劉 振 宇

(1．煤科院節(jié)能技術(shù)有限公司，北京 100013；2．煤炭資源高效開采與潔凈利用國家重點實驗室，北京 100013；3．國家能源煤炭高效利用與節(jié)能減排技術(shù)裝備重點實驗室，北京 100013)

0 引 言

在煤粉工業(yè)鍋爐中，供料系統(tǒng)通過氣力輸送，將煤粉定量送入燃燒器中供給燃燒。供料的穩(wěn)定性對鍋爐的穩(wěn)定運行影響很大。定量計量供料量和供料波動是鍋爐實現(xiàn)自動調(diào)節(jié)的重要前提。目前煤粉質(zhì)量流量的直接測量困難[1]，現(xiàn)有的直接測量方法包括電容法、靜電法、摩擦電法、微波法、γ射線法、差壓法等。其中，電容法[2-3]對傳感器固有的檢測場分布要求較高，且由于固相濃度變化引起的電容量變化甚微，對電容分辨率和抗雜散電容的能力要求嚴(yán)格，使其對空氣濕度等參數(shù)變化敏感，需頻繁標(biāo)定。靜電法[4-6]由于陣列式靜電傳感器存在局部敏感特性，僅適用于小管徑的密相流測量。摩擦電法[7-8]可測量的煤粉濃度上限很低，目前僅能做到上限45 g/m3。微波法[9-10]的檢測范圍和精度較廣，但受限于設(shè)備成本，中小型鍋爐難以采用。γ射線法[11]利用γ射線吸收原理，可達(dá)到5%以內(nèi)的測量精度[12]，但γ放射源的危險性及成本限制了其使用范圍。差壓法利用壓力傳感器，測量供料系統(tǒng)兩點間的壓力差，利用煤粉濃度-差壓的對應(yīng)關(guān)系[13]測量煤粉流量，一般包括文丘里法和彎管法，文丘里法測量精度較高，具有較高的阻力。由于煤粉工業(yè)鍋爐一次風(fēng)沿程經(jīng)過文丘里混合器，因而具有應(yīng)用差壓法的基礎(chǔ)。

除了直接測量，鍋爐各種與供料相關(guān)的間接參數(shù)也可用于衡量供料參數(shù)，有學(xué)者使用不同方法研究了爐膛壓力與供料量的關(guān)系[14-15]。但以往研究重點關(guān)注爐膛壓力，對于其他參數(shù)，如中間倉稱重、供料鎖氣閥轉(zhuǎn)速、一次風(fēng)總壓、煙氣氧含量等與供料參數(shù)的關(guān)系鮮有報道。本文通過對工業(yè)運行數(shù)據(jù)的分析，對上述參數(shù)用于供料參數(shù)間接測量時的可靠性及限制進(jìn)行探討。

1 研究對象及方法

1.1 研究對象

本文數(shù)據(jù)取自天津華苑58 MW雙燃燒器中儲式煤粉工業(yè)鍋爐。煤粉經(jīng)由制粉站通過氣力輸送儲存于大粉倉中。鍋爐運行時，大粉倉中的煤粉通過中間倉進(jìn)料閥分別進(jìn)入中間倉1和中間倉2，隨后通過中間倉出口的供料鎖氣閥進(jìn)入煤粉混合器中，與來自一次風(fēng)機(羅茨風(fēng)機)的空氣混合，形成均勻的氣-固兩相流送入燃燒器。

