張 勇，趙永利，朱憲磊，張秋瑤，畢有福，許 濤

（1.內(nèi)蒙古霍煤鴻駿鋁電有限責(zé)任公司 電力分公司，內(nèi)蒙古自治區(qū) 通遼 029200；2.上海發(fā)電設(shè)備成套設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司，上海 200240）

0 引言

煤炭是大部分火力發(fā)電廠使用的燃料，煤質(zhì)成分的變化對(duì)鍋爐燃燒有著極大的影響。準(zhǔn)確獲得入爐煤質(zhì)并根據(jù)煤質(zhì)調(diào)整配風(fēng)是提高鍋爐效率及降低NOx生成量的重要手段之一，這對(duì)燃煤電廠節(jié)能減排，降碳增效運(yùn)行有著重要意義。煤質(zhì)成分在線分析裝置主要使用核射線或其他高能束的介入來(lái)探測(cè)煤炭的內(nèi)部成分，相關(guān)的檢測(cè)儀器多依賴進(jìn)口，其價(jià)格昂貴，應(yīng)用要求高，后期維護(hù)投入較大[1]，目前很少有燃煤電廠配備煤質(zhì)在線檢測(cè)裝置。

應(yīng)對(duì)難以直接檢測(cè)的情況，工程上通常使用軟測(cè)量的方法。軟測(cè)量是指通過(guò)生產(chǎn)過(guò)程機(jī)理分析，根據(jù)物理、化學(xué)原理構(gòu)建待測(cè)的變量與易測(cè)的變量間的數(shù)學(xué)關(guān)系模型，根據(jù)關(guān)系模型，用容易測(cè)量的變量值來(lái)推斷或者估計(jì)出待測(cè)變量的值，將原本的硬件測(cè)量轉(zhuǎn)化為軟件的測(cè)算。應(yīng)用軟測(cè)量技術(shù)獲取電廠的煤質(zhì)成分有著成本低，響應(yīng)快，測(cè)量可連續(xù)的優(yōu)勢(shì)。

目前關(guān)于燃煤電廠煤質(zhì)成分軟測(cè)量的研究多集中在單一的方面，對(duì)于整個(gè)技術(shù)框架的總結(jié)和綜述性文章還比較少。本文對(duì)目前各項(xiàng)煤質(zhì)成分軟測(cè)量技術(shù)進(jìn)行了總結(jié)匯總，并探討燃煤電廠煤質(zhì)成分軟測(cè)量技術(shù)未來(lái)的發(fā)展方向。

1 煤質(zhì)成分及軟測(cè)量方法

基于不同的分析方法，煤質(zhì)成分通常有兩種描述方式，一種是基于工業(yè)分析，分析煤炭中水分、灰分、固定碳、揮發(fā)分等的含量；另一種是基于元素分析，分析煤炭中可燃性元素碳（C）、氫（H）、氧（O）、氮（N）、硫（S）的含量。針對(duì)入爐煤質(zhì)檢測(cè)場(chǎng)景，需要獲取全面的煤質(zhì)信息，往往將兩種分析方法耦合使用。此外，煤炭的發(fā)熱量與發(fā)電成本直接掛鉤，電廠對(duì)煤的發(fā)熱量也格外關(guān)注，燃煤的發(fā)熱量可分為高位發(fā)熱量及低位發(fā)熱量，電廠的入爐煤質(zhì)分析以低位發(fā)熱量的分析應(yīng)用為主[1]。

煤質(zhì)成分軟測(cè)量通常指的是獲取上述的這些反應(yīng)煤炭品質(zhì)的組分信息，這類軟測(cè)量主要依靠機(jī)理分析，通過(guò)對(duì)電廠整個(gè)燃燒過(guò)程中環(huán)節(jié)的分析，構(gòu)建能量守恒或物質(zhì)守恒方程，推導(dǎo)待測(cè)變量與DCS系統(tǒng)中已有測(cè)點(diǎn)的變量間的關(guān)系，從而實(shí)現(xiàn)煤的水分、元素組成、發(fā)熱量及灰分的軟測(cè)量。隨著數(shù)據(jù)分析技術(shù)的發(fā)展，很多學(xué)者應(yīng)用機(jī)器學(xué)習(xí)方法進(jìn)行煤種的在線辨識(shí)分類，這也可看做是一種廣義上的煤質(zhì)軟測(cè)量技術(shù)。本文主要對(duì)基于機(jī)理分析的煤質(zhì)成分軟測(cè)量技術(shù)進(jìn)行綜述。

