这些参数之后，锅炉的结构也基本确定。当煤质发生变化时，若与设计煤种的煤质性能差别较大，锅炉在运行过程中燃烧状况往往达不到最佳状态，影响锅炉的效率和安全问题。

结焦是目前电厂和工业领域锅炉普遍存在的现象，在我国用于判定煤种是否容易结焦的方法为煤灰的软化温度（ST），我国学者根据对250种煤灰的结渣特性统计发现：当煤灰ST>1390℃时，此煤种不易结渣；当煤灰ST<1260℃时，属于易结渣煤种；当煤灰1260℃<ST<1390℃，则属于中等结渣煤种。如果锅炉采用的煤种与设计煤种的ST相差较大，则有可能导致锅炉的严重结焦，影响锅炉的安全运行。锅炉的低负荷稳燃是煤质多变面临的另一个问题，当锅炉燃煤偏离设计煤种并趋于使用劣质煤种时，锅炉内的煤粉着火也回受影响，可能在比较高的负荷下就需要投油稳燃。

煤质多变同时会对锅炉的效率产生影响，煤种偏离设计煤种后，锅炉运行参数也可能发生较大的变化，比如煤质低位发热量、水分含量、灰分的含量与设计煤种不同会大大影响锅炉的计算燃料量和烟气量，对锅炉的理论燃烧温度、炉膛出口烟温、各受热面的热力参数以及排烟温度均有很大影响，进而会影响锅炉的效率。研究发现，当锅炉燃煤的全水分升高1%时，锅炉效率可降低0.093%；灰分增加1%时，锅炉效率可下降0.097%。

此外，随着人们越来越重视化石燃料带来的环境污染问题，一般锅炉厂家会根据设计煤种的煤质特点选择锅炉的燃烧器、配风方式等以求将化石燃料燃烧过程中生成的硫氧化物、氮氧化物降到最低。然而由于煤种的形成年代和成煤的地质条件的差异，不同煤种的硫成分以及燃烧过程中的燃料型NOx生成量也有较大差异。在煤质多变的状况下，只有正确调整锅炉的燃烧器上下摆角或者配风才能更好的控制污染物的生成。

由此可见，采用一定的措施来应对锅炉燃煤多变带来的问题的是十分必要的，国内外学者均对此进行了大量的研究。循环流化床锅炉（CFB）的就是在煤质多变的现状下得到了快速的发展，CFB具有煤种适应性强，炉膛内温度较低，NOx生成量少等优点，并且可以在炉内加入脱硫剂实现炉内脱硫，但是目前大容量高参数的CFB锅炉还较少，600MW以上的机组还是以煤粉炉为主。

煤质在线分析技术即通过对煤质成份和特性的在线分析与诊断，实现煤种与锅炉燃烧的动态耦合，提高锅炉运行的经济性和安全性，实现根据煤质的变化情况，进行适当的燃烧调整。它不但能使锅炉机组在最佳的工况下运行，有效地提高锅炉机组效率，降低发电煤耗，同时对于锅炉低负荷的稳燃、吹灰器的投运、煤粉细度的调整、磨煤机效率的提高和实现优化运行都具有积极的指导意义。目前主要的在线分析技术有：低能γ射线反散射法, 高能γ射线湮灭辐射法, 双能γ射线穿透法, 中子活化分析法，近红外技术等。煤质在线分析技术虽然能够指导锅炉的运行，但使锅炉达到最优化效果较难。

另一种应对煤质多变问题的有效措施是通过配煤改善入炉煤质。这是因为我国劣质煤的储存量占煤总量的比例非常大，对于一些烧劣质煤的电厂，为了提高燃烧煤的性能往往会在劣质煤中掺杂一些好煤。我国的动力配煤技术从上世纪80年代就开始发展，技术上也较为成熟，但是由于电厂采用的煤质具有不稳定性，如何根据锅炉性能选择合适的配煤比例还有待发展。

