锅炉优化运行问题

B题 锅炉的优化运行问题摘要锅炉是火力发电厂的关键设备之一，其效率直接影响电厂的经济性，所以研究锅炉的节能降耗问题意义重大。促进锅炉节能降耗的重要手段之一是对锅炉机组热力系统进行在线监测与分析，进而优化其运行参数。锅炉的运行是一个涉及化学反应、传热传质的复杂过程，影响参数众多，主要包括煤质参数、运行参数、设备状况和运行环境等。本文的主要目的是对锅炉的实际运行进行研究，对锅炉的优化运行问题进行探讨，确定锅炉运行的最佳过量空气系数，分析锅炉效率与过量空气系数的关系，并且进一步研究锅炉的运行参数对锅炉效率的影响，从而得出锅炉优化运行的具体方法。 关于问题一，我们利用线性拟合的方法，建立了排烟热损失、化学不（或可燃气体未）完全燃烧热损失、机械（或固体）不完全燃烧热损失与过量空气系数的关系模型。与的关系如式14所示，与的关系如式9所示，与的关系如式10所示,综合上述关系可得与的关系如式15所示，当取得极小值时，可确定最佳过量空气系数为1.295。关于问题二，我们利用的权重分析的方法，建立了锅炉效率与过量空气系数的关系模型，通过分析我们发现占热损失的以上，这样我们可以忽略对的影响。通过近似的计算得出和的关系如式21，根据关系式画出的图像如图12所示。从图中我们可以看出，过大或过小都使减小,为保证锅炉效率，过量空气系数应保持在之间。关于问题三，通过研究运行参数与锅炉热损失的关系来间接的反应锅炉效率。通过优化的理论和方法，建立了的多元优化组合模型，然后在运用最后运用线性加权和法评价多元优化组合模型的合理性。关于问题四，我们利用了遗传算法和BP神经网络结合的方法，建立了、与各项参数的关系模型。通过算法的优化得出了使得和取得最优解时，各类参数的取值如表6和表7所示，此时的参数取值为锅炉的最优运行方法。关键词： 线性拟合 权重分析 遗传算法 BP神经网络算法一问题重述锅炉的实际运行中，为使燃料燃尽，实际供给的空气量总是要大于理论空气量，超过的部分称为过量空气量，过量空气系数是指实际空气量与理论空气量之比。过量空气系数直接影响排烟热损失、化学不（或可燃气体未）完全燃烧热损失、机械（或固体）不完全燃烧热损失（如附录3图1）。可见，当炉膛出口过量空气系数增加时，先减少后增加，有一个最小值，与此最小值对应的空气系数称为最佳过量空气系数。以300MW锅炉为例进行分析（锅炉参数见附录1）。由于过量空气系数对化学不完全燃烧热损失影响较小，故可视为常数处理。附录2给出了实测飞灰含碳量与过量空气系数的关系。1. 确定锅炉运行的最佳过量空气系数；2给出锅炉效率与过量空气系数的关系；3研究锅炉的运行参数对锅炉效率的影响；4探讨锅炉的优化运行方法。 我们要做的首先要确定、与过量空气系数之间的函数关系式，当取极小值即导数为0时，锅炉处于最佳过量空气系数。然后根据找出过量空气系数与排烟热损失、化学不（或可燃气体未）完全燃烧热损失、机械（或固体）不完全燃烧热损失、散热损失和灰渣物理热损失的关系，从而得到它与锅炉效率的关系。接着根据所给的运行参数，分析其对锅炉效率的影响。最后我们根据对锅炉要素的分析得到一种切实可行的优化运行方案。二问题假设1.忽略较小的客观误差和系统误差；2.题中所给数据都准确无误；3.忽略锅炉运行参数的测量误差；4.忽略锅炉机组热力监控系统稳定无误；5.忽略锅炉除研究外的其他参数对运行的影响；6.忽略操作人员素质问题对锅炉的热效应的影响；7.忽略设备本身对锅炉效应的影响。三符号说明-有效利用热；-排烟热损失；-化学不完全燃烧热损失；-机械不完全燃烧热损失；-散热损失；-灰渣物理热损失；-过量空气系数；-锅炉效率；-燃烧特性曲线；-元素质量分数；-理论干烟气总量；-干烟气中所含氮气量由燃料本身带入部分；-燃料燃烧所需的理论氧化量；-烟气中三原子气体最大含量；-飞灰含碳量；-输入锅炉的热量，；-排烟温度，；-环境温度，；-空气干燥基挥发分；-空气干燥基灰分；-空气干燥基水分；-煤粉粒度。四问题分析 锅炉运行优化问题实际是要改善锅炉效率。锅炉效率作为衡量燃煤电厂运行经济的重要指标，影响参数众多，主要包括煤质参数、运行参数、设备状况和运行环境等。我们要分别对这几个方面进行研究分析得出一个好的锅炉优化运行方法。 首先，我们要对煤质参数进行分析，得到、与过量空气系数之间的关系，从图1可知当炉膛出口过量空气系数增加时，是持续上升的，是先减小后增加的，而可以看出变化不是很明显，且其值也非常小。这样我们可以得出也是先减少后增加的，当取极小值时，取得最佳值。 然后我们通过以得出的热损失与过量空气系数之间的关系，推导出锅炉效率与过量空气系数的关系。由于已知锅炉效率与热损失之间存在反平衡的关系，而热损失随着过量空气系数先减小后增大，所以锅炉效率随着过量空气系数增加有一个先增加后减小的趋势。 接着我们通过研究运行参数对热损失的影响，又由于热损失和锅炉效率有反平衡的关系，这样我们可以得出运行参数对锅炉效率的影响。