300MW机组锅炉优化吹灰系统项目可行性研究报告.pdf

《300MW机组锅炉优化吹灰系统项目可行性研究报告.pdf》由会员分享，可在线阅读，更多相关《300MW机组锅炉优化吹灰系统项目可行性研究报告.pdf（18页珍藏版）》请在三一文库上搜索。

1、 湖南创元发电有限责任公司 湖南创元发电有限责任公司 300MW 机组锅炉优化吹灰系统项目 可行性研究报告 300MW 机组锅炉优化吹灰系统项目 可行性研究报告 可研编制人： 项目负责人： 负责 部 门： 可研编制人： 项目负责人： 负责 部 门： 北京中合实创电力科技有限公司 北京中合实创电力科技有限公司 2012-01-09 2 目 录 目 录 1 背景与意义背景与意义 .1 2 系统实施目标系统实施目标 .2 3 技术路线和内容技术路线和内容 .3 3.1 原始热工参数的校核与预处理3 3.2 基于热平衡的主要对流受热面污染在线监测4 3.3 基于模糊逻辑的吹灰优化 .5 4 系统架构系

2、统架构 .6 4.1 系统硬件集成7 4.2 软件系统结构.7 5 系统实施步骤系统实施步骤 .8 5.1 前期准备阶段.8 5.2 离线调试阶段.9 5.3 在线调试与污染报警阶段 .9 5.4 优化吹灰指导阶段 .9 6 项目投资及收益预算项目投资及收益预算 .10 附件附件 1：优化吹灰指导系统测点清单：优化吹灰指导系统测点清单.13 附件附件 2：部分吹灰优化界面：部分吹灰优化界面.15 附件附件 3：案例分析：案例分析.16 1 1 背景与意义背景与意义 电站锅炉受热面上的结渣积灰是目前常规煤粉锅炉运行中影响锅炉安全经 济运行的一个重要问题。锅炉炉内或多或少的结渣积灰是不可避免的，虽

3、然在锅 炉的受热面设计中均以污染系数或利用系数不同程度地考虑了正常的积灰与结 渣问题，但是，严重的积灰或结渣仍然会对锅炉的安全经济运行造成很大影响。 由于灰的导热系数小，积灰使受热面传热热阻增加、热交换恶化，致使排烟温度 升高，锅炉效率降低。积灰严重时发生堵灰，使烟道通风阻力增加、降低锅炉出 力，有时甚至被迫停炉。另外，积灰和结渣所造成的受热面金属的高温腐蚀、局 部热点以及磨损也是造成锅炉爆管的主要因素。 近年来，因为燃煤供应和经济因素等方面的原因，电厂常常必须被动地接受 煤质特性与设计煤种偏差很大、有时甚至完全改变了的煤种。煤质变化对锅炉运 行最大的影响之一就是原本便较为严重的受热面积灰结渣

4、问题变得更为突出。 目前的各种除灰除渣的技术措施主要包括蒸汽吹灰、 声波除灰、 水枪除渣 （水 冷壁）等，在以上各种减少积灰与结渣的技术中，运行中带负荷对受热面进行吹 扫是一种有效的避免严重积灰或结渣的十分必要的技术措施。但是，无论是空气 或蒸汽吹灰，一方面要消耗大量的能量，如蒸汽吹灰所耗汽量占蒸汽总产量的 0.51%，加之蒸汽的热损失及其节流损失和排烟损失的增加，吹灰器的运行要 消耗锅炉效率的 0.30.5%左右；另一方面，不适当的频繁吹灰会因磨蚀和热应 力对受热面造成损伤，缩短受热面的金属寿命，同时也增加了吹灰装置的维修费 用；再者，不适当的集中吹灰操作，会超出除尘设备的设计容量，造成短时

