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作者：李學(xué)顏，*

摘要：大型電廠煤粉鍋爐各燃燒器之間煤粉分配的調(diào)平一直是一個(gè)難題。特別當(dāng)負(fù)荷及煤質(zhì)發(fā)生變化后，煤粉分配偏差更加嚴(yán)重，一般在±30％左右。這不但使機(jī)組煤耗增加而且容易產(chǎn)生過多的有害氣體氮氧化物。因此必須采取有效措施加以解決。

      鍋爐燃燒優(yōu)化控制是實(shí)現(xiàn)火電廠節(jié)能減排的重要技術(shù)途徑。對(duì)于大型燃煤鍋爐，運(yùn)行中燃料的分配是否均勻，配風(fēng)是否合理，將直接影響到機(jī)組運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性、安全性和環(huán)保水平。而要實(shí)現(xiàn)運(yùn)行中的優(yōu)化控制，就必須對(duì)燃燒過程的重要參數(shù)進(jìn)行在線準(zhǔn)確測(cè)量。目前，在國(guó)內(nèi)大部分燃煤電廠，對(duì)鍋爐燃燒過程關(guān)鍵參數(shù)的監(jiān)測(cè)仍采用人工取樣分析方法和傳統(tǒng)的測(cè)量手段，測(cè)量精度低且結(jié)果的實(shí)時(shí)性差，運(yùn)行人員只能根據(jù)經(jīng)驗(yàn)對(duì)燃燒過程進(jìn)行控制。這種控制方式往往無法達(dá)到*效果，特別是當(dāng)煤質(zhì)和負(fù)荷發(fā)生變化的情況下，這種矛盾更加突出。因此，有必要采用新的在線監(jiān)測(cè)技術(shù)，輔助運(yùn)行人員按照13個(gè)基本條件為目標(biāo)對(duì)燃燒過程進(jìn)行優(yōu)化控制，實(shí)現(xiàn)燃煤電廠節(jié)能減排的目標(biāo)。

一、實(shí)現(xiàn)鍋爐燃燒優(yōu)化的基本條件

      要實(shí)現(xiàn)燃煤鍋爐燃燒優(yōu)化必須具備13個(gè)基本條件：（l） 爐膛出口整個(gè)截面處于氧化性氣氛，氧量值為3％左右。（2） 熱態(tài)運(yùn)行條件下各煤粉管道之間純空氣流速偏差不高于平均值±2％。（3） 各煤粉管道之間煤粉流速偏差不高于平均值±5％。（4） 各煤粉管道之間煤粉質(zhì)量流量偏差不高于平均值±10％。（5） 所有煤粉管內(nèi)煤粉細(xì)度達(dá)到：200目網(wǎng)篩（按 ASTM 標(biāo)準(zhǔn)，下同）的通過量至少為75%;50目網(wǎng)篩通過量至少為99.9％。（6）磨煤機(jī)通風(fēng)量的測(cè)量與控制，測(cè)控精度至少為±3 ％。（7）燃盡（OFA）風(fēng)量的測(cè)量和控制，測(cè)控精度至少為±3％。（8）對(duì)一次風(fēng)煤比按設(shè)定曲線進(jìn)行控制。（9）各煤粉管內(nèi)煤粉流速不低于17m/S。（l0）各燃燒器及風(fēng)門擋板變形量小于6mm 。（11）各燃燒器之間二次風(fēng)量的分配偏差要小于平均值±l0％。（12）對(duì)給煤量進(jìn)行測(cè)量和控制。（13）盡可能保證原煤質(zhì)量及煤塊尺寸不變。上述基本條件是燃燒調(diào)試專家經(jīng)過幾十年的現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)驗(yàn)得出的總結(jié)，現(xiàn)在已經(jīng)被業(yè)界普遍采用。如果機(jī)組運(yùn)行過程偏離上述條件，必然導(dǎo)致機(jī)組效率的下降。降低機(jī)組能耗的各種調(diào)整方法及幅度列于表1。


      上述所有方法累計(jì)節(jié)能降耗幅度可達(dá)300kJ/（kW·h），折合標(biāo)準(zhǔn)煤耗約10g/（kw·h）。根據(jù)調(diào)查，我國(guó)大部分燃煤機(jī)組在一定程度上沒有滿足燃燒優(yōu)化所要求的基本條件，因此存在著相當(dāng)大的節(jié)能潛力。

