CN104992028A - 一种火电机组配煤方案获取方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种火电机组配煤方案获取方法，该方法以配煤比例为目标函数，将混煤煤质参数计算和锅炉校核热力计算得到的配煤参数作为输入量，机组运行的安全性、环保性和现场的实用性指标作为约束条件，建立求取满足所有约束条件的配煤比例的数学模型，并通过经济性分析、实验验证、引入辅机电耗等手段，选择经济性最优的配煤比例，得到优选的、可靠的配煤方案。本发明将通过模型计算获得的多种配煤方案进行经济性分析，根据不同约束条件选择相对较优的配煤方案，可拓宽锅炉对煤种的适应范围，在保证机组安全、环保运行的情况下，提高购煤的灵活性，并有效降低电厂的生产成本。
Description
技术领域
本发明涉及一种火电机组配煤方案获取方法，属火电机组配煤优化方案技术领域。
背景技术
一般而言，电厂的锅炉在燃用与其对应的设计煤种或者校核煤种时，机组具有最好的经济性，且能够安全、正常的运行；但电厂的燃煤供应受到诸多因素的影响，如：
(1)燃用的煤种紧缺或价格偏高、运输成本较高或运输能力不足；
(2)电厂周围煤矿众多，供应的煤种不稳定；
(3)机组改造或增容后，原有燃用煤种较难满足运行要求。
为使电厂避免上述因素带来的不利影响，大部分电厂采用了配煤掺烧技术，但配煤掺烧，多是优质煤中掺混劣质煤，尤其是掺烧高水分、高硫分、高挥发分的低价煤，而掺烧劣质煤带来的问题是：若掺配比例不当，锅炉的燃烧效果将会变差，运行稳定性会下降，低负荷调峰困难，锅炉热效率降低，出现结渣和过热器超温，脱硫系统不适应，辅机电耗增加，污染排放超标，锅炉的安全性、经济性和环保性都将遭到破坏。
因此，最优的配煤方案可以不是燃煤成本最低或锅炉侧成本最低的方案，而应当是在满足整个发电机组安全、环保这一正常运行状态下，机组发电成本最低的配煤方案，整个方案包括掺配煤种及比例、混煤煤质参数。
公布号为CN 104156781 A，专利申请号为201410337701.4的中古发明专利公开了“一种火电机组锅炉成本最低混煤煤质参数获取方法，通过该方法可得到合理的配煤煤种及最佳配比，求取的目标函数为最低的配煤成本，但其局限性在于没有考虑到燃煤种类的改变对整个发电机组安全、环保、经济等方面的影响，且在求取混煤煤质参数的过程中，虽有理论计算，却没有实验验证的部分，很难保证计算的准确性。同时，给出的约束条件范围宽泛，不明确。
因此，研究设计一种能够在符合发电机组安全性、环保性和经济性，并通过实验验证和对比来获得最优配煤方案的方法是本领域急需解决的问题。
发明内容
为克服现有技术的不足，并在满足整个发电机组安全、环保这一正常运行状态下，得到机组发电成本最低的配煤方案，本发明提出一种火电机组配煤方案获取方法。
本发明所采用的技术方案是：
一种火电机组配煤方案获取方法，以配煤比例为目标函数，将混煤煤质参数计算和锅炉校核热力计算得到的配煤参数作为输入量，机组运行的安全性、环保性和现场的实用性指标作为约束条件，建立满足约束条件的数学模型，获取至少一种混煤方案，将获得的混煤方案通过经济性分析和实验验证，并引入辅机电耗分析的手段，从所获得的配煤方案中选取经济性最优的配煤方案具体步骤如下：
(1)进行煤质分析，选取常用煤种进行煤质分析，并建立煤质分析数据库；
