電站鍋爐變氧量運行經濟性分析

摘 要:電站鍋爐燃燒系統設備眾多，結構復雜，其燃燒過程控制對象是一個各參數相互影響的多輸入多輸出的多變量相關被控對象。在運行中，由于要適應電網負荷變化承擔調峰任務，鍋爐經常在非額定負荷下變工況運行，使各項控制參數偏離設計工況下的最優值，造成其運行效率下降，其中主要是由于燃燒控制不完善造成的煤粉機械不完全燃燒熱損失和排煙熱損失。因此對電站鍋爐的經濟性和各項熱損失進行分析計算，并在此基礎上及時合理地調整其運行過程中各項控制參數的設定值，對鍋爐燃燒系統進行優化控制，使鍋爐燃燒過程在不同負荷工況和內外擾動下處于最優狀態，是提高其燃燒效率，降低煤耗的關鍵。

關鍵詞:電站鍋爐氧量運行

中圖分類號:TM621.2文獻標識碼:A文章編號:1674-098X(2011)08(a)-0136-02

電站鍋爐運行過程中，煙氣含氧量O2的變化對供電煤耗率bg以及其它熱經濟性指標有重要影響。對鍋爐實際運行過程中各項熱經濟性指標的變化進行實時計算與分析，并確定鍋爐在不同運行工況下燃燒控制系統中最佳煙氣含氧量設定值，是降低機組供電煤耗率bg，提高機組運行經濟性的最有效途徑。

1 基于煙氣含氧量的供電煤耗率分析計算模型

電站鍋爐運行過程中煙氣含氧量O2的變化，會同時引起灰渣平均含碳量、煙氣中可燃氣體一氧化碳含量CO、排煙溫度tpy和送、引風機總電耗Wsy等熱經濟性參數的變化，進而通過引起鍋爐熱效率ηgl和輔機設備耗電份額ξ的變化對機組供電煤耗率bg產生綜合影響，將供電煤耗率bg表示為各主要熱經濟性參數的函數，可以得到:

(1)

將函數關系式(1)對煙氣含氧量O2求導，可以得到供電煤耗率氣對電站鍋爐運行過程中煙氣含氧量O2變化的偏導數關系:

(2)

式中，分別表示鍋爐熱效率ηgl和輔機設備耗電份額ξ引起的鍋爐供電煤耗率bg的變化率;分別表示各熱經濟性參數引起的鍋爐熱效率ηgl的率化率;表示送、引風機總電耗Wsy引起的輔機設備耗電份額ξ的變化率分別表示運行過程中煙氣含氧量O2變化引起的各熱經濟性參數的變化率。式(2)建立的電站鍋爐運行過程中基于煙氣含氧量變化的供電煤耗率定量分析計算模型，用數學關系全面深入地反映了電站鍋爐運行過程中煙氣含氧量變化引起各熱經濟性參數變化，進而通過各熱經濟性參數影響鍋爐熱效率飛:和輔機設備耗電份額畜，并最終引起供電煤耗率氣變化的本質過程，是通過電站鍋爐運行過程中各熱經濟性參數的變化對電站鍋爐運行經濟性進行定量分析計算的基礎。

2 電站鍋爐運行經濟性微增量分析

鍋爐供電煤耗率bg、鍋爐熱效率ηgl，和輔機設備耗電份額ξ是衡量電站鍋爐運行經濟性的主要熱經濟性指標，全面反映了電站鍋爐的整體運行水平。在基于煙氣含氧量變化的供電煤耗率定量分析計算模型的基礎上，結合各熱經濟性指標的計算公式建立電站鍋爐運行過程中主要熱經濟性指標的微增量方程，便可以對電站鍋爐變工況運行經濟性進行全面深入的定量分析計算，并為電站鍋爐燃料燃燒過程以及變工況運行過程中的優化調整奠定基礎。

2.1 供電煤耗率微增量方程

根據熱力發電廠中電站鍋爐經濟性指標計算方法，電站鍋爐運行過程中的供電煤耗率bg可以表示為:

(3)

式中:Ht為汽輪發電機組的熱耗，kJ/(kw-h);

ηgl為鍋爐熱效率，%;

ηgd為鍋爐管道的保溫效率，%;

ξ為輔機設備耗電量占機組發電量的份額，%。

在供電煤耗率bg的計算公式中，汽輪發電機組的熱耗Ht主要與機組運行過程中的負荷以及汽水參數有關，鍋爐管道的保溫效率ηgd可以視為常數，在鍋爐運行過程中煙氣含氧量O2發生變化時，主要通過引起鍋爐熱效率ηgl和輔機設備耗電份額ξ的變化對供電煤耗率bg產生影響。