也有学者运用数值模拟软件来研究锅炉的运行状况，结果表明数值模拟的方法对于指导锅炉的优化运行是一种很重要的措施，但是仅采用数值模拟的方法对于锅炉的尾部烟道受热面参数未能得到较为清楚的描述，对运行人员来说各受热面的工质参数、烟气温度也均是重要的运行参数。

综上可见，煤质多变是我国火力发电行业面临的一个普遍问题，如何能够在煤质多变的条件下来指导锅炉运行能够达到最优化是亟待解决的问题。

发明内容

本发明的目的就在于提供一种用于煤质多变情况下优化锅炉运行的方法，其是将CFD模拟和锅炉尾部烟道热力校核计算相耦合的一种可以预测并指导锅炉优化运行的方法。

本发明的技术方案为：一种用于煤质多变情况下优化锅炉运行的方法，其步骤为：

第一步：建立CFD模拟耦合尾部烟道热力校核计算模型：其方法包括

（1）、在对某燃煤锅炉进行性能实验的基础上，得到该锅炉在一定负荷下的燃烧某煤种的关键性能参数；

所述关键性能参数包括：炉膛出口温度、炉膛出口的NOx排放、锅炉各受热面的进出口烟温、流量以及进出口蒸汽温度、流量等；

（2）、是根据第一步所得的实验数据对同工况下的锅炉炉膛来进行CFD模拟，确定CFD模拟中需要进行设定调整的参数，直到达到针对同一负荷同一煤种模拟效果与实验值吻合较好为止，即保证CFD数值模拟结果与试验数据误差在5%以内。

所述CFD的主要模拟结果包括：炉膛火焰中心位置，炉膛出口的温度场，炉膛出口NOx生成量；

（3）、根据CFD模拟在确定炉膛出口烟温和已知锅炉受热面布置的前提下，进行锅炉的炉膛下游受热面的热力校核计算，同时不断调整设定传热参数，直到热力校核的受热面进出口烟温与实验所测得的值误差在5%以内；完成建立CFD模拟耦合尾部烟道热力校核计算模型；

第二步：当锅炉燃用煤质或者运行参数发生变化时，只需在已有CFD计算结果的基础上输入新的煤质和运行参数，进行适量计算即可获得新条件下炉膛的燃烧和污染物的生成情况也即炉膛出口烟温以及NOx排放量；从而预测锅炉的运行状态，通过在CFD模拟中改变风粉配比、燃烧器上下摆动来观察锅炉运行情况，使其实现燃烧稳定和污染物排放在合理范围内，进而选择最优锅炉运行方式。

本发明的有益效果为：本发明方法耦合了炉膛CFD燃烧数值计算和锅炉尾部对流受热面传热计算的各自优点，可以更加准确和相对快速的预测改变煤质参数和运行参数时锅炉的运行状态，进而选择最优锅炉运行方式，同时实现锅炉的经济性和环保性。

本发明方法对煤质多变条件下预测锅炉运行状态，并指导锅炉的优化运行具有重要意义，其优点总结如下：

1.    本方法是基于锅炉性能实验的基础上提出的，在煤质多变的条件下，能够快速，准确的预测锅炉的运行状态，并指导锅炉的优化运行；

2.    本方法是采用CFD数值模拟耦合尾部烟道热力校核计算的方式，对于计算机的硬件配置要求不高，简单易行；

本方法克服了热力校核计算无法准确确定炉膛出口烟温及NOx排放以及CFD数值计算无法准确计算对流受热面传热特性的缺点，将炉膛燃烧的CFD数值计算和下游对流受热面的传热计算相结合，从而可以精准的较为快速的预测排烟温度、锅炉效率以及污染物排放，从而实现煤质多变条件下锅炉的优化运行。

附图说明

图1为本发明实施例CFD模拟耦合尾部烟道校核热力计算模型的建立与使用过程示意流程图。

具体实施方式

以下为以某电厂一台330MW的π式炉为应用实施例可结合附图1参看：此锅炉在进行大修阶段，为了降低排烟温度和过热器减温水量，减少部分低温过热器受热面，增加了省煤器受热面。以此台锅炉大修前后的锅炉性能试验为基础，采用本发明提出的优化锅炉运行的方法，通过对比大修前后的锅炉运行参数来验证本方法。