在鍋爐運行過程中供料鎖氣閥持續(xù)運行，通過變頻電機控制轉(zhuǎn)速，進(jìn)而調(diào)整供料量。中間倉使用自動料位控制，當(dāng)中間倉稱重降低到900 kg時，中間倉進(jìn)料閥開啟，將煤粉由大粉倉送入中間倉，直到中間倉稱重升至1 100 kg，中間倉進(jìn)料閥停止。鍋爐結(jié)構(gòu)及測點布置如圖1所示。各傳感器中，中間倉稱重位于中間倉下側(cè)，型號為BK-1680，量程上限1 680 kg；一次風(fēng)總壓測點位于一次風(fēng)沿程的混合器入口處，傳感器型號ABB-2600T，量程0～60 kPa，共設(shè)置3個，取其中2個數(shù)值差較小的測量值，取平均作為有效數(shù)據(jù)。采用威爾巴流量計測量二次風(fēng)量和三次風(fēng)量，壓力上限7 000 Pa，傳感器具有溫度矯正功能，自動矯正為Nm3/h，對應(yīng)空氣密度1.293 kg/m3；爐膛壓力傳感器量程-1 000～1 000 Pa；煙氣氧含量傳感器量程0～21%，各傳感器數(shù)據(jù)的更新頻率≥1 Hz。數(shù)據(jù)獲取時間為2019-11-01—11-30，數(shù)據(jù)記錄頻率均為1 Hz。

圖1 鍋爐供料系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及測點布置Fig.1 Structure of boiler feeding system and arrangement of measuring points

1.2 分析方法

為了分析供料鎖氣閥轉(zhuǎn)速、粉倉稱重、爐膛壓力、煙氣氧含量用于預(yù)測供料性能的可行性及準(zhǔn)確性，首先通過變量的物理意義，確定該變量與瞬時供料量、平均供料量、供料波動等供料性能參數(shù)的關(guān)系。采用決定系數(shù)R2，對比不同變量組間擬合優(yōu)度的差異。R2的計算公式為

(1)

式中，y1為帶入回歸方程得到的參數(shù)y的估計值；y2為參數(shù)y的實際值；-y為參數(shù)y的平均值。

(2)

2 數(shù)據(jù)分析

2.1 中間倉稱重

鍋爐運行時，中間倉進(jìn)料閥一般以5～10 min為周期交替開啟、關(guān)閉。在進(jìn)料閥關(guān)閉的時間段內(nèi)，中間倉沒有煤粉流入，煤粉唯一的流出途徑為供料鎖氣閥。因此，該時間段內(nèi)若其他參數(shù)不變，可采用中間倉稱重的變化速率計算供料量。

圖2 單卸料周期稱重曲線Fig.2 Single unloading cycle weighing curve

但中間倉稱重用于判斷供料特性也存在以下局限：① 由于稱重傳感器輸出的數(shù)據(jù)是質(zhì)量累計值，其分辨率不足以計量瞬時供料量；② 將圖2局部放大可以看出，存在中間倉稱重數(shù)據(jù)隨時間上升現(xiàn)象，由于該過程中間倉內(nèi)煤粉只有流出沒有流入，可推斷該信號屬于干擾數(shù)據(jù)。由于局部干擾數(shù)據(jù)的存在，使中間倉稱重?zé)o法用來計算供料波動。

2.2 鎖氣閥頻率

常見的供料量計量方法是將供料鎖氣閥凹槽中的煤粉填充率和密度視為定值，根據(jù)鎖氣閥電機減速比計算出電機頻率-鎖氣閥轉(zhuǎn)速的關(guān)系(供料量=鎖氣閥轉(zhuǎn)速×每轉(zhuǎn)容積×煤粉填充密度)。實踐發(fā)現(xiàn)，該計算方法準(zhǔn)確性和重復(fù)性較差，主要是由于不同供料量下煤粉填充密度通常為非定值，因此需要引入其他參數(shù)。由于中間倉稱重可準(zhǔn)確計量一定時間內(nèi)的平均供料量，因此可將其作為中間變量，研究鎖氣閥頻率和供料量之間的關(guān)系。

在測量數(shù)據(jù)中篩選出1號供料鎖氣閥運行數(shù)據(jù)最多的8個電機頻率工況，以及2號供料鎖氣閥運行數(shù)據(jù)最多的7個電機頻率工況。每個篩選出的電機頻率中，隨機選取5個完整1 100～900 kg中間倉卸料周期，采用2.1節(jié)的方法計算每個周期的供料量，并計算5個周期供料量的均值和標(biāo)準(zhǔn)差，結(jié)果如圖3所示。

