CN110298502B - 基于能效最优的锅炉最佳氧量计算方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于火电厂热工检测与控制领域，特别涉及一种基于能效最优的锅炉最佳氧量计算方法，包括：步骤1：通过构建氧量热量软测量信号，结合锅炉效率正平衡和反平衡原理，建立锅炉效率机理模型；步骤2：基于氧量热量变化进行锅炉变工况计算，确定不同氧量对应的锅炉效率；步骤3：采用遍历寻优方法对锅炉运行最佳氧量进行寻优，得到锅炉效率最佳时对应的排烟烟气氧量。本发明通过构建氧量热量软测量信号，克服机理模型存在的缺陷，提升优化结果的可靠性和实用性，有助于辅助电厂运行人员实现对锅炉运行氧量的优化控制，提升机组运行的经济性。

Description

基于能效最优的锅炉最佳氧量计算方法

技术领域

本发明属于火电厂热工检测与控制领域，特别涉及一种基于能效最优的锅炉最佳氧量计算方法。

背景技术

随着新能源电力系统的大规模发展和我国能源发展转型，对常规燃煤发电火电机组提出了更高的要求，燃煤火电机组需进一步实现安全、高效、低碳、环保和灵活运行能力，其中提升火电机组的运行经济性、实现机组的高效运行一直是发电企业关注的重点。在影响机组运行经济性的众多因素中，锅炉燃烧效率对机组运行经济性起着决定作用，而在电站锅炉燃烧调整的众多参数中，氧量则是锅炉燃烧调整的重要监视参数，它表征了锅炉内整体的燃烧状态，代表了炉膛整体配风水平。氧量过高，其不仅会导致炉内燃烧产生的NOX浓度增加，更会导致锅炉排烟热损失的增大；而氧量过低，则会导致炉内燃烧不充分，锅炉固体未完全燃烧损失增加。因此，如何确定锅炉最佳运行氧量成为锅炉燃烧优化领域中研究的重点和难点。

在锅炉氧量优化研究方法中主要分为基于机理模型和基于数值模型的氧量优化研发方法。由于锅炉燃烧系统复杂、影响因素众多，很难给出一个完备的机理模型来反映锅炉运行氧量与锅炉效率、配风之间的关系；而基于数据模型的优化方法中，建模所需的样本数据较多，建模训练时间较长，不适于在线学习和优化，且模型精度在很大程度取决于数据是否遍历。

发明内容

针对上述问题，本发明提出了一种基于能效最优的锅炉最佳氧量计算方法，包括：

步骤1：通过构建氧量热量软测量信号，结合锅炉效率正平衡和反平衡原理，建立锅炉效率机理模型；

步骤2：基于氧量热量变化进行锅炉变工况计算，确定不同氧量对应的锅炉效率；

步骤3：采用遍历寻优方法对锅炉运行最佳氧量进行寻优，得到锅炉效率最佳时对应的排烟烟气氧量。

所述步骤1分别计算：锅炉有效吸热量、排烟热损失量、固体未完全燃烧热损失百分比、散热损失百分比、锅炉总热量及锅炉效率。

所述锅炉有效吸热量包括主蒸汽吸热量、再热蒸汽吸热量、过热减温水吸热量以及再热减温水吸热量。

所述步骤2计算氧量变化量与总风量、排烟热损失量、锅炉总吸热量、固体未完全燃烧热损失百分比、锅炉总热量、氧量热量、锅炉效率之间的变化关系。

所述步骤3以当前排烟烟气氧量基准值，在其[-1，1]变化范围内对最佳氧量进行遍历寻优，在每次寻优变工况计算过程中，判断氧量热量上一步计算与本步计算值是否收敛，当氧量热量上一步计算与本步计算值偏差小于给定值范围后则结束该次变工况计算，进行下一次变工况计算；直至完成[-1，1]变化范围内的所有变工况计算后，得到锅炉效率最佳时对应的排烟烟气氧量。

本发明的有益效果：

本发明提出了基于能效最优的锅炉氧量优化方法，通过构建氧量热量软测量信号，克服机理模型存在的缺陷，提升优化结果的可靠性和实用性，有助于辅助电厂运行人员实现对锅炉运行氧量的优化控制，提升机组运行的经济性。

附图说明

图1氧量优化流程图

具体实施方式

如图1所示，本发明的目的是提供一种基于能效最优的锅炉最佳氧量计算方法，通过构建氧量热量软测量信号，建立锅炉效率机理模型，通过氧量热量对锅炉效率机理模型进行变工况计算，直至氧量热量收敛得到氧量变化后对应的锅炉效率，并采用遍历寻优方法对对锅炉运行最佳氧量进行寻优，辅助电厂运行人员实现对锅炉运行氧量的优化控制，提升机组运行的经济性，本发明主要内容包含以下步骤：

