CN107504473A - 一种基于多目标优化的锅炉燃烧和脱硝协同运行方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种基于多目标优化的锅炉燃烧和脱硝协同运行方法，包括以下步骤：1)获取锅炉机组低氮燃烧使锅炉效率达到最优时的运行参数，以及使SCR脱硝喷氨量达到最优时的运行参数，所述的运行参数包括负荷X1、运行氧量X2、SOFA摆角X3和SOFA风量X4；2)构建以锅炉低氮燃烧和SCR脱硝运行综合成本最小作为目标函数的协同优化运行模型；3)计算现有的运行参数的燃烧运行方案的运行综合成本，并判断其经济性能。与现有技术相比，本发明具有优化运行参数、提高锅炉运行效率和经济性等优点。

Description

一种基于多目标优化的锅炉燃烧和脱硝协同运行方法
技术领域
本发明涉及燃煤电厂环保领域，尤其是涉及一种基于多目标优化的锅炉燃烧和脱硝协同运行方法。
背景技术
随着更严格的国家环保法规的实施，燃煤电厂采取各种措施来降低NOx的排放，目前控制NOx排放的主要措施有两种：一是控制燃烧过程中NOx的生成，即低NOx燃烧技术，亦称一级低氮燃烧技术，主要包括低NOx燃烧器技术和空气分级燃烧技术；二是对生成的NOx进行处理，即烟气脱硝技术，亦称二级脱氮技术，主要是SCR脱硝技术。但是采用两者脱硝技术多数是以降低NOx的排放为基点，未考虑对锅炉经济性的不利影响，没有形成以发电机组整体运行成本为研究对象的综合优化模型，总体来说就是如何在低氮燃烧和脱硝控制中取得平衡，优化一次投资和运行成本之间的关系，确保电厂利润最大化。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种优化运行参数、提高锅炉运行效率和经济性的基于多目标优化的锅炉燃烧和脱硝协同运行方法。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种基于多目标优化的锅炉燃烧和脱硝协同运行方法，包括以下步骤：
1)获取锅炉机组低氮燃烧使锅炉效率达到最优时的运行参数，以及使SCR脱硝喷氨量达到最优时的运行参数，所述的运行参数包括负荷X1、运行氧量X2、SOFA摆角X3和SOFA风量X4；
2)构建以锅炉低氮燃烧和SCR脱硝运行综合成本最小作为目标函数的协同优化运行模型；
3)计算现有的运行参数的燃烧运行方案的运行综合成本，并判断其经济性能。
所述的步骤1)中，
锅炉效率ηb关于负荷X1、运行氧量X2，SOFA摆角X3和SOFA风量X4的线性关系为：
ηb＝a1-a2X1+a3X2-a4X3-a5X4
喷氨量N关于负荷X1、SCR入口NOx浓度S的线性关系为：
N＝-b1+b2X1+b3S
SCR入口NOx浓度S关于负荷X1、运行氧量X2，SOFA摆角X3、SOFA风量X4的线性关系为：
S＝c1+c2X1+c3X2-c4X3-c5X4。
所述的步骤1)中，根据锅炉效率ηb关于负荷X1、运行氧量X2，SOFA摆角X3和SOFA风量X4的线性关系以及喷氨量N关于负荷X1、SCR入口NOx浓度S的线性关系获取对应的锅炉效率和SCR入口NOx浓度最优时，对应的运行参数最优值。
所述的步骤2)中，协同优化运行模型的目标函数为：
min(F)＝min(Fi+Fj)
其中，Fi为运行参数偏离最优值带来的煤耗成本变化量，Fj为运行参数偏离最优值带来的喷氨成本变化量。
所述的运行参数偏离最优值带来的煤耗成本变化量Fi的计算式为：
Fi＝BiFcPw×10-3
其中，Bi为运行参数偏离最优值带来的煤耗变化量，Fc为标准煤单价，Pw为发电机功率，B1、B2分别为现有运行方案和最优值对应的标准煤耗量，ηb1、ηb2分别为现有运行方案和最优值对应的锅炉效率，ηi1、ηi2分别为现有运行方案和最优值对应的汽轮机绝对内效率，ηp为管道效率，ηm为机械效率，ηg为发电机效率。
