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1、华北电力大学（北京）硕士学位论文动力配煤原理在火力发电厂中的应用姓名：邢诚申请学位级别：硕士专业：热能动力工程指导教师：孙保民;范星龙20060301华北电力大学_ _ 程硕士专业学位论文摘要由于目前市场发电用煤供应紧张，各电厂普遍面临煤种变化大，实际燃用煤质较设计煤种变化较大，直接导致锅炉效率下降，电厂整体经济性下降。同时各发电企业为提升企业经济性、提高企业效益，积极寻求更加合适的新煤源，通过积极和经济的技术改造适应煤质变化。本文首先对我国和国际上动力配煤的发展历史及研究现状作了介绍。简要分析了目前较流行的动力配煤计算方法，根据实际应用的要求特点，重点论述了加权平均法的计算依据，约束条件、数
2、学模型。依据混合煤种中煤的挥发分、发热量等煤化参数的线性可加性，利用动力配煤原理中的加权平均法。通过对燃煤的着火特性、结渣特性、制粉系统干燥出力等方面对下花园发电厂3 号炉改烧、掺烧蔚县煤的可行性进行了分析，在保证机组安全、经济运行的前提条件下，提出了相应的技术改造建议。关键词：动力配煤，混合煤种，煤化参数，线性可加性I I I华北电力大学【程硕t 专业学位论文A B S T R A C TS t e a mc o a li si ns h o r ts u p p l yi nm a r k e t i n ga tp r e s e n t T h ec o a lf i r e di n
3、p o w e rp l a n t sf a c eav a r i e t yo fc o a lt y p e s I ti sd i f f e r e n tw i t hc o a ld e s i g n e d，w h i c hm a k e sb o i l e re f f i c i e n ta n du n i te c o n o m i cb a r o m e t e rd e c r e a s i n g T h e r e f o r ee c o n o m i ct e c h n i q u e ss u i t a b l ef o rv a r
4、 i e t yo fc o a lt y p ea r en e e d e d F i r s tp o w e rc o a lb l e n d i n gd e v e l o p i n gh i s t o r ya th o m ea n da b r o a dw e r er e v i e w e d C u r r e n tm e t h o d so fc o a lb l e n d i n gw e r ei n t r o d u c e d，e s p e c i a lw e i g h t e da v e r a g i n gm e t h o dw
5、 i t hi t sc a l c u l a t i n gb a s e m e n t，c o n d i t i o na n dm a t h e m a t i cm o d e l B a s e do nv o l a t i l ea n dh e a t i n go fc o a lc h e m i c a lp a r a m e t e r sc a l lb ep l u sl i n e a ra n dw e i g h t e da v e r a g i n gm e t h o do fs t e a mc o a lb l e n d i n g，a
6、 n df e a s i b i l i t yo fb l e n d i n gY u x i a nc o a lw i t hi g n i t i o np r o p e r t y,f o u la n ds l a g，a n dm i l ls y s t e mh a sb e e na n a l y s e di n 撑3b o i l e ro fX i a h u a y u a nP l a n t S u g g e s t i o no fb l e n d i n gc o a l sh a sb e e ng i v e nw h i c hm a i
