CN106485022B - 一种循环流化床锅炉脱硫脱硝运行优化控制的建模方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种循环流化床锅炉脱硫脱硝运行优化控制的建模方法，其属于脱硫脱硝控制领域，首先通过采集不同工况下炉内干法脱硫石灰石用量、尿素用量、炉内湿法脱硫石灰石用量、负荷与出口SO2浓度的数值，分别计算炉内干法脱硫石灰石用量、尿素用量和炉内湿法脱硫石灰石用量与负荷与出口SO2浓度之间的关系，将上述关系集合计算得到综合能耗成本，根据综合能耗成本随负荷和出口SO2浓度变化的趋势，确定获得整体最佳经济性时的运行工况，达到脱硫脱硝运行优化调整的目的。本发明的优点是既能满足锅炉烟气超低排放标准，又能有效降低石灰石和尿素的耗量，在合理分配炉内干法脱硫与炉后湿法脱硫的同时降低了脱硫电耗。
Description
技术领域
本发明涉及一种循环流化床锅炉脱硫脱硝运行优化控制的建模方法，其属于脱硫脱硝控制领域。
背景技术
随着国家对环保要求的严格，火电厂烟气污染物排放必须满足超低排放标准。为此，循环流化床锅炉机组也普遍安装了脱硫、脱硝及除尘等环保设施。一般设有SNCR脱硝系统、炉内喷钙干法脱硫和炉外湿法脱硫等环保系统，脱硝与脱硫串联运行，彼此之间又互相影响，故涉及到三者之间的匹配调整，以使得在保证环保要求和机组安全性的前提下，优化脱硫与脱硝之间的调整，最大限度提高脱硫脱硝的经济性。在调整的过程中，如何核算锅炉不同运行工况整体经济性便显得很关键。
按照传统的方法，核算系统整体经济性应该是在某一个工况下，对逐项能耗进行分别计算再进行累加，得出在该工况下的最中经济性指标。该方法计算繁琐，而且只能逐个工况进行计算比较，而且无法得知工况调整过程中经济性总的变化趋势。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供了一种既能满足锅炉烟气超低排放标准，又能有效降低石灰石和尿素的耗量的循环流化床锅炉脱硫脱硝运行优化控制的建模方法，在合理分配炉内干法脱硫与炉后湿法脱硫的同时降低了脱硫电耗。
本发明采用如下技术方案：
一种循环流化床锅炉脱硫脱硝运行优化控制的建模方法，其包括如下步骤：
步骤1、分别计算炉内干法脱硫石灰石用量、尿素用量和炉内湿法脱硫石灰石用量，具体计算方法如下：
(1)采集6种工况下炉内干法脱硫石灰石用量、负荷与出口SO2浓度的数值，根据拉格朗日插值法及二元函数的泰勒公式，代入所述6种工况下炉内干法脱硫石灰石用量、负荷与出口SO2浓度的数值，计算出炉内干法脱硫石灰石用量、负荷与出口SO2浓度的数值之间的函数关系，首先构造目标函数(1)如下：
F1(x,y)＝x1+x2x+x3y+x4x2+x5xy+x6y2 (1)
其中，x为表示负荷的变量；
y为表示出口SO2浓度的变量；
F1(x,y)为表示炉内干法脱硫石灰石用量的变量；
所述目标函数(1)为表示炉内干法脱硫石灰石用量和负荷、出口SO2浓度之间关系的函数；
所述目标函数(1)中的系数x1、x2、x3、x4、x5、x6根据如下非齐次线性方程组(2)计算得到，所述非齐次线性方程组(2)如下：
其中，m1、m2、m3、m4、m5、m6分别为6种工况下对应的负荷的数值；
n1、n2、n3、n4、n5、n6分别为6种工况下对应的出口SO2浓度的数值；
g1、g2、g3、g4、g5、g6分别为6种工况下对应的炉内干法脱硫石灰石用量的数值；
记所述非齐次线性方程组(2)的系数矩阵为：
且常向量未知向量