最后我们要根据所研究的各类参数对锅炉效率的影响，从而得到一个最优的运行方法。五模型的建立和求解5.1问题一本问题需要分别研究、与过量空气系数之间的关系，并确定与之间的函数关系式，求当取极小值时的取值。5.11过量空气系数与化学不完全燃烧损失的关系在进行燃烧计算及分析有关问题时，常遇到一个系数，系数值只取决于燃料的干燥无灰基成分组成，而与水分、灰分无关，对于不同的燃料有不同的值，故称为燃料特性系数。燃料特性系数的物理意义可理解为是（H-0.126O）和C的比例，其中的（H-0.126O）是尚未与氧化合的氢，称为“自由氢”。严格的的说燃料特性系数除与燃料组成有关外，还与发生不完全燃烧时的烟气成分有关。但对于完全燃烧情况，公式第一项分母仅有;对于不完全燃烧，也因及一般很小，可忽略不计。除可由燃烧方程式推导出外，还可由燃烧烟气中燃烧烟气中三原子气体含量的极大值推导出来。当，即完全燃烧时，;理论干烟气总量。这时，理论烟气中的氮气总量仅来自燃料含氮和理论空气含氮，即 （1） 所以 （2）分子、分母同乘以，得 （3）则可得的表达式为： （4）并且认为它只取决与燃料的组成故称为燃料的特性系数。 各种煤炭和重油的值一般较小，且都大于零；气体燃料的值变化较大，数值有正有负。见表1(文献2）。表1 各种燃料的值燃料燃料碳0氢-无烟煤0.02-0.10一氧化碳-0.395贫煤0.09-0.12 甲烷0.79烟煤0.10-0.15天然气0.75-0.80褐煤0.05-0.11焦炉煤气0.90高炉煤气-0.16重油0.29-0.35发生炉煤气0.04-0.06对于固体、液体燃料的计算公式为： （5）分子分母均除以0.224/12，得 （6） 又由附录1中的数据可知表2 各元素质量百分数元素种类元素质量百分含量%C62.61H3.62S1.08O7.21N0.68代入公式可得 （7）又根据（文献10）经验公式可得,而由于很小，对的影响很小，则近似可将看做一个常数，则可知。 又根据 （8） 又根据附录1可知烟气中二氧化碳含量并且取烟气含氧量代入公式可得：% 所以可得 （9）5.12 过量空气系数与机械不完全燃烧损失的关系 机械不完全燃烧热损失决定于燃烧热值、收到基灰分、飞灰炉渣可燃物及其份额等。飞灰、炉渣、可燃物即取决于燃料煤质，也受制粉系统性能和锅炉燃烧的组织影响。飞灰可燃物对能耗的影响，按照机械不完全燃烧损失的计算式，在飞灰可燃物增加情况下，计算机械不完全燃烧损失如表3所示，关系图如附录3中图2所示。由图2分析飞灰可燃物对机械不完全燃烧损失的影响呈线性关系，飞灰可燃物每升高1%，机械不完全燃烧损失增加0.81%。表3 飞灰可燃物对机械不完全燃烧损失的影响5.905.104.754.64.554.504.454.434.504.5093.8613.57753.4563.41553.3753.33453.31833.375根据附录2的数据我们可以绘出飞灰含碳量与过量空气系数的关系图如附录3中图3所示，由图3可以看出随着过量空气系数的增加，飞灰含碳量先减小再回升，飞灰含碳量的最低值在过量空气系数介于1.4-1.5之间时出现。这是因为过量空气系数的增加虽然使得氧浓度增加了，但是炉内烟气的流速也增大了，从而导致炉内温度下降，并且由于烟气流速的增加，焦炭颗粒在炉内的停留时间也缩短了。过量空气系数在1.1到1.2这个区间内变化时，炉膛口飞灰含碳量相应的变化十分明显，而从1.2到1.5，炉膛出口处飞灰含碳量的变化并不明显，这是因为过量空气系数较小时，焦炭颗粒在贫氧条件下燃烧，煤粉的燃尽程度不好，飞灰含碳量相对较高；随着过量空气系数的增加，逐渐达到煤粉完全燃烧所需的氧量值，这个过程过量空气系数变化对飞灰含碳量的影响比较大；在此基础上再增加过量空气系数时，飞灰含碳量变化甚小。通过上面分析，在运行过程中有几个问题需要注意。第一，1.1-1.2的过量空气系数区间是一个非常敏感的区间，运行过程应该避免；第二，虽然过量空气系数介于1.45-1.5之间时飞灰含碳量出现最低值，但是过量空气系数在1.2到1.5这个区间内，炉膛出口飞灰含碳量的变化并不是很大，考虑到过量空气系数增加时，排烟损失也在增加，所以要综合考虑这两个方面，使锅炉在最佳过量空气。由于我们已经找到了飞灰含碳量与过量空气系数之间的关系，又已知了飞灰含碳量与机械不完全燃烧热损失之间的关系，这样我们可以得出机械不完全燃烧热损失与过量空气系数之间的关系如表4所示：表4 机械不完全燃烧热损失与过量空气系数数据1.11.151.21.251.31.351.41.451.54.5093.8613.57753.4563.41553.3753.33453.31833.375根据表中数据我们可以用MATLAB画出对应的散点图。如附录3中图4所示。 我们用MATLAB对所得函数图像进行线性拟合。