浅谈火电厂锅炉氧量控制

王优 杜瑞 冯慧敏 杨川 闫晗

摘要：火力发电仍然是我国最主要的发电方式，是电力生产行业中的中坚力量。那么在火力发电生产中，锅炉燃烧过程是否經济稳定直接影响整个发电厂的经济效益和长期安全稳定运行，而且是对炉内过程影响非常复杂的参数。在当下状况，各电厂的机组不断参与电网的调频调峰任务，机组就会在不同工况下来回变化。要保证锅炉的稳定运行与进入炉膛的燃料充分燃烧，通常需要控制进入锅炉的空气与燃料之间的比例合适。

关键词：锅炉;氧量控制;发展

1 国内电力行业发展现状与研究目的和意义

自改革开放以来，我国的电力行业伴随着国民经济的快速、稳定发展，也稳步实现了高速且稳定的增长。近些年来，国家大力发展风电、光伏等清洁能源，对于火电来说，则更着重于节能减排，燃烧劣质煤这些优化工作上。

2017年底，据中电联发布数据显示，2017年以上工业发电量62758亿千瓦时，相比去年增长 5.7%。其中，火电发电量 46115 亿千瓦时，同比增长 4.6%;水电发电量 10819 亿千瓦时，同比增长 3.4%;核能发电量 2481 亿千瓦时，同比增长 16.3%;风力发电量 2695 亿千瓦时，同比增长 21.4%;太阳能发电量 534 亿千瓦时，同比增长 38.0%。火电总装机容量占比 64.04%，水电总装机占比 20.18%，风电总装机占比 9.03%，其他总装机占比 6.74%。虽然火电的总体占比处于下降趋势，但未来数十年中，火力发电仍是我国主要的发电方式，电力生产与发展的核心力量。

2 国内火电发展存在的问题

目前，火电在发展过程中的制约因素还是很多的，因而面临着很多不同的问题与挑战，主要有以下几方面：

（1）发电品质要求愈发苛刻，对排放物的控制也变得愈发严格，燃煤火力发电存在的较为严重的环保问题是：燃煤技术比较落后，燃煤的经济利用率不高;电煤燃烧产生的大量烟尘、二氧化碳、二氧化硫、氮氧化物等污染环境的排放物不能通过有效治理转换为洁净的二次能源，尤其是氮氧化物，硫化物，灰尘这些指标。

（2）盲目扩建机组规模导致能源结构失调，煤电供需矛盾日益凸显。近年来，一方面，电力需求的增长提高了电煤的需求量，火力发电企业生产压力骤增;另一方面，由于煤矿的过度开采及粗放式的经营方式，使煤炭资源紧缺，国家出台了相关政策，对煤炭生产进行限量开采。这就导致煤炭开采数量不能满足消费需求和价格的大幅上涨，使能源结构的供需矛盾明显突出，电煤供应和供电形势一度非常紧张。目前，由于煤源紧张，煤价上涨很快，煤质下降严重，造成电力供电紧张情况不减。再加上燃油价格上涨和其他相关资源供应相对紧缺，火力发电企业生产运行压力巨大，制约了可持续发展的进程。

（3）机组的运行过程中不可避免的无法燃烧设计煤种，入厂煤与入炉煤热值差已呈明显增大的趋势，不仅给火力发电企业带来了巨大的经营压力，而且由于煤质热值降低、灰分上升，已造成锅炉过热器积灰严重，主汽温度难以控制。而且，机组在运行过程中，频繁的参与调峰、调频，需要长时间变工况运行。给机组的安全稳定运行带来了很大的威胁。

3 锅炉氧量控制分析

火电厂运行过程是否安全、经济、环保的判断依据主要是锅炉燃烧系统是否能够经济稳定运行，也即锅炉燃烧过程中的热效率是否最优。电厂中锅炉燃烧过程自动控制的主要任务是使锅炉保持有最佳的运行状态及较高的燃烧经济性。一般情况下，运行过程中是通过测量能够直接反映空气过剩系数大小的烟气含氧量来从侧面判断风煤配比的适当与否。同时，锅炉尾部烟气含氧量也是锅炉燃烧过程中变化范围最广、最容易进行调节、与运行过程中其他指标参数耦合性最强、在燃烧过程对锅炉热经济性影响最为严重的运行参数之一。

