基于燃煤电厂运行经济性的烟气污染物排放技术优化研究及应用

张宇 周连升 王桂林 王森 周义刚

（国网天津市电力公司电力科学研究院 天津 300384）

1 前言

近年来，我国针对燃煤电厂大气污染物控制出台了多项法规、政策、标准，污染物排放标准日趋严格，同时排污收费标准的逐年提高，对燃煤电厂污染物排放提出了更高的要求。《天津市4种主要污染物排污费征收标准调整及差别化收费实施细则（试行）》中SO2和NOX等污染物排放收费标准分别提高5～13倍，污染物脱除及排放费用在锅炉总体运营成本中所占的比重越来越大，极大改变了燃煤电厂锅炉运行成本的结构。原有的追求锅炉热效率的锅炉运行调整及优化方式，已不再适应当前的环保形势。

本文对电厂燃煤锅炉运行及烟气污染物排放全过程进行了研究，建立了锅炉烟气污染物预测模型、锅炉运行总成本计算模型、燃料及运行方式优化模型，开发了燃煤锅炉污染物预测及过程优化辅助决策系统。该项目综合考虑燃煤、污染物脱除及排放等费用，以锅炉总体运营成本为优化目标，优化燃料混配，优化锅炉运行方式，从源头上有效的控制污染物的生成，降低锅炉运行成本，并在2×300MW 机组示范工程成功应用，达到了节能减排的目的，经济效益和社会效益显著。

2 系统建立原理

2.1 污染物预测

锅炉烟气中污染物主要为SO2、粉尘和NOx。SO2和粉尘的生成机理比较简单，应用物料平衡等已有的成熟的方法就可以得出精确的结果。

NOx的生成原因比较复杂，主要将NOx的生成分为燃料型、热力型和快速型三种[1]，不仅和煤质有关，更和锅炉运行方式有关，例如炉膛温度、氧含量、分级燃烧情况等。目前的研究结果对NOx的生成更多的是定性的分析，对其生成浓度没有成熟的数学模型可以直接利用，需要进行专项试验得到相关数据，利用支持向量机等机器学习的方法，利用电厂所采集的数据对模型进行训练，最终得出比较可靠的关于NOx浓度的预测模型（如下式所示）。

式中：y为SCR入口的NOX浓度；x为负荷、一二次风量、各二次挡板开度，给煤量，氧量等输入量；c(N)为混煤中的含氮量；m为修正系数，本文中m取0.8；σ 为核参数；b为截距参数；αj为拉格朗日乘子。

2.2 运行总成本计算

对电厂锅炉运行方式和历史参数进行研究，提出锅炉运行环保全流程的经济性评价计算模型。采用支持向量机及数据拟合的方法，预测计算锅炉不同煤质，不同工况条件下煤耗成本、脱硫脱硝成本、除尘成本、污染物排污收费、补偿电价等总成本，单位发电负荷总成本来评价锅炉经济性。运行总成本的构成如图1所示。

根据NOx浓度，烟气流量，脱硝设备进出口温度预测脱硝系统成本；根据SO2浓度，烟气流量，脱硫设备进出口温度预测脱硫系统运行成本；根据烟气烟尘浓度，烟气流量，烟气温度预测除尘系统运行成本；根据排烟污染物浓度（NOx，SO2，烟尘等），以天津环保局现行污染物排放收费标准，计算电厂需要缴纳的污染物排放费用；根据烟气污染物处理设备的投入情况，及烟气污染物排放浓度，计算电厂应获得的环保补偿电价。

2.3 燃料优化

对电厂配煤混煤方式进行研究，提出基于锅炉运行烟气环保全流程综合成本因子的燃料优化方法[2]。在配煤优化过程中，综合考虑煤质、煤价、污染物生成、污染物排放等因素，以最小总成本为目标，运用线性规划中的单纯形法实现燃料优化[3]。燃料优化模型结构图如图2所示。

2.4 锅炉运行方式优化

采用插值的方法，以煤质及锅炉运行相关参数为自变量，以燃煤及排放污染物和污染物脱出设备运行成本之和作为因变量，建立一个三次插值多项式，将此多项式作为目标函数，再应用无约束条件非线性规划的最速下降法进行优化，得到最优的锅炉运行方式。

