鍋爐的優(yōu)化運(yùn)行問題

1、鍋爐的優(yōu)化運(yùn)行問題摘要電站鍋爐是火力電站的三大主機(jī)設(shè)備之一?；谀壳拔覈幕鹆﹄娬惧仩t以亞臨界和超臨界大容量鍋爐為主，本題以300MW鍋爐為例。由于設(shè)備本身以及操作管理等方面原因，我國與發(fā)達(dá)國家有著較大差距，主要表現(xiàn)在高耗煤及熱效率低下，為提高鍋爐效率及節(jié)約有限資源成為我國現(xiàn)狀的當(dāng)務(wù)之急。針對問題一，結(jié)合國內(nèi)外優(yōu)秀的經(jīng)驗(yàn)，我們采用了定義算法，推導(dǎo)最佳過量空氣系數(shù)表達(dá)式，通過對本文數(shù)據(jù)的研究以及帶入驗(yàn)證的方法，得到了不同機(jī)組負(fù)荷下完全燃燒和不完全燃燒的比較可靠的最佳過量空氣系數(shù)。針對問題二，通過研究過量空氣系數(shù)與影響鍋爐效率的因素，由經(jīng)驗(yàn)公式推出過量空氣系數(shù)與之間的關(guān)系，通過擬合得到，將其轉(zhuǎn)化為

2、線性的關(guān)系。通過先研究過量空氣系數(shù)與之間的關(guān)系，然后再由反平衡計(jì)算鍋爐的效率公式得出鍋爐效率與之間的關(guān)系，從而得出各個機(jī)組負(fù)荷的過量空氣系數(shù)與鍋爐效率之間的關(guān)系。針對問題三，由于鍋爐運(yùn)行參數(shù)與鍋爐效率之間存在的是非線性關(guān)系，所以經(jīng)過多次擬合鍋爐運(yùn)行參數(shù)得到擬合的表達(dá)式，得到了鍋爐運(yùn)行參數(shù)對鍋爐效率的一組擬合數(shù)據(jù)，得到擬合曲線。再通過比較正反平衡計(jì)算鍋爐的效率公式，從而得到鍋爐的運(yùn)行參數(shù)對鍋爐效率的影響。針對問題四，對于鍋爐的優(yōu)化方案以及運(yùn)行方法，本文提出了關(guān)于鍋爐現(xiàn)存的一些問題，改善鍋爐運(yùn)行參數(shù)問題，提高過量空氣系數(shù)的最佳值問題，以及改善在生產(chǎn)中外部因素對鍋爐效率的影響。關(guān)鍵字：經(jīng)驗(yàn)公式 定義

3、算法 多重數(shù)據(jù)擬合 一、問題重述在現(xiàn)代電站中，反映鍋爐運(yùn)行狀況好壞的主要性能指標(biāo)是鍋爐效率。按照中華人民共和國國家標(biāo)準(zhǔn)的電站性能試驗(yàn)規(guī)程（GB PTC），電廠鍋爐采用反平衡計(jì)算鍋爐效率。 在鍋爐的實(shí)際運(yùn)行中，為使燃料燃盡，實(shí)際供給的空氣量總是要大于理論空氣量，超過的部分稱為過量空氣量，過量空氣系數(shù)是指實(shí)際空氣量與理論空氣量之比。過量空氣系數(shù)直接影響排煙熱損失、化學(xué)不（或可燃?xì)怏w未）完全燃燒熱損失、機(jī)械（或固體）不完全燃燒熱損失（如圖1）。可見，當(dāng)爐膛出口過量空氣系數(shù)增加時，先減少后增加，有一個最小值，與此最小值對應(yīng)的空氣系數(shù)稱為最佳過量空氣系數(shù)。以300MW鍋爐為例進(jìn)行分析（鍋爐參數(shù)見附錄1）