5、间的 烟尘排放超标。 目前，燃煤锅炉的吹灰模式是按事先设定的吹灰周期，沿烟气流程顺序吹扫 所有受热面。吹灰周期通常是在锅炉设计制造和安装调试过程中，按照设计煤种 的煤质特性，假设积灰的变化过程，认为积灰程度是时间的线形或指数函数，然 后以总能量消耗最小为目标确定的。但在实际运行中，由于煤质的变化、燃烧调 整和大小修的进行等原因，受热面实际的积灰速度与原先的预测往往不能吻合， 按照锅炉设计时设定的“最佳吹灰周期”吹灰并非最佳，从而造成吹灰不足或过 于频繁。 2 独立的工程咨询公司的研究表明，通过改进吹灰程序，大约能提高锅炉效率 0.20.5%左右。对于一台 600MW 的机组，每年按满负荷发电

6、5000 小时计算， 这相当于节约了 35（103）吨燃煤，同时减少了 5000 吨以上 CO2的排放。如 果再考虑其它的污染物的增加和设备维护费用的增长，显然，不合理的吹灰造成 的浪费和对环境的污染都是十分惊人的， 目前的吹灰程序远远没有挖掘出智能吹 灰的潜力，迫切需要对其进行改进。 因此，研究和开发基于在线监测参数，直接或间接地诊断受热面灰污状况的 在线监测诊断技术，并在此基础上建立优化吹灰模型，针对应用对象的运行特性 和不同的优化目标，制定合理的吹灰策略，将周期性的定时吹灰改为根据受热面 污染状况和其它运行需要的动态吹灰，不仅能够产生明显的经济效益，而且具有 重要的社会意义。 2 系统实

7、施目标系统实施目标 基于在线监测参数和模糊逻辑的吹灰优化指导系统的研发主要实现以下目 标： 1、 锅炉主要对流受热面的污染状况在线监测， 运行人员能够通过棒状图 实时了解不同受热面的实际污染状况，加强吹灰操作的针对性； 2、 计算各对流受热面前后截面的平均烟气温度， 了解炉内烟气温度分布 状况； 3、 建立优化吹灰模型，制定合理的吹灰策略，指导运行人员动态按需吹 灰（何时、如何动作哪些吹灰器） ，以提高锅炉效率，减少蒸汽消耗 和吹灰蒸汽对受热面的磨损； 4、 通过吹灰操作的优化，提高主蒸汽和再热蒸汽温度的平稳性； 5、 对锅炉侧主要温度、压力和流量测点的可靠性进行校验，对于可能损 坏的测点给出

8、提示。 3 3 技术路线和内容技术路线和内容 电站锅炉优化吹灰指导系统实际上由两部分核心内容组成：锅炉主要受热面 的污染在线监测和吹灰优化操作指导。系统研发需要解决以下技术问题： 1）原始热工参数的校核与预处理 2）基于热平衡的主要对流受热面污染在线监测 3）基于模糊逻辑的优化吹灰 3.1 原始热工参数的校核与预处理原始热工参数的校核与预处理 电厂的主要实时生产数据全部保存在 DCS 中， 并且提供了开放的数据接口， 为锅炉优化吹灰指导系统的开发提供了良好的数据基础。但是，绝大部分锅炉侧 的热工参数(如温度、压力、烟气成分等)在本质上具有显著的不确定性，锅炉内 部参数间的交连与耦合使锅炉侧热工

9、参数的不确定性更加复杂， 其检测值呈现随 机的波动，甚至经常出现无规律的坏值。这种原始数据的不确定性易导致建立在 此基础上的受热面污染在线监测和吹灰优化系统误判断， 从而给出错误的指导信 息。虽然可以通过设定参数的上、下限来初步排除一些坏值，但仍不能完全满足 系统需求。因此，有必要研究和实现热工数据的实时处理技术，为锅炉吹灰优化 指导系统的研发打好基础。 本系统拟采用“偏差校核” 、 “相关性校核”和“移动平均”三重处理方式实 现参数校核与预处理。 “偏差校核” 模型根据每个测量参数的物理意义和当前工况下的基准值及确 定的偏差带进行校验，如超出该偏差带，则给出不合格标志（偏低、偏高） ，用 当

