机器学习驱动锅炉燃烧优化技术的现状与展望

伴随可再生能源发电装机容量快速增加,深度调峰过程中负荷多变、燃烧失稳等不稳定工况对火电机组的燃烧优化控制提出了更高要求,快速发展的人工智能技术与深度学习算法为锅炉参数预测建模及优化提供了重要手段。在机器学习算法方面,总结了特征筛选与建模算法的研究现状,提出了传统统计学方法与线性降维方法的科学解释性较差且不能很好地辨识高维数据,结合深度学习算法的特征筛选方法在处理复杂的火电机组数据时优势更明显;对比了多种神经网络在NO_(x)排放浓度建模中的优缺点,其中长短期记忆神经网络与卷积神经网络在处理时序数据时效果更好、集成模型通过组合不同学习器的优势可提高整个模型的泛化能力和鲁棒性。在预测模型的应用方面,通过对SCR脱硝系统建立预测模型可以方便运行人员模拟并修正可调参数,同时作为软测量手段监测燃烧系统运行状态;引入NO_(x)排放浓度预测模型的前馈控制和模型预测控制等先进控制手段可有效改善火电机组传统PID控制效果较差的问题;在多目标优化中NO_(x)脱除效率通常与锅炉效率或脱硝成本共同作为优化目标,以期实现经济效益与社会效益的和谐统一。

大口径管道烟气流量测量方法综述

2021年全国碳市场开启,为了提高碳交易的准确性,需要做到碳排放数据的可测量、可报告、可核查。在这种背景下,烟气在线监测系统作为一种碳排放量化方法得到了重视。其有效工作的基础是烟气流量的准确测量。但电厂烟囱尺寸大,内部烟气流动特性复杂,烟气流量难以准确测量。重点分析了皮托管流量计和气体超声波流量计在大口径管道流量测量中的研究现状,详细介绍了大口径管道气体流量测量技术。此外,还介绍了一种独立的流量测量方法—示踪气体稀释法,探讨其发展现状及作为一种流量标定方法的潜力。

TDLAS在森林可燃物热解气体多组分同步测量中的应用分析

森林可燃物热解的研究,对森林火灾预警和控制具有重要意义。森林可燃物热解过程中主要生成CO、 CO_(2)和CH_(4)等含碳气体,这些气体的不断释放容易引发森林火灾并加剧温室效应,快速准确检测这三种组分的浓度有利于火灾早期预警和大气环境保护。通过频分复用结合可调谐二极管激光吸收光谱(TDLAS)技术准确测量了六种山林树种样品热解气体中CO、 CO_(2)和CH_(4)三种组分的浓度,证明了频分复用-TDLAS技术对森林可燃物热解气体多组分同步测量的适用性。首先,介绍了频分复用-TDLAS技术的基本原理,确定了三种组分互不干扰、且谱线强度适宜的吸收谱线。其次,为了准确反演不同的浓度,对二次谐波(2f)信号和二次谐波/直流(2f/DC)信号的特性进行了研究。通过Simulink仿真的方式,比较了利用2f信号和2f/DC信号反演不同浓度准确性的差异,结果表明2f/DC信号具有更大的线性区间,适用于森林可燃物热解气体中不同浓度组分的测量。最后,利用两支中心波长分别为1 580.0和1 653.7 nm的分布式反馈(DFB)激光器搭建了CO、 CO_(2)和CH_(4)同步测量的实验装置。在900℃管式炉中对六种树种样品进行热解以及热解气体制备,利用Herriott吸收池测量了三种组分的2f/DC信号,通过标准气体建立标定模型获得了热解气体中三种组分的绝对浓度。结果显示,三种组分的2f/DC信号峰值与浓度满足良好的线性关系,线性度大于0.995,且在焦炭气化反应和Boundouard反应的作用下,六种树种样品热解气体中CO浓度明显高于CO_(2)和CH_(4)。通过分析枫香叶样品的光谱,表明在2 s测量时间内,该光谱系统对于CO、 CO_(2)和CH_(4)的最低检测限低于0.008%,灵敏度优于0.005%,满足森林火灾预警的需求。该研究为森林可燃物热解气体多组分同步测量以及森林火灾预警提供了方法参考。

