300MW机组自然循环锅炉性能优化试验

300MW机组自然循环锅炉性能优化试验

马良

华电能源股份有限公司牡丹江第二发电厂 157015

摘要：在市场竞争的环境下，发电企业必须同时关注多项生产指标；其中包括出力、效率、安全、可靠、空气排放物与生产成本等。我厂研制SOAP锅炉优化系统，在8、9号机组对锅炉系统进行全方位系统化的优化。

本系统是一个在线系统，由运行关键参数监测设备和性能优化软件两部分组成。该系统以试验数据为核心，在运行的过程中，同步考虑多变量对多项生产指标的影响。通过试验设计收集大量运行数据，利用人工神经网络、统计回归分析和模糊数学等工具建立多变量与多目标之间的非线性数学模型，在多重的限制条件下降低供电煤耗、氮氧化物，解决了锅炉性能全面多目标优化的难题。能够提供操作方法，实现在线开环指导锅炉优化运行或闭环控制锅炉优化运行。

关键词：试验设计燃烧调整降低氮氧化物多目标优化模型预测控制

1设备概况

我厂四期工程2×300MW热电联产机组采用的是哈尔滨锅炉厂生产的HG-1025/17.45-YM28型亚临界压力一次中间再热、自然循环汽包锅炉，锅炉为单炉膛四角布置摆动式燃烧器、切向燃烧、固态除渣、平衡通风，并与哈尔滨汽轮机厂生产的N300-16.7/537/537型汽轮机相匹配，每台机组采用5台MPS190HP-Ⅱ型中速磨煤机，正压冷一次风直吹式制粉系统。锅炉最大连续负荷（即BMCR工况）为设计参数，在机组电负荷为336.3MW时，锅炉的最大连续蒸发量为1025t/h；机组电负荷为300MW（即TRL工况）时，锅炉额定蒸发量960t/h。设计主蒸汽压力为17.45MPa，主蒸汽温度为540℃，再热蒸汽温度为540℃。在原设计与校核煤种下，四台磨煤机运行一台备用。设计燃煤成分（采用七台河、双鸭山、鹤岗矿各占三分之一的混煤作为设计煤种）及灰特性见表1：