10、前工况下的基准值替代不合格数据。在进行偏差带校验时，确定代表该工况下 的基准线和测量参数的相对偏差值是校验的关键。 对电站系统中某一正常运行的 设备，在某一工况下，表示其特性的参数可以借助于机组最近一次的热力性能试 验数据，如果没有该数据，也可以根据制造厂提供的数据，通过热力系统变工况 模型计算得到。该标准曲线要根据机组工况的变化进行动态修正。 电站热力系统的热力参数存在着一定的相关性。 锅炉侧典型的如低温过热器 4 入口工质温度与汽包压力下饱和蒸汽温度之间的关系， 可以利用多重测点的汽包 压力来校核低温过热器入口工质温度测点的可靠性。 最后，对经过偏差校核和相关性校核的参数进行加权移动平均处

11、理，以减小 空预器进出口烟气侧压力等重要输入参数的波动幅度， 保证原始数据的连续性和 实时性。 3.2 基于热平衡的主要对流受热面污染在线监测基于热平衡的主要对流受热面污染在线监测 在锅炉整体热平衡的基础上，从省煤器出口开始，逆烟气流程逐段进行各受 热面的热平衡和传热计算。即，在已知受热面出口烟温，工质侧进出口等参数的 基础上，分别由烟气侧和工质侧的热平衡方程式（1） （2） ，计算该受热面的进口 烟温，再根据传热方程（3） ，得到该工况下该受热面的实际传热系数 Kfact。定义 Kfact与理想状态下的 Kideal的比值为受热面的洁净因子 CF（见式（4） ） ，描述受 热面的洁净程度。当

12、 CF=1 时，受热面处于理想的洁净状态，CF 小于 1 则受热 面处于污染状态， 越小污染越严重。 对不同的受热面， 具体计算方法亦有所差异。 BjhhhDQ jwsj /)(+ = （1） )( 0 lksj HHHQ+ = （2） sj j kA t Q B = （3） fact ideal K CF K = （4） 式中： h 、 h 受热面进口及出口的蒸汽焓，kJ/kg H 、 H 受热面进、出口烟气焓，kJ/kg jw h减温水焓，kJ/kg 保热系数 5 漏风系数 0 lk H理论冷空气焓，kJ/kg k传热系数，W/（m2.） t传热温差， A计算对流受热面积，m2 3.3 基

13、于模糊逻辑的吹灰优化基于模糊逻辑的吹灰优化 电站锅炉受热面吹灰操作作为系统的一个人为扰动，从安全性、经济性等方 面对锅炉的运行产生各种影响，其中既有有利因素，也有不利因素，因此优化吹 灰模型的建立和优化策略的制定是一个相当复杂的过程。总体来说，影响机组最 终优化吹灰策略制定的因素主要包括：避免受热面长期超温造成爆管的危险、锅 炉效率的提高、吹灰造成的管道寿命的减损、污染物生成和排放浓度、主蒸汽和 再热蒸汽温度的控制，以及影响机组经济性的炉内关键点温度的优化等。制定优 化吹灰的关键就在于寻找一种合理的工具， 能将各种影响吹灰策略的因素糅合到 一起，建立一个综合考虑锅炉效率、安全性、可靠性、管道寿

14、命、机组维护和污 染物排放的吹灰方案，以保证最后的优化结果使得机组的利益最大化。但由于管 道寿命估算、爆管风险分析和污染物超标排放处罚等问题的复杂性和不确定性， 试图建立一个精确的计算模型， 严格计算吹灰行为带来的各种收益和损失是十分 困难的。 对于锅炉受热面来说，何种程度为“脏” ，何种程度为“干净” ，本身就是一 个模糊的概念，并无明确的界限，均为人为事先划定。因为布置结构和传热特性 的不同，不同位置的受热面所采取的监测手段也有差异，得到的污染率并非总基 于同一基准。比如，采用传热系数之比和采取折算压差法得到的污染率在绝对值 上也会有所差异，因此，通过严格的整体分析计算模型确定是否吹灰会碰

15、到一定 的困难，只能根据监测手段的不同划分吹灰区域，进行局部优化。但是，无论采 取何种监测方法，均有一个共同点，即监测结果都在0到1之间变化，而且可以将 其统一到1为最脏，0为最洁净的状况。在此，引入模糊集概念，利用模糊信息处 6 理技术处理不确定性、非线性问题能力强，适合表达那些模糊或定性的知识，并 能表达某些领域（如控制、决策支持）内专家和操作者的经验等特点，建立基于 模糊模式识别的电站锅炉优化吹灰模型。 基于模糊逻辑的优化吹灰实现主要需要解决模糊特征提取、 吹灰模式集和吹 灰知识库的建立、隶属函数的构造和模糊模式识别方法的确定等具体技术问题。 4 系统架构系统架构 一个完整的优化吹灰系统