然后，所述非齐次线性方程组(2)可以转化为矩阵方程其中A-1是系数矩阵A的可逆矩阵；根据数学软件Matlab求出A的可逆矩阵A-1，然后根据矩阵的乘法公式可得x1、x2、x3、x4、x5、x6的值，将其代入目标函数(1)；(2)采集6种工况下尿素用量、负荷与出口SO2浓度的数值，根据拉格朗日插值法及二元函数的泰勒公式，代入所述6种工况下尿素用量、负荷与出口SO2浓度的数值，计算出尿素用量、负荷与出口SO2浓度的数值之间的函数关系，首先构造目标函数(3)如下：
F2(x,y)＝x1+x2x+x3y+x4x2+x5xy+x6y2 (3)
其中，x为表示负荷的变量；
y为表示出口SO2浓度的变量；
F2(x,y)为表示尿素用量的变量；
所述目标函数(3)为表示尿素用量和负荷、出口SO2浓度之间关系的函数；
所述目标函数(3)中的系数x1、x2、x3、x4、x5、x6根据如下非齐次线性方程组(4)计算得到，所述非齐次线性方程组(4)如下：
其中，m1、m2、m3、m4、m5、m6分别为6种工况下对应的负荷的数值；
n1、n2、n3、n4、n5、n6分别为6种工况下对应的出口SO2浓度的数值；
k1、k2、k3、k4、k5、k6分别为6种工况下对应的尿素用量的数值；
记所述非齐次线性方程组(4)的系数矩阵为：
且常向量未知向量
然后，所述非齐次线性方程组(4)可以转化为矩阵方程其中A-1是系数矩阵A的可逆矩阵；根据数学软件Matlab求出A的可逆矩阵A-1，然后根据矩阵的乘法公式可得x1、x2、x3、x4、x5、x6的值，将其代入目标函数(3)；(3)采集6种工况下炉内湿法脱硫石灰石用量、负荷与出口SO2浓度的数值，根据拉格朗日插值法及二元函数的泰勒公式，代入所述6种工况下炉内湿法脱硫石灰石用量、负荷与出口SO2浓度的数值，计算出炉内湿法脱硫石灰石用量、负荷与出口SO2浓度的数值之间的函数关系，首先构造目标函数(5)如下：
F3(x,y)＝x1+x2x+x3y+x4x2+x5xy+x6y2 (5)
其中，x为表示负荷的变量；
y为表示出口SO2浓度的变量；
F3(x,y)为表示炉内湿法脱硫石灰石用量的变量；
所述目标函数(5)为表示炉内湿法脱硫石灰石用量和负荷、出口SO2浓度之间关系的函数；
所述目标函数(5)中的系数x1、x2、x3、x4、x5、x6根据如下非齐次线性方程组(6)计算得到，所述非齐次线性方程组(6)如下：
其中，m1、m2、m3、m4、m5、m6分别为6种工况下对应的负荷的数值；
n1、n2、n3、n4、n5、n6分别为6种工况下对应的出口SO2浓度的数值；
s1、s2、s3、s4、s5、s6分别为6种工况下对应的炉内湿法脱硫石灰石用量的数值；
记所述非齐次线性方程组(6)的系数矩阵为：
且常向量未知向量
然后，所述非齐次线性方程组(6)可以转化为矩阵方程其中A-1是系数矩阵A的可逆矩阵；根据数学软件Matlab求出A的可逆矩阵A-1，然后根据矩阵的乘法公式可得x1、x2、x3、x4、x5、x6的值，将其代入目标函数(5)；步骤2、将所述F1(x,y)、F2(x,y)、F3(x,y)代入如下公式(7)，计算得到综合能耗成本F(x,y)：
F(x,y)＝a·F1(x,y)+b·F2(x,y)+c·F3(x,y)+d·L (7)
其中，F(x,y)为表示综合能耗成本；
a为炉内干法脱硫石灰石用量的单价；
b为尿素用量的单价；
c为炉内湿法脱硫石灰石用量的单价；
d为用电量的单价；
L为用电量；
步骤3、根据公式(7)可知综合能耗成本F(x,y)随负荷x和出口SO2浓度y变化的趋势，从而根据所述趋势确定获得整体最佳经济性时的运行工况，达到脱硫脱硝运行优化调整的目的。
