实时入煤在线掺烧优化系统在火电厂的运用

郭建军

（国能常州发电有限公司，江苏常州 213000）

0 引言

为了保证发电，煤火力发电厂通常要保留一定的煤种，但由于煤炭市场的原因，电煤必须大量采购，因此实际使用的煤种越来越多样化，导致锅炉长期处于非设计煤种燃烧状态下。另外，为了节约能源，增加经济效益，许多电厂积极采购低质量、低价格的煤炭。但是，火力发电厂的锅炉设计是根据设计煤种和检查煤种来进行的，如果采用设计煤种则锅炉性能较好，否则会影响其燃烧效果、运行稳定性、低负荷调峰、热效率下降、过热结渣、过热、脱硫系统不适应、污染排放超标等。

由于煤质与设计煤种的偏差，导致我国电厂锅炉燃煤热能利用率总体上落后于国际先进水平，形成大量能源浪费。《中国能源政策（2012）》中提出清洁高效发展火电的目标，对新建机组执行更为严格的污染物排放标准，对既有机组则必须进一步实现节能降耗和减排，这无疑使火电行业面临更为严峻的挑战[1]。

由于煤炭品种多样、安全、高效、环保等多方面的原因，我国的火力发电厂普遍采用混煤掺烧技术，把两种或几种煤按一定比例混合，使混合煤的性能满足锅炉的燃烧与排放，从而有效解决上述问题。不过也面临着混煤的燃烧特性、污染物排放特性、混煤混合模式与寻优算法、混煤燃烧优化等问题。

1 系统构成

1.1 配煤设备

煤场机械设备主要包括煤场的风斗式采煤机、车辆式煤叶轮给煤机、火车煤叶轮给煤机、掀翻机械、煤场人工推煤机等，在应用过程中可以参考各个厂的实际情况，还可能包括其他可用的料斗设备，如筒仓等。

1.2 入炉煤皮带式煤质在线检测装置

本文所用的激光煤全元素化学分析仪安装在入炉煤带上，将其置于设备的空隙中，以减少灰尘、噪声、振动等直接影响仪器。本设备的前端装有多段式整型装置，保证输送带上的煤流不均匀，防止对设备造成损害。在新开工的上煤带式原煤仓加煤后，利用高能量脉冲激光激发每一待测煤流，使煤流中的表面煤颗粒化学键断裂，化学成分被电离而产生的金属分离物，并对光谱信息进行摄影、录像和分析。确定并计算出待测元素的物理化学性质谱，再根据光谱信息进行化学工艺处理，进而通过模拟计算实现对各种微量元素以及煤炭中水分、灰分、发高温、硫分等的定性分析等[2]。利用该装置可以对目前上煤带煤流中的各种矿物进行实时监测，其中包括水的发热、硫分、坩埚、灰分等以及目前煤炭中C（碳）、H（氢）、N（氮）、O（氧）等元素的含量。将带式上实际煤流的所有矿物质数据进行分析，然后通过网络将其传送至在线的最佳掺烧控制系统。

1.3 在线掺烧优化软件

软件采用B/S 结构，安装在火力发电厂内部网，其主要功能有煤厂内部堆煤控制、精确配煤、实时运行优化、即时经济分析、执行结果评价以及购煤提等。在线配煤掺烧系统主模块逻辑关系如图1 所示，用户也通过因特网访问使用。

图1 在线配煤掺烧系统主模块逻辑关系

2 工作流程

2.1 精准配煤

火力发电厂的主要燃料有机车用煤和煤场用煤，其中机车用煤通过传动装置、翻车机等装置输送到1#皮带，然后通过输送站、皮带，最后到达3 号转运站，煤场通过齿轮给煤机将煤装到10#皮带，再在3 号换乘站将机车煤混匀；煤场用煤经人工分层堆存，利用斗轮式取煤法将煤直接运至9#皮带，再经由4 号换乘站和3 号转换站的煤炭进行混合（图2）。电厂职工可根据实际情况选用火车煤叶轮送煤机或翻转机械输送煤、火车煤卸煤沟、煤场斗轮堆取煤机械输送等多种组合方式。

图2 配煤流程

通过对入炉后的煤质进行分析，确定了最终的配煤方案：在上煤完毕后，通过安装在4 号换车后的入炉煤带煤流煤质实时监测系统，监测入炉煤带煤流中的煤质，并将煤质信息传输至掺烧优化软件[3]。采用掺烧优化程序可以实时地计算出入炉煤带煤的实际煤质与配煤方案中的理想煤质之间的误差，如果偏差较大，可以通过调节最前端煤种及比例，直至全部入炉煤皮带实际煤质达到配煤解决方案的要求，从而实现了精确配煤总体目标。煤质偏差检测结果见表1，其中Qnet为收到基低位发热量。