16、由参数预处理模块、锅炉效率实时计算模块、受热 面污染监测模块，以及蕴含着合理吹灰策略的优化吹灰模块，乃至最终实现全自 动吹灰的自动控制模块（该模块不在本项目考虑范围内）构成，其逻辑框图如图 1 所示。 图 1 优化吹灰系统逻辑框图 受热面管径、横向截距、纵向截距、计算传热面积等锅炉结构参数，输入以 后便不再发生变化， 而煤质参数也保持相对稳定， 因此均作为单独的数据块输入。 来自 DCS 的原始热工参数每个采样周期刷新一次， 优化吹灰系统需要对其进行预 处理，保证优化模型的计算基础准确可靠。在此基础上，系统首先通过反平衡法 计算锅炉实时效率，然后按照上述污染监测模型计算各受热面洁净因子，最后进

17、 入优化模块，根据受热面的污染状况，通过经济性分析，结合当时锅炉的运行特 性，提出合理的吹灰建议，指导吹灰器动作。当优化系统经过长时间调试成熟以 后，建立污染监测和优化系统与吹灰执行机构的直接链接，实现吹灰操作的闭环 7 控制（本项目为开环指导系统，不包含自动控制模块） 。 4.1 系统硬件集成系统硬件集成 典型硬件集成方案如图2所示。 将新增工质温度测量传感器与DAS系统相连， 采集的数据通过前置机的通讯卡接入DCS系统， 位于信息中心机房的吹灰优化系 统服务器自DCS取得必要的数据，经过模型计算，将优化结果返到控制室的显示 终端上，供运行人员参考，指导吹灰过程。 优化吹灰指导系统所需要的测

18、点参见附件 1：电站锅炉优化吹灰指导系统测 点清单。 图 2 吹灰优化系统硬件集成方案示意图 4.2 软件系统结构软件系统结构 软件系统集成的主要目的是将许多孤立的计算模块组合成一个完整的系统， 使得各组成模块相互协作，实现污染监测和优化吹灰的任务。软件集成方案如图 HUB DAS 系 统 与 DCS接口 前置机 传感器 Plant LAN 吹灰系统服务器 吹灰系统 显示画面 信息中心 主控室 锅 炉 本 体 8 DAS 原 始 数 据 偏差校核?相关性校核 移 动 平 均 锅 炉 效 率 计 算 洁 净 因 子 计 算 优 化 吹 灰 模 块 结构参数 洁净因子棒图 吹灰建议 历史曲线 缺陷

19、报警 内部烟温 下一采样周期 开始 读入 参数预处理 用户界面 内部计算程序 监测结果 吹灰建议 煤质参数 采样周期 3所示。 程序启动时，首先读入结构参数和设计煤质参数，每个计算周期，计时器发 出采样指令，从 DCS 获取计算所需的实时数据，通过偏差校核、相关性校核和移 动平均处理，过滤掉不可信数据，保证输入系统的热工数据的合理性，避免整个 系统因个别测点失效而导致瘫痪。然后依次进入锅炉效率计算模块、洁净因子计 算模块、优化吹灰模块，给出监测结果和吹灰建议。用户界面与内部计算程序进 行信息交互，将计算得到的洁净因子和优化模块给出的吹灰建议提交给运行人 员，运行人员可以控制程序的采样、计算周期

20、，当燃煤煤质发生较大变化时，运 行人员还可以输入新的燃用煤种成分。 图 3 优化吹灰系统软件结构示意图 5 系统实施步骤系统实施步骤 5.1 前期准备阶段前期准备阶段 5.1.1 了解锅炉受热面结构及测点分布状况，若有必要，增加必须的工质侧温度 测点。 9 5.1.2 搜集整理锅炉设计说明书、锅炉热力计算书、大小修试验报告等资料，为 编制污染监测计算程序作准备。 5.1.3 从 DCS 中挑选出污染监测及吹灰优化所需测点，并采集一段时间内（一个 月左右）的运行数据，以及相应的吹灰记录（吹灰起始和结束时间，吹灰 顺序等） ，供离线调试使用。 5.1.4 分析锅炉运行特性，了解吹灰制度和吹灰效果等