脉冲放电等离子体光谱干扰机制及其修正方法研究

为解决脉冲放电击穿颗粒流的等离子体光谱(PF-SIBS)中钨电极激发引起的谱线干扰问题,研究了基于等离子体信号探测优化的谱线干扰修正方法。搭建PF-SIBS测量实验系统,以化学纯石墨的颗粒流为研究对象,根据电极间等离子体产生和消亡过程、各特征谱线在等离子体内的分布情况以及各特征谱线信号强度在电极间的变化规律,解析了放电等离子体内各特征元素蒸发、解离和激发的过程,并据此优化光谱探测位置以减弱谱线干扰。研究结果表明:电子在阴极斑点生成,向阳极发射的过程中与电极金属、石墨颗粒流和电极间空气介质发生碰撞电离,产生更多的电子发射,从而形成并维持从阴极向阳极的放电通道。在阴极区域,高能电场产生的焦耳热促使阴极尖端钨金属蒸发溅射,膨胀产生的冲击使得颗粒和空气被排出阴极区域,钨金属的原子及电子占据在阴极区域;在放电通道中部,电子与密集的石墨颗粒流发生碰撞电离;在阳极区域,剩余的放电能量难以蒸发阳极金属,电子主要电离空气介质。可将阴极到阳极的区域划分为阴极金属激发区、中部颗粒激发区和阳极空气激发区。被电离的电极金属、石墨颗粒、空气介质的离子和中性原子占据各自的激发区域,形成等离子体并辐射出对应的特征谱线。从阴极到阳极的特征谱线强度变化呈现了与上述相同的结果,W 247.78 nm谱线强度在阴极区域较强并呈现逐步降低的趋势;C 247.86 nm谱线强度先增后减,在电极间距中心处达到最大;N 744.23 nm谱线强度逐步增强,在阳极尖端处达到最大。以C-W信号强度比作为C-W谱线干扰程度的评价指标,确定了最佳的光谱探测位置为距阳极0.5 mm处。相比于常见的光谱探测位置(电极间距中心),C-W信号强度比从1.200提升至1.348,C 247.86 nm的分峰拟合值与观测值之比从86.02%提升到94.93%,C-W谱线干扰效应显著降低。

生物质焦反应活性及其与拉曼光谱表征关联性研究进展

生物质能作为目前使用量最大的可再生能源形式,具有储量巨大、零碳排放、可再生及供应稳定等优点。生物质焦作为生物质能利用的重要形式,其反应活性因原料种类不同表现出巨大差异,严重阻碍了生物质能的进一步研究和利用。生物质焦的反应活性主要受无机元素、织构特性及碳结构的影响。拉曼光谱作为近年来发展迅猛的碳结构表征技术,已广泛应用于生物质焦的物理、化学结构特性研究。从生物质焦拉曼光谱的特征峰位置、特征峰宽、特征峰强度比和特征峰面积等光谱参数出发,综述国内外生物质焦的碳结构,并解析了生物质焦在热化学转化中碳结构的演化规律。拉曼光谱能有效表征生物质焦的碳骨架结构,高度有序的芳香或石墨化结构会降低生物质焦的反应性。目前对生物质焦反应活性与拉曼光谱参数表征的碳骨架结构之间的相关性研究仍较少,且多聚焦在单一种类生物质,其结论普适性仍需验证。也有少量关于多种生物质原料的焦反应活性和拉曼光谱表征研究,但未给出定量的结论。介绍笔者在多种生物质原料的焦反应活性与焦的拉曼光谱指标的关联性方面的研究进展,以期为生物质燃料的反应活性后续研究提供参考。展望未来,生物质焦的拉曼光谱研究发展潜力很大,目前主要研究仍基于一阶拉曼光谱区域分析,二阶拉曼光谱未受到重视;一些前沿的拉曼光谱技术,如表面增强拉曼光谱、针尖增强拉曼光谱、相干反斯托克斯拉曼散射等,也尚未引入生物质焦的碳结构表征和反应活性研究中,未来应重点考虑。

燃煤电厂SCR脱硝系统喷氨优化模拟

为提高某660 MW机组SCR(选择性催化还原)脱硝反应器出口NO_(x)质量浓度分布均匀性,文中以SCR出口NO_(x)质量浓度分布相对标准偏差最小为优化目标,提出了一种基于动力学模型的最优喷氨策略。将现场实测数据作为入口边界条件,耦合反应器内的湍流流动、组分输运和化学反应,进行了CFD数值模拟计算。对氨流动特性进行可视化分析,并定义喷氨格栅分区/喷嘴的流动影响系数,结合基于SCR反应动力学模型建立的出口NO_(x)浓度分布与入口NH3浓度的数学关系,直接求解优化矩阵方程,可得到喷氨格栅不同分区或不同喷嘴的最优可控喷氨流量。模拟结果表明:均匀喷氨方式下,不同分区氨氮浓度混合匹配度不高,SCR反应器出口NO_(x)质量浓度相对标准偏差达到40.1%,分布均匀性较差;按文中提出的方法进行喷氨优化后,出口NO_(x)质量浓度相对标准偏差下降至6.8%,出口均匀性大幅提高,既能实现NO_(x)压线排放满足环保要求,又可避免出现脱硝效率过高和过低的区域。文中通过数值模拟的方式将流场可视化,通过定量求解各阀门喷氨量进行喷氨优化,可以为实际电厂喷氨优化调试提供理论参考,降低调整的盲目性。