所述的运行参数偏离最优值带来的喷氨成本变化量Fj的计算式为：
Fj＝Ni×ρn×Fn
Ni＝N1-N2
其中，Ni为运行参数偏离最优值带来尿素变化量，ρn为电厂配置的尿素密度，Fn为尿素单价，N1、N2分别为现有运行方案和最优值对应的喷氨成本。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
现在电厂在进行运行方式调整时一方面是通过运行调整来提高锅炉效率，此时可能引起的NOx排放量较高；另一方面是通过运行调整来降低NOx的排放，此时可能不能保证机组有较高的锅炉效率，从而影响锅炉的经济性，锅炉效率的变化会引起煤耗变化，而SCR入口NOx浓度的变化也会引起喷氨成本的变化，并且燃煤电厂的锅炉效率和SCR入口NOx浓度与运行参数的调整有关，其中主要的运行参数包括炉膛运行的氧量、SOFA风量以及SOFA摆角。基于目前还没有一套通过运行调整就能满足机组保持较高的锅炉效率又能降低NOx排放的优化调整方案，本发明开发了一套基于多目标优化的锅炉燃烧和脱硝协同运行方法，通过运行参数的调整使煤耗成本和喷氨成本达到最低，实现电厂在最佳经济的方式下运行。
附图说明
图1为基于多目标优化的锅炉燃烧和脱硝协同运行方法示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
实施例
下面就结合表1、表2和图1来具体阐述本发明的实施。
(1)设定机组固定在某一负荷下运行，保持其它运行参数不变，将炉膛运行的氧量，标记为X2，分别对其取4种不同的值。得到4种不同运行工况，记录测量值，并计算每个工况下的锅炉效率、SCR入口NOx浓度，喷氨量。
(2)设定机组在某一负荷下，保持机组在最佳氧量下运行，将炉膛运行的SOFA风摆角，标记为X3，分别取3种不同的值。得到3种不同运行工况，记录测量值，并计算每个工况下的锅炉效率、SCR入口NOx浓度，喷氨量。
(3)设定机组在某一负荷下，保持机组在最佳氧量和最佳SOFA风摆角下运行，将炉膛运行的SOFA风量，标记为X4，分别取4种不同的值。得到4种不同运行工况，记录测量值，并计算每个工况下的锅炉效率、SCR入口NOx浓度，喷氨量。
(4)改变机组运行负荷，对负荷标记为X1，分别取3种不同的负荷，然后重复步骤(1)-(3)，最后得出不同负荷下，运行参数的调整对锅炉效率、SCR入口NOx浓度以及喷氨量的影响。
(5)将试验调整运行的工况及不同工况下计算得到的锅炉效率、SCR入口NOx浓度以及喷氨量记录于表中，如表1和表2所示，以方便后期线性方程及模型的建立。
表1基于matlab下运行参数调整对NOx浓度和锅炉效率的线性回归
表2基于matlab下负荷和SCR入口NOx浓度变化对喷氨量的线性回归
(6)然后利用matlab软件采用线性回归的方法建立机组在不同负荷下，锅炉效率ηb关于负荷X1、运行氧量X2，SOFA摆角X3、SOFA风量X4的线性关系：
ηb＝91.993467-0.000798X1+0.073799X2-0.002334X3-0.000031X4 (1)
(7)然后利用matlab软件采用线性回归的方法建立机组在不同负荷下，SCR入口NOx浓度S关于负荷X1、运行氧量X2，SOFA摆角X3、SOFA风量X4的线性关系：
S＝146.0576+0.153205X1+10.7435X2-0.40916X3-0.0001835X4 (2)
(8)然后利用matlab软件采用线性回归的方法建立机组在不同负荷下，喷氨量N关于负荷X1、SCR入口NOx浓度S的线性关系：
N＝-0.05117+0.0004634X1+0.000692S (3)
(9)建立运行参数变化对煤耗成本影响的分析模型，其中运行参数改变引起的煤耗偏差为
Fi＝BiFcPw×10-3 (4)