二、鍋爐燃燒優(yōu)化的主要途徑

      現(xiàn)代大型電廠鍋爐的效率一般可以達(dá)到90％－94％。鍋爐的主要熱損失及所占比例為：排煙損失小于5.0%；飛灰中未*燃燒損失小于1.5%；鍋爐散熱損失小于0.5%；可燃?xì)怏w未*燃燒損失小于0.1% ；灰渣物理顯熱損失小于0 .05％。由此可見，排煙損失和飛灰未*燃燒損失所占比例zui高，因此，應(yīng)力爭(zhēng)降低這2項(xiàng)損失。如果能按照燃燒優(yōu)化所要求的13個(gè)基本條件進(jìn)行燃燒調(diào)整，就能降低過量氧量和飛灰含碳質(zhì)量濃度，提高鍋爐效率。具體調(diào)整方法如下：

2.1 制粉系統(tǒng)的運(yùn)行優(yōu)化方法

       對(duì)制粉系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)整的主要目的是保證煤粉分配的均勻性。一般規(guī)定，各煤粉管道之間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％。影響煤粉分配均勻的主要參數(shù)是煤粉細(xì)度、磨煤機(jī)通風(fēng)量及煤粉管道之間流動(dòng)阻力偏差，這幾個(gè)參數(shù)對(duì)煤粉分配的均勻性都有影響，對(duì)制粉系統(tǒng)的運(yùn)行優(yōu)化實(shí)際上就是把這幾個(gè)參數(shù)有機(jī)地結(jié)合在一起。

2.1.1 煤粉細(xì)度

       煤粉越細(xì)，風(fēng)一粉兩相流越具有氣相流體的特性，越容易把煤粉分配調(diào)平。合格的煤粉細(xì)度是實(shí)現(xiàn)煤粉均勻分配并具有較低飛灰含碳質(zhì)量濃度（6％以下）的基礎(chǔ)。國(guó)內(nèi)火電廠一般要求的煤粉細(xì)度為R90≤15％。

      煤粉細(xì)度一般都是通過煤粉取樣的方法進(jìn)行測(cè)量，取樣過程有嚴(yán)格的要求。取樣之前，先用靠背管測(cè)量煤粉管內(nèi)的煤粉流速，確定取樣嘴的吸入速度。根據(jù)ISO9931標(biāo)準(zhǔn)，當(dāng)吸入速度比煤粉流速高10％時(shí)，才能保證取出的煤粉樣品具有足夠的代表性。將取到的煤粉樣品篩分后，就能得到煤粉的細(xì)度指標(biāo)。zui后將篩分后的結(jié)果按照Rosin-Rammler公式繪制成曲線，檢驗(yàn)煤粉取樣的代表性。如果該曲線呈直線，則說明所取到的煤粉樣品具有代表性。

      磨煤機(jī)出口通常裝有煤粉分離器，通過離心分離原理把合格的煤粉送給燃燒器；不合格煤粉重新返回磨煤機(jī)。有些磨煤機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)也會(huì)影響煤粉細(xì)度，例如中速磨煤機(jī)的風(fēng)環(huán)面積、磨輥與磨盤之間的間隙、磨輥的壓力及分離器內(nèi)錐的間隙尺寸等；球磨機(jī)的裝球量、鋼球尺寸、分離器擋板及軸頸密封板尺寸等也會(huì)影響煤粉細(xì)度。有時(shí)為了提高煤粉細(xì)度，需要對(duì)磨煤機(jī)進(jìn)行改造，如把擋板加長(zhǎng)或做成弧形，更改風(fēng)環(huán)尺寸等。

2.1.2 磨煤機(jī)通風(fēng)量

      磨煤機(jī)通風(fēng)量越低，煤粉分配越均勻。如果通風(fēng)量過高，粗煤粉必然具有很高的動(dòng)量，容易從風(fēng)一粉氣流中離析出，使煤粉分配不均勻。通風(fēng)量過高也容易使粗煤粉比例增加，加劇煤粉分配不均。因此一般要求按照一定的風(fēng)／煤比例和固定曲線控制磨煤機(jī)通風(fēng)量。不同形式的磨煤機(jī)具有不同的*一次風(fēng)煤比（見表2）。