4、。由于過量空氣系數(shù)對化學(xué)不完全燃燒熱損失影響較小，故可視為常數(shù)處理。附錄2給出了實(shí)測飛灰含碳量與過量空氣系數(shù)的關(guān)系。請對以下問題進(jìn)行研究：1確定鍋爐運(yùn)行的最佳過量空氣系數(shù)；2給出鍋爐效率與過量空氣系數(shù)的關(guān)系；3研究鍋爐的運(yùn)行參數(shù)對鍋爐效率的影響；4探討鍋爐的優(yōu)化運(yùn)行方法。二、基本假設(shè)1、本論文中的鍋爐都是300MW且屬于同一種型號。2、在安全生產(chǎn)的條件下，研究鍋爐運(yùn)行參數(shù)與鍋爐效率之間的關(guān)系。3、本論文中排除人為因素的影響且選定的煤質(zhì)為無煙煤。4、假設(shè)三、符號說明符 號含 義碳含量氫含量硫含量氧含量氮含量無機(jī)物水分灰分應(yīng)用基高位發(fā)熱量煙氣含氧量D主汽流量排煙溫度過熱蒸汽壓力過熱蒸汽溫度給水溫度

5、試驗(yàn)期間平均耗量過熱蒸汽量過熱蒸汽壓力（絕對壓力）過熱蒸汽溫度再熱蒸汽入口壓力（絕對壓力）再熱蒸汽入口溫度再熱蒸汽入口流量再熱蒸汽出口壓力（絕對壓力）再熱蒸汽出口溫度再熱蒸汽出口流量再熱蒸汽減溫水壓力（絕對壓力）再熱蒸汽減溫水溫度再熱蒸汽減溫水流量鍋爐給水壓力（絕對壓力）鍋爐給水溫度給水流量爐底灰渣可燃物爐底排渣率空氣預(yù)熱器出口煙氣中二氧化碳含量環(huán)境溫度四、模型的建立與求解4.1問題1 4.1.1問題1的分析：本小題探究的鍋爐運(yùn)行的最佳過量空氣系數(shù)的確定，最佳過量空氣系數(shù)直接影響排煙熱損失，化學(xué)不（或可燃?xì)怏w未）完全燃燒熱損失、機(jī)械（或固體）不完全燃燒熱損失。以上各項(xiàng)損失是隨著過量空氣系數(shù)的值

6、而變化的，如圖所示。當(dāng)增加時，燃料同空氣反應(yīng)機(jī)會加大，使化學(xué)不完全燃燒熱損失和機(jī)械不完全燃燒熱損失減少，卻導(dǎo)致排煙熱損失升高。三項(xiàng)損失的總和為一下凹的曲線，如圖1所示，圖1 過量空氣系數(shù)與熱損失的關(guān)系曲線其最低點(diǎn)的值即為最佳值。我們可通過經(jīng)驗(yàn)公式和過量空氣系數(shù)的定義來確定鍋爐運(yùn)行的最佳過量空氣系數(shù)。4.1.2問題1模型建立： 值表示燃料特性系數(shù)，一般來說，對于木柴，；對于無煙煤，；對于煙煤，；對于褐煤，；對于重油，；對于天然氣，；對于焦?fàn)t煤氣，若忽略燃料中含量較少的硫和氮，則有 分子表示尚未與氧化合的“自由氫”，分母為碳含量?！白杂蓺洹痹蕉?，系數(shù)越大。若燃燒完全，即無一氧化碳產(chǎn)生，則 過量空氣

7、系數(shù)可根據(jù)煙氣分析的結(jié)果予以確定。 由于燃料中的氮含量很少，燃燒后燃料釋放出來的氮的容積遠(yuǎn)小于煙氣中氮的容積，即。忽略燃料中的氮時，進(jìn)入爐內(nèi)的實(shí)際空氣量可簡化為煙氣中氮的容積為 所以 同理 于是 當(dāng)鍋爐完全燃燒時，干煙氣的組成分為，即，于是表示為 當(dāng)通過煙氣分析測出和之后，便可由上式求得過量空氣系數(shù)。由式(1)和式(5)有 由式(2)和式(5)有 對于燃煤鍋爐，數(shù)值上是很小的。對于式（6）可以忽略的影響，即可認(rèn)為 則有 因此，當(dāng)鍋爐完全燃燒時，過量空氣系數(shù)與煙氣中氧的容積成分基本上是對應(yīng)的。當(dāng)鍋爐不完全燃燒時，煙氣中的氧即來自過量空氣，也來自理論空氣中由于碳不完全燃燒而未消耗的氧。若不完全燃燒