表1 燃煤成分及灰特性

项目设计煤种

鸡西、七台河地区烟煤、混煤

掺烧1

低质长焰煤（东宁地区

柴煤）

掺烧2

褐煤（蒙东地区宝矿）

发热量Qnet，ar 17.33—18.19MJ/kg 4144—

4350大卡

3800—4000大卡3500—3600大卡

灰分Aar 40—40.32% 30—35% 20—25%

挥发分Vdaf 30.55—36.56% 45—50% 40—45% 全水7.28—7.93% 10—15% 28—32% 碳HCar 44.4—45.75%

氢Har 2.67—3,15%

氧 Oar 4.41—5.37%

氮 Nar 0.5—0.62%

全硫 St，ar 0.23—0.3%

软化温度〈1500℃

可磨性 1.25

目前掺烧的煤种的特性见表2：

表2 目前掺烧的煤种的特性

鸡西、七台河地区烟煤、混煤

发热量Qnet，ar 17.33—18.19MJ/kg 4144—4350大卡

灰分Aar 40—40.32%

挥发分Vdaf 30.55—36.56%

全水7.28—7.93%

碳HCar 44.4—45.75%

氢Har 2.67—3,15%

氧 Oar 4.41—5.37%

氮 Nar 0.5—0.62%

全硫 St，ar 0.23—0.3%

软化温度〈1500℃

可磨性 1.25

褐煤

全水分Mt 28.00

空气干燥基水分Mad（%）7.56

干燥基灰分Ad（%）27.37

干燥无灰基挥发分vdaf（%）45.82

空气干燥基固定碳FCad（%）36.38

空气干燥基弹筒发热量Qb,ad(Mj/kg 20.993

空气干燥基高位发热量Qgr,ad(MJ/kg) 20.938

收到基低位发热量Qnet,ar(MJ/kg) 15.152

收到基灰分Ar（%）19.71

两台机组分别在2010年10月1日与2011年1月17日顺利通过168试验进入商业运行，锅炉经过热力性能试验均能达到原设计标准。为了大幅度的降低生产成本，目前掺烧褐煤，现掺烧煤种的特性见表二。褐煤的含水量高，发热量较低，直接影响到磨煤机的出力，褐煤的挥发分高，灰熔点偏低，容易结焦。在高负荷的情况下落焦量大，容易在排渣斗造成堵渣现象，对机组运行造成困境，需要在线人力除焦，才能确保高负荷运行。为了减轻炉膛结焦、落焦、堵焦与除焦的问题，目前采取高氧运行的方式也直接影响了经济效益。现燃烧煤质与设计煤质的差异，煤质相对不稳定造成运行参数较大幅度的波动，使运行人员面临巨大的挑战。

2多目标的锅炉性能优化系统及其原理

目前今天的火力发电厂面临的是多目标的生产技术指标，其中包括有：

增加出力；改进供电煤耗；减低空气排放物（NOx、SOx、CO2、Hg等）；提高机组的可靠性与可用率；确保安全；降低生产成本。

多重的指标之间很可能相互冲突，今天的火力发电厂在竞争的市场中，必需在可靠、安全与环保的限制条件下达到降低生产成本的目的。为达到这一目的，必须彻底地了解所有限制条件的内涵，设计出一套合理的策略，在各参数随时在变的情况下，进行最优的性能组合与交换。

在传统的习惯上，我们一般把解决问题的注意力及资源集中在改造与维修上，花费甚巨。在运行方面，依靠着厂商提供的自动控制系统与运行规则。一般而言，控制系统在全负荷与稳定工况下应能提供安全与稳定的运行。然而在不同运行工况下（如变负荷、煤质改变、煤质突变或异常工况），这个假定不见得成立。这时运行人员必须依靠个人的知识、经验与智慧来进行调整。即使控制系统能提供相对的安全稳定运行，然而对热效率、可靠性与空气排放物的要求，也不见得是最好的运行方式。因此在运行，成为了一个较弱的环节。事实上，在运行方面蕴含着许多潜力，这些潜力如果能被发挥出来，对电厂的整体效益有很大帮助。

我厂的集控室内，已经增加了下列的指导与监测系统：

供电煤耗差分析系统；状态检修监测系统；NOx优化系统。

这些指导监测系统与原控制系统使用的运行参数大体相同。因彼此的目的不同，提供的运行方式可能相互冲突。为了安全的考虑，这些后加的系统仅能提供指导，不一定能成为控制的手段。一般而言，这些辅助系统最大的缺失在于仅指出问题的所在，而不提供解决问题的手段，操作人员必须依赖个人的能力，来解决许多错综复杂的问题，在许多矛盾的情况下，操作人员在维持安全与稳定运行的前提下，常无法兼顾其他的要求。

锅炉的设计相当严谨，其中包括了水循环、烟气、蒸汽系统等，有多重不同的数学物理模式，在不同模式的接口上，为了顾虑与实际情形的差距，在设计上，常常同时考虑最坏的情况，这些在设计上的思维运行控制系统，使得原设计与实际运行的情况有很大的差距，常常不能反映出设计的内涵与实际运行的情况。

虽然现代的控制系统从原来的Analog改成DCS，在过程反应与延迟时间上改过了很多，然而控制逻辑基本上没有改变。以汽包炉为例，锅炉仅具备有下列三个控制系统：

给水/汽包水位控制系统；燃烧控制；蒸汽温度的控制。

如果我们把控制逻辑与设计的方法作一比较，我们会发现，控制逻辑相当简单，这些逻辑也行之有年，极少改变。同时锅炉具备有大量的保护系统来维持安全运行。严格来说，如果了解其中的内涵并处理得当，锅炉运行方面有很大的潜力可供挖崛。锅炉运行的可调参数很多，如对关键性的中间参数加以控制，则最终的反映参数的目标“锅炉性能优化”比较容易达到。

3通过控制烟气参数改善锅炉性能

3.1烟气参数的监测和控制

目前锅炉运行参数的信息与控制偏重于蒸汽系统，而对烟气系统的控制缺乏信息与手段。烟气系统如能控制好，蒸汽系统基本上不应产生太多的问题。

炉膛出口烟气温度FEGT（Furnace Exit Gas Temperature）是反映炉膛燃烧、能量平衡和热量交换的一个重要过程参数。FEGT的控制对锅炉运行的安全性、可靠性、经济型及降低污染物排放，延长锅炉使用寿命有着重要的作用和影响。

