锅炉的优化运行问题_数学建模论文

锅炉的优化运行问题【摘要】一、问题背景电站锅炉是火力电站的三大主机设备之一，其效率直接影响电厂的经济效益。

目前，我国的火力电站锅炉以亚临界和超临界的大容量锅炉为主，由于设备本身及操作管理等方面的原因，性能指标与发达国家相比有较大差距，主要表现在煤耗高和热效率低。

2003年，我国供电平均标准煤耗为381g/kw.h ，与发达国家平均水平相比，多耗60g/kw.h ，热效率低10个百分点。

制定“十二五”电力节能减排的规划以来，在2010年中国火电供电标准煤耗下降50克，12年全国6000千瓦及以上火电机组平均供电标准煤耗达到326g/kw.h ，已经接近规划目标。

今年，我国“节能”与“减排”两大目标的实现并未完全协调，建议制定科学的节能减排的规划与目标，加快开展大气污染、碳排放的联合控制，配套出台协调控制经济政策，提高节能减排的经济性。

电站煤耗及效率的影响因素是多方面的，包括锅炉、汽轮机和发电机等设备的结构和运行操作、使用寿命、自动化程度和生产管理水平等，其中主要因素是锅炉运行偏离最佳工况，热效率降低。

时间表明，我国发电用煤的来源和种类是经常变化的，电站锅炉偏离最佳工况的现象是时常发生的，所以，必须研究电站锅炉燃烧系统的优化运行问题。

目前，300MW 是我国当前电厂的主力机组，针对性地进行锅炉优化试验，对提高锅炉效率，改善经济性和安全性具有重要意义。

提高燃煤电站锅炉的热效率，节约有限的煤炭资源，同时降低燃煤过程产生的污染，是我国能源实现可持续发展的当务之急，也是电力科技工作者的攻关课题。

二、问题的分析问题一要求我们根据题目分别得出排烟热损失2q 、化学不（或可燃气体未）完全燃烧热损失3q 、机械（或固体）不完全燃烧热损失4q 、散热损失5q 和灰渣物理热损失6q ，与α的关系。

由于因素过多，应假设考虑主要因素α。

推导出q 2+q 3+q 4与α的关系式，根据matlab 的函数求解可以直接找到q 2+q 3+q 4最小值所对应的过量空气系数α为1.326。

问题二要求我们用反平衡法求锅炉效率。

其中首先应考虑影响锅炉效率的因素，再得出主要因素与过量空气系数的关系。

其中，有些量与过量空气系数没有直接的关系，应寻求中间变量，以联系锅炉效率和过量空气系数的关系。

问题三要求研究锅炉的运行参数对锅炉效率的影响。

由反平衡计算锅炉效率公式可以看出，排烟热损失2q 、化学不（或可燃气体未）完全燃烧热损失3q 、机械（或固体）不完全燃烧热损失4q 、散热损失5q 和灰渣物理热损失6q ，是锅炉效率的直接影响因素。

