實(shí)時(shí)入煤在線摻燒優(yōu)化系統(tǒng)在火電廠的運(yùn)用

郭建軍

（國(guó)能常州發(fā)電有限公司，江蘇常州 213000）

0 引言

為了保證發(fā)電，煤火力發(fā)電廠通常要保留一定的煤種，但由于煤炭市場(chǎng)的原因，電煤必須大量采購(gòu)，因此實(shí)際使用的煤種越來(lái)越多樣化，導(dǎo)致鍋爐長(zhǎng)期處于非設(shè)計(jì)煤種燃燒狀態(tài)下。另外，為了節(jié)約能源，增加經(jīng)濟(jì)效益，許多電廠積極采購(gòu)低質(zhì)量、低價(jià)格的煤炭。但是，火力發(fā)電廠的鍋爐設(shè)計(jì)是根據(jù)設(shè)計(jì)煤種和檢查煤種來(lái)進(jìn)行的，如果采用設(shè)計(jì)煤種則鍋爐性能較好，否則會(huì)影響其燃燒效果、運(yùn)行穩(wěn)定性、低負(fù)荷調(diào)峰、熱效率下降、過(guò)熱結(jié)渣、過(guò)熱、脫硫系統(tǒng)不適應(yīng)、污染排放超標(biāo)等。

由于煤質(zhì)與設(shè)計(jì)煤種的偏差，導(dǎo)致我國(guó)電廠鍋爐燃煤熱能利用率總體上落后于國(guó)際先進(jìn)水平，形成大量能源浪費(fèi)。《中國(guó)能源政策（2012）》中提出清潔高效發(fā)展火電的目標(biāo)，對(duì)新建機(jī)組執(zhí)行更為嚴(yán)格的污染物排放標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)既有機(jī)組則必須進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗和減排，這無(wú)疑使火電行業(yè)面臨更為嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)[1]。

由于煤炭品種多樣、安全、高效、環(huán)保等多方面的原因，我國(guó)的火力發(fā)電廠普遍采用混煤摻燒技術(shù)，把兩種或幾種煤按一定比例混合，使混合煤的性能滿足鍋爐的燃燒與排放，從而有效解決上述問(wèn)題。不過(guò)也面臨著混煤的燃燒特性、污染物排放特性、混煤混合模式與尋優(yōu)算法、混煤燃燒優(yōu)化等問(wèn)題。

1 系統(tǒng)構(gòu)成

1.1 配煤設(shè)備

煤場(chǎng)機(jī)械設(shè)備主要包括煤場(chǎng)的風(fēng)斗式采煤機(jī)、車(chē)輛式煤葉輪給煤機(jī)、火車(chē)煤葉輪給煤機(jī)、掀翻機(jī)械、煤場(chǎng)人工推煤機(jī)等，在應(yīng)用過(guò)程中可以參考各個(gè)廠的實(shí)際情況，還可能包括其他可用的料斗設(shè)備，如筒倉(cāng)等。

1.2 入爐煤皮帶式煤質(zhì)在線檢測(cè)裝置

本文所用的激光煤全元素化學(xué)分析儀安裝在入爐煤帶上，將其置于設(shè)備的空隙中，以減少灰塵、噪聲、振動(dòng)等直接影響儀器。本設(shè)備的前端裝有多段式整型裝置，保證輸送帶上的煤流不均勻，防止對(duì)設(shè)備造成損害。在新開(kāi)工的上煤帶式原煤倉(cāng)加煤后，利用高能量脈沖激光激發(fā)每一待測(cè)煤流，使煤流中的表面煤顆粒化學(xué)鍵斷裂，化學(xué)成分被電離而產(chǎn)生的金屬分離物，并對(duì)光譜信息進(jìn)行攝影、錄像和分析。確定并計(jì)算出待測(cè)元素的物理化學(xué)性質(zhì)譜，再根據(jù)光譜信息進(jìn)行化學(xué)工藝處理，進(jìn)而通過(guò)模擬計(jì)算實(shí)現(xiàn)對(duì)各種微量元素以及煤炭中水分、灰分、發(fā)高溫、硫分等的定性分析等[2]。利用該裝置可以對(duì)目前上煤帶煤流中的各種礦物進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，其中包括水的發(fā)熱、硫分、坩堝、灰分等以及目前煤炭中C（碳）、H（氫）、N（氮）、O（氧）等元素的含量。將帶式上實(shí)際煤流的所有礦物質(zhì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，然后通過(guò)網(wǎng)絡(luò)將其傳送至在線的最佳摻燒控制系統(tǒng)。