进一步的，所述用电量L为浆液循环泵电耗。
本发明的有益效果如下：
对于设有炉内喷钙脱硫、SNCR脱硝以及炉外湿法脱硫环保系统循环流化床锅炉，根据本方法能在某一确定负荷、锅炉出口SO2浓度工况下直接得出该工况下的综合能耗成本，即整体经济性指标，并且能够得出经济性指标随锅炉负荷和出口SO2浓度变化的趋势，从而能够根据趋势确定获得整体最佳经济性时的运行工况，在锅炉烟气排放达到超低排放标准的前提下，有效降低石灰石和尿素的耗量，合理分配炉内干法脱硫与炉后湿法脱硫，降低了脱硫电耗；优化炉内脱硝与脱硫运行方式，有效降低尿素用量，达到脱硫脱硝运行优化调整的目的。在电厂应用本方法后，通过炉内干法脱硫、炉后湿法脱硫、SNCR脱硝三者之间的优化运行，具有较大的经济效益。本方法大大降低了物耗和能耗指标，在不同负荷条件下，经过对比计算，脱硫脱硝经济性大幅提升。
附图说明
图1为本发明中根据目标函数得出不同负荷、锅炉出口SO2浓度时的综合能耗成本趋势图。
具体实施方式
下面结合具体附图和实施例对本发明的方案、原理和有益效果做进一步说明。
如图1所示，实施例：以电厂410t/h循环流化床锅炉利用本方法进行调整试验为例，计算得出每项核心指标的目标函数如下：
1、炉内干法脱硫石灰石用量的目标函数如下：
由于F1(x,y)＝x1+x2x+x3y+x4x2+x5xy+x6y2，
上述目标函数中的系数x1、x2、x3、x4、x5、x6根据如下非齐次线性方程组计算得到，所述非齐次线性方程组如下：
其中，6种工况下对应的负荷的数值分别为300、315、330、350、370、400；
6种工况下对应的出口SO2浓度的数值分别为1200、800、1000、1200、800、1000；
6种工况下对应的炉内干法脱硫石灰石用量的数值分别为2.5891、3.16、3.24、3.0129、3.7618、3.641；
记上述非齐次线性方程组的系数矩阵为：
且常向量未知向量
则上述方程组可以转化为矩阵方程其中A-1是系数矩阵A的可逆矩阵；根据数学软件Matlab求出A的可逆矩阵A-1，然后根据矩阵的乘法公式可得x1、x2、x3、x4、x5、x6的值：
x1＝8.528145；
x2＝－0.010007；
x3＝－0.0070336；
x4＝0.000007769；
x5＝0.000014448；
x6＝0.0000001582；
将上述x1、x2、x3、x4、x5、x6的值代入炉内干法脱硫石灰石用量的目标函数得到：
F1(x,y)＝8.528145－0.010007x－0.0070336y+0.000007769x2+0.000014448x·y+0.0000001582y2
2、尿素用量的目标函数如下：
由于F2(x,y)＝x1+x2x+x3y+x4x2+x5xy+x6y2，
上述目标函数中的系数x1、x2、x3、x4、x5、x6根据如下非齐次线性方程组计算得到，所述非齐次线性方程组如下：
其中，6种工况下对应的负荷的数值分别为300、315、330、350、370、400；
6种工况下对应的出口SO2浓度的数值分别为1200、800、1000、1200、800、1000；
6种工况下对应的尿素用量的数值分别为0.0154、0.0308、0.0332、0.0396、0.0627、0.0827；
利用类似上述解方程的方法可得x1、x2、x3、x4、x5、x6的值：
x1＝0.19112628
x2＝－0.0013437