       在保持磨煤機(jī)出口溫度不變的情況下，磨煤機(jī)通風(fēng)量過高就需要加入過多的冷風(fēng)，必然導(dǎo)致排煙損失的增加；同時(shí)，在火焰的高溫區(qū)，過高的通風(fēng)量還有助于煤中的氮元素轉(zhuǎn)化為NO_x。磨煤機(jī)通風(fēng)量過高產(chǎn)生的其他不利因素為：更容易結(jié)焦和積灰、加劇煤粉管和火嘴等部件的磨損等。對(duì)于中速磨煤機(jī)，在優(yōu)化通風(fēng)量之前，還應(yīng)核實(shí)磨煤機(jī)的風(fēng)環(huán)面積，保證風(fēng)環(huán)風(fēng)速為33~38m/s，防止由于風(fēng)速過低無法托起原煤，增加石子煤量。必要時(shí)更換風(fēng)環(huán)。

       用稱重式給煤機(jī)可以測(cè)量給煤量，因此要保證*一次風(fēng)煤比還需要對(duì)通風(fēng)量控制。但是，通風(fēng)量測(cè)點(diǎn)所在位置大多沒有傳統(tǒng)測(cè)量裝置測(cè)量所要求的直管段長(zhǎng)度。而且在冷熱風(fēng)混合點(diǎn)后的測(cè)點(diǎn)位置其溫度場(chǎng)的分布也不均勻，難以把風(fēng)量換算成標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的體積流量。另外，風(fēng)中夾帶的飛灰還容易使傳統(tǒng)測(cè)量裝置測(cè)量結(jié)果漂移，增加維護(hù)人員工作量。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，應(yīng)該把磨煤機(jī)入口風(fēng)道做成文丘里形狀，以利于提高通風(fēng)量測(cè)量精度。

2.1.3 煤粉管道之間流動(dòng)阻力偏差

       煤粉管道之間流動(dòng)阻力偏差越小，煤粉分配就越均勻。對(duì)煤粉管道之間煤粉分配調(diào)平之前應(yīng)先用純空氣調(diào)平管道阻力，純空氣流動(dòng)阻力的偏差越小，煤粉分配就越均勻。在調(diào)平之前，應(yīng)先把給煤機(jī)停運(yùn)，把熱風(fēng)送人磨煤機(jī)，當(dāng)磨煤機(jī)出口溫度達(dá)到正常運(yùn)行條件時(shí)的溫度再進(jìn)行調(diào)平。首先用皮托管對(duì)煤粉管內(nèi)空氣流速采用網(wǎng)格法測(cè)量，然后用可調(diào)縮孔進(jìn)行調(diào)整。zui終應(yīng)保證煤粉管道之間純空氣流速偏差小于平均值±2％。在整個(gè)調(diào)平過程中，應(yīng)注意保證煤粉管內(nèi)的純空氣流速不能低于17m/s，保證煤粉正常輸送。

2.1.4 對(duì)煤粉流量和煤粉流速的測(cè)量

      過去一般采用取樣稱重法測(cè)量煤粉流量；采用皮托管按網(wǎng)格法測(cè)量煤粉流速。這2種測(cè)量方法不但勞動(dòng)強(qiáng)度大，也存在很大誤差。對(duì)于配備幾十臺(tái)燃燒器的大型鍋爐來說這種測(cè)量方法無法得到實(shí)時(shí)測(cè)量結(jié)果。因此，國(guó)內(nèi)絕大部分電廠基本沒有對(duì)煤粉流量進(jìn)行監(jiān)測(cè)，無法了解分配偏差的具體狀況。