式中Fi为运行参数偏离最优值带来的煤耗成本变化量，元/h；Bi为运行参数偏离最优值带来煤耗变化量，g/(KW·h)；Fc为标准煤单价，元/t；Pw为发电机功率，MW；锅炉侧参数(如负荷、氧量、SOFA风量，SOFA风摆角等)偏离目标值时对经济性的影响可通过锅炉效率的变化来体现，此时仅需要计算出这些参数的改变造成锅炉效率的相对变化量即可。
其中：B——标准煤耗量，g/(KW·h)；
ηb——锅炉效率，％；
ηi——汽轮机绝对内效率，％；
ηp——管道效率，％；
ηm——机械效率，％；
ηg——发电机效率，％。
注：下标1，2分别表示的现有运行方案和最优值
而最优的锅炉效率可通过步骤(6)中的ηb实现，进而可以实现通过不同运行参数调整得到最佳经济的煤耗成本。
(10)对于SCR脱硝系统而言，其运行成本的变化主要体现在机组负荷、SCR入口NOx浓度的变化而引起的还原剂(氨或尿素)耗量的变化。喷氨成本的优化计算也是基于耗差分析原理，运行参数偏离最优值所引起的成本偏差可表示为
Fj＝Ni×ρn×Fn (6)
式中：Fj——运行参数偏离最优值带来的喷氨成本变化量，元/h；
Ni——运行参数偏离最优值带来尿素变化量，m3/h；
ρn——电厂配置的尿素密度，Kg/m3；
Fn——尿素单价，元/t。
Ni＝N1-N2 (公式7)
注：下标1，2分别表示的现有运行方案和最优值
SCR脱硝的最佳喷氨量可通过步骤(8)来体现，进而可以实现通过喷氨调整得到不同运行参数下的最佳经济的喷氨成本。
(11)综合考虑负荷、氧量，SOFA风摆角和SOFA风量等运行参数对煤耗成本以及机组负荷，SCR入口NOx浓度对脱硝喷氨成本的经济性影响，即可得到机组脱硝运行的综合成本。需要指出的是该综合成本是相对成本，而并非绝对变化成本。锅炉低氮燃烧和SCR脱硝运行综合成本F可表示为：
min(F)＝min(Fi+Fj) (8)
式中Fi为机组在不同负荷下通过氧量，SOFA摆角和SOFA风量调整得到的最佳煤耗成本；
Fj为机组在不同负荷下，根据SCR入口NOx浓度通过优化喷氨量得到最佳喷氨成本，脱硝成本最优是在两者最优的基础上建立起来的。
(12)建立的多目标优化的锅炉燃烧和脱硝协同运行方法的优点体现在，根据不同运行参数(负荷、氧量、SOFA风摆角，SOFA风量)设计的燃烧调整方案，比如方案a、b、c、d，可以把这4种燃烧运行方案的设计参数代入建立的优化模型中，就可以算出哪种方案的经济性最好，从而为电厂的运行调整提供参考。

Claims (6)

1.一种基于多目标优化的锅炉燃烧和脱硝协同运行方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)获取锅炉机组低氮燃烧使锅炉效率达到最优时的运行参数，以及使SCR脱硝喷氨量达到最优时的运行参数，所述的运行参数包括负荷X1、运行氧量X2、SOFA摆角X3和SOFA风量X4；
2)构建以锅炉低氮燃烧和SCR脱硝运行综合成本最小作为目标函数的协同优化运行模型；
3)计算现有的运行参数的燃烧运行方案的运行综合成本，并判断其经济性能。
2.根据权利要求1所述的一种基于多目标优化的锅炉燃烧和脱硝协同运行方法，其特征在于，所述的步骤1)中，
锅炉效率ηb关于负荷X1、运行氧量X2，SOFA摆角X3和SOFA风量X4的线性关系为：
ηb＝a1-a2X1+a3X2-a4X3-a5X4
喷氨量N关于负荷X1、SCR入口NOx浓度S的线性关系为：
N＝-b1+b2X1+b3S
SCR入口NOx浓度S关于负荷X1、运行氧量X2，SOFA摆角X3、SOFA风量X4的线性关系为：
S＝c1+c2X1+c3X2-c4X3-c5X4。
3.根据权利要求2所述的一种基于多目标优化的锅炉燃烧和脱硝协同运行方法，其特征在于，所述的步骤1)中，根据锅炉效率ηb关于负荷X1、运行氧量X2，SOFA摆角X3和SOFA风量X4的线性关系以及喷氨量N关于负荷X1、SCR入口NOx浓度S的线性关系获取对应的锅炉效率和SCR入口NOx浓度最优时，对应的运行参数最优值。