x3＝－0.000017097
x4＝0.00000280228；
x5＝0.0000000052；
x6＝－0.000000004284；
将上述x1、x2、x3、x4、x5、x6的值代入尿素用量的目标函数得到：
F2(x,y)＝0.19112628－0.0013437x－0.000017097y+0.00000280228x2+0.0000000052x·y－0.000000004284y2；
3、炉内湿法脱硫石灰石用量的目标函数如下：
由于F3(x,y)＝x1+x2x+x3y+x4x2+x5xy+x6y2，
上述目标函数中的系数x1、x2、x3、x4、x5、x6根据如下非齐次线性方程组计算得到，所述非齐次线性方程组如下：
其中，6种工况下对应的负荷的数值分别为300、315、330、350、370、400；
6种工况下对应的出口SO2浓度的数值分别为1200、800、1000、1200、800、1000；
6种工况下对应的炉内湿法脱硫石灰石用量的数值分别为0.6164、0.426、0.559、0.7042、0.4724、0.6499；
利用类似上述解方程的方法可得x1、x2、x3、x4、x5、x6的值：
x1＝0.1677535；
x2＝－0.00106216；
x3＝0.000136502；
x4＝0.0000002244；
x5＝0.0000021969；
x6＝－0.00000014416；
将上述x1、x2、x3、x4、x5、x6的值代入炉内湿法脱硫石灰石用量的目标函数得到：
F3(x,y)＝0.1677535－0.00106216x+0.000136502y+0.0000002244x2+0.0000021969x·y－0.00000014416y2；
4、湿法脱硫电耗常量L，其值为L1(1418kwh)或L2(1243kwh)
代入计算得到综合能耗成本F(x,y)：
F(x,y)＝a·F1(x,y)+b·F2(x,y)+c·F3(x,y)+d·L
本实施例的工作原理如下：
在锅炉脱硫脱硝运行优化调整的过程中，引起经济性发生变化的主要核心参数为炉内脱硫石灰石耗量、SNCR脱硝尿素耗量、炉外湿法脱硫石灰石耗量以及湿法脱硫电耗几项指标。在煤质一定范围内稳定不变的情况下，某一个工况的经济性以该几个核心指标为参考。根据循环流化床锅炉脱硫脱硝的运行特点，对高、中、低不同典型负荷下，不同锅炉出口SO2浓度(即炉内外脱硫不同配比)工况下进行试验调整，分析对试验数据进行分析建模。利用不同负荷工况下所得的各核心能耗参数，通过建立数学模型，进而进行迭代计算，得出每项指标与锅炉负荷和锅炉出口SO2浓度两个参数之间的函数关系,根据函数关系得出某一工况下每一项指标的经济性指标，几项核心参数指标之和则反映该工况下的综合经济性指标。
具体实施步骤如下：
1)将机组试验负荷按高、中、低等典型负荷进行划分，确定试验负荷工况。
2)根据试验和数据统计确定锅炉出口SO2浓度不同梯度工况。
3)在满足锅炉安全性和环保排放要求前提下，按照1)和2)不同组合后的试验工况开展调整试验。
4)对不同试验工况的炉内石灰石耗量、尿素耗量、炉外脱硫石灰石耗量以及湿法脱硫电耗四项核心经济性指标进行统计。
5)综合分析试验数据，根据拉格朗日中值定理，得出每项指标和负荷和锅炉出口SO2浓度两个参量的函数关系。计算方法如下：
一般地，若已知y＝f(x)在互不相同n+1个点x0，x1，…，xn处的函数值y0，y1，…，yn(即该函数过(x0，y0)，(x1，y1)，…，(xn，yn)这n+1个点)，则可以考虑构造一个过这n+1个点的、次数不超过n的多项式y＝Pn(x),使其满足：