21、，为优化吹灰策略的制定 作准备。 5.2 离线调试阶段离线调试阶段 5.2.1 离线编制受热面污染在线监测程序。 5.2.2 将采集的运行数据代入污染监测程序，观察污染监测效果，并与历史吹灰 记录比较，是否一致？期间调整相应参数，直至监测效果与吹灰记录相一 致。 5.2.3 根据受热面污染特性和锅炉运行特性，制定初步的吹灰策略，编制初步的 优化吹灰程序。 5.3 在线调试与污染报警阶段在线调试与污染报警阶段 5.3.1 现场软硬件安装，数据接口调试。 5.3.2 通过在线运行，校核污染监测模型的准确性。对监测效果不佳的受热面进 行单独的吹灰试验，必要情况下对模型进行适当调整。 5.3.3 为各

22、受热面初步确定一个合理的积灰程度，也就是报警界限，当受热面洁 净因子小于此限值时，系统报警。 5.3.4 此阶段，仍然按照原来的吹灰方案进行吹灰操作，污染报警作为对运行人 员操作的提示和参考。 5.4 优化吹灰指导阶段优化吹灰指导阶段 5.4.1 结合机组运行特性，制定合理的吹灰策略，完善基于模糊逻辑的优化吹灰 模型。 10 5.4.2 优化系统根据受热面污染状态和当时锅炉的运行状态，动态判断是否需要 吹灰，以及应该动作哪些吹灰器，并给出吹灰建议。运行人员根据系统提 示，手动执行吹灰。 5.4.3 在此阶段，若无异常情况，严格按照系统建议进行吹灰。 6 项目投资及收益预算项目投资及收益预算 6

23、.1 项目投资包括硬件投资、软件投资和调试试验3个部分。 序号序号 名名 称 型 称 型 号单位号单位 数量数量 预算预算(万元万元) 1、设备材料表 1、设备材料表 1 数据采集前端 16 点 套 4 20 2 测温探头 K 型表面安装热偶 套 48 12 3 优化软件 OPTC-S 套 1 45 4 工控机（PC） 台 2 4 5 补偿导线连接电 缆及安装材料 米 1250 3 6 DCS 通讯接口 DCS IO 个 2 5 7 SIS 通讯接口 台 2 5 8 遥控 IO 个 2 1 小计 95 95 3、其它费用 3、其它费用 1. 探头布置、走线设计 2. 电缆连接图 1 系统设计费

24、 3. PLC 内部逻辑设计组态 2.5 1. 现场探头安装 2. 现场电缆连接 3. SIS/DCS 配合费 2 安装、调试费用 4. 设备调试 10 1. 现场操作人员培训 3 培训费用及资料费 2. 工程师级维护培训 0.5 小计 13 13 总计 108 108 11 6.2 项目收益预算 优化吹灰系统带来的经济效益可计算的主要包括吹灰蒸汽消耗的减少和机 组整体热效率的提高。这两方面的效益相互关联，并与机组的运行状况及原来的 吹灰策略有关系。 设在系统投运后的一段时间内，按原来的吹灰策略，需要吹扫 old n次，而按 照新的吹灰策略，需要吹扫 new n次，则： 旧的吹灰策略取得的吹灰

25、净收益为： )(1 ()(1 ( 0 0 0 0 / _ + = TdKfTdKfnFQ lx n lxoldoldnet old )(* 01 HHmn chouold （5） 新的吹灰策略取得的吹灰净收益为： )(1 ()(1 ( 0 0 0 0 / _ + = TdKfTdKfnFQ lx n lxnewnewnet new )(* 01 HHmn chounew （6） 从而可求得优化系统带来的经济效益为： )(1 ()(1 ( / _ 0 0 0 0 + = oldnew n lx n lxnewnewnet TdKfTdKfnFQ )(*)( 01 HHmnn chounewold

