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如何有效優化火電廠鍋爐的燃燒效率？

2023.09.07

一、火電廠鍋爐燃燒優化的意義和關鍵

鍋爐是火電運行中重要的設備之一，其燃燒性能的優劣直接影響到鍋爐的運行效率，從而影響到整個發電效率。研究鍋爐的燃燒過程并對鍋爐燃燒技術進行優化，便攜燃燒效率分析儀設備的使用，能夠從一定程度使鍋爐燃燒效率最大化，提高產電率，降低污染物排放量，促進火電行業健康發展。通過對鍋爐燃燒的優化調整，以確保鍋爐燃燒系統保持內部穩定的燃料供給、送風量，保持穩定的壓力、溫度和蒸發，這樣既能促進燃料的充分燃燒，提高燃料利用率，降低成本，還能避免燃料結渣，防止燒毀燃燒器材，避免發生意外事故。提高鍋爐機組的運營經濟性、安全性及環保性。對于火電廠鍋爐燃燒優化技術，其關鍵首先在于必須依托準確的檢測數據。檢測數據的精準程度，直接影響到優化方案的制定，從而影響到優化結果。另外，鍋爐燃燒的效率優化，還要在燃燒器的優化設計上大下功夫，可以加強煤炭二次燃燒技術的研發，利用機組溫熱技術，提高能源利用率，降低企業成本，降低排放。
二、鍋爐燃燒優化主要技術

1.基于先進檢測技術的鍋爐燃燒優化

基于先進檢測技術的燃燒優化技術是火電廠鍋爐燃燒優化的主要方式，在鍋爐的燃燒過程中，通過實時在線檢測爐膛火焰溫度、煙氣的含氧量、飛灰的含碳量、NOx的濃度等鍋爐運行重要參數，并對這些參數進行分析處理用以指導運行人員對鍋爐的燃燒進行實時調整，從而在提高鍋爐燃燒效率的同時降低NOx排放量。近年來大量火電技術研究者采用如爐膛火焰檢測、煤質分析、風煤檢測及爐膛排放物檢測等先進檢測技術對鍋爐進行燃燒優化，其中火焰檢測技術應用最多。
對于電廠鍋爐，爐膛火焰檢測可實時反映爐內不同區域的溫度，火焰中心所處位置等信息，對掌握爐膛內煤粉燃燒狀態及降低污染物排放有著重要作用。爐內溫度檢測及溫度場重建技術多年來一直是火力發電方面技術人員的重要研究方向。利用紅外熱像技術對爐膛水冷壁上亮點的大小進行監測用以判斷水冷壁的結焦情況，從而實時調整爐內煤粉的燃燒。利用紅外輻射測溫原理設計了一種無接觸式爐內二維溫度場重建方法和溫度場上位機展示系統，系統可直觀地反映火焰的中心位置從而防止火焰中心偏移，并且系統求出的各分區溫度值可為鍋爐SCR及SNCR脫硝技術提供一定的控制依據，從而在調整爐膛燃燒效率的同時控制NOx排放量，但紅外測溫的缺點在于測溫儀的保護套管在高溫下容易結焦，因此需要配備吹灰裝置。利用激光吸收光譜方法對爐膛參數進行測量并重建溫度場，通過在某680 MW機組燃煤鍋爐測試表明激光測量系統可對爐內多個參數如爐溫及不同煙氣成分濃度等進行測量，根據測量結果可有效指導鍋爐燃燒優化運行從而使煤粉穩定燃燒及溫度場均勻分布。利用聲波測溫技術對W火焰鍋爐煙溫進行測量，并以測量結果為依據對鍋爐進行燃燒調整，從而有效地避免了燃燒不充分及結焦問題，提高了鍋爐熱效率。

2.基于鍋爐燃燒器改造的鍋爐燃燒優化

燃燒器是保證鍋爐穩定燃燒的重要設施，對鍋爐進行低氮燃燒器改造，在不同的條件下進行空氣分級燃燒、燃料分級燃燒或煙氣再循環燃燒，可有效降低NOx生成量并提高鍋爐燃燒效率。針對某電廠300 MW亞臨界鍋爐機組提出了低NOx燃燒器改造，改造方案包括復合空氣分級、低NOx燃燒器、高位分離燃盡風等減排措施，方案在滿足低NOx排放的同時提高了燃燒效率并防止了結渣及高溫腐蝕等問題。但在低氮燃燒器改造實際應用中，該技術會對鍋爐的穩定性、水冷壁結焦、飛灰含碳量、運行效率等方面產生影響，因此在改造技術實施過程中需要根據影響鍋爐穩定性的各類因素對二次風、氧量以及分級燃燒技術等進行調整。

3.基于智能控制算法的鍋爐燃燒優化

鍋爐智能燃燒優化的實質是通過先進檢測裝置檢測鍋爐各關鍵運行參數并對這些參數進行實時分析處理，然后采用AI優化控制算法在線調整鍋爐運行參數，使鍋爐燃燒的各類運行參數處于最佳狀態。智能燃燒優化系統一般為基于電廠現有DCS控制系統的控制系統，無需對鍋爐進行改造，投資少、風險小且優化效果顯著。如圖1所示為智能燃燒優化控制系統結構圖，系統分為開環操作指導和閉環監控兩種優化方式，開環方式為智能優化系統將各被控量的調節值提交給運行人員，由運行人員手動對DCS系統進行調節；閉環方式為智能優化系統將各被控量的調節指令直接上傳至DCS系統中，自動完成優化調節。

清華大學張毅等人基于神經網絡算法建立鍋爐運行效率及NOx排放的預測模型，并采用遺傳算法生成實時最優控制參數，然后通過與電廠DCS系統雙向通信實現鍋爐運行優化控制，從而實現經濟與環保相協調的優化運行目標。該系統通過在某電廠試驗，結果顯示系統可在提高鍋爐燃燒效率的同時降低NOx排放。將鍋爐燃燒過程中的17個輸入變量作為優化變量、7個輸出變量為優化目標，采用粒子群算法求解優化控制參數，從而為鍋爐優化控制提供依據。除此之外，還有其他學者將極限學習機、支持向量機模型等算法應用于鍋爐優化控制中，這些智能優化算法適應性強、實時性強，在鍋爐燃燒優化控制中有著很好的應用前景。
三、燃燒優化技術發展趨勢
先進檢測技術與智能控制技術這兩種技術在鍋爐優化方面都已有很多應用且取得了較好的優化效果，但目前并沒有被很好地結合并應用在鍋爐優化中，如果可以將這兩種技術緊密結合、互為支撐，爐膛檢測結果為智能算法提供優化數據依據，智能算法對檢測結果進行分析并生成優化指令，鍋爐將取得更好的燃燒優化效果。例如根據爐膛平面各區域的溫度值及火焰中心偏向，并結合智能算法實時生成優化指令，從而調整煤粉燃燒參數及鍋爐脫硝系統尿素噴灑量，則可實現在提高鍋爐燃燒效率及穩定性的同時降低污染物排放量及減排成本。