应用在线测量技术实现大型电厂煤粉锅炉节能减排
时间：2009-06-01 阅读：2292
摘要：大型电厂煤粉锅炉各燃烧器之间煤粉分配的调平一直是一个难题。特别当负荷及煤质发生变化后，煤粉分配偏差更加严重，一般在±30％左右。这不但使机组煤耗增加而且容易产生过多的有害气体氮氧化物。因此必须采取有效措施加以解决。
锅炉燃烧优化控制是实现火电厂节能减排的重要技术途径。对于大型燃煤锅炉，运行中燃料的分配是否均匀，配风是否合理，将直接影响到机组运行的经济性、安全性和环保水平。而要实现运行中的优化控制，就必须对燃烧过程的重要参数进行在线准确测量。目前，在国内大部分燃煤电厂，对锅炉燃烧过程关键参数的监测仍采用人工取样分析方法和传统的测量手段，测量精度低且结果的实时性差，运行人员只能根据经验对燃烧过程进行控制。这种控制方式往往无法达到*效果，特别是当煤质和负荷发生变化的情况下，这种矛盾更加突出。因此，有必要采用新的在线监测技术，辅助运行人员按照13个基本条件为目标对燃烧过程进行优化控制，实现燃煤电厂节能减排的目标。
一、实现锅炉燃烧优化的基本条件
要实现燃煤锅炉燃烧优化必须具备13个基本条件：（l） 炉膛出口整个截面处于氧化性气氛，氧量值为3％左右。（2） 热态运行条件下各煤粉管道之间纯空气流速偏差不高于平均值±2％。（3） 各煤粉管道之间煤粉流速偏差不高于平均值±5％。（4） 各煤粉管道之间煤粉质量流量偏差不高于平均值±10％。（5） 所有煤粉管内煤粉细度达到：200目网筛（按 ASTM 标准，下同）的通过量至少为75%;50目网筛通过量至少为99.9％。（6）磨煤机通风量的测量与控制，测控精度至少为±3 ％。（7）燃尽（OFA）风量的测量和控制，测控精度至少为±3％。（8）对一次风煤比按设定曲线进行控制。（9）各煤粉管内煤粉流速不低于17m/S。（l0）各燃烧器及风门挡板变形量小于6mm 。（11）各燃烧器之间二次风量的分配偏差要小于平均值±l0％。（12）对给煤量进行测量和控制。（13）尽可能保证原煤质量及煤块尺寸不变。上述基本条件是燃烧调试专家经过几十年的现场经验得出的总结，现在已经被业界普遍采用。如果机组运行过程偏离上述条件，必然导致机组效率的下降。降低机组能耗的各种调整方法及幅度列于表1。
上述所有方法累计节能降耗幅度可达300kJ/（kW·h），折合标准煤耗约10g/（kw·h）。根据调查，我国大部分燃煤机组在一定程度上没有满足燃烧优化所要求的基本条件，因此存在着相当大的节能潜力。
二、锅炉燃烧优化的主要途径
现代大型电厂锅炉的效率一般可以达到90％－94％。锅炉的主要热损失及所占比例为：排烟损失小于5.0%；飞灰中未*燃烧损失小于1.5%；锅炉散热损失小于0.5%；可燃气体未*燃烧损失小于0.1% ；灰渣物理显热损失小于0 .05％。由此可见，排烟损失和飞灰未*燃烧损失所占比例zui高，因此，应力争降低这2项损失。如果能按照燃烧优化所要求的13个基本条件进行燃烧调整，就能降低过量氧量和飞灰含碳质量浓度，提高锅炉效率。具体调整方法如下：
2.1 制粉系统的运行优化方法
对制粉系统优化调整的主要目的是保证煤粉分配的均匀性。一般规定，各煤粉管道之间的煤粉流量分配偏差小于平均值的±10%；煤粉流速分配偏差小于平均值的巧％。影响煤粉分配均匀的主要参数是煤粉细度、磨煤机通风量及煤粉管道之间流动阻力偏差，这几个参数对煤粉分配的均匀性都有影响，对制粉系统的运行优化实际上就是把这几个参数有机地结合在一起。
2.1.1 煤粉细度
煤粉越细，风一粉两相流越具有气相流体的特性，越容易把煤粉分配调平。合格的煤粉细度是实现煤粉均匀分配并具有较低飞灰含碳质量浓度（6％以下）的基础。国内火电厂一般要求的煤粉细度为R90≤15％。
