(重慶旗能電鋁有限公司,重慶 401420)

火力發(fā)電廠燃煤鍋爐中爐膛燃燒區(qū)域的溫度均衡對鍋爐效率有著重要影響，影響著煤粉的著火、燃盡以及污染物SO2和NOx的生成量，最終影響鍋爐的經(jīng)濟性和安全性。傳統(tǒng)的接觸式測溫技術，因為受限于測量元件的耐高溫性能，不適用于“W”鍋爐1 600 ℃左右的爐內(nèi)高溫和腐蝕性很強的惡劣環(huán)境。聲波測溫作為一種非接觸式、基于聲波理論的鍋爐燃燒在線監(jiān)測新型溫度測量技術，不受外部條件的影響，適應2 000 ℃以下各種高溫、腐蝕、多塵的惡劣環(huán)境，具有測量精度高、測量范圍廣、實時監(jiān)測和遠程控制等諸多優(yōu)點[1]。

1 聲波測溫原理

鍋爐爐膛聲波測溫系統(tǒng)(ATMB)的技術原理是利用聲波在煙氣中傳播速度與溫度的物理學關系，通過檢測與數(shù)學分析手段得到聲波傳播路徑上的平均溫度[2]。在理想狀態(tài)下，聲波與溫度的關系為

(1)

(2)

式中：v為聲波速度，m/s，通過檢測長度除以傳播時間可得；γ為氣體比熱，在煙氣成分比較穩(wěn)定的狀況下為常數(shù)；R為氣體常數(shù)，J/mol·K；m為氣體摩爾質(zhì)量，kg/mol；Z為絕熱系數(shù)；T為開爾文溫度，T。

重慶旗能電能有限公司鍋爐燃燒區(qū)長25 m、寬13 m ，在“W”型鍋爐爐膛煙氣出口層前后左右對稱布置10個測點，每個測點既是聲波發(fā)聲點，也是聲波接收測點，其中前后墻分別布置4個測點，左右墻布置1個測點。如圖1所示，聲波在爐膛中有25條固定的傳播路徑。比如兩點之間的距離為S(不變),一點發(fā)聲，另外一點接收，兩點進行同步采集，對兩個采集到的信號進行識別，可以得到兩點之間聲波的傳播時間，再結合計算公式，就得到該兩點傳播路徑上的平均溫度，以此類推得到25條平均溫度線。

圖1 鍋爐爐膛聲波測溫系統(tǒng)布置圖

2 電廠運行情況

重慶旗能電鋁有限公司的2×330 MW“W”型燃煤機組采用東方鍋爐產(chǎn)品，為亞臨界壓力中間一次再熱的自然循環(huán)鍋爐，單爐膛Π型露天島式布置，燃燒器布置于下爐膛前后拱上，“W”型火焰燃燒方式，于2013年年底投產(chǎn)。作為電解鋁的自備電廠，年運行時長超過8 100 h，自用負荷不低于560 MW，燃用低煤質(zhì)、高硫分煤炭。鍋爐拱形燃燒區(qū)長25 m、寬13 m，左右兩側進風，24組燃燒器前后墻方向對稱布置，大風箱貫穿前后水冷壁，存在各風量不均、搶風的現(xiàn)象。運行中存在鍋爐爐膛結焦、空預器堵塞、引風機失速、電除塵短路等現(xiàn)象，其中空預器由于硫酸氫銨堵塞，阻力最高達到3.2 kPa。機組投產(chǎn)以來先后由于高溫腐蝕、吹灰槍吹損、爐膛結焦等原因造成機組非停20次，出現(xiàn)水冷壁管道大面積高溫腐蝕，嚴重影響機組安全運行。分析原因是鍋爐燃燒調(diào)整不合理，導致高溫腐蝕或者局部溫度偏高、結焦，SO2、NOx等污染物生成量偏高。

2014年底重慶旗能電鋁有限公司與深圳東方鍋爐控制有限公司合作研發(fā)鍋爐爐膛聲波測溫系統(tǒng)，在1#鍋爐上進行工業(yè)試驗。2018年12月通過中國動力工程學會產(chǎn)品鑒定，測量誤差小于1%，評定為國內(nèi)領先，具有國際先進水平。

3 聲波測溫在“W”鍋爐的運用情況

3.1 300 MW工況燃燒調(diào)整試驗

1)基礎情況檢測

鍋爐磨煤機全投運。通過檢測發(fā)現(xiàn)鍋爐左右側氧量不均，為1%～6%，偏差比較大。左側第三測點的氧量為1%，煙氣中CO局部含量高達1.0×10-2mg/kg。右側第八測點氧量高達6%，煙氣中CO含量近零。缺氧燃燒，造成飛灰可燃物高。此工況下左側飛灰可燃物達到5.41%，右側飛灰可燃物1.96%，鍋爐效率為91.012%。分析鍋爐效率比較低的原因，主要有干煙氣熱損失、未燃盡碳熱損失及CO引起的熱損失。