可以别对图像做2,3,4次曲线线性拟合。 图5 机械不完全燃烧损失与过量空气系数关系的二次曲线拟合 图6 机械不完全燃烧损失与过量空气系数关系的三次曲线拟合图7 机械不完全燃烧损失与过量空气系数关系的四次曲线拟合对比上面的几次拟合我们可以得出对散点进行二次曲线和四次曲线的图像比较吻合。但从经验公式来看机械不完全燃烧损失与过量空气系数关系是一个一元二次的函数关系式和实际运行更贴切。用MATLAB编程可拟合出机械不完全燃烧损失与过量空气系数关系式为： （10）5.13过量空气系数与排烟热损失的关系影响排烟热损失的主要原因是排烟温度和排烟体积。排烟温度越高，排烟热损失越大。一般排烟温度每提高12-15，将增加1%，所以应该尽量设法降低排烟温度。但是排烟温度过低经济上是合理的，甚至技术上是不允许的。因尾部受热面处于低温烟道，烟气与工质的传热温差小，传热较弱；若排烟温度降得过低，传热温差也就更小，换热所需金属受热面就大大增加。对与运行中的锅炉，受热面积灰或结渣将会使排烟温度上升，所以在运行时，应注意即使吹灰打渣，以减少损失。排烟温度热损失一般表示为（文献9）： （11）式中的为对应于1燃料的排烟热损失，。如果不用外来热源加热燃料和空气，也就不用蒸汽雾化燃油时，排烟热损失应等于排烟热焓与冷空气热焓之差。烟气的容积与热焓是根据完全燃烧理论计算的，由于部分燃料不能完全燃烧，则每千克燃料所需空气量、燃烧后生成的烟气容积和热焓均减少，在实际计算时要对上焓差进行修正。因化学不完全燃烧热损失很小，因此，一般仅就机械不完全燃烧热损失进行修正。排烟热损失的简化公式为 （12） 式中m、n为计算系数，随燃料种类而异，可查表（文献511）；表5 m,n值燃料种类木柴泥煤褐煤烟煤无烟煤重油（机械雾化）m1.41.70.60.40.20.5n3.83.93.63.553.653.45这里我们取得，由于的值很小所得值近似可当做等于1。将数据代入12我们可以得出： （13） 化简上式可得排烟热损失和过量空气系数之间的关系式为： （14） 5.14 最佳过量空气系数的确定 炉内过空气系数过大或过小，都会使锅炉效率降低。因为一般来说排烟热损失随着增加而增加，而化学、机械不完全燃烧损失却随着增大而降低。除非过大，使得炉温降低较多及燃料在炉内停留时间缩短时例外。对应于排烟损失、机械、化学不完全燃烧损失之和为最小的值称为最佳过量空气系数。这一数值能保证较高的锅炉热效率。要取得最小值即所谓在一定范围内的极值点，这样我们这样求取极小值时对应的过量空气系数即为最佳值。 由上面的分析我们已经求得、的方式关系式即联立式9、式10、式14可得： （15）对求导后可得： （16）令我们可以求得当取得极小值时，为1.295。所以最佳过量空气系数为1.295。5.15问题一的总结 利用线性拟合可以得出排烟热损失与过量空气系数的关系如式14所示，化学不（或可燃气体未）完全燃烧热损失与过量空气系数的关系如式9所示，机械（或固体）不完全燃烧热损失与过量空气系数的关系如式10所示, 综合上述关系可得与过量空气系数的关系如式15所示。通过对求导，令其导数为零，可求出取极小值时量空气系数的取值为1.295。这样我就确定了锅炉的最佳运行参数为1.295。5.2问题二在问题一里我们已经研究了过量空气系数与锅炉热损失的关系，对于问题二我们可以通过过量空气系数与热损失的关系，间接的研究过量空气系数与锅炉效率的关系。锅炉热损失包括5部分：排烟热损失、气体未完全燃烧热损失、固体未完全燃烧热损失、散热损失、灰渣物理热损失。锅炉的各项热损失对锅炉的热平衡效率都有着不同程度的影响, 因此各项热损失对锅炉热平衡效率的影响权重因子都不相同。因此我们只需要研究过量空气系数与主要热损失的关系，就可以大致反应过量空气系数与锅炉效率的关系。5.21锅炉各项热损失的主要影响因素1.排烟热损失 排烟热损失 指烟气离开锅炉末级受热面时带走的部分热量,是锅炉最主要的热损失。排烟带走的热量,取决于排烟温度和烟气中各组分的容积和比热,而排烟中各组分的容积除与燃料的成分有关外,主要决定于排烟处过量空气系数的大小。2.化学不完全燃烧热损失 气体未完全燃烧热损失指燃烧过程中产生的可燃气体CO、H2、CH4 等未完全燃烧而随烟气排走所造成的热损失,对燃煤锅炉而言,该项损失主要取决于排烟处的CO含量和过量空气系数。3.机械不完全燃烧热损失 送入锅炉的燃料并不都参加燃烧,固体碳颗粒等可燃物质在炉内未完全燃烧即随飞灰和炉渣一同排出炉外,此燃料未能燃烧而损失的热量叫固体不完全燃烧损失。4.散热损失锅炉运行中,由于保温材料并非完全绝热,锅炉的介质和工质的热量通过炉墙、烟风道、架构、汽水管道的外表面散发出来, 该部分散失的热量即炉体表面散热损失。5.灰渣物理热损失 灰渣物理热损失指炉渣排出炉外带走的热量损失。