(2)建立数学模型，以配煤比例为目标函数，将混煤煤质参数计算和锅炉校核热力计算得到的配煤参数作为输入量，火电机组运行的安全性参数、环保性参数和现场的实用性指标作为约束条件，建立求取满足既定约束条件的配煤比例的数学模型；
(3)获取配煤方案，基于步骤(2)建立的数学模型，选定数据库中的掺配煤种，采用穷举法，获取所有的配煤比例，确定所有满足安全性、环保性和实用性条件的配煤比例及该比例对应的配煤参数，并标记为“备选配煤方案”；
(4)经济性分析，基于步骤(3)所获取的“备选配煤方案”及其配煤煤质参数和步骤(1)的煤质分析数据库，结合锅炉的设计运行参数，对“备选配煤方案”进行经济性初步分析，将经济性较优的方案提出，并标记该方案为“初步配煤方案”；
(5)可靠性分析，对步骤(4)所获取的“初步配煤方案”进行实验验证，将理论计算值满足实验结果的方案标记为“可靠配煤方案”；
(6)获取“最优配煤方案”，基于步骤(5)所获取的“可靠配煤方案”，引入辅机电耗分析，并结合步骤(2)中的配煤参数，进行经济性计算，将经济性最优的配煤比例标记为“最优配煤方案”。
所述步骤(2)中的混煤煤质参数计算过程中的安全性参数是指煤灰软化温度ST和结渣综合指数R；环保性参数是指NOx和SO2生成量；其中NOx和SO2生成量由实验数据拟合求得，采用线性回归、支持向量机回归和实验经验公式相结合的计算方式求取配煤参数。
所述方法步骤(2)中锅炉校核热力计算过程中的安全性参数是指锅炉各受热面进出口烟气温度、工质温度、酸露、燃煤量和锅炉效率。
所述步骤(3)中的安全性约束条件是指煤灰软化温度ST、结渣综合指数R、各受热面进出口烟气、工质温度和酸露点；
环保性约束条件是指脱硝设备进口或出口的NOx值和脱硫设备进口或出口的SO2值；
现场的实用性约束条件是指配煤的干燥无灰基挥发分Vdaf、收到基低位发热量Qar,net、收到基水分Mar和空气干燥基全硫St,ad。
在所述步骤(4)中的经济性初步计算中，假定燃用混煤和设计煤种时，机组的锅炉、汽机、回热系统和辅机的性能参数不发生变化，将采用能量守恒原理求取的经济性指标标记为“燃煤成本”；当设计煤种为两种时经济性分析过程如下：
机组在BRL状态下，每小时消耗的来自于燃煤的热量：
QBRL,xh＝BBRL·3600·Qar,net/4.187,kcal/h；
若机组BRL状态燃用混煤，则每小时需要混煤质量：
Bh＝QBRL,xh/Qar,h,kg/h；
故每小时需要混煤1和混煤2的质量为：
Bh1＝Bh·x1/x,kg/h；
Bh2＝Bh·x2/x,kg/h；
依据单煤1和2的成本C1和C2可求得机组BRL状态下，每小时燃用混煤所需的燃料成本：
My＝Bh1·C1+Bh2·C2，分/h；
每小时，机组BRL状态发电PBRL，MW；
故“燃煤成本”：
My-Kwh＝My/PBRL，分/KW·h；
其中：
发电机负荷：PBRL，MW；
设计煤种燃料量：BBRL，kg/s；
设计煤种低位发热量：Qar,net，kJ/kg；
配煤方案中混煤的发热量：Qar,h，kcal/kg；
配煤方案中各单煤的成本：C1和C2，分/kg；
配煤方案中的掺配比例：x1和x2，并令x＝x1+x2。
所述方法步骤(5)中的验证实验包括如下实验项目：
1)混煤灰熔点测定：验证混煤煤质参数计算所得的ST值，并依据实验ST值计算实际的R值；
2)混煤恒温热失重试验；某一恒定温度下混煤的热失重曲线，与锅炉设计煤种的失重曲线进行比较，观察混煤的着火性能和燃尽性能；