通过对FEGT这一关键参数的控制，锅炉专业人员可以更准确的掌握锅炉燃烧运行情况并有效的控制和改善锅炉的性能。如果FEGT偏离了设计值可能产生如下情况：经典控制理论指导下的热工控制系统，只关注逻辑控制单元的输入和输出。在分散和有限变量的控制模式下，无法实现锅炉系统的运行优化控制；现代控制理论提出了过程控制观点，需要对锅炉系统的过程进行深入的了解和有效的控制，锅炉的优化运行需要正确的烟气侧过程及烟气的监测和控制，然而现在大多数锅炉缺少合适的烟气侧在线监测手段。FEGT这个关键点位于燃烧流程的中间位置，它的正常运行数据、瞬时变化和变化趋势等等，可以作为判断炉内燃烧状况、氮氧化物排放、受热面污染以及过热器、再热器运行工况的重要依据。远红外线辐射测温仪系统提供了120-1650℃的烟气温度测量范围，可以实现炉膛出口烟温FEGT的在线监测，为锅炉系统进一步优化提供关键参数拓展了空间。

存在问题：

a）炉膛结焦、结渣：使得过热器和再热器部位的腐蚀加快，缩短重要部件寿命，增加维修费用。

b）可能造成超温：发生过热器、再热器管的超温爆管或金属蠕变、失效。

c）造成过热蒸汽或再热蒸汽温度偏差增加减温水投用、热效率降低。

d）排烟温度升高，排烟损失增大，热效率降低。

控制好FEGT可以直接改善下列运行上的问题：

·炉膛结焦问题的改善：炉膛结焦是一个复杂的问题，其中受到煤质、灰熔点、炉膛原设计单位面积/体积发热量、炉膛出口烟温、炉膛氧量等因素的影响，减缓现行结焦的情况，仅能采取试验的方式来达到，一般而言，FEGT对结焦有相当程度的影响。

·吊屏结渣的控制：控制炉膛出口温度可能减少炉膛上部吊屏的结渣问题：控制FEGT低于煤灰的熔融、软化温度，可以使干燥的煤灰不能粘附在换热管上，因此避免了结渣的发生。

·吹灰的控制：FEGT可以作为基本参数用以建立自动的吹灰程序或指导运行人员进行手动吹灰。如果FEGT超过了原始的设计值表明炉膛换热面已经受到了污染，运行人员应进行炉膛吹灰；当FEGT 达到或低于设计值后，应停止吹灰。过多的炉膛吹灰不仅浪费了能量，而且可能产生吹灰器附近水冷壁的冲刷腐蚀问题。

·煤灰（液态）腐蚀的控制：对于高硫分的燃煤，维持FEGT低于煤灰熔融温度50℃，使干燥的煤灰流过对流通道，能减少煤灰对过热器的腐蚀。

·蒸汽温度的控制：使用燃烧器摆角、燃烧器的组合、各层燃烧器煤量的分配、二次风量的分配等手段，控制好FEGT能达到蒸汽温度及减温水的控制。

·氮氧化物的控制：FEGT直接影响了燃烧的情况与氮氧化物的生成。

3.2运用远红外测温系统测量炉膛出口温度

对电厂锅炉来说，FEGT是一个关键性的参数，应当在锅炉的启动和运行过程中进行在线监测。锅炉启动过程中，必须对FEGT进行监测，控制过热器壁温不超过允许值。

随着科学技术的发展，一种发源于航天测控的远红外线温度测量技术已被应用于烟气温度的测量，这种特殊的探测器可以准确测量燃烧进程中炉膛内产生的炙热CO2气体的辐射的特征光谱，并通过特别的窄带窗口（滤波器）滤掉其他辐射源发出的谱线，远红外探测器可以测定辐射源的密度（能量）。因为远红外探测器仅仅对高温CO2气体辐射的特征谱线具有敏感性，因此其可以直接测试某一区域内的CO2气体的温度。