燃料中灰分过大以及固体碳未完全燃烧都会增加灰渣物理热损失。灰渣物理热损失是锅炉各项热损失中最小的。降低灰渣物理热损失, 要尽可能地降低灰渣的出炉温度, 减少灰渣排放量。5.22 热损失对锅炉效率的权重分析锅炉热损失和锅炉效率受各种参数的影响，为了找出各个参数对锅炉各项热损失和锅炉热效率的影响因子并评价各影响因子的影响程度,采用对某一个具体参数数值 的范围内变化而其他参数固定的研究方法,来考察各个参数在同时变化相同范围内对锅炉各项热损失和锅炉热效率的影响程度。如图8所示燃煤锅炉各项热损失与锅炉效率的情况（文献12）。图8 燃煤锅炉各项热损失与锅炉效率的情况从图8燃煤锅炉各项热损失与锅炉热效率的关系来看,所有的锅炉热损失都是随着锅炉热效率的降低而增加,而且递减的趋势大致相同。当锅炉热效率一定时,排烟热损失最大,其次是锅炉机械不完全燃烧热损失。当锅炉热效率达到70% 的合格标准时,排烟热损失为,机械不完全燃烧热损失为。 从图9燃煤锅炉各项热损失占热损失之和的比例与锅炉热效率的关系也反映出, 随着锅炉热效率的降低, 各项热损失在整个损失量中的比重也都随之增加。当锅炉热效率一定时, 排烟热损失占整个热损失的比重最大, 其次是机械未完全燃烧热损失。当锅炉热效率在 时, 排烟热损失占整个锅炉热损失的, 其次是机械未完全燃烧热损失占 , 其余各项热损失所占比重在左右。图9 燃煤锅炉各项热损失占热损失之和的比例与锅炉热效率的关系 从上述分析可以看出, 影响燃煤锅炉热效率的主要因素是排烟热损失和机械未完全燃烧热损失, 两者占整个锅炉热损失的80% 以上;余下的各项热损失对锅炉热效率的影响程度从大到小依次为: 气体未完全燃烧热损失、灰渣物理热损失和散热损失。因此我们只要分析过量空气系数与排烟热损失和机械未完全燃烧热损失的关系，就可以间接的大致反应过量空气系数与锅炉效率的关系。5.23 过量空气系数分别与，的关系1.过量空气系数与排烟热损失的关系 在问题1中我们已经找出过量空气系数与排烟热损失的关系式： (17) 由关系式可知锅炉热损失中的排烟热损失与过量空气系数有直接的关系。在某一排烟温度时, 系数与排烟热损失成线性关系。附录3如图10所示 由附录3中图10，我们可以看出, 随着排烟温度的增加,增加的速率大于排烟温度增加的速率, 这一点当排烟温度越高, 反映越明显。因此，在保证燃料完全燃烧的前提下,为了得到较高的燃烧温度, 应尽可能地减小系数，以减少的损失, 提高锅炉的热效率。2.过量空气系数与机械未完全燃烧热损失。 在问题一中推得过量空气系数与机械未完全燃烧的关系式如式10所示；根据表达式我们画出过量空气系数分别与,的关系图如附录图11。 由附录中图11不难看出当增加时,增加的速率大于增加速率,这时反而减少。当过大时,在排烟温度，不高的情况下,增加速率较小时,也会增大。在锅炉的实际运行中,的决定因素之一的灰渣含碳量与系数有着直接的关系,系数过小空气供给量不足,燃料和空气不能充分均匀混合使燃料不能达到完全燃烧,造成燃烧温度降低,使炉渣含碳量急剧增加,因而也使得急剧上升。而系数过大,容易在薄煤层或鼓风不均匀的火床上吹出火口,使得空气短路,造成炉膛温度降低,使炉渣含碳量增加,引起增大。3根据与,的关系综合观察过量空气系数与锅炉效率的关系从与、的关系中, 可以看出与反平衡热效率的关系。由于、之和占全部热损失的80%以上。因此可以认为: 当为最小时, 即是锅炉运行中的最佳空气过剩系数。也就是说,系数的变动在最佳值附近的某一范围内对或的影响最小。 因为 （18）由反平衡公式可以看出影响锅炉效应的因素有，在室燃炉中，对它影响最大，次之。而占的权重比较小，那么对它的影响也比较小，这样我们就可以忽略这部分,这样我们可以把公式简化为： （19）将公式15代入式19可得： （20）化简可得： （21）根据式21我们可画出关系图如图12：图12 与的关系图5.24问题二的总结 由以上分析我们可以得出结论：过大或过小都使锅炉热损失增大, 在锅炉实际运行当中使锅炉热效率降低往往是过大造成。为保证锅炉效率，过量空气系数应保持在之间。5.3问题三 研究运行参数对锅炉效率的影响，我们可以通过研究运行参数与锅炉热损失的关系来间接的反应锅炉效率。在问题二我们已经知道排烟热损失和机械未完全燃烧热损失在锅炉总损失的左右，所以在本问中侧重研究运行参数与的关系。 排烟热损失和机械不完全燃烧热损失是指导和优化锅炉运行的重要参数，由于影响排烟热损失和机械不完全燃烧损失的参数很多，而且这些参数之间也往往相互耦合，本题中通过优化的理论和方法，建立了的多元优化组合模型，表述了煤质特性及锅炉运行参数与之间的定量关系；通过定性与定量相结合的方法，确定了综合评价模型，对于指导锅炉实际运行具有重要意义。