表1 煤质偏差检测结果

2.2 实时优化调整

装置的基本运行过程是，先由SIS（Safety Instrument System，安全仪表系统）采集各给煤机的给煤量等基本数据，然后根据实际给煤的皮带数量和煤流等煤质数据，计算炉内实际点燃的煤炭量（表2）。

表2 实时入炉煤质的计算结果

通过对煤粉锅炉的煤质分析，结合SIS 的主要控制参数，得出煤粉锅炉的冷却、热风的启动、煤粉锅炉的细化、煤粉锅炉的优化等关键指标，以及各层的二次风开度、燃尽风开度、尾烟挡板高度及运行氧量等（图3）。

图3 实时优化调整

2.3 实时经济指标计算

从SIS 收集锅炉的核心运行数据，然后分析燃料生产、燃料运输、脱硫、脱硝、除尘、系统维护等成本，以实现对实际发电效益的实时计算（表3）。

表3 实时经济指标计算结果

由于实际的发电费用能反映目前煤炭的设备维护费用和环保投资费用，因此能用来对电厂进行综合评价。

3 收益分析

3.1 燃用经济煤种收益分析

在配煤掺烧工艺中，为提高热排放达标的高压锅炉带负荷生产能力，通常都采取比较保守的配煤方法，即硫浓度分配偏少一些、发热量分配偏高一些。电厂在引进了基于实际入炉煤质的即时掺烧工艺后，对煤质进行监测，实现了对煤质的准确控制[5]，可以确保上煤加仓的煤质数据更加贴近配煤掺烧要求，从而能够提出更为科学合理的配煤计划，并相应提高燃用高硫煤和低热值煤等标煤价格比较便宜的煤种类，进而降低电站的高压煤价格生产成本。

本文所研究的两个300 MW 机组年平均负载为75%，所以使用的3 类原煤煤质比对在单装锅炉中燃用的燃料质量所产生的影响。在没有入炉煤质的测试资料时，为保证烟气中SO2等不会超标，选择20∶40∶40 的原煤混合工艺。采用现场煤质管理技术，在满足排放标准的前提下，将3 种原煤的混合比改为20∶35∶45，含硫的其他煤的比例从40%增加至45%，不仅能达到脱磺碱的机组工作条件，还由于使用优质的经济煤种，两个机组将节约成本441.40 万元。如果再考虑通过增加较低热值煤掺烧的比重和利用高配煤掺烧增加发电机组的稳燃性能、带负荷性能、减少污染物排放量等所获得的利益，其经济性和环境价值将更大。

3.2 锅炉效率提高收益分析

在没有进行入炉煤的煤质参数监控之前，由于电厂实际配煤参数与预报值不符，导致煤质与预测值有较大差异，实际进炉煤质波动较大时，火力发电厂对煤质的影响较大，如果既不能得到真实入炉燃烧的煤质，也不能为锅炉的正常运转提出有效优化措施，则燃煤锅炉的运转参数也不能达到最优化[6]。

利用在线掺烧调整技术，一方面能及时掌握进炉煤种的情况，方便对煤种进行反应，调整煤种的比例，避免煤质的波动[7]。另一方面还可以获得在锅炉设备中或实际进入炉膛之前燃烧的煤种，并通过使用煤种控制锅炉运行氧量、风门开度、风开量、磨煤机的种类，保证锅炉设备运行处于最优状态，从而大大提高设备效率，达到节能的目的[8]。

在开发期间，对该系统投入使用前和投入使用后的效果比较试验。结果表明：系统未投入运行前，入炉煤炭的煤质发生了很大变化，并且有时由于燃煤锅炉的总氧含量过低，燃煤锅炉固体在不充分燃烧时的热损失明显增加，总压煤高压锅炉效率仅为88.6%；系统投运后，不仅入炉的燃煤质量比较稳定，而且可以实时控制燃煤锅炉的运行参数，压煤和高压锅炉的效益达到89.77%，较常规燃煤锅炉的经济效益提高1.09%。按照当前的225 MW 机组容量计算，每台机组每小时可以节约煤炭0.91 t。按电站的两台发电机组月平均使用总小时数3500 h 估算（按225 MW 折算则约为4666 h），可年节省标准煤8493 t。按标准煤单价500 元/t 测算，每年节省成本约424.60 万元的费用。

4 结束语

利用实时煤质信息的实时掺烧优化技术，克服了传统配煤系统机械采样中煤质信息滞后的影响，可以做到精确配煤掺烧，实现对燃煤锅炉有关参数的最优调整。利用该技术，电厂可燃烧更多价格较低的劣质煤种，并采用精确配煤措施，根据锅炉的有关技术参数进行调节，确保锅炉长期工作在良好工况，进而为企业创造更多利润。