煤粉细度一般都是通过煤粉取样的方法进行测量，取样过程有严格的要求。取样之前，先用靠背管测量煤粉管内的煤粉流速，确定取样嘴的吸入速度。根据ISO9931标准，当吸入速度比煤粉流速高10％时，才能保证取出的煤粉样品具有足够的代表性。将取到的煤粉样品筛分后，就能得到煤粉的细度指标。zui后将筛分后的结果按照Rosin-Rammler公式绘制成曲线，检验煤粉取样的代表性。如果该曲线呈直线，则说明所取到的煤粉样品具有代表性。
磨煤机出口通常装有煤粉分离器，通过离心分离原理把合格的煤粉送给燃烧器；不合格煤粉重新返回磨煤机。有些磨煤机结构参数也会影响煤粉细度，例如中速磨煤机的风环面积、磨辊与磨盘之间的间隙、磨辊的压力及分离器内锥的间隙尺寸等；球磨机的装球量、钢球尺寸、分离器挡板及轴颈密封板尺寸等也会影响煤粉细度。有时为了提高煤粉细度，需要对磨煤机进行改造，如把挡板加长或做成弧形，更改风环尺寸等。
2.1.2 磨煤机通风量
磨煤机通风量越低，煤粉分配越均匀。如果通风量过高，粗煤粉必然具有很高的动量，容易从风一粉气流中离析出，使煤粉分配不均匀。通风量过高也容易使粗煤粉比例增加，加剧煤粉分配不均。因此一般要求按照一定的风／煤比例和固定曲线控制磨煤机通风量。不同形式的磨煤机具有不同的*一次风煤比（见表2）。
在保持磨煤机出口温度不变的情况下，磨煤机通风量过高就需要加入过多的冷风，必然导致排烟损失的增加；同时，在火焰的高温区，过高的通风量还有助于煤中的氮元素转化为NOx。磨煤机通风量过高产生的其他不利因素为：更容易结焦和积灰、加剧煤粉管和火嘴等部件的磨损等。对于中速磨煤机，在优化通风量之前，还应核实磨煤机的风环面积，保证风环风速为33~38m/s，防止由于风速过低无法托起原煤，增加石子煤量。必要时更换风环。
用称重式给煤机可以测量给煤量，因此要保证*一次风煤比还需要对通风量控制。但是，通风量测点所在位置大多没有传统测量装置测量所要求的直管段长度。而且在冷热风混合点后的测点位置其温度场的分布也不均匀，难以把风量换算成标准状态下的体积流量。另外，风中夹带的飞灰还容易使传统测量装置测量结果漂移，增加维护人员工作量。根据经验，应该把磨煤机入口风道做成文丘里形状，以利于提高通风量测量精度。
2.1.3 煤粉管道之间流动阻力偏差
煤粉管道之间流动阻力偏差越小，煤粉分配就越均匀。对煤粉管道之间煤粉分配调平之前应先用纯空气调平管道阻力，纯空气流动阻力的偏差越小，煤粉分配就越均匀。在调平之前，应先把给煤机停运，把热风送人磨煤机，当磨煤机出口温度达到正常运行条件时的温度再进行调平。首先用皮托管对煤粉管内空气流速采用网格法测量，然后用可调缩孔进行调整。zui终应保证煤粉管道之间纯空气流速偏差小于平均值±2％。在整个调平过程中，应注意保证煤粉管内的纯空气流速不能低于17m/s，保证煤粉正常输送。
2.1.4 对煤粉流量和煤粉流速的测量
过去一般采用取样称重法测量煤粉流量；采用皮托管按网格法测量煤粉流速。这2种测量方法不但劳动强度大，也存在很大误差。对于配备几十台燃烧器的大型锅炉来说这种测量方法无法得到实时测量结果。因此，国内绝大部分电厂基本没有对煤粉流量进行监测，无法了解分配偏差的具体状况。
2.2 对二次风量和燃尽风量的优化
为了实现锅炉的燃烧优化，除了要保证煤粉在每层燃烧器之间分布均匀以外，还要根据每层燃烧器的给煤量按照一定的风煤比向各层二次风箱提供风量。比如在前墙或前后墙燃烧方式锅炉中，二次风被分别送人二次风箱。每层二次风箱向其对应层燃烧器提供二次风，每层二次风的数量应根据此层燃烧器所对应的给煤量确定。为了保证每层燃烧器具有相同的化学当量比，必需测量与控制每层二次风量，测量精度一般要求不低于±3％。但在这种风箱布置结构中，测点所在位置直管段长度只有当量直径1.5倍左右，远低于传统测量技术对直管段的要求，这样就无法对每层二次风量进行有效的控制，结果使锅炉无法正常运行。国内目前很多新建成的600MW超临界方式以及1000 MW 超超临界机组的锅炉二次风箱基本都采用分层布置方式（见图1）。但是，投运的大部分机组都无法实现层二次风量和OFA风量的控制，机组无法达到*运行工况。