8、產(chǎn)生中僅考慮時，未消耗的氧的體積份額為，即過量空氣中的氧應(yīng)為煙氣分析測定的氧減去。因此 此時，干煙氣中氮的容積份額為 有式（3），式（4），式（7）及式（8）得 上式即為確定不完全燃燒時的過量空氣系數(shù)表達(dá)式。同樣也可確定氣體燃料燃燒的過量空氣系數(shù)。4.1.3問題1模型求解：，根據(jù)定義運(yùn)用軟件編寫程序1進(jìn)行求解（詳見附錄程序1）。由于同一鍋爐不同機(jī)組負(fù)荷產(chǎn)生的煙氣含氧量和排煙溫度不同，導(dǎo)致求解出的值不同（其中），分別得到鍋爐完全燃燒和不完全燃燒時的值，結(jié)果見表1、表2。 表1鍋爐完全燃燒時的最佳參數(shù)機(jī)組負(fù)荷結(jié)果298 5.121.3300245.3 5.081.3191215.8 5.881.3

9、889192.3 6.841.4831 表2鍋爐不完全燃燒時的最佳參數(shù)機(jī)組負(fù)荷O2結(jié)果298 5.121.2502245.3 5.081.2342215.8 5.881.3388192.3 6.841.4888注：由兩個表可以明顯看出機(jī)組負(fù)荷不同得到的最佳也不同。4.2問題2 4.2.1問題2的分析：在問題一中，通過運(yùn)用與鍋爐有關(guān)的定義公式得出了過量空氣系數(shù)之間的關(guān)系，并且得到了鍋爐運(yùn)行的最佳過量空氣系數(shù)。在此題中通過研究過量空氣系數(shù)與鍋爐效率之間的關(guān)系，我們發(fā)現(xiàn)，過量空氣系數(shù)是通過影響排煙熱損失，化學(xué)不（或可燃?xì)怏w未）完全燃燒熱損失，機(jī)械（或固體）不完全燃燒熱損失，散熱損失以及灰渣物理熱損失

10、來間接或者直接影響鍋爐效率。并將其中與過量空氣系數(shù)相關(guān)的運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行擬合得到鍋爐效率與過量空氣系數(shù)之間的關(guān)系。4.2.2問題2模型建立：在鍋爐的實(shí)際運(yùn)行中，為了保證進(jìn)入鍋爐的燃燒的燃料能夠盡可能地完全燃燒，其空氣供給量必須比理論計(jì)算空氣供給量多一些，稱實(shí)際空氣量與理論空氣量的比值為過量空氣系數(shù)。 1.1 過量空氣系數(shù)與熱損失的關(guān)系 （1）與排煙熱損失的關(guān)系 根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式有 1 式中 排煙空氣溫度，； 環(huán)境溫度，。 排煙熱損失是鍋爐熱損失中最大的一項(xiàng)。在運(yùn)行中，要盡可能地保證完全燃燒的條件下降低，來提高鍋爐的燃燒效率，從式1可以看出降低就可以降低。 （2）與化學(xué)不完全燃燒熱損失的關(guān)系 2 又 式

11、中 燃燒特性系數(shù)，與燃料種類有關(guān)； 煙氣中和的含量； 化學(xué)不完全燃燒損失較其他熱損失小，但是對熱效率也是有一定影響的 ，從式2可以看出與和乘積成線性關(guān)系。而在正在運(yùn)行的情況下，若燃料不發(fā)生變化，的量是很小的，基本認(rèn)為不變，故而可認(rèn)為與也成線性關(guān)系。（3） 和固體不完全燃燒損失的關(guān)系 根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式 3 從式3可以容易看出，的大小不僅和有關(guān)，而且和有關(guān)，當(dāng)增加時，分母變大，同時也變大，分子減少，減少，這是由于空氣供給量充足，燃料能充分燃燒。但當(dāng)過大時，也會最加，這是因?yàn)檫^大，容易造成爐膛溫度降低，輻射換熱量減少，最終排煙溫度增加，所以造成的增加。由鍋爐的反平衡計(jì)算鍋爐效率公式為： ， ，其中，額定