3)高温管式沉降炉小型燃烧试验：在6％氧浓度下，对一定量的煤粉进行燃烧试验，测定NOx和SO2生成量；
4)飞灰含碳量测定：测量混煤的固体不完全燃烧热损失q4。
所述方法步骤(6)中的辅机电耗包括脱硫脱硝成本、磨煤机电耗、一次风机电耗、送引风机电耗和除灰除尘电耗，某一负荷下的各辅机电耗由电厂历史数据库可查得；结合步骤(5)的“燃煤成本”和步骤(3)中的计算燃煤量，锅炉效率以及步骤(6)中的固体不完全燃烧热损失q4，进行最终经济性分析。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
(1)本发明方法得到的最优的配煤方案是在满足整个发电机组安全性、环保性这一正常运行状态下，机组发电成本最低的配煤方案，并不局限于配煤成本最低，而是在此基础之上，包括了脱硫脱硝成本、磨煤机电耗、一次风机电耗、送引风机电耗和除灰、除尘电耗等辅机电耗，经济性计算更贴近实际，更加具有代表性；
(2)本发明方法将求取最优配煤方案的约束参数细分为：
安全性参数，包括：煤灰软化温度ST、结渣综合指数R，各受热面进出口烟气、工质温度和酸露点)；
环保性参数，包括：脱硝设备进口或出口的NOx值和脱硫设备进口或出口的SO2值；
现场的实用性参数，包括：配煤的干燥无灰基挥发分Vdaf、收到基低位发热量Qar,net、收到基水分Mar和空气干燥基全硫St,ad；
约束参数的细分和提出，更有利于评价配煤方案的优劣；
(3)本发明方法给出了一种具体的，且简单有效的经济性分析方法，该方法假设燃用混煤和设计煤种时，机组的锅炉、汽机、回热系统和辅机等性能参数不发生变化，进而采用能量守恒的原理求取经济性指标——“燃煤成本”；
(4)理论计算和实验验证相辅相成，为理论计算结果的可靠性提供保障；
整个获取方法，不仅有混煤煤质参数的预测，还有锅炉校核热力计算，还包含各种实验验证，包括：混煤灰熔点测定、混煤恒温热失重试验、某一恒定温度下混煤的热失重曲线、高温管式沉降炉小型燃烧试验和飞灰含碳量测定实验，验证实验的结果将会对理论计算值进行检验；
本发明可拓宽锅炉对煤种的适应范围，在保证机组安全、环保运行的情况下，提高购煤的灵活性，并有效降低电厂的生产成本。
附图说明
图1为本发明的方法原理图
具体实施方式
本发明是针对火电机组发电成本最低的配煤方案(包括配煤比例和混煤煤质参数)难以确定的问题，而提出的一种火电机组配煤方案获取方法，以配煤比例为目标函数，将混煤煤质参数计算和锅炉校核热力计算得到的配煤参数作为输入量，机组运行的安全性、环保性和现场的实用性指标作为约束条件，建立满足约束条件的数学模型，获取至少一种混煤方案，将获得的混煤方案通过经济性分析和实验验证，并引入辅机电耗分析的手段，从所获得的配煤方案中选取经济性最优的配煤方案具体步骤如下：
(1)进行煤质分析，选取常用煤种进行煤质分析，并建立煤质分析数据库；
(2)建立数学模型，以配煤比例为目标函数，将混煤煤质参数计算和锅炉校核热力计算得到的配煤参数作为输入量，火电机组运行的安全性参数、环保性参数和现场的实用性指标作为约束条件，建立求取满足既定约束条件的配煤比例的数学模型；混煤煤质参数计算过程中的安全性参数是指煤灰软化温度ST和结渣综合指数R；环保性参数是指NOx和SO2生成量；其中NOx和SO2生成量由实验数据拟合求得，采用线性回归、支持向量机回归和实验经验公式相结合的计算方式求取配煤参数；锅炉校核热力计算过程中的安全性参数是指锅炉各受热面进出口烟气温度、工质温度、酸露、燃煤量和锅炉效率。