1.3 在線摻燒優(yōu)化軟件

軟件采用B/S 結(jié)構(gòu)，安裝在火力發(fā)電廠內(nèi)部網(wǎng)，其主要功能有煤廠內(nèi)部堆煤控制、精確配煤、實(shí)時(shí)運(yùn)行優(yōu)化、即時(shí)經(jīng)濟(jì)分析、執(zhí)行結(jié)果評(píng)價(jià)以及購(gòu)煤提等。在線配煤摻燒系統(tǒng)主模塊邏輯關(guān)系如圖1 所示，用戶也通過(guò)因特網(wǎng)訪問(wèn)使用。

圖1 在線配煤摻燒系統(tǒng)主模塊邏輯關(guān)系

2 工作流程

2.1 精準(zhǔn)配煤

火力發(fā)電廠的主要燃料有機(jī)車(chē)用煤和煤場(chǎng)用煤，其中機(jī)車(chē)用煤通過(guò)傳動(dòng)裝置、翻車(chē)機(jī)等裝置輸送到1#皮帶，然后通過(guò)輸送站、皮帶，最后到達(dá)3 號(hào)轉(zhuǎn)運(yùn)站，煤場(chǎng)通過(guò)齒輪給煤機(jī)將煤裝到10#皮帶，再在3 號(hào)換乘站將機(jī)車(chē)煤混勻；煤場(chǎng)用煤經(jīng)人工分層堆存，利用斗輪式取煤法將煤直接運(yùn)至9#皮帶，再經(jīng)由4 號(hào)換乘站和3 號(hào)轉(zhuǎn)換站的煤炭進(jìn)行混合（圖2）。電廠職工可根據(jù)實(shí)際情況選用火車(chē)煤葉輪送煤機(jī)或翻轉(zhuǎn)機(jī)械輸送煤、火車(chē)煤卸煤溝、煤場(chǎng)斗輪堆取煤機(jī)械輸送等多種組合方式。

圖2 配煤流程

通過(guò)對(duì)入爐后的煤質(zhì)進(jìn)行分析，確定了最終的配煤方案：在上煤完畢后，通過(guò)安裝在4 號(hào)換車(chē)后的入爐煤帶煤流煤質(zhì)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，監(jiān)測(cè)入爐煤帶煤流中的煤質(zhì)，并將煤質(zhì)信息傳輸至摻燒優(yōu)化軟件[3]。采用摻燒優(yōu)化程序可以實(shí)時(shí)地計(jì)算出入爐煤帶煤的實(shí)際煤質(zhì)與配煤方案中的理想煤質(zhì)之間的誤差，如果偏差較大，可以通過(guò)調(diào)節(jié)最前端煤種及比例，直至全部入爐煤皮帶實(shí)際煤質(zhì)達(dá)到配煤解決方案的要求，從而實(shí)現(xiàn)了精確配煤總體目標(biāo)。煤質(zhì)偏差檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表1，其中Qnet為收到基低位發(fā)熱量。

表1 煤質(zhì)偏差檢測(cè)結(jié)果

2.2 實(shí)時(shí)優(yōu)化調(diào)整

裝置的基本運(yùn)行過(guò)程是，先由SIS（Safety Instrument System，安全儀表系統(tǒng)）采集各給煤機(jī)的給煤量等基本數(shù)據(jù)，然后根據(jù)實(shí)際給煤的皮帶數(shù)量和煤流等煤質(zhì)數(shù)據(jù)，計(jì)算爐內(nèi)實(shí)際點(diǎn)燃的煤炭量（表2）。