圖3 鎖氣閥頻率-供料量的關(guān)系Fig.3 Relationship between frequency of air lock valve and feed quantity

不同鎖氣閥的的衰減規(guī)律存在差異，該鍋爐2個鎖氣閥的供料曲線在低頻下較接近理想值，且差距很小，但在20 Hz以上開始出現(xiàn)差異，其原因有待進(jìn)一步探究。

2.3 一次風(fēng)總壓

一次風(fēng)從羅茨風(fēng)機出口依次經(jīng)過混合器、一次風(fēng)管、回流帽進(jìn)入燃燒器。從物理意義角度，風(fēng)機出口氣流的總能量損耗，等于沿程煤粉-空氣-管壁之間的摩擦、煤粉加速、文丘里加速-擴散等作用造成的能量損失之和，該損耗可用一次風(fēng)壓總壓進(jìn)行表征。

當(dāng)供料量為0時，一次風(fēng)沿程阻力計算公式為

(3)

其中，ΔPa為無煤粉時的一次風(fēng)總阻力，Pa；λ為直管段的摩擦因數(shù)；ζ1為彎管的局部阻力系數(shù)；ζ2為文丘里混合器的局部阻力系數(shù)；l為一次風(fēng)管長度，m；d為一次風(fēng)管直徑，m；ρ為空氣密度，kg/m3；u為一次風(fēng)速，m/s。λ、l、d、ζ1、ζ2屬于結(jié)構(gòu)參數(shù)，在不改變文丘里噴口口徑的情況下為定值。在輸送煤粉時，沿程阻力上升，導(dǎo)致風(fēng)機出口空氣密度ρ上升，u降低，兩者反向變化，且由于羅茨風(fēng)機屬于恒容積式風(fēng)機，風(fēng)量下降速率較平緩，因此在壓力變化不大的情況下，ρu2可近似按照定值處理。因此ΔPa可取煤粉輸送量為0的工況下一次風(fēng)總壓的平均值，結(jié)果為：1號供料器ΔPa1=20.54 kPa，標(biāo)準(zhǔn)差0.69 kPa；2號供料器ΔPa2=21.64 kPa，標(biāo)準(zhǔn)差0.74 kPa。

供料量>0時，一次風(fēng)沿程阻力增加，此時一次風(fēng)總壓和空載一次風(fēng)總壓關(guān)系[16]為

(4)

式中，ΔP為氣固混合物通過文丘里時的總阻力，Pa；k為未知系數(shù)；μ為固氣比，kg/kg；ms為煤粉質(zhì)量流量，kg/s；ma為一次風(fēng)空氣質(zhì)量流量，kg/s。

根據(jù)式(4)，確定k值后，可通過供料量>0時一次風(fēng)總壓ΔP計算煤粉流量，即

(5)

根據(jù)式(5)計算2.2節(jié)中1號供料器8個工況和2號供料器7個工況下的一次風(fēng)總壓均值(k1和k2)，結(jié)果如圖4所示。

圖4 系數(shù)k計算值Fig.4 Calculated value of coefficient k

由圖4可知，k1均值為0.174 1，標(biāo)準(zhǔn)差為0.007 2，k2均值為0.151 3，標(biāo)準(zhǔn)差為0.008 5，離散系數(shù)約為5%，精度可滿足工業(yè)計算要求。

式(5)中質(zhì)量流量ma的計算方法為：空氣溫度(41±4) ℃，空氣密度1.124 kg/m3，一次風(fēng)管內(nèi)徑135 mm，平均氣速25 m/s，空氣質(zhì)量流量0.402 kg/s(或1 447 kg/h)，代入式(5)得到

ms1=0.404 6ΔP1-8 310

(6)

ms2=0.441 8ΔP2-9 564

(7)