步骤1.锅炉效率计算

煤粉在锅炉中燃烧并得到有效利用的热量称为锅炉有效吸热量，而其他热量则称为锅炉燃烧热损失，其主要包括排烟热损失、气体不完全燃烧热损失、固体不完全燃烧热损失、散热损失、其他热损失。本发明在锅炉效率计算中，结合了锅炉效率正平衡和反平衡原理，保证了简化机理模型的计算精度。

1)锅炉有效吸热量计算

锅炉有效吸热量是汽水系统在锅炉中所吸收的热量，其主要包括主蒸汽吸热量、再热蒸汽吸热量、过热减温水吸热量以及再热减温水吸热量，其分别如下：

主蒸汽吸热量：TEMP₁＝D_fw×(h₀-h_fw) (1)

其中：TEMP₁为主蒸汽吸热量(kW)；D_fw为锅炉给水流量(ks/s)；h₀为主蒸汽焓值(kJ/kg)，由主蒸汽压力和主蒸汽温度确定；h_fw为省煤器入口工质焓值(kJ/kg)，由省煤器入口给水压力和温度确定。

再热蒸汽吸热量：TEMP₂＝D_zr×(h_zrh-h_zrl)＝D_zr×σ (2)

其中：TEMP₂为再热蒸汽吸热量(kW)；D_zr为再热蒸汽流量(ks/s)；h_zrh为热再焓值(kJ/kg)，由再热器出口蒸汽压力和温度确定；h_zrl为冷再焓值(kJ/kg)，由再热器入口蒸汽压力和温度确定；σ为再热焓升(kJ/kg)，即热再焓值减去冷再焓值。

过热减温水吸热量：TEMP₃＝D_ss×(h₀-h_ss) (3)

其中：TEMP₃为过热减温水吸热量(kW)；D_ss为过热减温水流量(ks/s)；h_ss为过热减水焓值(kJ/kg)，由过热减温水引出点压力和温度确定。

再热减温水吸热量：TEMP₄＝D_rs×(h_zrh-h_rs) (4)

其中：TEMP₄为再热减温水吸热量(kW)；D_rs为再热减温水流量(ks/s)；h_rs为再热减水焓值(kJ/kg)，由再热减温水引出点压力和温度确定。

则锅炉总有效吸热量可以表示为：Q₁＝TEMP₁+TEMP₂+TEMP₃+TEMP₄ (5)

2)排烟热损失计算

排烟热损失主要指锅炉排烟烟气带走的热量，其可以表示为：

Q₂＝D_ZFL×(c_py·t_py-c_lf·t_lf) (6)

c_py＝1.071×(1.3593+0.000188×t_py) (7)

c_lf＝1.071×(1.3593+0.000188×t_lf) (8)

其中：D_ZFL为总风量(kg/s)；t_py为排烟烟气温度(℃)；t_lf为锅炉入口送风温度(℃)；c_py、c_lf分别为排烟烟气和锅炉入口空气比容(kJ/(kg·℃))。

3)固体未完全燃烧热损失百分比

固体未完全燃烧热损与锅炉运行氧量与锅炉出力相关，其可以表示为：

其中：q₄为固体未完全燃烧热损失百分比(％)；η_O2为锅炉排烟烟气氧量(％)；D_dsn为锅炉额定蒸发量(kg/s)。

4)散热损失百分比

散热损失通常认为与锅炉负荷相关，其可以表示为：

q₅＝(D_dsn/D₀)×0.17 (10)

其中：q₅为散热损失百分比(％)。

5)锅炉总热量计算及锅炉效率

锅炉系统的能量守恒，锅炉总热量及锅炉效率可以表示为：

Q_total＝Q₁+Q₂+Q₃+Q₄+Q₅+Q₆ (11)

其中：q₂、q₃、q₄、q₅、q₆分别表示锅炉各项热损失百分比。

在本发明中，我们一般锅炉中未完全燃烧可燃性气体可以忽略不计，因此气体未完全燃烧热损失Q₃＝0；锅炉其他热损失百分比q₆一般取为常数0.3。综合锅炉效率计算正平衡和反平衡原理，锅炉总吸热量和锅炉总热量计算为：

Q_zrl＝Q₁+Q₂ (13)

Q_total＝Q_zrl×100/(100-q₄-q₅-q₆) (14)

则氧量热量可以表示为：

Q_O2RL＝Q_total×(1-q₄/100) (15)