第一步， 针对此锅炉进行锅炉性能试验，得到锅炉在大修前和大修后100%BRL负荷下的燃烧某种煤的运行特性，包括：锅炉炉膛内的燃烧特性，炉膛出口的NOx排放值，炉膛出口温度，锅炉各受热面的进出口烟温、氧量以及进出口蒸汽温度、流量等，见表1；

表1. 某电厂330MW锅炉大修前后热力参数 

第二步， 根据前期的实验数据来进行CFD模拟，确定CFD模拟中需要进行调节的参数（如热力型NOx,燃料型NOx的设置参数），直到达到针对同一负荷同一煤种模拟效果与实验值吻合较好为止，则CFD对炉膛部分的模拟完成，可以得到的在300MW负荷下的模拟结果包括：炉膛出口烟温1070℃，炉膛火焰中心位置，燃烧器区域NOx浓度780ppm(mg/m3)，炉膛出口烟温偏差，炉膛出口NOx浓度为756ppm（mg/m3）。

第三步，根据CFD模拟的炉膛出口烟温和已知锅炉受热面布置的前提下，进行锅炉在实验负荷下的热力校核计算，此过程也对各受热面的管壁灰污系数ε、热有效系数ψ、修正系数φ等进行不断微调，直到热力校核的受热面误差在5%以内，则为完成尾部烟道的热力计算，可以得到的结果为：各受热面工质进出口温度，烟气进出口温度，表2为在220MW负荷下做的试验结果与采用本方法得到的结果对比；

    表2.某电厂锅炉在220MW下的试验数据与CFD计算结果对比

第四步，当锅炉燃煤发生变化时，在CFD模拟和尾部烟道热力校核计算时改变煤质参数就可以预测锅炉的运行状态，可以通过在CFD模拟中改变风粉配比、燃烧器上下摆动等措施来观察锅炉运行情况，进而选择最优锅炉运行方式，同时实现锅炉的经济性和环保性。

Claims (1)

1.一种用于煤质多变情况下优化锅炉运行的方法，其步骤为：

第一步：建立CFD模拟耦合尾部烟道热力校核计算模型：其方法包括

（1）、在对某燃煤锅炉进行性能实验的基础上，得到该锅炉在一定负荷下的燃烧某煤种的关键性能参数；

所述关键性能参数包括：炉膛出口温度、炉膛出口的NOx排放、锅炉各受热面的进出口烟温、流量以及进出口蒸汽温度、流量等；

（2）、是根据第一步所得的实验数据对同工况下的锅炉炉膛来进行CFD模拟，确定CFD模拟中需要进行设定调整的参数，直到达到针对同一负荷同一煤种模拟效果与实验值吻合较好为止，即保证CFD数值模拟结果与试验数据误差在5%以内；

所述CFD的主要模拟结果包括：炉膛火焰中心位置，炉膛出口的温度场，炉膛出口NOx生成量；

（3）、根据CFD模拟在确定炉膛出口烟温和已知锅炉受热面布置的前提下，进行锅炉的炉膛下游受热面的热力校核计算，同时不断调整设定传热参数，直到热力校核的受热面进出口烟温与实验所测得的值误差在5%以内；完成建立CFD模拟耦合尾部烟道热力校核计算模型；

第二步：当锅炉燃用煤质或者运行参数发生变化时，只需在已有CFD计算结果的基础上输入新的煤质和运行参数，进行适量计算即可获得新条件下炉膛的燃烧和污染物的生成情况也即炉膛出口烟温以及NOx排放量；从而预测锅炉的运行状态，通过在CFD模拟中改变风粉配比、燃烧器上下摆动来观察锅炉运行情况，使其实现燃烧稳定和污染物排放在合理范围内，进而选择最优锅炉运行方式。