根據式(2)建立的電站鍋爐基于煙氣含氧量變化的供電煤耗率bg定量分析計算模型，并結合供電煤耗率計算公式(3)，可以分別得到鍋爐熱效率ηgl和輔機設備耗電份額ξ影響下的供電煤耗率bg微增量方程。

1)鍋爐熱效率ηgl影響下供電煤耗率bg的微增量方程

偏導數表示鍋爐熱效率ηgl變化影響下供電煤耗率bg的變化率，根據供電煤耗率bg計算公式(3)對鍋爐熱效率ηgl，求偏導可得:

(4)

將偏導數計算式(4)寫成微增量形式，可以得到鍋爐熱效率ηgl影響下供電煤耗率bg的微增量方程:

(5)

2)輔機設備耗電份額ξ影響下供電煤耗率bg的微增量方程偏導數表示輔機設備耗電份額ξ變化影響下供電煤耗率bg的變化率，根據供電煤耗率bg計算公式(3)對輔機設備耗電份額ξ求偏導可得:

(6)

將偏導數計算式(6)寫成微增量形式，可以得到輔機設備耗電份額ξ影響下供電煤耗率bg的微增量方程:

(7)

2.2 電站鍋爐熱效率微增量方程

根據 GBPTC中的電站燃煤鍋爐熱效率反平衡計算模型，電站鍋爐熱效率ηgl:可以表示為:

(8)

電站鍋爐熱效率ηgl可以表示為:

(9)

對于大型電站鍋爐，鍋爐熱效率ηgl計算公式(4)中的最后兩項一般可以按定值處理，系數b1～b7為常數，在鍋爐變工況運行過程中熱效率ηgl主要受煙氣含氧量O2及其變化引起的灰渣平均含碳量煙氣中可燃氣體一氧化碳含量CO和排煙溫度tpy等熱經濟性參數變化的影響。

2.3 偏導數計算公式與微增量方程的應用

電站鍋爐運行過程中，根據不同運行工況下測量得到的鍋爐各主要熱經濟性參數(煙氣含氧量O2、灰渣平均含碳量、一氧化碳含量CO、排煙溫度tpy和送引風機電耗Wsy便可以通過各熱經濟性指標的偏導數計算公式定量分析各熱經濟性參數變化對電站鍋爐運行經濟性的影響程度，在此基礎上給定某一鍋爐熱經濟性參數的微小變化，通過電站鍋爐熱經濟性指標微增量方程即可以對運行過程中此熱經濟性參數變化后引起的電站鍋爐各熱經濟性指標的變化進行定量計算和預測。

因此，應用電站鍋爐各熱經濟性指標的偏導數計算公式和微增量方程，可以根據電站鍋爐運行過程中各主要熱經濟性參數的變化對電站鍋爐運行經濟性進行分析與計算，并為電站鍋爐變工況運行過程中燃燒控制系統的優化調節提供依據。

2.4 電站鍋爐最佳煙氣含氧量偏微分方程

根據最優化控制理論，當供電煤耗率bg對電站鍋爐運行過程中煙氣含氧量O2變化的偏導數關系(2)右邊各項之和等于0時，可以使供電煤耗率bg達到最小值，此時的煙氣含氧量即為最佳煙氣含氧量。因此使電站鍋爐運行過程中在不同負荷和運行工況下供電煤耗率bg達到最小值的最佳煙氣含氧量設定值應滿足以下偏微分方程:

(10)

方程式(10)即為以最小供電煤耗率氣為目標的電站鍋爐運行過程中最佳煙氣含氧量偏微分方程。通過求解偏微分方程(10)，可以確定電站鍋爐運行過程中不同負荷和運行工況下對應的最佳煙氣含氧量設定值。以此值作為鍋爐燃燒控制系統中煙氣含氧量校正回路的煙氣含氧量設定值，便可以根據實際煙氣含氧量與煙氣含氧量設定值之間的偏差通過送風機(二次風機)調節進入爐膛的二次風量，對燃料燃燒過程進行優化調節，使實際煙氣含氧量最終等于最佳煙氣含氧量設定值。此時的二次風量既可以保證燃料的充分燃燒，又可以使電站鍋爐運行過程中不同負荷和運行工況下各項熱損失及送、引風機電耗引起的供電煤耗率增量之和達到最小，實現電站鍋爐的高效經濟運行。