步骤2.基于氧量热量的锅炉变工况计算

在锅炉处于稳定运行工况下，锅炉排烟烟气氧量与总风量关系可以近似表示为：

其中：

为排烟烟气氧量(％)；D_ZFL为总风量(kg/s)；D_RLL为燃料量(kg/s)；K为修正系数，根据数据拟合得到(kg/s)。

当锅炉氧量发生变化后，假定氧量变化量为

则变化之后的氧量可以表示为：

氧量变化对应的总风量的变化量为：

其中：Temp_d＝100-Temp_e-(D_dsn/D₀)×0.22；Temp_e＝q₅+q₆；Q'_zrl为变化后的锅炉总吸热量；

氧量变化后对应的总风量为：

D'_ZFL＝dD_ZFL+D_ZFL (19)

氧量变化后排烟热损失变化为：

Q'₂＝D'_ZFL×(c_py·t_py-c_lf·t_lf) (20)

锅炉总吸热量变化为：

Q'_zrl＝Q₁+Q'₂ (21)

固体未完全燃烧热损失百分比变化为：

q'₄＝2/η'_O2+(D_dsn/D₀)×0.22 (22)

锅炉总热量变化为：

Q_t'_otal＝Q'_zrl×100/(100-q'₄-q₅-q₆) (23)

氧量热量变化为：

Q'_O2RL＝Q_t'_otal×(1-q'₄/100)

锅炉效率变化为：

步骤3.锅炉最佳氧量寻优

为了得到机组最佳运行氧量，本发明以当前排烟烟气氧量η_O2为基准值，在其[-1，1]变化范围内对最佳氧量进行遍历寻优，在每次寻优变工况计算过程中，判断氧量热量上一步计算与本步计算值是否收敛，当氧量热量上一步计算与本步计算值偏差小于给定值范围后则结束该次变工况计算，进行下一次变工况计算；直至完成[-1，1]变化范围内的所有变工况计算后，得到锅炉效率最佳时对应的排烟烟气氧量。

此实施例仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (3)

1.一种基于能效最优的锅炉最佳氧量计算方法，其特征在于，包括：

步骤1：通过构建氧量热量软测量信号，结合锅炉效率正平衡和反平衡原理，建立锅炉效率机理模型；

步骤2：基于氧量热量变化进行锅炉变工况计算，确定不同氧量对应的锅炉效率；

所述步骤2计算氧量变化量与总风量、排烟热损失量、锅炉总吸热量、固体未完全燃烧热损失百分比、锅炉总热量、氧量热量、锅炉效率之间的变化关系；

在锅炉处于稳定运行工况下，锅炉排烟烟气氧量与总风量关系近似表示为：

其中：

为排烟烟气氧量，单位为％；D_ZFL为总风量，单位为kg/s；D_RLL为燃料量，单位为kg/s；K为修正系数，根据数据拟合得到，单位为kg/s；Q_O2RL为氧气热量；

当锅炉氧量发生变化后，假定氧量变化量为

则变化之后的氧量表示为：

氧量变化对应的总风量的变化量为：

其中：Temp_d＝100-Temp_e-(D_dsn/D₀)×0.22；Temp_e＝q₅+q₆；Q'_zrl为变化后的锅炉总吸热量；

氧量变化后对应的总风量为：

D'_ZFL＝dD_ZFL+D_ZFL (19)

氧量变化后排烟热损失变化为：

Q'₂＝D'_ZFL×(c_py·t_py-c_lf·t_lf) (20)

锅炉总吸热量变化为：

Q'_zrl＝Q₁+Q'₂ (21)

固体未完全燃烧热损失百分比变化为：

锅炉总热量变化为：

Q'_total＝Q'_zrl×100/(100-q'₄-q₅-q₆) (23)

氧量热量变化为：

锅炉效率变化为：

其中，q₄、q₅和q₆为锅炉各项热损失百分比；D_dsn为锅炉额定蒸发量；t_py为排烟烟气温度，t_lf为锅炉入口送风温度，c_py、c_lf分别为排烟烟气和锅炉入口空气比容；Q₁为锅炉有效吸热量；

步骤3：采用遍历寻优方法对锅炉运行最佳氧量进行寻优，得到锅炉效率最佳时对应的排烟烟气氧量；

所述步骤3以当前排烟烟气氧量基准值，在其[-1，1]变化范围内对最佳氧量进行遍历寻优，在每次寻优变工况计算过程中，判断氧量热量上一步计算与本步计算值是否收敛，当氧量热量上一步计算与本步计算值偏差小于给定值范围后则结束该次变工况计算，进行下一次变工况计算；直至完成[-1，1]变化范围内的所有变工况计算后，得到锅炉效率最佳时对应的排烟烟气氧量。

2.根据权利要求1所述计算方法，其特征在于，所述步骤1分别计算：锅炉有效吸热量、排烟热损失量、固体未完全燃烧热损失百分比、散热损失百分比、锅炉总热量及锅炉效率。

3.根据权利要求2所述计算方法，其特征在于，所述锅炉有效吸热量包括主蒸汽吸热量、再热蒸汽吸热量、过热减温水吸热量以及再热减温水吸热量。

Images