远红外辐射式高温测量仪（见图1）是非接触式的光学仪器，可以安装在任何观察孔、检修口或穿过锅炉和墙面安装。并采取压缩空气冷却、吹扫设施及保护外壳。压缩空气带有过滤净化装置，可在线工作于环境恶劣的测试环境。其安装使用极其简便，输出信号可以直接显示和远传，测量炉膛内烟气的温度范围是120-1650℃。

图1 远红外炉膛测温仪

3.3锅炉性能优化系统

从1995年起，美国的电厂为了有效的降低NOx排放，使用了人工神经网络（Artificial Neural Network－ANN）技术对锅炉燃烧进行优化。这项技术在近期演变成为多目标全方位的优化手段，成为一种在线的锅炉性能优化系统。该系统经过训练后，能对不同的指标与限制条件进行整合和交换，能提供具有实际指导意义的优化操作方法。与过去的耗差分析和状态监测系统相比，前进了一大步。人工智能神经网络系统具有自学习功能，可在线开环或闭环进行优化控制。但做闭环控制时，优化系统需要注意避免与热控系统（DCS）发生逻辑冲突。在美国电力系统的应用中，已有大量的机组使

用这类系统进行运行与性能优化。目前在国内，也已经取得许多优化的成功范例。采用优化系统对供电煤耗的改进为0.5－3%,NOx的排放大约可以减低10%-40%，这类系统一般使用现有仪表不需要改变硬体设备。

其优化的过程包括有下列步骤：

选定优化目标；选定运行的可输入变数与反映参数；选定可调与反映变数的限制条件；使用试验设计来采集全方位数据；确定关键性的运行参数；进行锅炉性能目标优化；进行验证试验；进行开环和闭环控制试验调试；追踪在线开环指导优化或闭环在线优化运行。

人工神经网络的技术，依赖的是实际的运行数据。因此能直接反映出可调变量与反应参数的关系。与耗差分析和状态监测系统的思路不同、做法不同、效果也不同。这项技术所得到的最终效果，有时能够突破原设计值。

锅炉性能优化系统包含对下列锅炉子系统和锅炉系统运行参数的调整：

·子系统：吹灰系统；制粉系统；风烟系统；燃烧系统；脱硫系统。

·运行参数：燃烧器组合；一次风压与风速；二次风压、风量与分配；各层燃烧器煤量的分配；过氧量。

3.4 SOAP系统简介：

我厂采用的优化系统为SOAP系统，全名为System Optimization Analysis Program，SOAP系统是以锅炉专家丰富的专业经验和系统观念为基础，并针对锅炉的具体特点进行多目标优化设计。它基于先进的人工神经网络技术，引入美国成功的优化经验，建立包含锅炉多目标的快速收敛的数学模型，分析并挖掘这些潜在的优化空间，在量化潜在的优化空间的同时，提出具体改善锅炉性能的方法和优化指标。SOAP锅炉性能优化系统在开环指导模式下，向锅炉运行人员实时发布优化运行提示，并给专业技术人员提供锅炉运行优化指导文件和优化运行曲线；在闭环模式下优化指令通过DCS直接输出优化运行指令，这正是和其他锅炉优化系统的最大差别。其他锅炉的优化系统只能提供操作的效果和变化趋势，并不能给运行人员提供优化运行提示。

SOAP锅炉性能优化系统的人工神经网络是智能化的，它具有自学习自适应的功能。SOAP系统可以与电厂的主机DCS系统相连接，并可以从中获取锅炉运行的实时参数和数据，并结合SOAP系统测试获得的数据，利用统计回归分析对试验数据进行分析和筛选，筛选后得到的高质量试验数据用于指导软件工程师进行人工神经网络训练，并最终确定锅炉系统优化数学模型，并利用该模型对实际运行过程中新出现的运行工况自动推断出最优的运行参数。为锅炉运行人员提供一个涵盖提升优化性能、补强薄弱环节和指导操作控制的分析平台，提供改善系统性能的方法。这也是其他现有的锅炉控制系统所不具备的。