(3)获取配煤方案，基于步骤(2)建立的数学模型，选定数据库中的掺配煤种，采用穷举法，获取所有的配煤比例，确定所有满足安全性、环保性和实用性条件的配煤比例及该比例对应的配煤参数，并标记为“备选配煤方案”；安全性约束条件是指煤灰软化温度ST、结渣综合指数R、各受热面进出口烟气、工质温度和酸露点；环保性约束条件是指脱硝设备进口或出口的NOx值和脱硫设备进口或出口的SO2值；现场的实用性约束条件是指配煤的干燥无灰基挥发分Vdaf、收到基低位发热量Qar,net、收到基水分Mar和空气干燥基全硫St,ad
(4)经济性分析，基于步骤(3)所获取的“备选配煤方案”及其配煤煤质参数和步骤(1)的煤质分析数据库，结合锅炉的设计运行参数，对“备选配煤方案”进行经济性初步分析，将经济性较优的方案提出，并标记该方案为“初步配煤方案”；
经济性分析过程中，假定燃用混煤和设计煤种时，机组的锅炉、汽机、回热系统和辅机的性能参数不发生变化，将采用能量守恒原理求取的经济性指标标记为“燃煤成本”；当设计煤种为两种时经济性分析过程如下：
机组在BRL状态下，每小时消耗的来自于燃煤的热量：
QBRL,xh＝BBRL·3600·Qar,net/4.187,kcal/h；
若机组BRL状态燃用混煤，则每小时需要混煤质量：
Bh＝QBRL,xh/Qar,h,kg/h；
故每小时需要混煤1和混煤2的质量为：
Bh1＝Bh·x1/x,kg/h；
Bh2＝Bh·x2/x,kg/h；
依据单煤1和2的成本C1和C2可求得机组BRL状态下，每小时燃用混煤所需的燃料成本：
My＝Bh1·C1+Bh2·C2，分/h；
每小时，机组BRL状态发电PBRL，MW；
故“燃煤成本”：
My-Kwh＝My/PBRL，分/KW·h；
其中：
发电机负荷：PBRL，MW；
设计煤种燃料量：BBRL，kg/s；
设计煤种低位发热量：Qar,net，kJ/kg；
配煤方案中混煤的发热量：Qar,h，kcal/kg；
配煤方案中各单煤的成本：C1和C2，分/kg；
配煤方案中的掺配比例：x1和x2，并令x＝x1+x2。
(5)可靠性分析，对步骤(4)所获取的“初步配煤方案”进行实验验证，将理论计算值满足实验结果的方案标记为“可靠配煤方案”；
验证实验包括如下实验项目：
1)混煤灰熔点测定：验证混煤煤质参数计算所得的ST值，并依据实验ST值计算实际的R值；
2)混煤恒温热失重试验；某一恒定温度下混煤的热失重曲线，与锅炉设计煤种的失重曲线进行比较，观察混煤的着火性能和燃尽性能；
3)高温管式沉降炉小型燃烧试验：在6％氧浓度下，对一定量的煤粉进行燃烧试验，测定NOx和SO2生成量；
4)飞灰含碳量测定：测量混煤的固体不完全燃烧热损失q4。
(6)获取“最优配煤方案”，基于步骤(5)所获取的“可靠配煤方案”，引入辅机电耗分析，并结合步骤(2)中的配煤参数，进行经济性计算，将经济性最优的配煤比例标记为“最优配煤方案”；辅机电耗包括脱硫脱硝成本、磨煤机电耗、一次风机电耗、送引风机电耗和除灰除尘电耗，某一负荷下的各辅机电耗由电厂历史数据库可查得；结合步骤(5)的“燃煤成本”和步骤(3)中的计算燃煤量，锅炉效率以及步骤(6)中的固体不完全燃烧热损失q4，进行最终经济性分析。