7、n t a i n ss a f ea n de c o n o m i c a lp e r f o r m a n c eo fp o w e rp l a n t X i n gC h e n g(p o w e rp l a n tT h e r m a lp o w e re n g i n e e r i n g)D i r e c t e db yp r o f S u nB a oM i nK E YW O R D S：p o w e rc o a lb l e n d i n g，m u l t ic o a l s，c o a lc h e m i c a lp a r a
8、 m e t e r s，p l u sl i n e a rI V华北电力大学工程硕士专业学位论文单煤的配比干燥无灰基挥发份收到基发热量收到基灰分收到基水分收到基硫分析算硫分软化温度变形温度半球温度流动温度灰熔点温度目标成本单煤成本固定碳含量；硫元素含量收到基含碳量收到基含氢量收到基含氧量收到基含氮量收到基挥发份收到基固定碳硫结渣碱酸比硅比哈氏可磨性系数煤粉水分空气干燥基水分过量空气系数主要符号表V*c；酽盯明盯nTzqR&哳胁嘶风队G蹦m糊。声明本人郑重声明：此处所提交的工程硕士专业学位论文动力配煤原理在火力发电厂中的应用，是本人在华北电力大学攻读工程硕士专业学位期间，在导师指导下进行的研
9、究工作和取得的研究成果。据本人所知，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得华北电力大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。学位论文作者签名：缉邀日期：9 6 占I。关于学位论文使用授权的说明本人完全了解华北电力大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保管、并向有关部门送交学位论文的原件与复印件；学校可以采用影印、缩印或其它复制手段复制并保存学位论文；学校可允许学位论文被查阅或借阅；学校可以学术交流为目的，复制赠送和交换学位论文；同意学校可以用不同方
10、式在不同媒体上发表、传播学位论文的全部或部分内容。(涉密的学位论文在解密后遵守此规定)作者签名：盈i 盘日期：丝趟：左：，9导师签名日期：竺!j I II I华北电力大学T 程硕十专业学位论文1 1 引言第一章绪论配煤在冶金练焦中已有很久的历史，但动力配煤在中国则是近几年才发展起来的。我国火力发电用煤约占原煤消耗的三分之一，而且发电用煤量的比例还会逐渐提高。由于煤耗量增大，而运输能力又不足，国家又要求火电站尽量燃用劣质煤，因此许多大型电站必须燃用混配煤。据统计有超过5 0 的电厂烧非设计煤种或混配煤。改善燃煤现状的技术途径是根据燃煤特性，有针对性地采用燃前加工技术(洗煤、配煤等)、先进的燃烧技
11、术和燃后净化技术来达到高效洁净燃烧的目的。而先进的燃烧技术和烟气净化技术需要对锅炉进行大量的技术改造，其费用昂贵。因此，在大力发展煤炭洗选的同时，积极发展动力混配煤技术，提高动力用煤的配煤比重是一种符合当前我国技术、经济水平的有效措施【l】。燃用混煤时，若煤种选择恰当、混合均匀、配比合理，并创造良好的燃烧条件，则能发挥各煤种的优越性，取长补短，给锅炉的安全和经济性带来良好的影响。煤质对燃煤电厂的安全与经济运行至关重要。煤质改变将给锅炉，乃至整个电厂带来很多问题，主要表现在以下几个方面：煤质下降或燃煤某些参数的变化，可能造成锅炉机组的某些设备不能满负荷运行而限制锅炉的出力；煤质下降使电厂煤耗和厂
12、用电率上升：煤质下降导致可用率下降；煤质下降使检修和更改工程费用大幅上升；煤质下降使环保方面的费用上升。另外，煤的特性在很大程度上决定了煤的价格。因此，如何保证煤质从而使火力发电厂经济效益达到最佳，在厂网分开、竞价上网的今天就成了各电厂急待解决的重大问题之一。当前我国火力发电厂燃煤供应有三个明显的变化趋势：一是煤种多变，因煤炭的产、运、销及电力生产情况的变化，往往向电厂供应几个特性相差十分悬殊的煤种。二是劣质煤的比例增大，随着地方煤窑产量增长，供应电力生产的劣质煤逐年增多。三是计划外采购、来煤加工等多渠道进煤及煤炭市场的开放使电厂有可能同时购进多个煤种，以供混配。电站锅炉是按指定煤种设计的，而