4.根据权利要求1所述的一种基于多目标优化的锅炉燃烧和脱硝协同运行方法，其特征在于，所述的步骤2)中，协同优化运行模型的目标函数为：
min(F)＝min(Fi+Fj)
其中，Fi为运行参数偏离最优值带来的煤耗成本变化量，Fj为运行参数偏离最优值带来的喷氨成本变化量。
5.根据权利要求4所述的一种基于多目标优化的锅炉燃烧和脱硝协同运行方法，其特征在于，所述的运行参数偏离最优值带来的煤耗成本变化量Fi的计算式为：
Fi＝BiFcPw×10-3
<mrow> <msub> <mi>B</mi> <mi>i</mi> </msub> <mo>=</mo> <msub> <mi>B</mi> <mn>1</mn> </msub> <mo>-</mo> <msub> <mi>B</mi> <mn>2</mn> </msub> <mo>=</mo> <mfrac> <mn>0.123</mn> <mrow> <msub> <mi>&amp;eta;</mi> <mrow> <mi>b</mi> <mn>1</mn> </mrow> </msub> <msub> <mi>&amp;eta;</mi> <mrow> <mi>i</mi> <mn>1</mn> </mrow> </msub> <msub> <mi>&amp;eta;</mi> <mi>p</mi> </msub> <msub> <mi>&amp;eta;</mi> <mi>m</mi> </msub> <msub> <mi>&amp;eta;</mi> <mi>g</mi> </msub> </mrow> </mfrac> <mo>-</mo> <mfrac> <mn>0.123</mn> <mrow> <msub> <mi>&amp;eta;</mi> <mrow> <mi>b</mi> <mn>2</mn> </mrow> </msub> <msub> <mi>&amp;eta;</mi> <mrow> <mi>i</mi> <mn>2</mn> </mrow> </msub> <msub> <mi>&amp;eta;</mi> <mi>p</mi> </msub> <msub> <mi>&amp;eta;</mi> <mi>m</mi> </msub> <msub> <mi>&amp;eta;</mi> <mi>g</mi> </msub> </mrow> </mfrac> </mrow>
其中，Bi为运行参数偏离最优值带来的煤耗变化量，Fc为标准煤单价，Pw为发电机功率，B1、B2分别为现有运行方案和最优值对应的标准煤耗量，ηb1、ηb2分别为现有运行方案和最优值对应的锅炉效率，ηi1、ηi2分别为现有运行方案和最优值对应的汽轮机绝对内效率，ηp为管道效率，ηm为机械效率，ηg为发电机效率。
6.根据权利要求4所述的一种基于多目标优化的锅炉燃烧和脱硝协同运行方法，其特征在于，所述的运行参数偏离最优值带来的喷氨成本变化量Fj的计算式为：
Fj＝Ni×ρn×Fn
Ni＝N1-N2
其中，Ni为运行参数偏离最优值带来尿素变化量，ρn为电厂配置的尿素密度，Fn为尿素单价，N1、N2分别为现有运行方案和最优值对应的喷氨成本。
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Jiang et al. Research on the construction of carbon emission model of power generation industry in Jilin province

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