3 系统的总体设计及建立

图1 运行总成本构成图

图2 燃料优化模型结构图

本文以天津某2×300MW 亚临界燃煤锅炉为例，介绍燃煤锅炉污染物预测及过程优化辅助决策系统的总体设计和开发情况。

3.1 运行调整试验

四个数学模型建立后，需要大量的锅炉运行样本数据对数学模型进行训练，以确定模型部分参数、实现支持向量积方法及数据拟合方法。本文采集示范工程锅炉一年以上历史运行数据，根据煤质不同、负荷不同、运行方式不同，筛选数据样本860组。但锅炉的正常运行方式较稳定，变化较少，历史样本数据无法满足模型训练的要求，因此进行了锅炉运行调整试验。包括：煤质调整试验、负荷调整试验、给煤机组合方式调整试验、二次风开度调整试验、燃尽风开度调整试、氧量调整试验等近80余工况的调整试验，得到230组补充样本数据，使得样本数据更全面，更具代表性，保障数学模型的准确性。

3.2 系统主要功能及画面

燃煤锅炉污染物预测及过程优化辅助决策系统的主要功能包括以下几点：

3.2.1 配煤计算：系统内录入电厂常用煤种的煤质数据库，配煤计算时，选择需要混配的煤种，设置混配比例，此功能可自动计算得到混合后煤质信息。

3.2.2 燃料优化：根据用户选择的煤种，系统自行计算，得到运行总成本最低的燃料混配方式。

3.2.3 污染物预测：根据锅炉入炉煤质的不同，结合锅炉的运行方式（负荷、风量、磨煤机组合方式、配风方式等），预测计算锅炉烟气中污染物浓度，例如：SO2、NOX、粉尘、烟气量等。

3.2.4 运行总成本计算：根据入炉煤质和锅炉运行方式，预测计算锅炉运行过程中的各项成本，主要包括：燃煤成本、污染物脱除成本、污染物排放成本、环保电价补偿等。

3.2.5 运行方式优化：以锅炉运行总成本最低为优化目标，系统给出较为经济的锅炉运行方式，包括：磨煤机组合方式、一二次风量、二次风开度、燃尽风开度、给煤量等参数。

3.2.6 辅助功能：系统还具有基础数据库管理、法律法规查询、饱和蒸汽计算、设备说明说查询等辅助功能。

3.3 系统主画面

系统的首界面、运行方式优化界面及运行成本计算界面如图3～图5所示。

4 系统节能减排及经济效益分析

图3 系统首界面

图4 运行方式优化界面

图5 锅炉运行成本计算界面

本系统在示范工程2×300MW亚临界锅炉上进行了试用，已经满一年。根据优化调整验证试验的结果，300MW负荷工况下通过系统对配煤和运行方式优化，可降低成本0.00625元/kW·h；250MW 负荷工况下降低成本0.00149元/kW·h；200MW 负荷工况下降低成本0.00077元/kW·h；150MW 负荷工况下降低成本0.01715元/kW·h，机组年运行小时数5476h。

示范工程年经济效益：两台机组年节约成本=（0.00625元/kW·h×300MW ×1308h+0.00149 元 /kW·h×250MW ×3311h+0.00077元/kW·h×200MW×552h+0.01715元/kW·h×150MW×305h）×2=911万元。

由于该项目研究内容具有普遍通用性，可以在电厂燃煤锅炉领域得到广泛应用，天津地区目前300MW 容量等级机组共有16台，如果全部采用燃煤锅炉污染物预测及过程优化辅助决策系统，按照示范工程2×300MW 机组节能减排水平，一年即可节约成本7288万元，折合标煤11.21×104t，相当于一年可为天津地区减少CO2排放29.37×104t，SO2排放952.8t，NOX排放829.5t。

5 结语

本文以天津某2×300MW机为例，介绍了燃煤锅炉污染物预测及过程优化辅助决策系统。

5.1 本文提出了以锅炉运行总成本为优化目标的燃料优化和锅炉运行方式优化新方法，开发了燃煤锅炉污染物预测及过程优化辅助决策系统。

5.2 本系统对电厂燃煤锅炉运行及污染物排放全过程进行研究，预测锅炉的污染物生成，预测计算锅炉运行总成本，优化燃料组合方式，优化锅炉运行方式，指导电厂降低污染物生成，降低运营成本，以达到节能减排的目的，经济效益显著。

5.3 本文的基础理论具有普遍通用性，适用于200MW及以上燃煤锅炉，在目前环保形势日趋严峻的形势下，技术推广前景广阔。

[1]王春林，周昊，李国能，等.大型电厂锅炉NOx排放特性的支持向量积模型[J].浙江大学学报,2006,40(10):131-134.

[2]吴克河,姚佳慧.火电厂配煤优化模型的研究与实现[J].电力信息化,2009,4:98-101.

[3]线性规划单纯形法迭代法则的改进[J].科技与管理,2010,03:102-104.