12、蒸發(fā)量下的散熱損失；鍋爐的額定蒸發(fā)量，；鍋爐效率測定時的實(shí)際蒸發(fā)量， ；其中灰渣物理熱損失即爐渣、飛灰與沉降灰排出鍋爐設(shè)備時所帶走的顯熱占輸入熱量的百分率，表達(dá)式為，其中由爐膛排出的爐渣溫度，；固態(tài)排渣煤粉爐可取800；由煙道排除的沉降灰的溫度，可取為降灰上部空氣的溫度，；分別表示爐渣、飛灰及沉降灰的比熱，；其中干煙氣比熱容；水蒸氣比熱容；4.2.3問題2模型求解：根據(jù)分析并且結(jié)合問題一中的過量空氣系數(shù)之間的關(guān)系，首先可以認(rèn)為與過量空氣系數(shù)之間的關(guān)系，進(jìn)過擬合與與運(yùn)行參數(shù)之間的關(guān)系，得到了一個非線性的關(guān)于鍋爐效率與過量空氣系數(shù)之間的關(guān)系：，由得，鍋爐效率為： （備注：由過量空氣系數(shù)對不完全燃燒

13、熱損失影響較小，故視為常數(shù)即：）。鍋爐有四組機(jī)組負(fù)荷，所以對應(yīng)4個效率，如下表示：運(yùn)用軟件求解出結(jié)果：根據(jù)上面數(shù)據(jù)可以得到四組機(jī)組負(fù)荷鍋爐的效率與過量空氣系數(shù)的關(guān)系，結(jié)果見表3表3鍋爐的效率與過量空氣系數(shù)1.11.21.31.41.51.6負(fù)荷10.93590.93180.92760.92350.91940.9153負(fù)荷20.93750.93350.92950.92550.92150.9176負(fù)荷30.94090.93720.93350.92980.92610.9224負(fù)荷40.94220.93860.93500.93140.92780.9242從而可以通過軟件繪制出鍋爐效率與過量空氣系數(shù)關(guān)系

14、圖（圖2） 圖2 鍋爐效率與過量空氣系數(shù)關(guān)系圖4.3問題34.3.1問題分析：根據(jù)問題二的擬合分析與求解可知，對鍋爐效率的影響是通過影響有效利用熱，化學(xué)不（或可燃?xì)怏w未）完全燃燒熱損失，機(jī)械（或固體）不完全燃燒熱損失，以及散熱損失和灰渣物理熱損失。 而的變化主要是受鍋爐運(yùn)行的主要參數(shù)的變化而變化；所以通過運(yùn)用鍋爐正平衡法計(jì)算公式的計(jì)算和反平衡計(jì)算公式的計(jì)算，從而得出，鍋爐效率與鍋爐運(yùn)行參數(shù)之間的關(guān)系以及相互之間的影響。 4.3.2問題3模型建立：鍋爐熱效率=被鍋爐有效吸收的總熱量/進(jìn)入鍋爐的全部熱量*100%正平衡法計(jì)算公式：鍋爐熱效率     

15、;      其中， :被鍋爐有效吸收的總熱量；    ：進(jìn)入鍋爐的全部熱量； 由鍋爐的反平衡計(jì)算鍋爐效率公式為： ，由于爐膛出口飛灰含碳量與過量空氣系數(shù)關(guān)系不是線性的，遂進(jìn)行最小二乘法來進(jìn)行多次擬合，得到以下模擬模型4.3.3問題3模型求解： 模型通過五次曲線擬合，運(yùn)用軟件得出結(jié)果：p = -3.3846 25.7622 -77.2705 114.4985 -84.0085 24.5047節(jié)點(diǎn)誤差：y = 0.0590 0.0510 0.0475 0.0460 0.0455 0.04