13、指定煤种可能是单一煤种或是混配煤种。因此，锅炉燃烧对煤质要求只能在一定范围内变化。前两种变化趋势，使到厂煤质远离设计值，如果直接入炉燃烧，对锅炉运行的安全性、经济性及使用寿命都有恶劣的影响。造成设备事故、停炉、停电的现象时有发生。因此，煤种混配首要目的是为了保证锅炉安全、经济运行。燃料费用在火力发电厂电力生产成本中所占比重已达到7 0 8 0。煤炭供应进入市场经济时代后，电厂有可能在保证锅炉安全、经华北电力大学工程硕十专业学位论文济运行的条件下，同时选用几个煤种搭配燃烧，以降低燃料费用，这是煤种混配的第二个目的。随着电网容量不断增加，电网调峰任务日趋繁重。要求大量机组较长时间在3 0 5 0
14、低负荷下运行。此时锅炉运行中的问题为低负荷燃烧稳定性。即使针对劣质煤设计的锅炉，也很难在如此低负荷下稳定燃烧。炉膛结渣是一个长期困扰着锅炉行业的问题，严重影响锅炉机组的安全性和经济性。至今为止，在我国还没有一种行之有效的方法来预防结渣的发生。而混煤燃烧时，若掺混煤种选择合理、比例恰当，则能减轻或消除炉内结渣，从而提高锅炉尤其时电站锅炉的安全性和经济性。由于我国是以火力发电为主的国家，煤是火力发电的主要燃料。而煤粉燃烧会产生大量的污染物，如果我们能够将不同煤种进行掺混，选择合适的配煤比，则能够达到降低污染的目的，从而改善人类生存环境的状况。因此，煤种混配还是为了满足调峰、保证受热面安全以及降低污
15、染等的需要。动力配煤就是要发挥各个单种煤的特点，相互取长补短，使原本不适合单烧的煤，经过合理配制，制成一个新煤种使煤质与锅炉特点相适应，并能保证混配煤质量有相对的稳定性。由于配煤中尽量扩大储量比较丰富的煤种的比例，放可以节约优质煤，傲到物尽其用。因此动力配煤技术已在国内外得到广泛应用【2】3】【4 1。针对上述情况，迫切需要深入地研究如何设计和优化配煤方案及其系统，为大型电站提供合理的掺烧比例。而这些工作都要以对煤质的正确分析和评价为基础。针对所供应的煤，利用工程学和经济学方法进行分析，评价其优劣，从而使电厂找到最适合本厂锅炉燃烧的煤种来。传统的煤质评价方法是以实验室分析的煤质参数作为评价煤质
16、优劣的标准，而工程分析方法是以运行机组及辅机系统的运行状态参数和实验室得到的有关参数相结合的方法来评价煤质的，这里不仅仅考虑某一煤种对锅炉燃烧的影响，而是从锅炉、制粉、等系统整体经济性来评价煤质的，不是从机组煤质设计指标来选择煤种的，而是从已经运行机组对煤种的适应性和经济性来选择煤种的。反映出不同煤质对同一台机组出力情况的影响，从而使机组选择出一种最适合、最经济的燃料。因此，对动力配煤的研究无论是对提高企业经济效益还是保证电站锅炉安全稳定运行都有重大作用【5 1。1 2 国内外研究现状动力配煤是将不同牌号、不同品质的煤经过筛选、破碎、按比例配合等过程达到充分利用煤炭资源、优化产品结构、煤质互补
17、、适应用户燃煤设备对煤质要求、提高燃煤效率和减少污染物排放目的的技术。随着动力配煤市场需求越来越大，对配煤技术和系统要求也越来越高。动力配煤的目的就是要发挥各组分单煤的特点，克服单煤不适应燃烧要求的缺2华北电力大学工程硕士专业学位论文点，通过配煤技术，制成适合锅炉燃烧的混煤，实现合理用煤、提高锅炉运行的经济性和安全性。为达到此目的，动力配煤要遵循以下几个原则1 6 J：配制完成的混煤要满足锅炉燃烧的需要，即满足用户的需求。遵循经济效益原则，即在配煤过程中尽量节约价钱昂贵的优质煤，扩大本地煤和廉价煤的比例，同时，做到在满足用户要求基础上，尽量减少参配煤种的种类，以简化配煤工艺和生产成本。通常以三
18、种单煤掺混为佳，一般不超过四种，条件合适时也可以只用两种。要注意降低混煤的磨损性，延长锅炉的使用寿命，控制混煤硫分在合适的范围内，并控制其他污染物的生成。遵循运距最短原则，即应尽量减少使用远距离的外地煤量，以减少运输损失和运输造成的环境污染，这一原则也体现在经济效益原则中。目前，在煤质指标的可加性方面还存在争论，因此，动力配煤技术的研究主要有以下几种方法：1 加权平均。该方法基于配煤与单种煤之间存在线性关系，即各单种煤的加权平均值与实测值之间不存在显著差异。由于用该法建立的数学模型简单明了，易于求解，已被广泛用于动力配煤的研究。2 利用网络和模糊数学处理配煤关系。该方法基于配煤的煤质特性与各单
19、种煤之间并非简单的加权关系，而是呈现复杂的非线性关系，因此，可运用神经网络技术和模糊数学等现代数学方法建立非线性优化模型【7】【8 1。人工神经网络的发展为解决上述问题提供了强有力的工具。它是由众多简单的神经元所组合而成的能表现出极为复杂动态行为的网络，具有高度的非线性。从理论上可以证明多层前向网络当其隐节点函数是S i g m o i d 函数时能任意精度地识别一个系统。因此可以通过神经网络根据输入输出数据学习逼近任意的非线性映射。误差反向传播算法(B a c k P r o p a g a t i o n，以下简称为B P)是前向神经网络的重要算法，B P 网络是目前应用最为广泛的人工神经