基于雨课堂的工程热力学翻转教学研究与实践

随着“30·60”双碳目标及能源转型战略的落实推进,能源动力类专业人才培养模式改革成为部分高校的重要研究课题。从2020年起,华南理工大学AB两个专业进行了雨课堂线上教学实践,依托雨课堂的技术特性,秉承以“以学生为中心”“数据改变教学”的理念,设计了课前、课中和课后三段式教学方案,以2018级和2019级本科生为研究对象实施了混合式教学实践。结合学生期末考试成绩,利用因素分析法评价教学效果,并对相关数据进行卡方检验和回归分析,分析了课前预习和课堂测试对期末总成绩的影响。结果表明,雨课堂教学方式显著提升了学生的学习成绩,在教师和学生的教学评价中也有良好的反馈。

基于可调谐二极管激光吸收光谱技术的烟气氨逃逸检测研究及应用(特邀)

烟气氨逃逸是许多大型能源转化设备脱硝系统都存在的问题,大量的氨逃逸不仅威胁机组运行,增加系统维护成本,而且还会形成二次污染,危害大气环境和人体健康,因此,必须对氨逃逸进行实时监测和有效控制。可调谐二极管激光吸收光谱技术是一种先进的痕量气体检测技术,具有灵敏度高、选择性强、可实时在线测量等优点,广泛应用于各种污染气体检测领域,并且已经成为当前烟气氨逃逸在线检测的主流技术。本文介绍了可调谐二极管激光吸收光谱技术的基本原理,总结了氨逃逸的常用检测方式,综述了可调谐二极管激光吸收光谱技术在烟气氨逃逸检测方面的研究和应用进展,并对未来的发展应用进行了展望。

火电企业碳排放在线监测技术研究进展

2021年我国全国碳市场正式开市,发电行业被首先纳入全国统一碳排放权交易市场。在此背景下,准确、客观、实时且具有公信力的碳排放数据是碳交易市场高效运行的重要基础。核算法和在线监测法是目前国际上常用的两种碳排放计量方法。针对两种方法,首先分别综述了其优缺点。核算法是我国的通用方法,具有适用范围广、有统一核算标准的优点,但存在处理过程复杂、时效性差、采样等过程易受人为因素影响等问题。在线监测法因具有时效性好、自动化程度高、数据不受人为因素影响等优点而受到了广泛的关注。但目前在线监测法在国内的推广应用依然存在很多问题:缺乏相应的支撑体系;在线监测法的数据质量尚不能保证,与核算法的可比性也存在争议,而影响其数据质量的最大因素是CO_(2)浓度监测技术和烟气流量监测技术;烟气流量监测的准确性还有待研究。然后针对在线监测法的数据质量提高及评估方法进行分析总结,认为电厂中CO_(2)浓度检测精度可达到较好的水平,而烟气流量监测精确度尚未达成统一结论,其监测技术、测点布置都会影响其现场应用,研制具备自主知识产权、适用范围广、精度高的烟道流量计对我国的准确碳核查事业来说势在必行。针对在线监测数据质量评估则可采用不确定度进行量化。最后提出以下建议:设立不同碳排放在线监测试点,选取不同类型及容量的机组分别研究,根据现场具体条件在其中安装不同的流量计用以对比分析,研究更适用的流量计类型及现场测点布置;建立碳排放在线监测不确定度分析模型,量化分析其中引入较大不确定度的因素,完善数据评价体系;构建碳排放在线监测数据与核查数据的综合对比体系,若在碳市场中在线监测方法与核算法并存,则要确保不同数据的一致性,保障碳市场的公平性;尽快建立碳排放连续在线监测系统的配套机制,建立相应的国家标准,确保报告数据有据可依。