2.2 對(duì)二次風(fēng)量和燃盡風(fēng)量的優(yōu)化

       為了實(shí)現(xiàn)鍋爐的燃燒優(yōu)化，除了要保證煤粉在每層燃燒器之間分布均勻以外，還要根據(jù)每層燃燒器的給煤量按照一定的風(fēng)煤比向各層二次風(fēng)箱提供風(fēng)量。比如在前墻或前后墻燃燒方式鍋爐中，二次風(fēng)被分別送人二次風(fēng)箱。每層二次風(fēng)箱向其對(duì)應(yīng)層燃燒器提供二次風(fēng)，每層二次風(fēng)的數(shù)量應(yīng)根據(jù)此層燃燒器所對(duì)應(yīng)的給煤量確定。為了保證每層燃燒器具有相同的化學(xué)當(dāng)量比，必需測(cè)量與控制每層二次風(fēng)量，測(cè)量精度一般要求不低于±3％。但在這種風(fēng)箱布置結(jié)構(gòu)中，測(cè)點(diǎn)所在位置直管段長(zhǎng)度只有當(dāng)量直徑1.5倍左右，遠(yuǎn)低于傳統(tǒng)測(cè)量技術(shù)對(duì)直管段的要求，這樣就無法對(duì)每層二次風(fēng)量進(jìn)行有效的控制，結(jié)果使鍋爐無法正常運(yùn)行。國(guó)內(nèi)目前很多新建成的600MW超臨界方式以及1000 MW 超超臨界機(jī)組的鍋爐二次風(fēng)箱基本都采用分層布置方式（見圖1）。但是，投運(yùn)的大部分機(jī)組都無法實(shí)現(xiàn)層二次風(fēng)量和OFA風(fēng)量的控制，機(jī)組無法達(dá)到*運(yùn)行工況。

2.3 對(duì)飛灰含碳質(zhì)量濃度的優(yōu)化

       飛灰含碳質(zhì)量濃度既反映制粉系統(tǒng)是否正常，也反映燃燒過程風(fēng)量配比是否合適。特別是當(dāng)大型電廠燃煤鍋爐采取低氮燃燒措施后，爐內(nèi)總體溫度降低，特別容易導(dǎo)致飛灰含碳質(zhì)量濃度升高，使鍋爐效率及可利用飛灰的比例下降。因此，有必要對(duì)飛灰含碳質(zhì)量濃度進(jìn)行的在線監(jiān)測(cè)，并根據(jù)監(jiān)測(cè)結(jié)果調(diào)整制粉系統(tǒng)及風(fēng)量的配比。

       對(duì)飛灰含碳質(zhì)量濃度測(cè)量的zui大難點(diǎn)是取樣的代表性。國(guó)內(nèi)電廠常用的飛灰含碳質(zhì)量濃度在線測(cè)量裝置一般都在尾部煙道內(nèi)進(jìn)行等速取樣，事實(shí)證明這種取樣方法誤差很大，無法獲得準(zhǔn)確的測(cè)量結(jié)果。

三、新型在線測(cè)量技術(shù)的應(yīng)用

      手工取樣分析和傳統(tǒng)的測(cè)量技術(shù)對(duì)燃燒過程監(jiān)測(cè)的實(shí)時(shí)性和準(zhǔn)確性都很低，很難實(shí)現(xiàn)燃燒優(yōu)化過程要求的13個(gè)基本條件。近年來，國(guó)外電廠大量采用新型的燃燒優(yōu)化參數(shù)在線測(cè)量技術(shù)，使燃煤機(jī)組的性能有了明顯提高。 


3.1 煤粉細(xì)度激光測(cè)量技術(shù)

       煤粉細(xì)度測(cè)量采用光脈動(dòng)法，其基本原理是當(dāng)處于運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的顆粒通過截面很小的平行測(cè)量光束時(shí)，由于處于測(cè)量光束中的顆粒數(shù)目和大小始終隨時(shí)間在變化，造成透射光強(qiáng)發(fā)生隨機(jī)變化。因?yàn)楣鈴?qiáng)信號(hào)的隨機(jī)變化與在測(cè)量瞬間處于光束中的顆粒的大小和數(shù)目有關(guān)，測(cè)出光信號(hào)的隨機(jī)變化序列，可應(yīng)用光脈動(dòng)法進(jìn)行分析，求得顆粒的平均粒徑。

3.2 交相關(guān)風(fēng)速測(cè)量技術(shù)

       交相關(guān)風(fēng)速測(cè)量原理：在風(fēng)道內(nèi)按一定距離安裝2支金屬傳感器（圖2），氣流中飛灰?guī)в徐o電，因此，在傳感器上產(chǎn)生了2個(gè)隨機(jī)信號(hào)。當(dāng)2支傳感器相距很近時(shí)，所產(chǎn)生的2個(gè)隨機(jī)信號(hào)就非常相似，但存在一個(gè)時(shí)間差。通過交相關(guān)計(jì)算可得到這個(gè)時(shí)間差，用傳感器之間的距離除以這個(gè)時(shí)間差就可得到管道內(nèi)的平均流速。