图2. SOAP系统原理图

SOAP系统技术方案突破了当前常见优化方案的传统理念和方法，立足于全面优化思想和技术路线。项目实施的基本程序为：锅炉基本信息前期调查、企业需求分析和优化目标确定、试验设计、增加关键中间参数控制、试验数据采集、数据验证、训练人工神经网络、确定优化结果和建立锅炉性能优化分析系统数学模型，系统原理如图2所示，SOAP锅炉性能优化具体流程见图3所示。

图3.锅炉性能系统具体流程图

3.5 SOAP优化系统在我厂的应用：

2011年5月，SOAP系统在我厂#9锅炉进行了优化试验，具体的试验包含了下列内容：

1.290MW试验

（a）.A-B磨烟煤，C-D-E磨褐煤

（b）.A-D磨烟煤，B-C-E磨褐煤

2.250MW试验

（a）.A-D磨烟煤，B-C-E磨褐煤

（b）.D磨烟煤，A-B-C-E褐煤

3.210WM试验

（a）.A-D磨烟煤，B-C-E-褐煤

（b）.D磨烟煤，A-B-C-E褐煤

4.180WM试验

（a）.D磨烟煤，B-C-E褐煤

为了经济性的改善，在优化试验中尽量使用褐煤，因考虑到减缓炉膛结焦、落焦、堵焦与除焦

的困扰，在优化试验中维持了较高的一次风压与二次风压，并维持了较高的氧量。

试验步骤包括：基准试验；过氧量的调整；OFA挡板开度的调整；便捷风挡板开度的调整；二次风挡板开度的调整；各层煤量的调整。

本文仅讨论1（b）与2（a）的优化结果

290mw5台磨（A、D磨配烟煤，B、C、E磨配褐煤）

试验数据及分析

·主汽温度与再热汽温均能达到提升，减温水基本不变（见图4、图5 与图6）

·随着过氧量的降低，炉膛出口烟温有上升的趋势，可能是炉膛内随着时间结焦（见图7）。

·随着过氧量的降低，送引风机电流明显下降（见图8）。

·飞灰含碳量从1.77下降到1.11。

·图9中显示出空预器入口烟温呈下降趋势，空预器出口烟温却成上升趋势，空预器内积灰，需要适度吹灰。

·供电煤耗降低了大约2g/kwh以上。（见四、计算说明）

图4 主汽温度

图5 再热汽温

图6 再热器过热器减温水流量

图7 过氧量与炉膛出口烟温

图8 送引风机电流

图9 空预器入口烟温与排烟温度

250MW锅炉性能优化试验(A、D烟煤 B、C、E褐煤)

试验数据分析如下：

·炉膛出口烟温随时间的增长呈明显上升趋势，从1033℃上升到1118℃，说明随着时间的增长炉膛右结焦现象（见图10）；

·主汽温度与再热汽温均能达到提升（见图11与图12）；

·再热器减温水基本不变，过热器减温水下降（见图13）；

·过氧量从6%降至4.5%，总风量大幅度下降（见图14）；

·空预器入口烟温呈明显下降趋势而空预器出口烟气温度呈上升趋势（见图15），说明空预器随时间的增长有积灰现象，空预器需要适度吹灰；

·送引风机电流明显下降（见图16）；

·NOx达到适度的下降（见图17）；

·飞灰含碳量从1.45降低到0.81；

·供电煤耗降低了大约2.3g/kwh以上。（见四、计算说明）

图10 炉膛出口烟温与锅炉负荷趋势图

图11 炉侧主汽温与再热汽温

图12 机侧主汽温与再热汽温

图13 过热器与再热器减温水量

图14 锅炉总风量与二次风压差

图15 空预器入口烟温与排烟温度

图16 送引风机电流

图17 烟气氮氧化物含量

四、计算说明

290MW负荷优化结果

参数名称单位试验区间基准值优化值差值供电煤耗机组负荷MW 288.5-294.8 290 290 ---- --- 主蒸汽温度℃532.9～536.8 536 536 ---- --- 主蒸汽压力Mpa 16.5～16.75 16.7 16.7 ---- ---