表2 實(shí)時(shí)入爐煤質(zhì)的計(jì)算結(jié)果

通過(guò)對(duì)煤粉鍋爐的煤質(zhì)分析，結(jié)合SIS 的主要控制參數(shù)，得出煤粉鍋爐的冷卻、熱風(fēng)的啟動(dòng)、煤粉鍋爐的細(xì)化、煤粉鍋爐的優(yōu)化等關(guān)鍵指標(biāo)，以及各層的二次風(fēng)開(kāi)度、燃盡風(fēng)開(kāi)度、尾煙擋板高度及運(yùn)行氧量等（圖3）。

圖3 實(shí)時(shí)優(yōu)化調(diào)整

2.3 實(shí)時(shí)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)計(jì)算

從SIS 收集鍋爐的核心運(yùn)行數(shù)據(jù)，然后分析燃料生產(chǎn)、燃料運(yùn)輸、脫硫、脫硝、除塵、系統(tǒng)維護(hù)等成本，以實(shí)現(xiàn)對(duì)實(shí)際發(fā)電效益的實(shí)時(shí)計(jì)算（表3）。

表3 實(shí)時(shí)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)計(jì)算結(jié)果

由于實(shí)際的發(fā)電費(fèi)用能反映目前煤炭的設(shè)備維護(hù)費(fèi)用和環(huán)保投資費(fèi)用，因此能用來(lái)對(duì)電廠進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。

3 收益分析

3.1 燃用經(jīng)濟(jì)煤種收益分析

在配煤摻燒工藝中，為提高熱排放達(dá)標(biāo)的高壓鍋爐帶負(fù)荷生產(chǎn)能力，通常都采取比較保守的配煤方法，即硫濃度分配偏少一些、發(fā)熱量分配偏高一些。電廠在引進(jìn)了基于實(shí)際入爐煤質(zhì)的即時(shí)摻燒工藝后，對(duì)煤質(zhì)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)煤質(zhì)的準(zhǔn)確控制[5]，可以確保上煤加倉(cāng)的煤質(zhì)數(shù)據(jù)更加貼近配煤摻燒要求，從而能夠提出更為科學(xué)合理的配煤計(jì)劃，并相應(yīng)提高燃用高硫煤和低熱值煤等標(biāo)煤價(jià)格比較便宜的煤種類(lèi)，進(jìn)而降低電站的高壓煤價(jià)格生產(chǎn)成本。

本文所研究的兩個(gè)300 MW 機(jī)組年平均負(fù)載為75%，所以使用的3 類(lèi)原煤煤質(zhì)比對(duì)在單裝鍋爐中燃用的燃料質(zhì)量所產(chǎn)生的影響。在沒(méi)有入爐煤質(zhì)的測(cè)試資料時(shí)，為保證煙氣中SO2等不會(huì)超標(biāo)，選擇20∶40∶40 的原煤混合工藝。采用現(xiàn)場(chǎng)煤質(zhì)管理技術(shù)，在滿足排放標(biāo)準(zhǔn)的前提下，將3 種原煤的混合比改為20∶35∶45，含硫的其他煤的比例從40%增加至45%，不僅能達(dá)到脫磺堿的機(jī)組工作條件，還由于使用優(yōu)質(zhì)的經(jīng)濟(jì)煤種，兩個(gè)機(jī)組將節(jié)約成本441.40 萬(wàn)元。如果再考慮通過(guò)增加較低熱值煤摻燒的比重和利用高配煤摻燒增加發(fā)電機(jī)組的穩(wěn)燃性能、帶負(fù)荷性能、減少污染物排放量等所獲得的利益，其經(jīng)濟(jì)性和環(huán)境價(jià)值將更大。