总之，本发明所提出的配煤方案获取方法所获取的配煤方案是通过对机组运行安全性和环保性进行分析，并经过实验验证所获得的，相对于现有技术而言，具有更好的普遍性，有益效果如下：
(1)本发明方法得到的最优的配煤方案是在满足整个发电机组安全性、环保性这一正常运行状态下，机组发电成本最低的配煤方案，并不局限于配煤成本最低，而是在此基础之上，包括了脱硫脱硝成本、磨煤机电耗、一次风机电耗、送引风机电耗和除灰、除尘电耗等辅机电耗，经济性计算更贴近实际，更加具有代表性；
(2)本发明方法将求取最优配煤方案的约束参数细分为：
安全性参数，包括：煤灰软化温度ST、结渣综合指数R，各受热面进出口烟气、工质温度和酸露点)；
环保性参数，包括：脱硝设备进口或出口的NOx值和脱硫设备进口或出口的SO2值；
现场的实用性参数，包括：配煤的干燥无灰基挥发分Vdaf、收到基低位发热量Qar,net、收到基水分Mar和空气干燥基全硫St,ad；
约束参数的细分和提出，更有利于评价配煤方案的优劣；
(3)本发明方法给出了一种具体的，且简单有效的经济性分析方法，该方法假设燃用混煤和设计煤种时，机组的锅炉、汽机、回热系统和辅机等性能参数不发生变化，进而采用能量守恒的原理求取经济性指标——“燃煤成本”；
(4)理论计算和实验验证相辅相成，为理论计算结果的可靠性提供保障；
整个获取方法，不仅有混煤煤质参数的预测，还有锅炉校核热力计算，还包含各种实验验证，包括：混煤灰熔点测定、混煤恒温热失重试验、某一恒定温度下混煤的热失重曲线、高温管式沉降炉小型燃烧试验和飞灰含碳量测定实验，验证实验的结果将会对理论计算值进行检验；
本发明可拓宽锅炉对煤种的适应范围，在保证机组安全、环保运行的情况下，提高购煤的灵活性，并有效降低电厂的生产成本。
Claims (7)
1.一种火电机组配煤方案获取方法，其特征在于：以配煤比例为目标函数，将混煤煤质参数计算和锅炉校核热力计算得到的配煤参数作为输入量，机组运行的安全性、环保性和现场的实用性指标作为约束条件，建立满足约束条件的数学模型，获取至少一种混煤方案，将获得的混煤方案通过经济性分析和实验验证，并引入辅机电耗分析的手段，从所获得的配煤方案中选取经济性最优的配煤方案具体步骤如下：
(1)进行煤质分析，选取常用煤种进行煤质分析，并建立煤质分析数据库；
(2)建立数学模型，以配煤比例为目标函数，将混煤煤质参数计算和锅炉校核热力计算得到的配煤参数作为输入量，火电机组运行的安全性参数、环保性参数和现场的实用性指标作为约束条件，建立求取满足既定约束条件的配煤比例的数学模型；
(3)获取配煤方案，基于步骤(2)建立的数学模型，选定数据库中的掺配煤种，采用穷举法，获取所有的配煤比例，确定所有满足安全性、环保性和实用性条件的配煤比例及该比例对应的配煤参数，并标记为“备选配煤方案”；
(4)经济性分析，基于步骤(3)所获取的“备选配煤方案”及其配煤煤质参数和步骤(1)的煤质分析数据库，结合锅炉的设计运行参数，对“备选配煤方案”进行经济性初步分析，将经济性较优的方案提出，并标记该方案为“初步配煤方案”；
(5)可靠性分析，对步骤(4)所获取的“初步配煤方案”进行实验验证，将理论计算值满足实验结果的方案标记为“可靠配煤方案”；
(6)获取“最优配煤方案”，基于步骤(5)所获取的“可靠配煤方案”，引入辅机电耗分析，并结合步骤(2)中的配煤参数，进行经济性计算，将经济性最优的配煤比例标记为“最优配煤方案”。