再热蒸汽温度℃534.8～538.9 537 538 ---- ---

空预器入口烟温℃333.1 ～

337.9

337.9 333.1 4.8 0.7

过热器总喷水量t/h 83.7～90.3 86.7 80 6.7 ---- 再热器总喷水量t/h 18.86～29.44 23.5 20 3.5 ---- 烟气氧量% 4.35～5.55 5.45 4.35 1.1 1.16 飞灰含碳量% 1.77～1.11 1.77 1.11 0.66 0.27 送风机电流 A 81.1～94.7 94.4 81.1 13.3

引风机电流 A 428.6～527.5 527.5 428.6 98.9

供电煤耗g/kwh 2.13

250MW负荷优化结果

参数名称单位试验区间基准值优化值差值供电煤耗机组负荷MW 250.1-252.8 250 250 ---- --- 主蒸汽温度℃534.8～538.8 540 540 ---- --- 主蒸汽压力Mpa 16.5～16.8 16.7 16.7 ---- --- 再热蒸汽温度℃536.6～541.9 540 540 ---- ---

空预器入口烟

温℃319.3 ～324.3 324 319.8 4.2 0.61

过热器总喷水

量t/h 38.3～53.7 ---- ---- ---- ----

再热器总喷水

量t/h 4.5～16.2 ---- ---- ---- ----

烟气氧量% 4.41～6.12 6.0 4.6 1.4 1.48 飞灰含碳量% 0.81～1.45 1.45 0.81 0.66 0.27 送风机电流 A 70.1～80.3 79.7 70.4 9.3

引风机电流 A 307.2～375.6 375.6 314 61.6

供电煤耗g/kwh 2.36

供电煤耗计算方法

参数名称变化幅度影响供电煤耗率(g/kwh)

烟气含氧量1% 1.059

飞灰可燃物1% 0.423

锅炉排烟温度1℃0.146

主蒸汽压力0.1MPa 0.161

主蒸汽温度1℃0.092

再热蒸汽温度1℃0.085

过热器减温水量1t/h 0.004

再热器减温水量1t/h 0.035

5 结束语：

在更换煤种，煤质不稳定及结焦等许多限制下，SOAP系统在我厂#9锅炉已完成了试验并收到很好的效果。此次优化试验的结果取自于降低氧量、增加或维持风压、改变配煤方式、提高主蒸汽与再热蒸汽温度、降低排烟温度、降低减温水量与送、引风机电流等，挖掘了锅炉的节能潜力，锅炉燃烧的经济性有所提高。随着优化系统使用经验的成长，#9锅炉应有进一步优化的空间。

参考资料：

1.《condition monitoring for boiler availability improvement》状态监测对锅炉寿命的改善，2003年12月；

2.《inherently reliable boiler component design》锅炉设计的可靠性2003年3月；

3.《statistical analysis methodology for predicting impact of operation factors on boiler availability》利用统计分析法

预测影响因素对锅炉运行的可用性研究 2001年12月；

4.《Heat rate improvement reference manual》热耗率改进的参考手册 1996年7月；

5.《锅炉性能优化系统的应用实验研究》《中国电力》2004年12月第37卷第12期；

6.哈尔滨锅炉厂生产的HG-1025/1

7.45-YM28型亚临界压力一次中间再热自然循环汽包锅炉机组；

7.西安电力学校主编《锅炉设备及运行》；

8.中国电机工程学会安全技术委员会《电力安全技术》；

9.我厂《300MW机组集控运行规程》。

作者简介：

马良男汉族 1970年1月在黑龙江省牡丹江市出生，1989年10月进入华电能源股份有限公司牡丹江第二发电厂锅炉检修工作，2003年毕业于黑龙江广播电视大学热能动力工程专业，在2005年取得工程师资格后，在锅炉本体检修方面带领班组人员解决大量技术难题，特别是解决了如何控制锅炉“四管”防磨防爆等技术难题，在锅炉受热面改造方面提出了很多锅炉“四管”防磨防爆建议，通过实施取得了非常好的效果，为电厂的节能降耗和安全生产做出了贡献。现任华电能源股份有限公司牡丹江第二发电厂生技部锅炉专工。

联系电话：0453-*******；

电子信箱：ml--1970@https://www.wendangku.net/doc/7611117594.html,；

详细通讯地址：黑龙江省牡丹江市阳明区桦林路牡丹江华电能源股份有限公司牡丹江第二发电厂生技部。