再依据锅炉运行参数表中给出的一些参数，以及部分参考文献，我们理清楚它们与各个热损失的关系，从而分析了锅炉运行参数对锅炉效率的影响。

问题四要求我们结合题目数据建立模型探讨锅炉运行优化的方法。

由于影响锅炉燃烧效率的因素包括有很多，同时电站锅炉又是一个耦合强烈的多输入多输出的非线性系统，其中的各个环节的动态特性，随着运行工况的变化各不相同。

另外，锅炉又具有大惯性，参数时变和很多不确定的因素，因此，我们选择人工神经网络和遗传算法建立模型来研究探讨锅炉的优化运行方法。

三、基本假设1.本次建模都以300MW 电站锅炉为例分析，不考虑其他规格锅炉。

2. 过量空气系数对化学不完全燃烧热损失影响较小，故视为常数处理。

3.计算最佳过量空气系数是只考虑排烟热损失q 2、化学不（或可燃气体未）完全 燃烧热损失q 3、机械（或固体）不完全燃烧热损失q 4四、模型的主要符号与变量说明Q py ——排烟温度，℃T amb ——环境温度，℃β——燃料特性系数，与燃料种类有关 RO2——烟气中 SO2 和 CO2 的含量y A ——灰分C fh ——炉膛出口飞灰含碳量 Q g y ——应用基高位发热量gl ——锅炉效率，q 1——有效利用热q 2——排烟热损失q 3——化学不（或可燃气体未）完全燃烧热损失 q 4——机械（或固体）不完全燃烧热损失五、问题一的模型建立与求解5.最佳过量空气系数的确定在锅炉的实际运行中，为使燃料燃尽，实际供给的空气量总是要大于理论空气量，超过的部分称为过量空气量，过量空气系数α是指实际空气量k V 与理论空气量0V 之比。

α＝koV V 5.1过量空气系数与主要热损失的关系（1）α与排烟损失q 2关系根据经验公式有q 2=(3.51α(py θ-t amb )+0.42Q py )10-2% （1）式中 Q py ——排烟温度，℃ T amb ——环境温度，℃排烟热损失 q 2 是锅炉热损失中最大的一项。

在运行中，要尽可能地在保证完全燃烧的条件下降低 q 2，来提高锅炉的燃烧效率，从式(1)可以看出降低 α 就可以降低 q 2。

(2) ）α 与化学不完全燃烧损失 q 3的关系 根据经验公式有q 3 ＝3.2αCO% （2） CO%=22)21(1(0.605)RO O ββ--++β=2.3722)21(1(0.605)RO O ββ--++式中 β———燃料特性系数，与燃料种类有关RO2———烟气中 SO2 和 CO2 的含量化学不完全燃烧损失 q 3 较其他热损失小，但是 对热效率也是有一定影响的，从式（2）可看出 q 3 与 α 和 CO ％乘积成线性关系。

而在正常运行的情况下，若燃料不发生变化，CO ％的量是很小的，基本认 为不变，故而可认为q 3与 α 也成线性关系。

由于过量空气系数对化学不完全燃烧热损失q 3影响较小，故可视为常数处理。

（3）α 和固体不完全燃烧损失 q 4的关系 根据经验公式4337.27(100)y fhgy fh A C q Q C =- （3）式中y A——灰分Cfh——炉膛出口飞灰含碳量Q gy——应用基高位发热量从式(3)可以看出，q4的大小不仅与 ,有关，而且还和有关，由附录2得，与过量空气系数α有着对应关系。

当α增加时，，减少，但两者彼此的速率不同。

1.2 最佳过量空气系数从式（1）、式（2）和式（3）中可以看出α与反平衡热效率η的关系。

由于 q2+q3+q4之和占全部热损失的 80%左右，因此可以认为：当 q2+q3+q4最小时，即是锅炉运行中的最佳过量空气系数α，它们的关系如图 1 所示。

实际运行中，α越趋近于αzj，锅炉的热效率越高，所以α是锅炉运行的一个重要经济指标。

在现场中，把αzj 作为标准值，以检测烟气中氧的含量来监测α，使之与标准值比较，检查送风量是否合理。

而αzj 根据试验和经验值确定，由于α随工况的变化而变，所以αzj 也是处于不断变化的，仅仅靠经验值，误差会很大，对锅炉的热效率的影响也是不容忽视的。

所以如果可以根据负荷和煤种的变化及时得出该负荷该煤种下的αzj 来修正经验值，就可以大大降低上述误差。

由式（1）、式（2）和式（3）得q 2+q3+q4=198Cfh/(100-Cfh)+4.1067α+x其中X为化学不完全燃烧热损失，为某个常量。

因为可以有附录2得出膛出口飞灰含碳量Cfh与过量空气系数α的关系，所以，最后q2+q3+q4是一个只关于α的函数，用matlab的拟合，得:其拟合系数达到了0.91，对应公式为C fh =16.71α2—46.23α+36.32用这个公式推导出q 2+q 3+q 4与α的关系式，根据matlab 的函数求解可以直接找到q 2+q 3+q 4最小值所对应的过量空气系数α为1.326六、问题二的模型建立与求解锅炉作为燃煤电站的主要热力设备，对其燃烧效率的准确计算和分析是指导电厂运行调整，实现机组经济，高效，稳定运行的关键。