2.根据权利要求1所述的一种火电机组配煤方案获取方法，其特征在于，所述步骤(2)中的混煤煤质参数计算过程中的安全性参数是指煤灰软化温度ST和结渣综合指数R；环保性参数是指NOx和SO2生成量；其中NOx和SO2生成量由实验数据拟合求得，采用线性回归、支持向量机回归和实验经验公式相结合的计算方式求取配煤参数。
3.根据权利要求1所述的一种火电机组配煤方案获取方法，其特征在于，所述步骤(2)中锅炉校核热力计算过程中的安全性参数是指锅炉各受热面进出口烟气温度、工质温度、酸露、燃煤量和锅炉效率。
4.根据权利要求1所述的一种火电机组配煤方案获取方法，其特征在于，所述步骤(3)中的安全性约束条件是指煤灰软化温度ST、结渣综合指数R、各受热面进出口烟气、工质温度和酸露点；
环保性约束条件是指脱硝设备进口或出口的NOx值和脱硫设备进口或出口的SO2值；
现场的实用性约束条件是指配煤的干燥无灰基挥发分Vdaf、收到基低位发热量Qar,net、收到基水分Mar和空气干燥基全硫St,ad。
5.根据权利要求1所述的一种火电机组配煤方案获取方法，其特征在于，在所述步骤(4)中的经济性初步计算中，假定燃用混煤和设计煤种时，机组的锅炉、汽机、回热系统和辅机的性能参数不发生变化，将采用能量守恒原理求取的经济性指标标记为“燃煤成本”；当设计煤种为两种时经济性分析过程如下：
机组在BRL状态下，每小时消耗的来自于燃煤的热量：
QBRL,xh＝BBRL·3600·Qar,net/4.187,kcal/h；
若机组BRL状态燃用混煤，则每小时需要混煤质量：
Bh＝QBRL,xh/Qar,h,kg/h；
故每小时需要混煤1和混煤2的质量为：
Bh1＝Bh·x1/x,kg/h；
Bh2＝Bh·x2/x,kg/h；
依据单煤1和2的成本C1和C2可求得机组BRL状态下，每小时燃用混煤所需的燃料成本：
My＝Bh1·C1+Bh2·C2，分/h；
每小时，机组BRL状态发电PBRL，MW；
故“燃煤成本”：
My-Kwh＝My/PBRL，分/KW·h；
其中：
发电机负荷：PBRL，MW；
设计煤种燃料量：BBRL，kg/s；
设计煤种低位发热量：Qar,net，kJ/kg；
配煤方案中混煤的发热量：Qar,h，kcal/kg；
配煤方案中各单煤的成本：C1和C2，分/kg；
配煤方案中的掺配比例：x1和x2，并令x＝x1+x2。
6.根据权利要求1所述的一种火电机组配煤方案获取方法，其特征在于，所述步骤(5)中的验证实验包括如下实验项目：
1)混煤灰熔点测定：验证混煤煤质参数计算所得的ST值，并依据实验ST值计算实际的R值；
2)混煤恒温热失重试验；某一恒定温度下混煤的热失重曲线，与锅炉设计煤种的失重曲线进行比较，观察混煤的着火性能和燃尽性能；
3)高温管式沉降炉小型燃烧试验：在6％氧浓度下，对一定量的煤粉进行燃烧试验，测定NOx和SO2生成量；
4)飞灰含碳量测定：测量混煤的固体不完全燃烧热损失q4。
7.根据权利要求1所述的一种火电机组配煤方案获取方法，其特征在于，所述步骤(6)中的辅机电耗包括脱硫脱硝成本、磨煤机电耗、一次风机电耗、送引风机电耗和除灰除尘电耗，某一负荷下的各辅机电耗由电厂历史数据库可查得；结合步骤(5)的“燃煤成本”和步骤(3)中的计算燃煤量，锅炉效率以及步骤(6)中的固体不完全燃烧热损失q4，进行最终经济性分析。
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