26、 （7） 其中对数温压、传热系数等参数按照统计时间内的平均负荷计算。 据估算， 通常情况下， 优化吹灰系统每年可为每台300MW机组节约燃煤1000 余吨，获得经济回报50万元左右。 在锅炉效率得到保证的前提下，可以实现： ? 炉膛吹灰更具有科学性，吹灰次数减少，根据积灰限度吹灰； ? 空气预热器的吹灰方式可以实现2天一次吹灰甚至到3天一次吹灰，取 消以前的一天多次吹灰的运行模式； 12 ? 加强屏式再热器、高温再热器和省煤器的吹灰，有利于提高锅炉的运行 效率； ? 其它受热面都不同程度的改变了吹灰间隔，实现了积灰上限吹灰模式， 降低锅炉的排烟温度。 尚有一些其它隐性收益，如：因吹灰频率降低而

27、使得受热面使用寿命延长， 减轻因不合理吹灰导致的爆管危险，降低吹灰器故障率减少维护成本，以及优化 再热汽温控制在低负荷时提升再热蒸汽温度导致的汽轮机效率提高等隐性收益， 预计优化吹灰系统带来的经济效益单台机组每年可达到80万元，一年左右的时 间便可以收回投资。 13 附件附件 1：优化吹灰指导系统测点清单：优化吹灰指导系统测点清单 参数分类参数分类 测点名称测点名称 备注备注 最终给水流量 主蒸汽流量 再热蒸汽流量 通常没有，但可根据高加系统能 量和质量平衡计算得出。 一级过热减温水流量 二级过热减温水流量 汽水侧流量 再热减温水流量 省煤器进口工质温度 省煤器出口工质温度 低再进口工质温度

28、低再出口工质温度 低过入口工质温度 低过出口工质温度 高过入口工质温度 高过出口工质温度 过热减温水温度 汽水侧温度 再热减温水温度 汽包压力 主蒸汽压力（炉侧） 冷再压力 热再压力（炉侧） 最终给水压力（省煤器入口） 过热减温水压力 汽水侧压力 再热减温水压力 总风量 A/B一次风机流量 烟风侧流量 A/B二次风机流量 空预器入口风温（A/B侧） 空预器出口风温（A/B侧） 空预器入口烟温（A/B侧） 空预器出口烟温（A/B侧） 烟风侧温度 其他已安装的低温段烟温测点 炉膛负压 空预器入口烟压 空预器出口烟压 进出口压差也可以 空预器入口风压 烟风侧压力 空预器出口风压 进出口压差也可以 1

29、4 发电机功率 给煤量 竖井烟气挡板位置 烟气氧量（A/B侧） A/B引风机马达电流 A/B送风机马达电流 过热器壁温测量值（多点） 再热器壁温测量值（多点） 各吹灰器启停信号 其他测点 高加投切信号 15 附件附件 2：部分吹灰优化界面：部分吹灰优化界面 16 附件附件 3：案例分析：案例分析 青岛电厂2号炉智能吹灰优化系统自2005年5月底投运后，实现了锅炉各 受热面污染率的可视化，运行人员能及时了解锅炉各受热面的积灰污染程度;提 供了吹灰判据准则，通过数据显示、报警提示和历史数据存储、查询、综合分析 等功能，运行人员可以统计、总结何种负荷下容易积灰;可以监测到锅炉效率及 排烟热损失，指导

30、运行人员进行锅炉燃烧调整;减少了吹灰蒸汽量，降低了四管 泄漏的几率。系统投运前后各一个时间段平均参数见表1、2。 由表1、2及运行数据统计可知，系统投运前后整体吹灰次数减少27%，吹 灰时间减少了28.9%，减少了因不合理吹灰带来的管壁磨损和蒸汽消耗损失。 另外，根据运行数据的18030OMW负荷段5个负荷点的统计对比表明，优 化吹灰使锅炉效率平均提高了0.24%， 可降低煤耗1g/(kW.h)。 同时也有利于主蒸 汽温度和再热蒸汽温度的控制。 2005年度华电青岛发电有限公司计划发电量为34亿kW.h(l、2号机)，若按 每台机发电量为17亿kWh计算，年可节约原煤1700t;每吨原煤按500元计算， 每年至少可节约85万元。