根据锅炉热平衡理论 , 按照《电站锅炉性能试验规程 》 中的规定 , 利用反平衡方法计算锅为：）－（1001006543211q q q q q Q Q q rgl ++++=⨯==η，% （4） 式中gl η——锅炉效率，q 1——有效利用热q 2——排烟热损失q 3——化学不（或可燃气体未）完全燃烧热损失q4——机械（或固体）不完全燃烧热损失q5——散热损失q6——灰渣物理热损失分析式(4)可知 , 影响锅炉效率的因素有q2、q3、q4、q5、q6。

其中 ,q5主要与锅炉散热表面积的大小、水冷壁的敷设情况、管道的保温以及周围环境有关q6主要指灰渣带走的物理热损失和冷却热损失 , 决定于燃料的灰分、燃料的发热量和排渣方式等 , 这两项损失在锅炉机组的实际运行中不能控制调整。

在实际锅炉效率计算中常忽略灰渣的物理显热损失 , 但近年投产运行的中大型机组采用干式除渣 , 达到了节水、节能和灰渣的综合利用 , 同时在计算过程中常常忽略气体未完全燃烧热损失, 因此有效地减少q2和 q4, 是提高锅炉效率的关键。

在锅炉参数耗差分析中，主要分析排烟温度，运行氧量，飞灰含碳量等偏差离基准值时引起的煤耗率的变化。

在分析氧耗量引起的煤耗偏差，一般从热损失计算公式中求得氧量引起的煤耗偏差，然而由文献可知，运行氧量发生变化时，对经济性的影响除了烟气引起的排烟热损失的变化外，同时还将引起其他运行参数的改变，包括排烟温度，飞灰含碳量等。

因此，仅从热损失计算公式求得氧量变化对锅炉效率的影响是片面的。

过量空气系数较容易调整, 一般是通过改变送、引风机电流的方法来改变总风量而改变过量空气系数。

当过量空气系数改变的时候, 排烟温度、灰渣含碳量、主汽温、主汽压、再热汽温、再热汽压等参数都会变化, 对锅炉的燃烧和锅炉效率的影响也很大。

6.1计算排烟热损失q2在锅炉实际运行中, 影响效率的主要因素是锅炉的排烟温度和飞灰含碳量 ,是由于排烟温度于环境温度造成的热损失q2, 在锅炉的各项热损失中 ,q2是最大的一项 , 一般为 4%一8% 。

排烟温度每升高10 ℃ , 锅炉效率降低 0.5%左右。

飞灰含碳量增加1%, 影响锅炉效率0.4% 左右。

q2=x100%Q2=Qgy+Qh2o式中：Q2——排烟带走的热量 , KJ/kgQgy——干烟气带走的热量，KJ/kgQh2o——烟气中所含水蒸气的热量，KJ/kg 干烟气带走的热量：Qgy =VgyCpgy(Qpy-to)式中：Cph2o ——水蒸气从to到Qpy的平均定压比热Vh2o——烟气中所含水蒸气容积6.2计算化学不完全燃烧热损失q3对于燃煤锅炉，烟气中的H2，CH4等可燃气体的含量极少，可认为烟气中的可燃气体只有CO.其计算公式为：q3=42236(0.375)(100)()Sar Car Coq Qr RO CO+-+式中，燃料有一部分没有参与燃烧及生成烟气，故应对烟气中一氧化碳的容积进行修正。

在进行锅炉设计时，q3可按经验数据选用。

一般，固态排煤粉炉，q 3=0%,一般q3不超过0.5%。

6.3计算散热损失q5散热损失通过试验来测定非常困难，一般通过由大量经验数据绘制的关系曲线来确定。