5.31模型的建立 煤质、运行工况对 的影响及评价模型的建立：锅炉实际运行的排烟热损失 及固体未完全燃烧热损失 主要受煤质特性、锅炉结构及运行况参数的影响；运用统计分析方法分析了燃煤的工业分析（、）及运行参数（，）等单项因素对的影响,利用山西某电厂300MW锅炉入炉煤的工业分析及运行参数数据表建立了相应的单因素评价模型。 综合评价的研究：通过燃煤的工业分析和锅炉实际运行工况参数对锅炉排烟热损失及机械不完全燃烧热损失的相关因素分析，建立了影响的评价指标体系及其综合评价模型。5.32煤的工业分析及锅炉运行参数对的影响1. 空气干燥基挥发分对的影响 挥发分含量是判断燃煤燃烧性能的重要指标，挥发分含量越大，则：(1)煤中难燃的固定碳的含量越少，因此容易燃尽。(2)燃烧放出的热量更多，这样易于造成炉内高温，从而有助于固定碳的迅速着火、燃烧与燃尽；(3)挥发分析出时产生的孔隙越多、越大，这样增大了反应表面积，使反应速度加快。所有这些使得煤粒燃烧越完全，锅炉飞灰可燃物越少。 挥发分含量降低时，煤粉气流着火温度显著升高，着火热也随着增大，着火困难，达到着火所需要的时间也要长些;燃烧时不稳定，火焰中心上移，炉膛辐射受热面吸收的热量减少，而对流受热面的吸热量却增加，这样过热器容易超温爆管。 现场试验数据的散点图如附录图13及建立的数学模型为： （22） 统计数据参照（文献16）2. 空气干燥基灰分对的影响 灰份含量越大，发热量越低，容易导致着火困难，着火延迟;同时炉膛燃烧温度显著下降，煤的燃尽度变差，从而造成较大的不完全燃烧热损失。 灰份含量增加，碳粒可能为灰层严重包裹，碳粒表面燃烧速率减小，火焰的传播速度减慢，而燃尽时间变长，燃尽率降低，造成燃烧不良。 现场试验的散点图如附录图14和建立的数学模型为： （23） 统计数据参照（文献16）3.空气干燥基水分对的影响 煤中的空气干燥基水分在一定的含量限度内与挥发分对燃煤的着火特性有相同程度的影响，也就是说少量的水分对煤粉着火有利。但如果煤中含水量过大，超过一定的限度则可燃物质相对减少，发热量降低。 从燃烧动力学的角度来看，煤粉中含有适当的水分对燃烧过程有某些有利作用。因为在高温火焰中水蒸汽对燃烧过程是十分有效的催化剂，水蒸汽分子可以加速煤粉焦碳残骸的气化和燃烧;水蒸汽还可以提高火焰的黑度，加强到燃烧室炉壁的辐射传热;另外，水蒸汽分解时产生的氢分子及其氢氧根又可以提高火焰的热传导率。 现场试验的散点图如附录图15和建立的数学模型为： （24） 统计数据参照（文献16）4.煤粉粒度对的影响 现场数据散点图如附录图16及数学模型为： （25）统计数据参照（文献16）5.过量空气系数对的影响 的确定主要取决于锅炉燃烧的经济性,过大会增加排烟热损失，过小则会增加固体不完全燃烧热损失。是影响锅炉热效率的主要因素之一。由于在锅炉反平衡计算中排烟热损失q2居各项热损失之首。如果调整不当，排烟热损失有时高达20% 以上。影响排烟热损失的决定因素是排烟温度和排烟量，而直接影响排烟量的大小。另外，如果系数确定的不合适，还会影响到炉膛温度和炉膛压力。所以，调整选取系数应考虑选在为最小值时所对应的那一点的值为最佳值。 与的散点图如附录图17及建立的数学模型为： （26）统计数据参照（文献16）6.过量空气系数对的影响 与的散点图如附录图18及数学模型： （27）统计数据参照（文献16）7.排烟温度对 q2的影响 在设计锅炉时，选用较低的排烟温度会使锅炉效率提高，节省燃料，提高电厂的经济效益，但另一方面却会使尾部受热面温压降低受热面增加，锅炉造价增大，运行中风机所消耗的电能也随之而增高。此外，如排烟温度取得过低，当燃用含硫量较高的燃料时会引起空气预热器的严重腐蚀，燃用挥发分含量较低的贫煤和无烟煤以及水分含量较高的次烟煤和褐煤时，无法使热风温度达到一定的水平而影响锅炉的燃烧性能。因此，若一味通过降低排烟温度而追求较高的锅炉效率，势必造成锅炉成本增加，且会影响锅炉整体性能。 现场试验数据散点图如附录图19及数学模型为： （28） 统计数据参照（文献16）5.33优化理论方法对 的综合评价1.建立对影响的综合评价模型 对于燃煤锅炉，机械不完全燃烧热损失表示为飞灰和灰渣中未完全燃烧热损失之和，对于已投运锅炉，其炉膛结构参数已确定，则影响机械不完全燃烧的因素包括两类：煤质特性参数及运行工况。根据试验研究分析及参照有关文献理论分析，我们选取如下参数作为评估模型参数： 煤质特性参数（空气干燥基水分、空气干燥基灰分、挥发分） 运行工况参数（过量空气系数, 煤粉细度） 构成以下模型： （29） 根据上面所分析的各单项因素对的影响规律，确定单因素的函数形式。 变量说明： 单因素分析： 由单因素分析的结果可以看出，某些单因素与之间存在非线性的关系令： 本文仍以某300MV电厂数据为例，经过线性化后建立的多元优化组合模型为： （30）统计数据参照（文献16）2.建立对影响的综合优化组合数学模型 首先根据以上所分析的各单因素对的影响规律，确定单因素的函数形式。 