20、网络。3 遗传算法(G e n e t i c A l g o r i t h m，G A)是一族通过模拟自然进化过程搜索最优解的方法。它把搜索空间映射为遗传空间，把每一个可能的解进行编码，并按预定的目标函数评价，根据适应度信息进行选择、交叉、变异等遗传操作，生成新的更为优良的群体。遗传算法与传统优化方法相比其优越性体现在【9】：(1)群体搜索策略，在搜索过程中不易陷入局部最优。(2)在高维可行解空间随机产生多个起始点并同时开始搜索，加快了求解速度。这使得G A 成为一种全局性、并行性、快速性的优化方法，具有很强的鲁棒性，可以广泛应用于工程技术中。华北电力大学工程硕士专业学位论文1 2 1 我
21、国动力配煤的研究概况国内动力配煤是1 9 7 9 年初由上海市燃料总公司首先开发利用的一种使动力用煤质量达到稳定可靠的方法。1 9 8 2 年4 月由原物资部在北京召开的配煤座谈会后就正式命名为“动力配煤”技术。许多工业锅炉和窑炉使用动力配煤后，不仅使炉况稳定，操作方便，还可使煤炭得到充分燃烧，这就极大地缓解了过去由于供煤的品种不对路而常需改锅炉和窑炉的方法来适应煤种。由于供煤的矿点和质量经常会有变动，尤其是地方小煤窑的煤质波动更大，以致于有的炉、窑年年需要进行技术改造以适应不断变化的煤种，从而使国家浪费了大量的人力、物力和财力【1 0】。我国配煤的使用相当广泛，其主要原因可概述如下：(1)发
22、电装机容量增大，煤的耗量也越来越大，一台3 0 0 K W 的机组日耗煤量达3 千吨左右，因而很难保证烧单一煤；(2)我国煤炭分布与煤炭用户的位置不匹配，北煤南运，从而使煤的运输能力不足，不得不混烧；(3)我国劣质煤的储量很大，为了使这部分煤在电厂中得到使用，往往将其掺烧到优质煤中；(4)一些烧劣质煤的电厂，为了改善其燃烧性能，在其中掺烧一定的好煤；(5)很多电厂的实际应用煤种与设计煤种不符，出现很多问题，因而往往采用混烧不同煤的方法，以使其能满足锅炉的运行要求。由于混煤使用的广泛性，我国近年来也开展了混煤的研究工作，如煤炭科学院北京煤化所、浙江大学、西安热工所、哈尔滨发电设备成套设计研究所，
23、华中理工大学煤燃烧国家重点实验室和株洲洗煤厂等单位对混煤(动力配煤)进行了一些研究。煤炭科学院北京煤化所对动力配煤进行了研究，提出了动力配煤优化配方的数学模型，并开发了动力配煤优化配方的应用软件。浙江大学对动力配煤中煤质指标的线性可加性进行了研究，指出动力配煤的某些煤化指标是非线性可加的，并把神经网络方法应用于动力配煤，探索了动力配煤的新的技术和方法。西安热工所在研究劣质煤燃烧和锅炉改造时对电厂混煤特性，结渣特性作过研究。他们使用热天平、一维火焰燃烧炉等试验装置，研究了晋东南无烟煤及其混煤的燃烧特性，试验结果表明：阳心无烟煤在2 0 M W 及其以上容量锅炉机组燃用时掺入3 0 潞安贫煤或2
24、0 黄陵烟煤，其火焰稳定性会得到较大提高，锅炉的机械不完全燃烧损失比单烧?阳心无烟煤有所减少，但掺入黄陵烟煤对炉内结渣趋势增强，故实际应用时推荐粟用掺潞安贫煤。此外，他们还对混煤的灰渣粘温特性进行了研究，发现了不同煤种混烧时，粘温特性变化的规律【1 1 1。哈尔滨发电设备成套设计研究所等国内的有关单位的专家在大量调查研究的基础上就如何掺烧混煤提出了如下看法在：(1)不同煤种掺烧时，煤质特性对燃烧的影响很大，电厂应用时，必须对其进行测定；(2)性质相近的煤种，如褐煤与长烟煤混合对燃烧可靠性和经济性影响不大，可按任何比例掺烧；(3)燃烧性能有一定差异的煤种，如褐煤与焦煤掺烧时，虽可稳定燃烧，4华北
25、电力大学工程硕士专业学位论文但对经济性及其他参数有影响，须通过实验确定最佳掺烧比；(4)燃烧性能相差悬殊的煤种，如褐煤与贫煤混合，会使经济性大幅度下降，在一般情况下不宜采用；(5)在粉煤炉中燃用混煤时，为了消除它们对运行的不利影响，在应用之前应仔细测定煤和灰的特性，并尽可能对混煤进行燃烧试验。中理工大学煤燃烧国家重点实验室对混煤的挥发分析出规律、混煤的着火特性、燃烧的燃尽特性、混煤的结渣特性、混煤的硫和氮的析出特性等进行了研究，建立了混煤燃烧的数学模型，预测混煤的燃尽度。1 2 2 国外动力配煤(混煤)的研究及发展概况在国外，没有“动力配煤”这一专业术语，但与动力配煤意思相似的混煤和配煤的概念