3.2 鍋爐效率提高收益分析

在沒(méi)有進(jìn)行入爐煤的煤質(zhì)參數(shù)監(jiān)控之前，由于電廠實(shí)際配煤參數(shù)與預(yù)報(bào)值不符，導(dǎo)致煤質(zhì)與預(yù)測(cè)值有較大差異，實(shí)際進(jìn)爐煤質(zhì)波動(dòng)較大時(shí)，火力發(fā)電廠對(duì)煤質(zhì)的影響較大，如果既不能得到真實(shí)入爐燃燒的煤質(zhì)，也不能為鍋爐的正常運(yùn)轉(zhuǎn)提出有效優(yōu)化措施，則燃煤鍋爐的運(yùn)轉(zhuǎn)參數(shù)也不能達(dá)到最優(yōu)化[6]。

利用在線摻燒調(diào)整技術(shù)，一方面能及時(shí)掌握進(jìn)爐煤種的情況，方便對(duì)煤種進(jìn)行反應(yīng)，調(diào)整煤種的比例，避免煤質(zhì)的波動(dòng)[7]。另一方面還可以獲得在鍋爐設(shè)備中或?qū)嶋H進(jìn)入爐膛之前燃燒的煤種，并通過(guò)使用煤種控制鍋爐運(yùn)行氧量、風(fēng)門(mén)開(kāi)度、風(fēng)開(kāi)量、磨煤機(jī)的種類(lèi)，保證鍋爐設(shè)備運(yùn)行處于最優(yōu)狀態(tài)，從而大大提高設(shè)備效率，達(dá)到節(jié)能的目的[8]。

在開(kāi)發(fā)期間，對(duì)該系統(tǒng)投入使用前和投入使用后的效果比較試驗(yàn)。結(jié)果表明：系統(tǒng)未投入運(yùn)行前，入爐煤炭的煤質(zhì)發(fā)生了很大變化，并且有時(shí)由于燃煤鍋爐的總氧含量過(guò)低，燃煤鍋爐固體在不充分燃燒時(shí)的熱損失明顯增加，總壓煤高壓鍋爐效率僅為88.6%；系統(tǒng)投運(yùn)后，不僅入爐的燃煤質(zhì)量比較穩(wěn)定，而且可以實(shí)時(shí)控制燃煤鍋爐的運(yùn)行參數(shù)，壓煤和高壓鍋爐的效益達(dá)到89.77%，較常規(guī)燃煤鍋爐的經(jīng)濟(jì)效益提高1.09%。按照當(dāng)前的225 MW 機(jī)組容量計(jì)算，每臺(tái)機(jī)組每小時(shí)可以節(jié)約煤炭0.91 t。按電站的兩臺(tái)發(fā)電機(jī)組月平均使用總小時(shí)數(shù)3500 h 估算（按225 MW 折算則約為4666 h），可年節(jié)省標(biāo)準(zhǔn)煤8493 t。按標(biāo)準(zhǔn)煤?jiǎn)蝺r(jià)500 元/t 測(cè)算，每年節(jié)省成本約424.60 萬(wàn)元的費(fèi)用。

4 結(jié)束語(yǔ)

利用實(shí)時(shí)煤質(zhì)信息的實(shí)時(shí)摻燒優(yōu)化技術(shù)，克服了傳統(tǒng)配煤系統(tǒng)機(jī)械采樣中煤質(zhì)信息滯后的影響，可以做到精確配煤摻燒，實(shí)現(xiàn)對(duì)燃煤鍋爐有關(guān)參數(shù)的最優(yōu)調(diào)整。利用該技術(shù)，電廠可燃燒更多價(jià)格較低的劣質(zhì)煤種，并采用精確配煤措施，根據(jù)鍋爐的有關(guān)技術(shù)參數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié)，確保鍋爐長(zhǎng)期工作在良好工況，進(jìn)而為企業(yè)創(chuàng)造更多利潤(rùn)。