变量说明： 单因素分析： 根据单因素分析的结果，各因素与之间存在着非线性的关系，首先将各因素线性化。 令： （31） 根据模型的表示形式，将自变量和因变量分别取对数后进行回归分析结果为： （32） 统计数据参照（文献16）5.34 综合评价模型的评价方法-线性加权和方法1. 方法的描述： 所谓线性加权和法就是按照p个目标的重要程度，分别乘以一组权系数，然后相加作为目标函数，在对此目标函数在的约束集合上求最优解。即构造如下的单目标问题 （33）求此单目标问题的最优解，并把它叫做在线性加权和意义下的最优解。这里 ，其中 为中一个权向量，或称为一组权系数。线性加权和法是一个常用的算法而且在理论上有重要的意义。根据上述方法，确定最终模型为：s.t2. 模型求解 使用LINGO软件进行求解：有运行的结果可知的值如下：10.109217.807021.598847.29632.0336149.40 除了（过量空气系数）偏离标准取值范围，其它各参数都落在标准的取值范围之内。说明上述对建立的综合评价模型能够很好地反应各个参数对的影响，从而间接的反映了锅炉运行参数对锅炉效率的影响。5.35问题三的总结: 在本问中我们先建立单一锅炉运行参数对的影响，然后通过优化的理论和方法，建立了的多元优化组合模型。最后运用线性加权和法评价多元优化组合模型的合理性，发现只有过量空气系数对的影响存在误差，其余各运行参数均能较好的反应的影响，也即我们建立的多元优化组合模型能较好的反应锅炉运行参数对锅炉效率的影响。5.4问题四本题我们通过遗传算法和BP神经网络结合上面题中分析的影响锅炉效率的参数，探讨出锅炉的优化运行方法。5.41建立遗传算法和神经网络模型 由于影响锅炉效率的参数众多,而通过反平衡可知主要是对和的影响。由第三问我们可以得出5个主要参数对影响。我们利用了一个5个输入点，1个输出节点的BP网络来模拟与5大参数之间的关系。 遗传算法是受生物进化学说和遗传学说的启发而发展起来的基于适者生存的思想的一种较通用的问题求解方法，作为一种随机优化技术在解优化难题中显示了优于传统优化算法的性能。遗传算法目前在优化领域得到了广泛的应用，显示了其在优化方面的巨大能力。遗传算法是一个显著优势是不需要目标函数明确的数学方程和导数方程表达式，同时又是一种全局寻优法，不会象某些传统算法易于陷入局部最优解。遗传算法寻优的效率较高，搜索速度快。而BP神经网络，是一种误差反向传播的多层前馈网络，由信息的正向传播和误差反向传播的两个过程组成。BP神经网络的学习规则是使用追速下降法，通过反向传播来不断调整网络的权值和阈值，使网络的误差平方和最小，收敛速度快。根据锅炉的反平衡计算公式可得锅炉效率的公式为式18。研究锅炉效率实际我们可以研究，其中对影响最大的是。所以我们可以转换成研究各类参数对的影响间接的来研究。根据神经网络的遗传算法要求，确定分别作为遗传算法的目标函数。对该300WM锅炉，利用DCS与厂内MIS网接口按一点时间截取各类运行参数。通过对参数的分析确定的最低损失。由以上步骤建立和锅炉运行参数及煤种的函数关系式，即分别作为因变量，而锅炉的各操作参数和煤质特性作为自变量，这样就可以利用遗传算法进行优化计算，获得最佳的锅炉运行条件，实现锅炉热效率的最大化。火电发电厂锅炉运行中，为考虑到习惯运行方式和各种安全因素的影响，对各种可调因素的选择区域都有一定的范围限制，寻优范围必须控制在这个范围以内，这些限制构成了自变量的定义域。至此，完成了锅炉热效应最优燃烧结合神经网络遗传算法优化过程。5.42 锅炉热效应的优化效果 应用遗传算法对上述几个锅炉优化可调整变量进行寻优操作。可以发现初始化种群规模交叉率为0.8，变异率为0.1.通过MATLAB编程分别对影响的参数进行寻优，结果如表6表6 寻优结果9.2422.2623.41571.300.515表7 寻优结果4.311.316.125.43 问题四总结 通过算法的优化得出了使得和取得最优解时，各类参数的取值如表6和表7所示，此时的参数取值为锅炉的最优运行方法。可以看出的取值和我们之前分析的到的最佳空气系数相差不大。正好可以得出模型是准确的。六模型的改进及推广6.1 模型改进 1. 锅炉的燃烧优化控制是一个复杂课题，理论性和实践性都很强，对于电力行业节能降耗，建设建设节能、环保型社会具有重要意义。一些问题需要进一步研究。 在现场锅炉的实际运行中，所需要的操作量是非常多的。我们不能把所有的变量都作为建模的输入量，这将需要我们进行筛选。筛选的原则是一些对输出的目标如锅炉效率和污染物排放影响比较大的变量。经过这样的选择，我们就可以使得建立模型的步骤不那么复杂，同时也增加了计算的实用性。所选择的操作变量不同，建立的模型也就不同，那么模型所说明的问题也就不一样。所以，在选择所建立模型的输入变量时，一定要慎重，这对于问题的解决很重要。