26、在六十年代或六十年代以前就有报导。早期的混煤使用，科学性差。最先的混煤研究，主要是炼焦工业的需要。混煤在锅炉上的使用只是近几十年的事情，而对其特性研究约始于7 0 年代中期。随着电力工业的迅速发展，燃煤锅炉越来越多，因而混煤在电站锅炉上的使用日益广泛。西方一些国家使用混煤的主要目的是：采用低硫煤与高硫煤混合以降低S O x 的排放、降低锅炉的结渣、沾污和积灰，充分利用高热值煤，保证灰分和发热量稳定等。而日本等国家混煤则主要是为了节约煤炭，减少运输费用。由于混煤的广泛使用，这就促使燃烧领域的研究工作者开始对混煤的特性进行研究。这研究一方面是通过试验总结出各种规律，为电站和工业锅炉应用混煤提供依据
27、；另一方面是开发各种混煤燃烧技术和燃烧设备。从事这一研究较早的国家有：美国、德国、日本、英国、西班牙、荷兰、加拿大等有关混煤的研究主要包括：混合系统和混合方法的研究、混煤着火燃烧性能的研究、采用混煤方法减轻结渣的研究、采甩混煤方法降低N O x 及S O x 排放量的研究，混煤燃烧设备及燃烧技术的研究。美国动力用煤大部分为优质煤，在煤粉炉中燃烧不成问题，而将精力集中于污染物的控制。对混煤的研究也是如此。东部、中部含硫较多，分别为1 8 3 8 和2 5 5 0，洗选后也在1 5 2 5 和2 O 3 5；而西部煤含硫少，约为O _ 3 1 5。东部和中部的电厂须使用西部煤或采用脱硫装置，才能满
28、足S O X 排放要求。采用东部、中部煤掺烧西部煤，既可以减少运费与脱硫装置，又能满足排放要求 1 2 1 1 1 3】【1 4 1。研究表明，东、中部高硫煤(含硫3 1)中仅掺烧1 0 的西部低硫煤(含硫O 3)，比单烧高硫煤运行费用低6 0。由此可见，混煤的效果显著。美国在采用混烧降低S O X 的排放方面进行了较深入的研究。与此同时，也考虑了解决其他一些问题，如：用混煤的办法保证含灰量和发热量稳定。保证煤质稳定，既可降低现役电厂的运行费用，又可降低新电厂的投资和运行费用。如拉比德(L a b a d i e)联E华北电力大学工程硕士专业学位论文合电厂的配煤系统，用低硫煤与高硫煤相配，限制
29、煤炭硫分的上限，可以节约大量的低硫煤，减少石灰石吸附剂用量，每年可节约4 8 0 0 万美元；其配煤工艺常采用仓配和堆配。德国混煤燃烧起于7 0 年代初。当时，一些烧褐煤的电厂因其质量性能常常偏离设计指标，使电厂无法满负荷运行。因而将褐煤与烟煤混烧，通过混烧来提高低热值褐煤的利用价值。P t o l e m o s i s 和A l i v e r i 电厂的运行情况表明，在褐煤中掺烧一定量的烟煤，烟煤量为1 5 时，除能满负荷运行外，还取得了下列效果：更高的燃烧稳定性，粗灰及飞灰中未燃成分降低，出口烟温下降。另外，其进一步的研究指出，必须加强对煤质特性、煤灰特性的研究才能保证混煤的有效燃烧。
30、近几年，德国对混煤的燃烧特性及燃烧混煤的各种燃烧室和燃烧器以及配煤设备进行了较为深入的研究，如德国的V R K u h u 研究了混煤的着火性和可磨性，并对燃用混煤的电站的初投资和运行经济性进行了分析。德国的J Z e l k o w s k i 等人研究了不同氧浓度下不同细度的混煤的着火情况，主要结论如下：混煤的掺混比例对煤的着火点有一定影响；在低氧环境中，混煤的着火特性随掺混比例变化的趋势是不同的；对于粗颗粒煤，不同的氧浓度下，掺混比例的变化对着火性的影响明显。日本日本是一个资源短缺的国家，燃料依赖进口，为了减少运输费甩，近几年开始扩大利用发热量高的无烟煤等低挥发分煤，因而出现了在粉煤锅炉
31、中混烧无烟煤和石油焦等低挥发分燃料的倾向【”】。然而，传统的水平燃烧锅炉燃烧混煤时会出现各种各样的问题，这样就促使了日本燃烧界对混煤的特性及燃烧技术进行了深入研究，有些混煤燃烧的技术已推广应用，例如石川岛播磨重工业公司对原来烟煤和混煤水平燃烧的锅炉进行了应用反应管的试验和应用燃烧试验炉的试验，充分地掌握了低挥发分煤混烧时的燃烧特性，在此基础上设计了混烧低挥发分煤的5 3 0 1 y h 锅炉。目前，日本针对混烧不同煤种时出现的污染物增加及未燃损失增加等问题正在进行更深入的研究。其它国家澳大利亚向国外出售动力煤时，由于采用了配煤技术，可向不同进口国家提供符合多种煤质指标的煤炭，取得了较好经济效益