烟气含氧量发生变化之时，由其引起的锅炉排烟热损失的变化将直接影响锅炉燃烧过程的经济性。与此同时，还会影响诸如飞灰可燃物含量、送风机及引风机耗电率、主蒸汽温度、减温水流量等运行参数。机组日益频繁的参与调峰调频，使得火电机组更为频繁的进行升降负荷操作，此时电厂运行工作人员需要根据当下燃烧状况对诸如给风机出口风速、出口风率及进入炉膛的总风量等关键参数进行及时且适当的调整，通过调节锅炉烟气含氧量使得锅炉保持在最佳的燃烧工况下，从而可达到锅炉持续安全、经济、环保稳定运行的最终目标。因此锅炉含氧量的及时、准确测量及氧量最佳设定值的优化就具有了十分重要的现实意义。

4 国内锅炉氧量控制研究现状

我国是世界上拥有锅炉机组最多的国家，对锅炉燃烧系统进行优化具有很强的现实意义，因此燃烧优化一直是电站优化控制领域的研究热点，并取得了一些重要的成绩。

清华大学的张毅等人在某电站锅炉热态试验数据的基础上，采用人工神经网络建立了锅炉运行效率和污染排放的预测模型，并根据不同情况提出了 3 种环保与经济相协调的优化运行目标，采用遗传算法得到了实时最优操作参数，并与DCS 系统进行双向通信，构成了锅炉运行优化监督机制，实现了经济与环境相协调的性能闭环优化控制。

华北电力大学的刘吉臻等人将锅炉燃烧系统分为 5 个层：原始信号校准层、特殊信号构造层、控制系统优化层、燃烧状态评估层和燃烧优化指导层。基于信息融合技术建立一套燃烧优化解决方案，实现燃烧状态的参数检测和燃烧控制的优化。

董建勋等人通过锅炉正交性能试验数据建立神经网络模型和 Kriging 模型，将锅炉运行实时数据、优化操作量约束条件和优化目标代入神经网络模型或者 Kriging 模型，运用基于最优遗传算法得到各控制量的最优目标，并采用动态控制完成锅炉状态最优的调整。在通辽发电总厂 600MW 机组上的应用结果表明，锅炉燃烧优化控制系统可使锅炉热效率提高 0.58%，氮氧化物排放浓度降低 10%以上。

秦昊利用最小二乘支持向量机建立了燃烧效率、烟气含氧量、排烟含碳量和氮氧化物排放量的预测模型，以改进的蚁群算法作为优化策略，用于求解预测控制中的非线性优化问题。仿真结果验证了方法的有效性。冯磊华等人建立了锅炉燃烧氮氧化物排放量的支持向量机模型，提出了一种改进的粒子群优化算法，对锅炉运行参数进行了优化。 通过研究国内外锅炉燃烧控制优化的现状，发现优化系统基本由两部分组成，即燃烧效率模型和优化策略。其中，燃烧效率模型除了锅炉热效率的计算，也包括对氮氧化物排放量的预测。

5 小结

火力发电厂作为生产电力主要企业，综上所述，国内火电的发展前景将会越来越好，我国的火电技术将向着国际先进水平逐步靠拢。火力发电厂作为生产电力主要企业

参考文献：

[1]刘福国，郝卫东，杨建柱等.电厂锅炉变样量运行经济性分析及经济氧量优确定.中国电机工程学报，2003.

[2]伍日胜，李贺，杨飞龙等.1000MW 超临界锅炉氧量控制及配风优化.云南电力技术.2014.

[3]高洪培，王鹏丽，张敏等.大型循环流化床锅炉临界流化风量控制与燃烧优化调整.热力发电.2005.

[4]章云锋，燃煤电站锅炉氧量和效率软测量研究.硕士学位论文.上海交通大学2013.

[5]秦昊，电站锅炉氧量定值优化研究.硕士学位论文.华北电力大学，2016.

[6]周强秦，锅炉原理（第三版）.中国电力出版社.