基于以上的问题，我们要研究一种方法，这种方法要将我们的实际运行经验和各个操作变量之间的函数结合在一起，综合考虑这些因素，在确定我们所需的模型的输出变量。 2.本文研究了各类热损失读锅炉效率的影响，但是还应该的对具体的热损失下进一步的详细理论分析和优化。6.2 模型的推广 1.本文研究的是300MW的锅炉，我们可以把得出的结论推广到600MW乃至更大功率的锅炉中去。七模型评价7.1 模型优点1. 对于最佳空气系数的确定我们进行多次的线性拟合，得到了符合实际的最优关系式，使得模型更加准确，得出的结论更具有代表性。2. 由于题中所给数据量少，我们收集了大量的文献，对模型的建立提供了很多方便，并且借鉴了各个文献的众多优点，对模型的准确性也有所提高。3. 对于建模分析时我们多次做了近似的计算，使我们的得出的模型更加的简便，同时我们对建立的模型即使的进行了修正，使得模型更加的符合实际。7.2 模型的缺点1.由于影响锅炉的运行是一个十分复杂的过程，影响其运行的参数众多，研究热损失是我们并不是对每一个参数都进行了分析。2. 由于缺乏某些必要的专业知识和数据，使得讨论无法更深入进行。 3.由于题中数据量过少，所以参考了多处文献中的数据进行研究，其数据准确性未深究。八参考文献1 司守奎，孙玺菁，数学建模算法与运用，北京：国防工业出版社，20112 刘元宁，关于燃烧方程式及燃料特性系数的探讨，武汉钢铁学院学报，第16卷第3期,19933 高丽霞，袁隆基，周泽妮，李聪，确定最佳过量空气系数的新方法，煤矿机械第30卷第8期，20094 沈继红，施久玉，高振滨，张晓威，数学建模，哈尔滨：哈尔滨工程大学出版社，20035 刘卫国，MATLAB程序设计教程，北京：中国水利水电出版社，20056 朱建青，张国梁，数学建模方法，郑州：郑州大学出版社，20037 宣明，数学建模与数学实验，杭州：浙江大学出版社，20108 白奇峥，数学建模案例分析，北京：海洋出版社，19959 孙学信，燃煤锅炉燃烧实验技术与方法，北京：中国电力出版社，200110 肖丹凤，林嵩，锅炉工，北京：化学工业出版社，200511 吴味隆，锅炉及锅炉房设备，北京：中国建筑工业出版社，200612 张国光，姜英，锅炉各种热损失对锅炉效率的影响程度分析，煤质技术，第4期，200913 刘定平，陈敏生，基于多目标进化算法的锅炉热损失优化研究，自动化仪表，第27卷，第6期，200614 李三军，锅炉效率实时计算的困难及解决方法，冶金动力，第6期，201215 张小桃，王培红，一种新的锅炉效率的计算模型，电站系统工程，第15卷第4期16 朱跃，优化理论方法对锅炉热损失的综合评价预测，哈尔滨工业大学，2004九附录附录1：锅炉运行主要参数数值名称符号单位计算公式及数据结果碳含量%62.61%氢含量%3.62%硫含量%1.08%氧含量%7.21%氮含量%0.68%无机物水分%10.10%灰分%14.70%应用基高位发热量KJ/kg25020机组负荷MW298 245.3215.8192.3烟气含氧量%实测数据平均值5.215.085.886.84主汽流量Dt/h实测数据平均值845.2681.6599.3547.8排烟温度实测数据平均值137.76134.08126.21123.15过热蒸汽压力MPa16.9过热蒸汽温度541给水温度279试验期间平均耗量Kg/h实测数据平均值129357过热蒸汽量Kg/h实测数据平均值1074705过热蒸汽压力（绝对压力）Mpa实测数据平均值16.3过热蒸汽温度实测数据平均值539.3再热蒸汽入口压力（绝对压力）Mpa实测数据平均值3.9再热蒸汽入口温度实测数据平均值338.5再热蒸汽入口流量Kg/h实测数据平均值891191再热蒸汽出口压力（绝对压力）Mpa实测数据平均值3.7再热蒸汽出口温度实测数据平均值538.7再热蒸汽出口流量Kg/h实测数据平均值928475再热蒸汽减温水压力（绝对压力）Mpa实测数据平均值7.7再热蒸汽减温水温度实测数据平均值169.4再热蒸汽减温水流量Kg/h=928475-89119137284锅炉给水压力（绝对压力）Mpa实测数据平均值18.4锅炉给水温度实测数据平均值276.4给水流量Kg/h实测数据平均值1074785炉底灰渣可燃物%取样分析值2炉底排渣率生产长和验收单位商定0.1空气预热器出口烟气中二氧化碳含量%烟气分析数据平均值13.05环境温度实测数据平均值20附录2：实验得出炉膛出口飞灰含碳量与过量空气系数数据1.11.151.21.251.31.351.41.451.5/%5.905.104.754.64.554.504.454.434.50附录3：1.图1 过量空气系数与热损失的关系曲线2. 