32、为防止结渣、沾污和腐蚀，并形成稳定火焰，荷兰常燃用混煤。混烧后的结渣和腐蚀均降低。西班牙的劣质煤储量较多。为充分利用这些煤，也采用掺烧方法，西班牙的J o a q u i nG a n z a l e sB i a s 在研究低挥发分煤燃烧时，也研究了混煤的燃烧特性，西班牙的一些劣质煤，灰分含量为1 6 5 5，平均为4 5，研究表明，造成发电设备可用率下降的主要原因是锅炉结渣和磨煤机磨损，还有一个问题是某些高灰分煤的挥发分可燃物含量低，因此难以燃烧，可采用高挥发分煤与低挥发分煤的混合燃料华北电力大学工程硕士专业学位论文进行锅炉试烧，混合煤的挥发分为1 2 1 6，灰分小于4 5，结果说明：当
33、采用混合燃料时，由于燃烧效率和可用率提高，带来了好的经济效益【l”。综上所述，国外混煤(配煤)技术虽已开发应用，但在理论研究方面也有待深入，特别是在煤的煤化参数(如煤的发热量、煤的挥发分、煤的灰融点等)的线性可加性、配煤的最佳数学模型、配煤的燃烧特性等方面的研究尚需进一步加强和探索。1 3 本文主要研究内容(1)、全面分析煤质特性、尤其是混配煤特性对锅炉机组及电厂工作的影响，确定煤质指标。(2)、分析、研究各种线性和非线性动力配煤数学模型。(3)、基于动力配煤原理，结合下花园发电厂现烧煤质和锅炉机组等情况，从煤质物理及化学特性上，分析比较各种配煤方案优缺点，针对锅炉改烧和掺烧蔚县煤的可行性进行
34、分析并提出建议。(4)、根据计算的煤质及锅炉热力计算结果，分析3 号锅炉改烧和掺烧蔚县煤的经济性并提出建议。(5)、根据制粉系统计算结果，分析改烧和掺烧蔚县煤对制粉系统的影响并提出建议。7华北电力大学【程硕士专业学位论文第二章动力配煤的原理动力配煤问题，实际上是一个多约束条件下(用户对混煤煤质的要求)的最优规划问题(目标函数最小，即混煤成本最低，特殊要求时也可有多个目标)。动力配煤最基本的核心任务就是确定动力配煤的优化配比，即确定选什么煤以及每种煤的数量。目前，描述动力配煤的数学模型有二种。(1)配煤与单种煤之间存在线性关系，即各单种煤的加权平均值与实测值之间不存在显著性差异，或者认为配煤与单
35、煤种之间大部分煤质参数成线性关系，少数不成线性关系的煤质参数可以通过简单的处理转换成线性。由于用该法建立的数学模型简单明了，易于求解，该方法已被广泛用于动力配煤的研究。(2)配煤的煤质特性与各组成单种煤之间并非简单的加权关系，而是具有复杂的非线性关系，可运用神经网络技术和模糊数学等现代数学方法建立非线性优化模型。2 1 动力配煤线性关系模型2 1 1 数学模型的建立 1 7 1 18】【1 9 2 0 1为了保证锅炉安全性、经济性及调蜂的需要，对煤质提出各种要求达到的指标，如可燃质挥发分、低位发热量、灰分、水分、硫分、灰的融熔特性。这些指标构成煤种混配中的约束条件。其中，与煤种配比成线性关系的
36、，为线性约束条件，如挥发分、发热量、灰分、水分、硫分。灰的融熔特性与配比是非线性关系，则为非线性约束条件。在煤种配比计算中应将它转化为线性约束条件。以下将从各种煤质指标对锅炉燃烧的影响角度，来分析约束条件的形成和转换成线性约束条件的方法。假定有i 种煤，各种煤的配比为蜀，恐，蜀，x。则首先必需满足下列约束条件，即x J 0 _=l(2-1)J=l其余的约束条件由煤质指标构成。2 1 1 1 可燃质挥发分可燃质挥发分是煤质的重要指标，也是判断煤的着火性能、燃烧稳定性能的首要指标。煤中挥发分含量随着煤的地质年代和煤化程度而有规律地变化。地质年代越短、煤化程度越低的煤，挥发分含量越高。煤中含碳量、含
37、氧量及发热量随挥发分的变化呈现出具有统计性质的变化规律。华北电力大学上程硕士专业学位论文由于挥发物的活化能远比焦炭活化能低，所以挥发物比焦炭容易着火。挥发分含量越高的煤，着火性能越好，燃烧稳定。虽然影响煤粉着火温度的因素很多，但挥发分含量是影响着火温度的一个重要因素。煤中挥发分含量，对焦炭的燃烬也有一定的影响。一般挥发分很少的无烟煤焦炭也难燃烬，飞灰可燃物含量高，机械不完全燃烧热损失也大。固态排渣煤粉燃烧方式，对煤的挥发分适用范围较广，无烟煤、贫煤、烟煤及褐煤都可采用。但在锅炉设计时，必需充分考虑到由于挥发分含量不同，煤粉的着火性能和焦炭燃烬性能的差具。对于挥发分较小的无烟煤或贫煤，为了保证着