Pn(xk)＝yk，k＝0，1，…，n(*)
要估计任一点ξ，ξ≠xi,i＝0,1,2,...,n,则可以用Pn(ξ)的值作为准确值f(ξ)的近似值，此方法叫做“插值法”。
定理：满足插值条件的、次数不超过n的多项式是存在而且是唯一的。对于二元函数而言，需要推广到二元多项式且用其逼近目标函数，采用如下的二元函数的泰勒公式：
设二元函数z＝f(x,y)在点(x0，y0)的某一领域内连续且具有直到n+1阶连续偏导数，(x0+h，y0+k)是此区域内任一点，则有：
6)按照步骤5)中计算方法，设定x为锅炉负荷，y为锅炉出口SO2浓度，得出炉内干法脱硫石灰石耗量、尿素耗量、炉外湿法脱硫石灰石耗量三项核心经济性指标的计算函数，分别为F1(x,y)、F2(x,y)、F3(x,y)。
7)湿法脱硫电耗不同工况的差别主要体现于浆液循环泵运行数量，即不同工况下浆液循环泵运行台数不同导致湿法脱硫电耗不同，故湿法脱硫电耗此处用浆液循环泵电耗代表，根据实际试验情况得出经济运行方式下电耗为一常量L，L值因浆液循环泵启动台数(一般情况为3台或4台，个别工况为2台)而定。
8)得出的计算函数或常量为每项核心经济性指标的物耗或能耗值，分别乘以各自的单价，再累计相加即得出整体经济性计算模型函数F(x,y)，具体如下：
F(x,y)＝a·F1(x,y)+b·F2(x,y)+c·F3(x,y)+d·L
上述详细说明是针对本发明可行实施例的具体说明，该实施例并非用以限制本发明的专利范围，凡未脱离本发明的等效实施或变更，均应包含于本案的专利保护范围中。
Claims (2)
1.一种循环流化床锅炉脱硫脱硝运行优化控制的建模方法，其特征在于：其包括如下步骤：
步骤1、分别计算炉内干法脱硫石灰石用量、SNCR脱硝尿素用量和炉内湿法脱硫石灰石用量，具体计算方法如下：
(1)采集6种工况下炉内干法脱硫石灰石用量、负荷与出口SO2浓度的数值，根据拉格朗日插值法及二元函数的泰勒公式，代入所述6种工况下炉内干法脱硫石灰石用量、负荷与出口SO2浓度的数值，计算出炉内干法脱硫石灰石用量、负荷与出口SO2浓度的数值之间的函数关系，首先构造目标函数(1)如下：
F1(x,y)＝x1+x2x+x3y+x4x2+x5xy+x6y2 (1)
其中，x为表示负荷的变量；
y为表示出口SO2浓度的变量；
F1(x,y)为表示炉内干法脱硫石灰石用量的变量；
所述目标函数(1)为表示炉内干法脱硫石灰石用量和负荷、出口SO2浓度之间关系的函数；
所述目标函数(1)中的系数x1、x2、x3、x4、x5、x6根据如下非齐次线性方程组(2)计算得到，所述非齐次线性方程组(2)如下：
其中，m1、m2、m3、m4、m5、m6分别为6种工况下对应的负荷的数值；
n1、n2、n3、n4、n5、n6分别为6种工况下对应的出口SO2浓度的数值；
g1、g2、g3、g4、g5、g6分别为6种工况下对应的炉内干法脱硫石灰石用量的数值；
记所述非齐次线性方程组(2)的系数矩阵为：
且常向量未知向量
然后，所述非齐次线性方程组(2)可以转化为矩阵方程其中A-1是系数矩阵A的可逆矩阵；根据数学软件Matlab求出A的可逆矩阵A-1，然后根据矩阵的乘法公式可得x1、x2、x3、x4、x5、x6的值，将其代入目标函数(1)；(2)采集6种工况下SNCR脱硝尿素用量、负荷与出口SO2浓度的数值，根据拉格朗日插值法及二元函数的泰勒公式，代入所述6种工况下SNCR脱硝尿素用量、负荷与出口SO2浓度的数值，计算出SNCR脱硝尿素用量、负荷与出口SO2浓度的数值之间的函数关系，首先构造目标函数(3)如下：