基于MIC-CFS-LSTM的SCR出口NO_(x)浓度动态预测

针对燃煤机组选择性催化还原(SCR)系统出口氮氧化物(NO_(x))预测模型精度不高的问题,提出一种基于最大信息系数(MIC)和长短期记忆(LSTM)神经网络的预测模型方法。首先采用MIC估计各变量的延迟时间,对数据进行时延重构;然后采用重构后数据的MIC值作为评价各输入变量和输出变量间相关性大小的指标,并结合基于关联性的特征选择算法(CFS)进行输入变量筛选;最后基于时延重构和变量筛选后的数据,采用LSTM神经网络建立了SCR出口氮氧化物浓度动态预测模型。该模型被用于广东某320 MW燃煤机组实际运行数据分析。结果表明,经时延重构和变量筛选后所建立的LSTM预测模型具有较高精度,优于深度神经网络(DNN)模型和径向基函数(RBF)神经网络模型,平均绝对百分比误差达2.58%,均方根误差达2.02,可满足现场运用要求。

SCR烟气脱硝系统氨氮双控新方法

针对目前电厂实际选择性催化还原(SCR)烟气脱硝系统运行中存在的出口NO_(x)质量浓度分布不均以及氨逃逸超标等问题,进行了数值模拟分析并基于此提出了一种氨氮双控的喷氨优化新方法。以某660 MW机组SCR烟气脱硝系统为例,建立可视化流场和脱硝反应数值模型,分析比较了不同氨氮摩尔比条件下出口各分区NO_(x)质量浓度、氨逃逸体积分数以及脱硝效率的变化规律。结果表明:分区脱硝效率、出口NO_(x)质量浓度和氨逃逸体积分数与氨氮比之间的关系均呈由一拐点分隔的两段线性的变化规律,拐点出现在氨氮摩尔比为1.15左右。据此,提出了基于分段拟合函数与优化矩阵方程相结合的氨氮双控喷氨优化新方法,分别预测了该660 MW机组使用5分区和42喷嘴进行喷氨调节优化,优化后的总喷氨量相对均匀喷氨工况最多下降7.2%,同时出口NO_(x)质量浓度和氨逃逸体积分数的相对标准偏差分别下降至9.4%和4.2%,出口均匀性显著提高,不存在局部超标现象。

基于LIBS和NIRS信号同步采集和融合的入炉煤发热量测量研究

快速准确地对入炉煤发热量进行检测是指导电厂经济安全运行的关键,然而煤炭成分复杂,其发热量与元素组成和分子结构都有一定的相关性,单一分析技术快速准确测量入炉煤发热量比较困难。基于激光诱导击穿光谱(LIBS)技术和近红外光谱(NIRS)技术,提出联用2种技术检测入炉煤发热量的方法。同步采集输送带上煤炭的LIBS和NIRS光谱信号,进行光谱数据预处理后融合2种光谱信息,并结合偏最小二乘(PLS)建模方法定量分析煤炭发热量。将该方法用于搭建煤样测量系统,得出煤样发热量定标集的决定系数为0.98,预测集均方根误差为0.37 MJ/kg,平均绝对误差为0.26 MJ/kg,平均相对误差为1.09%。表明所提出的在输送带上LIBS和NIRS信号同步采集方法可快速准确测量入炉煤发热量。

基于综合性能评价的SCR静态混合器优化研究

为综合考量选择性催化还原(SCR)系统静态混合器的混合效果和对系统造成的阻力损失,提出了一种结合流场均匀性和阻力特性的综合性能评价指标——无量纲混合效率η。结合现场需求,采用数值模拟方法,以圆形、花瓣形和SMV混合器为例对系统的综合性能进行评估。结果表明:圆形混合器、SMV混合器、花瓣形混合器的η分别为16.18%、22.50%和26.88%,其中花瓣形混合器综合性能最佳;在顺序排列、同向布局、覆盖率为37%的条件下,花瓣形混合器的综合性能达到最佳,其无量纲混合效率η为28.60%,较优化之前提高6.40%。

碳酸氢铵选择性非催化还原烟气中的氮氧化物

总结了国外选择性非催化还原技术的应用情况,在一台小型沉降炉上进行碳酸氢铵溶液喷射、还原模拟烟气中氮氧化物的实验研究．研究表明:碳酸氢铵溶液在合适的反应温度(750-950℃)下,氨氮比为1-2,即可取得50％-80％的NOx还原;氨氮比为2．3时,NOx还原率高达87％．使用碳酸氢铵烟气脱硝技术,效果较好,二次污染物N2O的生成少,且经济安全．