绘画飞灰可燃物含碳量与的关系图程序x=4.50 4.43 4.45 4.50 4.55 4.6 4.75 5.10 5.90;y=3.375 3.3183 3.3345 3.375 3.4155 3.456 3.5775 3.861 4.509;plot(x,y)图2 飞灰可燃物含碳量与的关系图3. 绘画飞灰含碳量与过量空气系数关系图程序x=1.1 1.15 1.2 1.25 1.3 1.35 1.4 1.45 1.5;y=5.90 5.10 4.75 4.6 4.55 4.50 4.45 4.43 4.50;plot(x,y)图3 飞灰含碳量与过量空气系数关系4. 绘画机械不完全燃烧损失与过量空气系数关系图程序x=1.1 1.15 1.2 1.25 1.3 1.35 1.4 1.45 1.5; y=4.509 3.861 3.5775 3.456 3.415 3.375 3.3345 3.3183 3.375;plot(x,y)图4 机械不完全燃烧损失与过量空气系数关系5.对机械不完全燃烧损失与过量空气系数关系图进行2次线性拟合求取系数程序General model: f(x) = a*x2+b*x+cCoefficients (with 95% confidence bounds): a = 13.54 (6.742, 20.34) b = -37.46 (-55.15, -19.76) c = 29.16 (17.73, 40.58)Goodness of fit: SSE: 0.08922 R-square: 0.9255 Adjusted R-square: 0.9006 RMSE: 0.12196. 不同排烟温度下与关系图程序x=1.0:0.1:3.0;y1=3.85*x+0.55;y2=4.55*x+0.65;y3=6.3*x+0.9;plot(x,y1,x,y2,x,y3)text(2,9,130度),text(2,11,150度),text(2,15,200度)图10 不同排烟温度下与关系 7. 过量空气系数分别与，的关系图程序x=1.0:0.1:3.0;y1=3.85*x+0.55;y2=4.55*x+0.65;y3=6.3*x+0.9;y4=13.54*x.2-38.9*x+29.26;plot(x,y1,x,y2,x,y3,x,y4)text(2,9,130度),text(2,11,150度),text(2,15,200度),text(2.6,22,q4)plot(x,y1,x,y2,x,y3,x,y4)图11 过量空气系数分别与，的关系图8. 绘画与的关系图程序x=1.0:0.1:3.0;y1=3.85*x+0.55;y4=13.54*x.2-38.9*x+29.26;y5=-13.54*x.2+35.05*x+69.73;plot(x,y1,x,y4,x,y5)text(2,9,q2),text(2.6,22,q4),text(2,88,n)9. 空气干燥基挥发分对的影响关系x=8.9 9.0 9.2 9.23 9.5 9.52 9.6 9.59 14.2 14.21 13.19 14.58 14.59 14.60 14.89 14.9 15.18 15.19 15.2 15.6;y1=0.5867 0.5693 0.5357 0.5308 0.5380 0.3490 0.5728 0.5243 0.2700 0.1702 0.1704 0.2796 0.2799 0.2802 0.2413 0.1817 0.3054 0.2060 0.2065 0.3113;x1=8.9 9.0 9.2 9.23 9.5 9.52 9.6 9.59 14.2 14.21 14.22 14.58 14.59 14.60 14.89 14.9 15.18 15.19 15.2 15.6;图13 空气干燥基挥发分对的影响关系10. 空气干燥基灰分对的影响x=21.78 21.79 21.71 23.72 22.29 22.30 22.56 22.57 22.12 22.13 22.69 18.35 18.34 18.33 18.20 18.21 18.60 18.61 17.65 17.81;x1=21.78 21.79 21.71 23.72 22.29 22.30 22.56 22.57 22.12 22.13 22.69 18.35 18.34 18.33 18.20 18.21 18.60 18.61 17.65 17.81;y1=0.5741 0.5748 0.5196 0.5999 0.5072 0.5079 0.6247 0.6254 0.5962 0.4968 0.5331 0.3017 0.3317 0.3304 0.3220 0.2926 0.3179 0.3185 0.2263 0.2367; plot(x,y) hold on plot(x1,y1,x) 图14 空气干燥基灰分对的影响关系11. 空气干燥基水分对