2 基于機(jī)理分析的煤質(zhì)成分軟測(cè)量技術(shù)

基于機(jī)理分析的煤質(zhì)成分軟測(cè)量主要用于測(cè)量煤中的水分、元素組成、發(fā)熱量和灰分，該軟測(cè)量技術(shù)是基于輸入/損失技術(shù)[2]提出的，主要依靠能量、物質(zhì)守恒構(gòu)建軟測(cè)量所需的關(guān)系模型。

2.1 煤質(zhì)水分軟測(cè)量

煤質(zhì)中水分不是可燃物，對(duì)于燃料來(lái)說(shuō)是一種雜質(zhì)，通常需要采取干燥措施去除。一方面，當(dāng)水分含量較大時(shí)，會(huì)吸收煤粉燃燒的一部分熱量，使得著火的熱量增加，不利于煤粉的燃燒，從而使飛灰含碳量變大，進(jìn)一步導(dǎo)致鍋爐效率降低；另一方面，煤中水分過(guò)大，會(huì)增加煤粉的粘性，增大堵煤事故的發(fā)生概率。因此，需準(zhǔn)確測(cè)得入爐煤質(zhì)的水分含量，從而可以進(jìn)行準(zhǔn)確干燥，以去除煤中的絕大部分水分。

電廠入爐煤中的水分通常在制粉環(huán)節(jié)進(jìn)行干燥去除，因此軟測(cè)量手段通常也是根據(jù)制粉環(huán)節(jié)來(lái)制定的。趙征等人[3]根據(jù)能量守恒原理，考慮進(jìn)入制粉系統(tǒng)的總能量應(yīng)等于系統(tǒng)消耗的能量與帶出系統(tǒng)能量之和來(lái)建立煤質(zhì)水分軟測(cè)量模型。具體的思路如下：

1kg原煤經(jīng)過(guò)制粉系統(tǒng)研磨，輸入制粉系統(tǒng)的總能量qin（kJ/kg）計(jì)算如公式（1）所示。

式（1）中：qag1為干燥劑的物理熱（kJ/kg）；qrc為原煤物理熱（kJ/kg）；qmac為磨煤機(jī)研磨煤粉所產(chǎn)生的熱量（kJ/kg）；qs為密封風(fēng)的物理熱（kJ/kg）；qle為漏入冷風(fēng)的物理熱（kJ/kg）。

1kg原煤經(jīng)過(guò)制粉系統(tǒng)研磨，被消耗及帶出的總熱量qout（kJ/kg）計(jì)算如公式（2）所示。

根據(jù)能量平衡qin=qout，帶入各項(xiàng)得到式（3）：

其中，qrc、qev、qf3個(gè)變量計(jì)算式中都包含煤水分Mar，將這3項(xiàng)移到等式一邊得到式（4）：

帶入每個(gè)子項(xiàng)后，可以獲得一個(gè)關(guān)于煤質(zhì)水分Mar的一元二次方程。解此方程，其中在0%～100%范圍的實(shí)根即為煤質(zhì)的水分含量。

該方法也經(jīng)過(guò)了許多學(xué)者的驗(yàn)證，劉蘋(píng)稷[4]參考此方法建立了類似的水分軟測(cè)量模型，其實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示求取模型的結(jié)果和化驗(yàn)值的變化趨勢(shì)基本一致，具有可行性與實(shí)用性；李峰等人[5]指出，由能量平衡建立的關(guān)系模型為靜態(tài)平衡關(guān)系，在大范圍變出力時(shí)，由于制粉慣性的存在，會(huì)造成入口和出口測(cè)量數(shù)據(jù)存在暫時(shí)的不匹配現(xiàn)象，從而導(dǎo)致計(jì)算結(jié)果會(huì)出現(xiàn)異常。為此文獻(xiàn)[5]的研究者添加了低通濾波器對(duì)軟測(cè)量得出的煤質(zhì)水分信號(hào)進(jìn)行濾波，有效克服了測(cè)量信號(hào)擾動(dòng)對(duì)燃煤水分質(zhì)量分?jǐn)?shù)信號(hào)造成的擾動(dòng)。

2.2 煤質(zhì)元素成分軟測(cè)量

煤炭在鍋爐中燃燒，最終的燃燒產(chǎn)物為煙氣，根據(jù)物質(zhì)守恒的原理，煙氣的氣體成分能夠反映入爐煤的元素組成信息（C、H、O、N、S）。劉福國(guó)[6]基于物質(zhì)守恒原理和煤炭燃燒過(guò)程的化學(xué)分析，總結(jié)了如下方程組：