      交相關(guān)風(fēng)速測(cè)量技術(shù)的特點(diǎn)是所需直管段較短、安裝簡(jiǎn)單、沒有堵塞和信號(hào)漂移問題、不需要標(biāo)定且測(cè)量精度高。這種測(cè)量技術(shù)應(yīng)用范圍廣，可在線測(cè)量磨煤機(jī)進(jìn)口的通風(fēng)量和出口煤粉流速；甚至可以測(cè)量大口徑風(fēng)道的風(fēng)量，如二次風(fēng)量和 OFA 風(fēng)量。


3.3 煤粉質(zhì)量濃度微波在線測(cè)量技術(shù)

       煤粉質(zhì)量濃度微波測(cè)量原理：在煤粉管道內(nèi)插入2支金屬天線，一支作為微波信號(hào)發(fā)射端；另一支作為微波信號(hào)接收端。煤粉管內(nèi)有煤粉與無煤粉的微波諧振頻率存在頻差，煤粉質(zhì)量濃度與頻差成正比。根據(jù)微波信號(hào)在管道中傳播的頻率就可以計(jì)算煤粉質(zhì)量濃度：
              ρ=（f₀-f_ε）.k_fd

      式中:f₀為管道內(nèi)沒有煤粉時(shí)的微波諧振頻率；天為管內(nèi)有煤粉時(shí)的諧振頻率；k_fd為與管道尺寸有關(guān)的常數(shù)。結(jié)合煤粉流速測(cè)量信號(hào)就能測(cè)量煤粉質(zhì)量流量，測(cè)量精度可以達(dá)到±5％。

3.4 飛灰含碳質(zhì)量濃度微波在線測(cè)量技術(shù)

      飛灰含碳質(zhì)量濃度微波測(cè)量原理：在飛灰測(cè)量倉(cāng)內(nèi)安裝2支微波天線，一支為發(fā)射端；另一支為接收端。測(cè)量倉(cāng)內(nèi)有灰與無灰的微波諧振頻率存在差別（見圖3），飛灰含碳質(zhì)量濃度與頻率成正比。測(cè)量精度可達(dá)±0.5％。飛灰取樣位置設(shè)在電除塵器灰斗內(nèi)，能充分保證飛灰取樣的代表性。

四、應(yīng)用實(shí)例

       德國(guó)柏林Vattemfall發(fā)電廠有2合300MW燃煤機(jī)組，鍋爐采用前墻燃燒方式，配4臺(tái)MPS中速磨煤機(jī)。原采用文丘里測(cè)量裝置測(cè)量磨煤機(jī)的通風(fēng)量。通過用交相關(guān)測(cè)量系統(tǒng)與文丘里測(cè)量裝置的對(duì)比試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)文丘里測(cè)量裝置的測(cè)量結(jié)果比實(shí)際通風(fēng)量高出8％。為此該廠將所有一次風(fēng)量測(cè)量裝置全部改為德國(guó)PROMECON 公司生產(chǎn)的交相關(guān)風(fēng)量測(cè)量系統(tǒng)，并對(duì)DCS 系統(tǒng)通風(fēng)量進(jìn)行了重新設(shè)定，每臺(tái)磨煤機(jī)的通風(fēng)量降低了5000 m³/h。根據(jù)計(jì)算，*一項(xiàng)就提高鍋爐效率0.2％。另外，由于煤粉管道內(nèi)煤粉流速的降低，使煤粉流速分布更加均勻，火炬燃燒更加穩(wěn)定。


五、結(jié)語

       用過去的人工及傳統(tǒng)測(cè)量技術(shù)無法以基本條件為目標(biāo)對(duì)鍋爐燃燒進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整，因此不能滿足節(jié)能減排的要求。如果采用*測(cè)量技術(shù)對(duì)鍋爐燃燒過程的重要參數(shù)進(jìn)行在線測(cè)量，就能實(shí)現(xiàn)鍋爐燃燒優(yōu)化運(yùn)行，提高燃煤機(jī)組的運(yùn)行水平。此外，為了提高燃燒調(diào)整的工作效率和控制精度，建議把過去使用的用手工調(diào)節(jié)的節(jié)流縮孔更改為自動(dòng)調(diào)整縮孔。在節(jié)流縮孔磨損后，應(yīng)及時(shí)對(duì)煤粉管道系統(tǒng)阻力重新調(diào)平。

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