2.3 对飞灰含碳质量浓度的优化
飞灰含碳质量浓度既反映制粉系统是否正常，也反映燃烧过程风量配比是否合适。特别是当大型电厂燃煤锅炉采取低氮燃烧措施后，炉内总体温度降低，特别容易导致飞灰含碳质量浓度升高，使锅炉效率及可利用飞灰的比例下降。因此，有必要对飞灰含碳质量浓度进行的在线监测，并根据监测结果调整制粉系统及风量的配比。
对飞灰含碳质量浓度测量的zui大难点是取样的代表性。国内电厂常用的飞灰含碳质量浓度在线测量装置一般都在尾部烟道内进行等速取样，事实证明这种取样方法误差很大，无法获得准确的测量结果。
三、新型在线测量技术的应用
手工取样分析和传统的测量技术对燃烧过程监测的实时性和准确性都很低，很难实现燃烧优化过程要求的13个基本条件。近年来，国外电厂大量采用新型的燃烧优化参数在线测量技术，使燃煤机组的性能有了明显提高。
3.1 煤粉细度激光测量技术
煤粉细度测量采用光脉动法，其基本原理是当处于运动状态的颗粒通过截面很小的平行测量光束时，由于处于测量光束中的颗粒数目和大小始终随时间在变化，造成透射光强发生随机变化。因为光强信号的随机变化与在测量瞬间处于光束中的颗粒的大小和数目有关，测出光信号的随机变化序列，可应用光脉动法进行分析，求得颗粒的平均粒径。
3.2 交相关风速测量技术
交相关风速测量原理：在风道内按一定距离安装2支金属传感器（图2），气流中飞灰带有静电，因此，在传感器上产生了2个随机信号。当2支传感器相距很近时，所产生的2个随机信号就非常相似，但存在一个时间差。通过交相关计算可得到这个时间差，用传感器之间的距离除以这个时间差就可得到管道内的平均流速。
交相关风速测量技术的特点是所需直管段较短、安装简单、没有堵塞和信号漂移问题、不需要标定且测量精度高。这种测量技术应用范围广，可在线测量磨煤机进口的通风量和出口煤粉流速；甚至可以测量大口径风道的风量，如二次风量和 OFA 风量。
3.3 煤粉质量浓度微波在线测量技术
煤粉质量浓度微波测量原理：在煤粉管道内插入2支金属天线，一支作为微波信号发射端；另一支作为微波信号接收端。煤粉管内有煤粉与无煤粉的微波谐振频率存在频差，煤粉质量浓度与频差成正比。根据微波信号在管道中传播的频率就可以计算煤粉质量浓度：
ρ=（f0-fε）.kfd
式中:f0为管道内没有煤粉时的微波谐振频率；天为管内有煤粉时的谐振频率；kfd为与管道尺寸有关的常数。结合煤粉流速测量信号就能测量煤粉质量流量，测量精度可以达到±5％。
3.4 飞灰含碳质量浓度微波在线测量技术
飞灰含碳质量浓度微波测量原理：在飞灰测量仓内安装2支微波天线，一支为发射端；另一支为接收端。测量仓内有灰与无灰的微波谐振频率存在差别（见图3），飞灰含碳质量浓度与频率成正比。测量精度可达±0.5％。飞灰取样位置设在电除尘器灰斗内，能充分保证飞灰取样的代表性。
四、应用实例
德国柏林Vattemfall发电厂有2合300MW燃煤机组，锅炉采用前墙燃烧方式，配4台MPS中速磨煤机。原采用文丘里测量装置测量磨煤机的通风量。通过用交相关测量系统与文丘里测量装置的对比试验，发现文丘里测量装置的测量结果比实际通风量高出8％。为此该厂将所有一次风量测量装置全部改为德国PROMECON 公司
五、结语
用过去的人工及传统测量技术无法以基本条件为目标对锅炉燃烧进行优化调整，因此不能满足节能减排的要求。如果采用*测量技术对锅炉燃烧过程的重要参数进行在线测量，就能实现锅炉燃烧优化运行，提高燃煤机组的运行水平。此外，为了提高燃烧调整的工作效率和控制精度，建议把过去使用的用手工调节的节流缩孔更改为自动调整缩孔。在节流缩孔磨损后，应及时对煤粉管道系统阻力重新调平。
参考文献:
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