式中，γCO2、γSO2分別為煙氣中CO2、SO2的體積分?jǐn)?shù)；a1、a2、b1、b2為回歸系數(shù)，根據(jù)電廠常用煤的收到基成分進(jìn)行擬合。

解上述6條方程組成的方程組即可獲得煤炭的元素成分信息，在進(jìn)行元素分析軟測(cè)時(shí)，煤質(zhì)水分應(yīng)為已知值，收到基數(shù)據(jù)與干燥無(wú)灰基數(shù)據(jù)可按照指定公式進(jìn)行換算，方程組中的各系數(shù)計(jì)算此處不作展開(kāi)。

在上述基礎(chǔ)上，很多學(xué)者展開(kāi)了進(jìn)一步的研究：米翠麗等人[7]引入鍋爐效率作為中間量，通過(guò)正、反平衡兩種計(jì)算方法建立鍋爐效率等式，而等式中包含有入爐煤成分和煙氣成分的相關(guān)變量，以此獲得煤質(zhì)元素成分的軟測(cè)量關(guān)系模型。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，這一改進(jìn)的煤質(zhì)元素成分軟測(cè)量模型計(jì)算得到的煤質(zhì)參數(shù)與試驗(yàn)結(jié)果的相對(duì)誤差在±5%以內(nèi)。劉福國(guó)等人[8]研究利用日常煤質(zhì)數(shù)據(jù)來(lái)預(yù)測(cè)煤的元素成分，采用工業(yè)分析成分和元素分析成分之間的關(guān)聯(lián)式以及發(fā)熱量和元素成分之間的關(guān)聯(lián)式構(gòu)建預(yù)測(cè)模型，其預(yù)測(cè)頻率受電廠日常檢測(cè)周期限制，無(wú)法給出連續(xù)的實(shí)時(shí)值，但由于僅需要日常的檢測(cè)數(shù)據(jù)，該方法比較適合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施。

2.3 煤質(zhì)發(fā)熱量軟測(cè)量

煤的發(fā)熱量即為單位質(zhì)量煤粉燃燒所能釋放的熱量，準(zhǔn)確獲取煤的發(fā)熱量并匹配與之對(duì)應(yīng)的最佳的風(fēng)量，是燃燒優(yōu)化調(diào)整的重要手段。目前，現(xiàn)場(chǎng)主要采用間接矯正的方法來(lái)表征煤發(fā)熱量變化，例如超臨界機(jī)組通常將主蒸汽流量作為實(shí)際負(fù)荷參考值與負(fù)荷指令進(jìn)行對(duì)比修正燃料發(fā)熱量[1]，但是校正的精度有限，較難適應(yīng)頻繁變動(dòng)的煤質(zhì)信息，因此針對(duì)煤的發(fā)熱量制定軟測(cè)量方法是十分必要的。

電廠主要關(guān)注燃料的低位發(fā)熱量，可表示為單位燃料量所釋放出的熱量。從鍋爐熱量傳遞視角看，煤粉入爐后燃燒所釋放的熱量大部分被各換熱器內(nèi)的循環(huán)工質(zhì)吸收，主要表現(xiàn)為主蒸汽與再熱蒸汽吸收的熱量；剩下的熱量表現(xiàn)為以排煙熱損失為主的各項(xiàng)損失熱量，根據(jù)能量守恒原理，可得煤粉燃燒釋放熱量等于主、再熱蒸汽吸收熱量加上損失的熱量。根據(jù)蒸汽壓力、溫度測(cè)點(diǎn)信息可以計(jì)算蒸汽的焓值，各項(xiàng)損失也有相應(yīng)的計(jì)算方法，合起來(lái)就可以表征煤粉燃燒釋放的熱量，結(jié)合這段時(shí)間進(jìn)入鍋爐的燃料量，即可求取入爐煤的低位發(fā)熱量，煤的低位發(fā)熱量計(jì)算公式如式（11）所示：

式（11）中，Qr為煤粉燃燒釋放的總熱量，kJ；K為與效率相關(guān)的系數(shù)，一般取K=1；Bv為進(jìn)入爐膛的總煤量，kg/s；Qnet,ar為煤的低位發(fā)熱量，kJ/kg。