F2(x,y)＝x1+x2x+x3y+x4x2+x5xy+x6y2 (3)
其中，x为表示负荷的变量；
y为表示出口SO2浓度的变量；
F2(x,y)为表示SNCR脱硝尿素用量的变量；
所述目标函数(3)为表示SNCR脱硝尿素用量和负荷、出口SO2浓度之间关系的函数；
所述目标函数(3)中的系数x1、x2、x3、x4、x5、x6根据如下非齐次线性方程组(4)计算得到，所述非齐次线性方程组(4)如下：
其中，m1、m2、m3、m4、m5、m6分别为6种工况下对应的负荷的数值；
n1、n2、n3、n4、n5、n6分别为6种工况下对应的出口SO2浓度的数值；
k1、k2、k3、k4、k5、k6分别为6种工况下对应的SNCR脱硝尿素用量的数值；
记所述非齐次线性方程组(4)的系数矩阵为：
且常向量未知向量
然后，所述非齐次线性方程组(4)可以转化为矩阵方程其中A-1是系数矩阵A的可逆矩阵；根据数学软件Matlab求出A的可逆矩阵A-1，然后根据矩阵的乘法公式可得x1、x2、x3、x4、x5、x6的值，将其代入目标函数(3)；(3)采集6种工况下炉内湿法脱硫石灰石用量、负荷与出口SO2浓度的数值，根据拉格朗日插值法及二元函数的泰勒公式，代入所述6种工况下炉内湿法脱硫石灰石用量、负荷与出口SO2浓度的数值，计算出炉内湿法脱硫石灰石用量、负荷与出口SO2浓度的数值之间的函数关系，首先构造目标函数(5)如下：
F3(x,y)＝x1+x2x+x3y+x4x2+x5xy+x6y2 (5)
其中，x为表示负荷的变量；
y为表示出口SO2浓度的变量；
F3(x,y)为表示炉内湿法脱硫石灰石用量的变量；
所述目标函数(5)为表示炉内湿法脱硫石灰石用量和负荷、出口SO2浓度之间关系的函数；
所述目标函数(5)中的系数x1、x2、x3、x4、x5、x6根据如下非齐次线性方程组(6)计算得到，所述非齐次线性方程组(6)如下：
其中，m1、m2、m3、m4、m5、m6分别为6种工况下对应的负荷的数值；
n1、n2、n3、n4、n5、n6分别为6种工况下对应的出口SO2浓度的数值；
s1、s2、s3、s4、s5、s6分别为6种工况下对应的炉内湿法脱硫石灰石用量的数值；
记所述非齐次线性方程组(6)的系数矩阵为：
且常向量未知向量
然后，所述非齐次线性方程组(6)可以转化为矩阵方程其中A-1是系数矩阵A的可逆矩阵；根据数学软件Matlab求出A的可逆矩阵A-1，然后根据矩阵的乘法公式可得x1、x2、x3、x4、x5、x6的值，将其代入目标函数(5)；步骤2、将所述F1(x,y)、F2(x,y)、F3(x,y)代入如下公式(7)，计算得到综合能耗成本F(x,y)：
F(x,y)＝a·F1(x,y)+b·F2(x,y)+c·F3(x,y)+d·L (7)
其中，F(x,y)为表示综合能耗成本；
a为炉内干法脱硫石灰石用量的单价；
b为SNCR脱硝尿素用量的单价；
c为炉内湿法脱硫石灰石用量的单价；
d为用电量的单价；
L为用电量；
步骤3、根据公式(7)可知综合能耗成本F(x,y)随负荷x和出口SO2浓度y变化的趋势，从而根据所述趋势确定获得整体最佳经济性时的运行工况，达到脱硫脱硝运行优化调整的目的。
2.根据权利要求1所述的循环流化床锅炉脱硫脱硝运行优化控制的建模方法，其特征在于：所述用电量L为浆液循环泵电耗。
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