通過鍋爐爐膛聲波測溫系統(tǒng)對比分析，認為該負荷下，爐膛左側區(qū)域燃燒劇烈，熱負荷高，基本判斷是此區(qū)域粉量偏大，需對風量進行調(diào)整。由圖2中可知，燃燒器A2、B1、A1和C5、D4、C4區(qū)域溫度最高，熱負荷最高。

圖2 燃燒器各區(qū)域溫度測試

2)二次風調(diào)整

通過以上分析可知，需要調(diào)整二次風，補充該區(qū)域風量，消除CO。開大C風門，使風和粉混合充分。燃燒調(diào)整對比了幾種工況：工況1是開大A2、B1、C5、D4燃燒器C風門，由10%開至50%；工況2是在工況1基礎上再開A1、C4燃燒器C風門；工況5的負荷較高，為315 MW，在開大C風門情況下，停掉B1、D4燃燒器。調(diào)整后趨勢降低明顯，最高點CO由1.0×10-2mg/kg降至2.0×10-2mg/kg左右。

3.2 250 MW工況燃燒調(diào)整試驗

負荷250 MW試驗主要是在停不同磨的情況下，進行鍋爐效率測試，并根據(jù)爐膛聲波測溫系統(tǒng)測試結果對煙溫區(qū)域進行分析，從而判斷不同磨對爐膛煙溫的影響。工況3為停C磨，工況4為停A磨，工況5在工況4基礎上減小50 t/h風量。250 MW試驗數(shù)據(jù)見表1。

表1 250 MW試驗數(shù)據(jù)

試驗證明，負荷在250 MW下鍋爐效率高于300 MW。300 MW負荷下排煙溫度高，且CO相對生成量較大，而250 MW負荷下CO引起的熱損失低。將停運C磨和停運A磨進行比較，停運A磨CO引起的熱損失更低，爐膛煙溫更均勻。通過觀察可知，只要投運A磨(滿負荷磨煤機全投，投運3臺磨)，均存在左側區(qū)域靠中間位置煙溫偏高的現(xiàn)象。停運A磨后，煙溫則分布較均勻，平均溫度1 470 ℃左右。表明A磨的A1、A2燃燒器投入了過多煤粉，使該區(qū)域煙溫偏高，氧量更低，CO更高。對工況5和工況4比較可知，減少總風量后(1 080 t/h降至1 030 t/h)，飛灰可燃物并未升高，同時NOx降低明顯，由448 mg/Nm3降至389 mg/Nm3，鍋爐效率較高。

3.3 爐膛聲波測溫系統(tǒng)對運行監(jiān)控的指導意義

1)對燃燒器運行監(jiān)控

根據(jù)測試結果，以及燃燒調(diào)整結果分析可知，燃燒器存在熱負荷分布不均的情況。長期運行可能存在結焦風險。根據(jù)結果及時做出調(diào)整，確保熱負荷分布更均勻。除了調(diào)整燃燒器熱負荷外，運行中也可經(jīng)常切換磨，減少鍋爐局部長期高溫，緩解結焦。

2)對鍋爐結焦監(jiān)控

在燃燒調(diào)整過程中發(fā)現(xiàn)爐膛聲波測溫系統(tǒng)右側區(qū)域處于長期高溫狀態(tài)，各種方式均不能改變高溫狀態(tài)，各種跡象表明此處結焦嚴重。通過看火孔觀察可知，此區(qū)域確實存在結焦嚴重現(xiàn)象。2019年1～2月鍋爐運行結焦嚴重，經(jīng)?？宕蠼梗{鍋爐安全運行。經(jīng)過歷史曲線分析，結焦嚴重期間區(qū)域5和區(qū)域14的煙溫差長期在100 ℃以上。2019年2月中旬以來，區(qū)域5和區(qū)域14煙溫差有所降低，一般在50 ℃左右。兩區(qū)域溫差約60 ℃時，等溫線左右出現(xiàn)不對稱情況，但總體不嚴重。兩區(qū)域溫差超過100 ℃，等溫線則出現(xiàn)嚴重左右不對稱，表明爐膛右側結焦風險加重。

4 結語

爐膛聲波測溫系統(tǒng)能連續(xù)、準確反映出爐膛燃燒調(diào)整前后的煙溫分布變化，滿足“W”鍋爐1 600 ℃高溫和腐蝕的測量環(huán)境，是對鍋爐燃燒斷面的二維溫度測量，不存在數(shù)據(jù)的延遲性，比接觸式測溫方式的局部溫度測量更實用、更科學。聲波測溫測得的爐膛溫度通過區(qū)域溫度和溫度場的二維形式直觀展現(xiàn)，運行人員可根據(jù)爐膛溫度場判斷出鍋爐燃燒狀況，從而判斷鍋爐結焦區(qū)域，及時通過調(diào)整配風、燃燒器等措施改善鍋爐燃燒運行狀況，避免鍋爐局部產(chǎn)生大量CO、避免鍋爐嚴重結焦，提高鍋爐經(jīng)濟性、安全性。