锅炉优化建模

锅炉优化建模

1.问题重述

锅炉是火力发电厂的关键设备之一，其效率直接影响电厂的经济性。在现代电站中，反映锅炉运行状况好坏的主要性能指标是锅炉效率。按照中华人民共和国国家标准的电站性能试验规程（GB PTC ），电厂锅炉采用反平衡计算锅炉效率，即：

）

－（654321

1100100q q q q q Q Q q r

gl ++++=⨯=

=η，% 式中）

（6,,2,1100 =⨯=

i Q Q q r

i

i 分别表示有效利用热、排烟热损失、化学不（或可燃气体未）完全燃烧热损失、机械（或固体）不完全燃烧热损失、散热损失和灰渣物理热损失。

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，过量空气系数是指实际空气量 与理论空气量 之比。过量空气系数直接影响排烟热损失 、化学不（或可燃气体未）完全燃烧热损失 、机械（或固体）不完全燃烧热损失 （如图1）。可见，当炉膛出口过量空气系数 增加时， 先减少后增加，有一个最小值，与此最小值对应的空气系数称为最佳过量空气系数。以300MW 锅炉为例进行分析（锅炉参数见附录一，炉膛出口飞灰含碳量fh C 与过量空气系数数据见附录二）。

由于过量空气系数对化学不完全燃烧热损失影响较小，故可视为常数处理。

图1 过量空气系数与热损失的关系曲线

请对以下问题进行研究：

1．确定锅炉运行的最佳过量空气系数； 2．给出锅炉效率与过量空气系数的关系； 3．研究锅炉的运行参数对锅炉效率的影响； 4．探讨锅炉的优化运行方法。

2．问题的分析

对于问题1，锅炉运行的最佳过量空气系数即为当损失432q q q ++达到最小值时的

α的值，因此，建立过量空气系数α与432q q q ++的数学模型，并对其求导求极小值，

极小值点α即为锅炉运行的最佳过量空气系数；

对于问题2，由题设中的锅炉效率计算公式：

）

－（654321

1100100q q q q q Q Q q r

gl ++++=⨯=

=η 因此，可以分别建立2q 、3q 、4q 、5q 、6q 与α的数学模型，确立2q 、3q 、4q 、5q 、

6q 与α的函数关系，以此为桥梁求出锅炉效率与过量空气系数α之间的函数关系；

对于问题3，在对问题2的模型的基础上，以锅炉运行参数为自变量，以锅炉效率为因变量，建立数学模型，确定锅炉效率与锅炉参数之间的函数关系，通过分析锅炉参数变化时锅炉效率的变化趋势，从而确定锅炉运行参数对锅炉效率的影响；

对于问题4，我们在你问题3中数学模型求解得到锅炉效率与其一些运行参数关系的基础上，结合一些对实际的锅炉运行过程的了解，探讨出一些有助于优化锅炉运行效率、安全性、环保性的实际措施。 【未完待续】

3.模型的假设与符号说明

3.1 模型假设：

(1) 假设化学不（或可燃气体未）完全燃烧热损失3q 为常数； (2) 假设锅炉稳定运行时各运行参数保持不变； (3) 假设环境温度amb t 恒定且为C ︒20；

(4) 假设排烟热损失的经验系数1k 、2k 分别取5.05.321==k k 、； (5) 假设此锅炉的炉渣温度C t hz ︒=800； (6) 假设炉渣hz c 的比热容取()C kg KJ ︒⋅/96.0； (7) 假设飞灰fh c 的比热容取()C kg KJ ︒⋅/82.0；

(8) 假设散热损失5q 在锅炉的额定负荷与实际负荷一定的情况下，5q 为常数。 3.2 符号说明：

符号

数值名称 单位 1q 有效利用热 % 2q

排烟热损失

% 3q 化学不（或可燃气体未）完全燃烧热损失 % 4q

机械（或固体）不完全燃烧热损失

% 5q 散热损失 % 6q

灰渣物理热损失 % α 过量空气系数 gl η

反平衡计算锅炉效率 % fh C

炉膛出口飞灰含碳量

% y C 碳含量 % y H

氢含量 % y S

硫含量 % y O 氧含量 % y N

氮含量 % y W

无机物水分

% y A

灰分 %

y g Q

应用基高位发热量 kg KJ /

2O

烟气含氧量

%

符号 数值名称 单位

py θ

排烟温度 C ︒

hz C

炉底灰渣可燃物 % hz α

炉底排渣率

2RO

空气预热器出口烟气中二氧化碳含量

%

amb t

环境温度 C ︒

fh α

飞灰份额

r Q 、DW Q

低位发热量 kg KJ / GW Q

高位发热量 kg KJ /

zj α 最佳过量空气系数 ex α

排烟过量空气系数 CO

一氧化碳含量 % β 燃料特性系数

e D

锅炉额定负荷 h t / D

锅炉实际负荷 h t /

hz t 炉渣温度 C ︒

hz c

炉渣比热容 ()C kg KJ ︒⋅/

fh c

飞灰比热容

()C kg KJ ︒⋅/

m 常数 n

常数 l

常数

1Q 有效利用热 kg KJ /

2Q

排烟热损失

kg KJ / 3Q 化学不（或可燃气体未）完全燃烧热损失 kg KJ / 4Q

机械（或固体）不完全燃烧热损失

kg KJ / 5Q 散热损失 kg KJ /

6Q 灰渣物理热损失 kg KJ /

1k 、2k

排烟热损失2q 的经验系数

4.模型的建立与求解

5.1 问题1的模型建立与求解

根据题目中的条件，最佳过量空气系数zj α在432q q q ++达到最小值时取到，由图