不同O2浓度下NH3选择非催化还原NO的实验和模型研究

NO的选择性非催化还原反应是燃烧过程重要的脱硝途径。文中在800~1200℃，初始浓度CNO,ini=200μmol／mol、CO2ini=0％-10％、氨氮比CNH3/CNO=1.2的情况下，进行了NH3／NO／O2的均相流反应器的实验和化学动力学模拟研究，着重研究不同氧浓度对NO和N20浓度变化规律的影响。实验结果表明，在微量氧气杂质（Co2=50μmol／mol）条件下，脱硝温度更高，而脱硝率达到了95％。化学动力学模型预测的NO和N2O浓度变化规律与实验结果非常吻合：氧浓度的升高使NH3／NO的最佳反应温度下降，同时降低脱硝的效果；N20生成浓度随着氧浓度的升高而降低，对应N2O最大浓度的温度也降低。微氧工况的N2O最大生成浓度比低氧浓度下更低，而生成温度更高。

基于影响因子的SCR脱硝系统喷氨量优化模拟

为提高某660MW机组选择性催化还原(selective catalytic reduction,SCR)脱硝系统出口NOx浓度分布均匀性,基于性能试验的实测烟气数据作为模拟入口边界条件,对烟气的湍流流动、多组分扩散和化学反应进行CFD数值计算。模拟分析了100%、75%和50%这3个典型工况下的烟气流场规律,得到5个分区及42个喷嘴喷氨对催化剂入口截面18个区域氨浓度分布影响因子,建立并求解最优喷氨量的矩阵方程。对优化后的喷氨量进行模拟得到3个工况出口NOx浓度的相对标准偏差分别为13.7%、15.3%和17.6%,出口均匀性显著提高。结果表明采用影响因子定量计算最优喷氨量的方法适用于不同工况,且计算效率高,为实际喷氨优化调整试验和运行提供理论参考。

含氨煤气再燃脱硝反应的化学动力学模拟

煤气再燃有望成为一种有效的低污染燃烧方式得到广泛的使用。该文利用化学动力学模型对2种典型含氨煤气的脱硝反应特性进行了模拟研究。计算结果发现,再燃停留时间的延长可以显著提高再燃脱硝的效果,再燃停留时间应该大于1s才能取得较好的脱硝效果。同时,再燃温度越高,反应越迅速,脱硝效果越好。再燃区过量空气系数的降低对脱硝也有好处。煤气中的氨成分对煤气脱硝有一定的促进效果,而且随着反应温度的降低和再燃比例的增加,促进效果增强。含烃煤气与非烃煤气的再燃特性有很显著的差异,进行低NOx燃烧方式设计的时候应特别注意。

基于热平衡原理的SNCR射流混合模化试验

介绍了一种应用热平衡原理对选择性非催化还原(SNCR)脱硝技术中的射流混合情况进行模化试验的方法.在一台1∶10的410t/h锅炉模化试验台上,进行了喷射总流量、速度、喷嘴数目和布置方式等对混合效果影响规律的研究,并通过引入理想脱硝率的概念,定量比较出不同的混合方案所能达到的理想脱硝效果.试验结果表明,理想脱硝率随着喷射总流量的提高从47%升高到58%,提高喷射速度也可以将理想脱硝率提高8%,而采取不同喷射策略时获得的脱硝率在44%～52%之间,同时氨氮比的提高也可以显著提高理想脱硝率.

2.11兆瓦燃煤四角炉喷氨水脱硝试验

为了考察煤粉燃烧锅炉中不同因素对脱硝率的影响，在一台2．11MW半工业四角切圆煤粉燃烧锅炉上进行了NOx选择性非催化还原（SNCR）脱除试验的研究．使用不同的机械雾化喷嘴，在不同温度点喷入不同流量的氨水．结果表明，氨氮当量比（NSR）和氨水喷入点温度是影响脱硝率的关键因素．在NSR为3．0时，脱硝率高达80％，NOx排放质量浓度从喷氨水前的807mg／m^3降低到164mg／m^3．在931～1057℃下，脱硝效果随着温度的降低不断提高．氨水雾滴与烟气的混合效果对脱硝率的影响很大，采用混合效果更好的平面扇形喷嘴，脱硝率比采用锥形喷嘴的效果提高接近一倍。

新型扇形雾化喷嘴的实验研究

在对Y型喷嘴结构和雾化机理研究分析的基础上,设计了一种新型的扇形雾化喷嘴,并对该喷嘴进行了实验研究.实验测量了不同气、液压力下扇形雾化喷嘴的流量、雾化角和索特尔平均粒径及其在空间上的横向和纵向分布.通过对液流量用Y型喷嘴设计公式进行拟合,得到了公式中适合扇形雾化喷嘴设计的系数取值:μ=0.39,β=0.98.喷雾雾化角α大约在90o～98o之间,变化不大.喷雾的索特尔平均粒径在空间横向呈类似'W'的分布,在空间纵向呈逐渐降低并趋于稳定的分布.