38、火的稳定性，采用较高的热风温度，燃烧器结构和布置也不同于一般烟煤，制粉系统采用热风送粉。为了保证焦炭燃烬，炉膛体积也很大。相反地，对于挥发分较大的烟煤，采用较低的热风温度，制粉系统为乏气送粉，炉膛体积较小。对于具体一台煤粉炉，对挥发分适应范围很窄，挥发分不能小于某个低限V d,f,。1。，以维持低负荷燃烧的稳定性和经济性。挥发分也不能高于某个上限V d。，以防止燃烧器喷口烧坏或其它事故。混配煤时，由于挥发分v 的要求，构成了两个约束条件：V j x，V 村(2-2)J=lV j x j m i n(2 3)j-I2 1 1 2 发热量煤的发热量是煤质的另一个重要指标。作为动力燃料，发热量越大，
39、经济价值愈大。从大量煤质统计规律可知，煤的收到基低位发热量是灰分、水分、挥发分的函数，不是一个独立变量，不能构成独立的约束条件。但是对于电厂，进厂的几种煤，发热量与灰分、水分、挥发分之间不一定存在函数关系。这时发热量仍然是一个约束条件。对进厂煤发热量要求，主要是考虑到它本身的经济价值。对混配煤发热量要求是考虑到经济和技术两个方面的因素。发热量越低，磨煤和输送耗电量越大，厂用电增加，发电成本增加。入炉煤发热量技术低限值主要根据机械不完全燃烧和排烟热损失不至于太大，以及低发热量劣质煤燃烧稳定性差而制定的。煤种混配时，由于发热量要求所构成的约束条件应大于综合考虑上述两因素较大者Q n e t a r
40、：土x Q。，叫纰，一(2 4)j=l2 1，1 3 灰分灰分对燃烧的影响首先体现在对着火的影响。煤中灰分含量增加，火焰传播速华北电力大学工程硕士专业学位论文度减缓、着火推迟，燃烧稳定性差。灰分含量增加，也会使焦炭烧烬程度变差，机械不完全燃烧热损失随之增加，灰渣物理热损失增加。大多数电厂对灰分含量的要求，是根据设备磨损因素提出的。煤的灰分含量增加，受热面污染和磨损加剧，输煤、制粉、燃烧器、引风机、除尘器等设备严重磨损。导致锅炉机组事故率明显增加检修工作量加大。折算灰分所要求的约束条件为非线性约束条件，需转换成线性。可同时用发热量和下式两个线性约束条件去替代。HX j A ms 爿一(2 5)J
41、=12 1 1 4 水分燃煤水分增加，因部分热量将消耗在水分的蒸发和过热，使炉膛燃烧温度水平降低，导致燃烧稳定性下降，减少煤粉的燃烬程度。燃煤水分增加，使排烟体积增加，排烟温度提高，排烟热损失增加，锅炉热效率降低，发电煤耗增加。煤中水分过多，原煤流散性恶化，则引起原煤斗、给煤机、落煤管内原煤粘结堵塞。当表面水分小于8 时，能保证正常运行：当表面水分大于8 时，即会造成输煤、给煤系统运行上的麻烦；若表面水分更大，超过1 2 1 7，对于一般电厂设备，运行的可靠性将受到严重影响，这即为烟煤所允许的上限值。对于褐煤上限值可提高到2 2。考虑到上述种种因素，收到基水分不应超过上限值M。，则约束条件为三
42、X j M 卅膨。(2-6)J=12 1 1 5 硫分燃料中的硫分虽然是可燃物质，但含硫过高会引起锅炉空气预热器腐蚀和堵灰，并造成大气污染。因此，硫分为有害物质。燃料中的氢和水分在燃烧时，转换成烟气中的水蒸气。当煤的水分含量不是很高时，这部分水蒸气的露点较低，不易在锅炉尾部空气预热器管内凝结。煤中硫分燃烧后形成二氧化硫和三氧化硫。二氧化硫和三氧化硫结合成为硫酸蒸气。烟气中硫酸蒸气的凝结温度即为酸露点。酸露点远高于水蒸气露点，很容易在空气预热器管内凝结，造成空气预执器堵灰和腐蚀。且燃料中析算硫分s 2 越大，酸露点越高。同时用发热量和下式两个线性约束条件去替代折算硫分非线性约束条件，则s 嘶s
43、一(2 7)产I2 1 1 6 灰的融熔特性灰的融熔特性对锅炉运行影响很大。固态排渣煤粉炉在燃烧灰熔点比较低的煤1 0华北电力大学工程硕士专业学位论文时，将会产生结渣。液态排渣炉燃烧灰熔点较高的煤时，又不能顺利排渣。为了保证炉膛出口对流受热面不至结渣，需要控制炉膛出口烟气温度低于灰分变形温度D T以下5 0 1 0 0。C。当S T 1 3 5 0 时，炉膛结渣可能性大大减少。由于灰熔点与煤的混配比是非线性关系，为了得到线性约束条件，将进行下列转换。灰分组成中含有S i 0 2 和A 1 2 0 3 越多，灰熔点愈高。含有N a 2 0、C a O 和F e 2 0 3越多则灰熔点愈低。煤炭科
44、学研究院推荐采用下列近似公式：S T=2 6 A 1 2 D 3+1 0(S i 0 2+T i O：)+7(C a O+M g O)+8(F e 2 0 3+口2 D+局例(2 8)以上全面地分析了煤种混配时可能出现所有约束条件。对于某一个电厂，应根据具体情况，选择其中的一部分作为约束条件。2 1 2 数学模型的改进口1】应用线性规划方法建立动力配煤数学模型时，其约束条件中灰熔点是根据线性可加的原则，以单煤灰熔点和配比作为基本参数进行加权平均，而忽略了单煤灰分产率这一重要概念，因而导致计算结果和配煤实测结果的误差较大。从而使动力配煤数学模型的准确度降低。因此有必要改进上述的动力配煤数学模型，