16、50 0.0445 0.0443 0.0450y2 = 0.0590 0.0510 0.0474 0.0461 0.0455 0.0450 0.0445 0.0443 0.0450并畫出擬合曲線（如圖3） 圖3對預(yù)測模型進(jìn)行均方誤差分析，得出均方誤差為：，表明均方誤差很小，表明擬合效果較好 注：均方誤差（Mean Squared Error, MSE）是衡量“平均誤差”的一種較方便的方法，可以評價數(shù)據(jù)的變化程度。標(biāo)準(zhǔn)誤差定義為各測量值誤差的平方和的平均值的平方根。設(shè)個測量值的誤差為，則這組測量值的標(biāo)準(zhǔn)誤差等于：機(jī)組負(fù)荷對鍋爐效率的影響，根據(jù)問題2中，鍋爐效率與過量空氣系數(shù)的關(guān)系，計(jì)算出不同機(jī)組

17、在不同負(fù)荷下的關(guān)系函數(shù)。此時，利用插值法，找出不同機(jī)組負(fù)荷的相應(yīng)的相應(yīng)的過量空氣系數(shù)，搭建起機(jī)組負(fù)荷和鍋爐效率的關(guān)系。編寫matlab程序（見附件程序4）計(jì)算相應(yīng)的值（表4）： 表4 1.11.21.31.41.51.6負(fù)荷2980.93590.93180.92760.92350.91940.9153負(fù)荷245.30.93750.93350.92950.92550.92150.9176負(fù)荷215.80.94090.93720.93350.92980.92610.9224負(fù)荷192.30.94220.93860.93500.93140.92780.9242計(jì)算四種不同負(fù)荷下，效率的平均值分別為：

18、 0.9256 0.9275 0.9316 0.9332畫出機(jī)組負(fù)荷對鍋爐效率關(guān)系圖（圖4）： 圖44.4問題4通過對前面問題的建模與求解可知，鍋爐的主要運(yùn)行參數(shù)以及過量空氣系數(shù)是主要影響鍋爐效率的因素，針對以上模型的求解及分析，我們可以根據(jù)以下幾個途徑來優(yōu)化鍋爐優(yōu)化運(yùn)行的方法：1、人為作業(yè)大量參與其中，針對鍋爐各個方面出現(xiàn)的問題及時的修整。2、在鍋爐運(yùn)行中，隨時關(guān)閉各個火門孔，減少爐膛負(fù)壓以及磨煤機(jī)的壓強(qiáng)，一般可以降低排煙溫度23度。3、采取固定的煤質(zhì)來源，確保鍋爐的運(yùn)行參數(shù)在大環(huán)境下不改變，及時補(bǔ)充及協(xié)調(diào)變化參數(shù)的大小，始終保持鍋爐安全高效。4、在燃燒器中的配風(fēng)方式以及燃燒器的運(yùn)行條件要隨著鍋爐運(yùn)行參數(shù)的變化做及時調(diào)整。五、模型評價、改進(jìn)與推廣1、模型的優(yōu)點(diǎn)：本論文主要圍繞鍋爐效率，過量空氣系數(shù)，鍋爐運(yùn)行參數(shù)之間展開，將三者之間的關(guān)系較全面地展現(xiàn)在文章中，并且第一二問得出了較好的結(jié)果，恰當(dāng)?shù)奶幚砹硕龁栔g的銜接。2、模型的推廣：本文中，可將二三問的銜接法運(yùn)用到更多關(guān)于三個量之間的不明顯的隱含的關(guān)系，通過中間變量的代替，更方便簡潔的刻畫出相互之間的關(guān)系，從而得出需要的結(jié)果。3、模型的缺陷和改進(jìn)：本文最大的優(yōu)點(diǎn)也是最大的缺點(diǎn)，只是深入的研究了關(guān)于鍋爐效率，過量空氣系數(shù)，以及鍋爐運(yùn)行參數(shù)之間的關(guān)系，忽略了大量外在因素對鍋爐效率的影響。并且在模型三中，如果運(yùn)用RBF網(wǎng)絡(luò)神