式（12）中，Q1為鍋爐有效吸熱，kJ；Q2為排煙熱損失，kJ；Q3為化學(xué)未完全燃燒熱損失，kJ；Q4為機(jī)械未完全燃燒熱損失，kJ；Q5為鍋爐散熱損失，kJ；Q6為灰渣物理熱損失，kJ。

式（13）中，Dgr為主蒸汽流量，kg/s；igr為主蒸汽焓，kJ/kg；Dgs為給水流量，kg/s；igs為給水焓，kJ/kg；Djws為減溫水流量，kg/s；ijws為減溫水焓，kJ/kg；Dzr為再熱蒸汽熱量，kg/s；izr為再熱蒸汽焓，kJ/kg；igp為高壓缸排氣焓，kJ/kg。各焓值可根據(jù)壓力、溫度按照汽水熱力特性IFC97計(jì)算獲得。

在已知煤元素成分含量及水分含量的基礎(chǔ)上，也可用門(mén)捷列夫公式計(jì)算煤發(fā)熱量，煤發(fā)熱量與煤收到基元素成分含量間的統(tǒng)計(jì)公式如下：

李儼等人[9]采用煙氣成分推算煤的元素組成后，根據(jù)門(mén)捷列夫公式計(jì)算煤的低位發(fā)熱量并采用電廠實(shí)際的檢測(cè)數(shù)據(jù)優(yōu)化修正系數(shù)，最后將軟測(cè)量得出的低位發(fā)熱量數(shù)據(jù)引入機(jī)組協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)機(jī)組煤質(zhì)自適應(yīng)控制。

2.4 煤質(zhì)灰分軟測(cè)量

煤炭中的灰分和水分類似也是一種無(wú)法燃燒的雜質(zhì)，在上述水分、元素成分和低位發(fā)熱量均可通過(guò)軟測(cè)量手段得出的基礎(chǔ)上，煤質(zhì)灰分的軟測(cè)量通常通過(guò)總給煤量進(jìn)行校驗(yàn)。劉福國(guó)[6]總結(jié)了一種電廠常用的灰分的校正方法：在入爐煤的低位發(fā)熱量已知的情況下，煤燃燒釋放總能量取決于總給煤量；假定煤炭中的灰分含量，即可計(jì)算煤炭除去灰分后的總質(zhì)量；同時(shí)通過(guò)實(shí)際鍋爐工質(zhì)吸收熱量及損失的熱量及煤的低位發(fā)熱量可以計(jì)算實(shí)際的耗煤量；然后根據(jù)兩者的差值對(duì)假定的灰分進(jìn)行校正，其流程圖如圖1。

圖1 基于給煤量校驗(yàn)的灰分迭代計(jì)算過(guò)程Fig.1 The iterative calculation process of ash content based on the verification of coal feeding quantity

上述煤質(zhì)的軟測(cè)量本質(zhì)上是一種計(jì)算校驗(yàn)的方法，其精度受到水分、元素組成、低位發(fā)熱量的軟測(cè)量精度的影響，通常應(yīng)使用穩(wěn)態(tài)數(shù)據(jù)來(lái)進(jìn)行校正計(jì)算，動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)波動(dòng)大，各軟測(cè)量的可靠性較低，會(huì)降低灰分校正的準(zhǔn)確度。

3 結(jié)語(yǔ)

煤質(zhì)成分軟測(cè)量經(jīng)過(guò)幾十年的發(fā)展已較為成熟，本文對(duì)燃煤電廠常用的基于機(jī)理分析的煤質(zhì)參數(shù)軟測(cè)量方法進(jìn)行了簡(jiǎn)要的綜述。隨著大數(shù)據(jù)和機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)的不斷發(fā)展，越來(lái)越多的學(xué)者將研究重點(diǎn)轉(zhuǎn)移到基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的軟測(cè)量方法上，但需要注意的是：?jiǎn)渭円揽繑?shù)據(jù)分析有可能會(huì)出現(xiàn)嚴(yán)重的原理性錯(cuò)誤，而基于機(jī)理分析的軟測(cè)量方法有著明晰的物理、化學(xué)原理作為支撐，可以保證避免原理性的錯(cuò)誤。另一方面，數(shù)據(jù)建模在結(jié)構(gòu)上比機(jī)理模型簡(jiǎn)單很多，能更好地適應(yīng)實(shí)時(shí)檢測(cè)的需求。因此，未來(lái)的煤質(zhì)成分軟測(cè)量發(fā)展方向應(yīng)是以機(jī)理分析為基礎(chǔ)，融合大數(shù)據(jù)建模手段的綜合性軟測(cè)量。