45、从而保证动力配煤数学模型的准确性，以便能够得出配煤的最佳配方，以达到合理用煤。原动力配煤数学模型不能准确地预测出配煤灰熔点温度主要是由于灰熔点温度与煤中灰分产率有关，因此所建立的动力配煤新的数学模型，既要考虑单煤所占比例，又考虑单煤灰分产率大小故采用单煤灰分产率加权平均法以克服原计算方法的不足。根据以上考虑得出配煤灰熔点的约束条件为：三i x i 咒“(2 _ 9)么i X i爿式中：A j 为第_，种煤的灰分产率；T j 为第，种煤灰熔点；X j 为第，种煤占配煤的比倒；T。i。为灰熔点下限；T。为灰熔点上限。其它各项指标的约束条件(不包括灰熔点)为丑，s M 口x，sA l(2 1 0)，
46、；l式中：A j，B i 分别为用n 种单煤配制的第i 个指标的上限和下限，该条件不包括配煤的灰熔点；M i i 为第_，种煤的第i 个指标。根据上述的约束条件，并建立成本最低的目标函数，可得出动力配煤的新数学模犁。华北电力大学工程硕士专业学位论文目标函数约束条件M i n Z=C j X J4 玛乃瓦i n 乏-i m“(配合灰熔点)盈髟B，MF x，A，(其它各项指标=l0 0 x，=1j=l式中C；为单煤成本。2 2 动力配煤的非线性关系数学模型(2 1 3)(2 1 4)在混煤特性的定量描述方面，有常规方法以及新的神经网络方法。常规表示方法包括算术平均、线性拟合、多项式拟合等方法。混煤
47、的某些分析数据加成性较好，如硫元素含量。另外，煤灰成分中T i 0 2，K 2 0，N a 2 0 等灰成分含量较少，测量值相对误差较大，用上面介绍的线性加权的方法比较合理。混煤的一些特性非线性程度不高，但又不能用加权平均，这时可以用线性拟合经验公式预测混煤特性指标，如固定碳含量。灰成分中S i 0 2、A 1 2 0 3 等含量较多的成分用线性拟合也较好。煤与单煤之阿的非线性关系客观存在，因此混煤的各种实测数据必然反映了这种非线性关系，并隐含着混煤与单煤之间关系的内在机理规律，用线性拟合或者多项式拟合都是对其内在规律的一种简单揭示。目前日益兴起的神经网络技术对实现非线性映射，尤其是解决输入对
48、输出影响的具体机制不太清楚的“黑箱”或“灰箱”问题显得极为有效，是解决混煤非线性问题的有效方法。应用这种方法，能够更充分地从大量的混煤实测数据中提取有用的反映内在机理规律的信息，并以数据文件盼形式保存其中的内在机理信息，该数据文件信息能够用来预测新的混煤特性。目前所用的算法是前馈神经网络用得最多的B P 训练算法。混煤煤质分析、灰成分分析等分析性数据都可以用神经网络方法建立混煤与单煤对应数据间的联系。神经网络预测方法与加权平均和线性回归相比，具有更高的预测精度和效果。这需要积累一套混煤煤质分析数据库，以实现用神经网络方法预测混煤的大部分煤质分析值。浙大和杭州配煤场在这方面开展了大量的实验工作口
49、2 1 1 2 3 1。理论上混煤燃烧特性也可以用神经网络方法建立混煤与单煤间的联系。但测试大量的混煤燃烧特性完整数据代价昂贵。目前，这方面的实测数据较少，缺乏神经网络方法所必需的大量样本数据库，用神经网络方法预测所有的混煤燃烧特性还有一些困难。)2lI1_22(华北电力大学工程硕士专业学位论文2 2 1 配煤的非线性优化数学模型根据用户动力配煤的需要，一般有以下十个配煤指标，包括：发热量、挥发分、硫分、水分、灰分、灰熔点、结渣特性、着火特性、燃烬特性、S 0 2 排放特性。前面的讨论已证实了混煤特性的非线性，混煤特性指标数学表达式必然是非线性函数式，即配煤约束条件中存在非线性函数。因此，动力
50、配煤的规划问题为非线性规划问题(N o n l i n e a rP r o g r a m m i n g)，其优化数学模型为|2 4 l：约束条件：发热量Q A-f D(X I，Q i，M i，A i，V i，F i)_ Q a(2-1 5)挥发分V A-f v(X i，M i，A i，V j，F i)_ V a(2 1 6)硫分S A _ f s(X i，S j)_ S B(2 1 7)水分M A _ f M(X i，M i，A i，V i，F i)_ M B(2 18)灰分A 压f A(X i，M l，A i，V i，F i)_ A B(2-19)灰熔点t 2 A S 地(X t，各单