式中，ms1、ms2分別為供料鎖氣閥1、2的供料量，kg/s；ΔP1、ΔP2分別為供料系統(tǒng)1、2的一次風(fēng)總阻力，Pa。

根據(jù)式(6)和式(7)，可得到鍋爐總供料量mss為

mss=0.404 6ΔP1+0.441 8ΔP2-17 874

(8)

2.4 爐膛壓力

根據(jù)理想氣體狀態(tài)方程

PV=nRT

(9)

其中，P為壓力，Pa；V為體積，m3；n為氣體摩爾數(shù)；R為常數(shù)；T為溫度，K。其他參數(shù)不變、供料量增加時，若燃料燃盡率無明顯下降，則煤粉放熱量增加，爐膛溫度T升高，由于爐膛體積V和助燃風(fēng)量n均不變，因此爐膛壓力P升高。要得到供料量-爐膛壓力絕對值的關(guān)系，需要確定與熱態(tài)相同二次風(fēng)量、三次風(fēng)量、引風(fēng)機頻率等相同工況下的冷態(tài)爐膛壓力空白值。由于鍋爐長期處于運行狀態(tài)，缺少可供參照的冷態(tài)數(shù)據(jù)，因此難以分析供料量-爐膛壓力的關(guān)系，僅可通過熱態(tài)爐膛壓力和一次風(fēng)總壓的波動，推斷爐膛壓力波動-供料波動的關(guān)系。

選取93組取樣時間為300 s、頻率1 Hz的數(shù)據(jù)，每組數(shù)據(jù)取樣時鍋爐各設(shè)備參數(shù)保持不變，根據(jù)式(8)計算瞬時供料量，結(jié)果如圖5所示。

圖5 供料量標(biāo)準(zhǔn)差-爐膛壓力標(biāo)準(zhǔn)差Fig.5 standard deviation of feed quantity-standarddeviation of furnace pressure

圖6 配風(fēng)量/供料量波動-爐膛壓力波動Fig.6 Distribution air volume/feed volume fluctuation-furnace pressure fluctuation

2.5 煙氣氧含量

氧含量和供料量、二次風(fēng)量、三次風(fēng)量、煤粉燃盡率等參數(shù)關(guān)聯(lián)較大，與爐膛壓力不同，鍋爐氧含量有固定的空白值，即空氣中的氧含量0.21。因此可使用煙氣氧含量推斷供料量和供料波動，耗氧量的計算公式為

Q(O2)=(A1+A2+A3)[0.21-w(O2)]

(10)

式中，Q(O2)為鍋爐耗氧量，Nm3/h；A1、A2、A3為總一次風(fēng)量、總二次風(fēng)量、總?cè)物L(fēng)量，Nm3/h；w(O2)為氧含量。

圖7 耗氧-供料/配風(fēng)Fig.7 oxygen consumption-feed/air distribution

在較長時間跨度上，該鍋爐同樣供料量下的耗氧量有較大變化，主要是由于該鍋爐煤粉為2種熱值相差較大的煤粉摻混而成，說明2種煤粉的摻混比例控制可能較差，導(dǎo)致成品煤粉的熱值/元素組成存在較大波動。

3 結(jié) 論

1)中間倉進(jìn)料閥關(guān)閉時，可通過中間倉稱重數(shù)據(jù)進(jìn)行線性回歸，以高準(zhǔn)確度計算供料器300 s周期內(nèi)的平均供料量。但受限于稱重傳感器的分辨率及局部干擾數(shù)據(jù)，中間倉稱重?zé)o法用于瞬時供料量或供料波動。

2)采用供料鎖氣閥轉(zhuǎn)速計算供料量，需假設(shè)鎖氣閥凹槽填充率和填充密度為定值，鎖氣閥低轉(zhuǎn)速下供料曲線符合該假設(shè)。但隨著鎖氣閥轉(zhuǎn)速增加，有效進(jìn)料/出料時間的縮短和出口壓力的提高，使供料量隨轉(zhuǎn)速的增長率以二次曲線邊際遞減，且不同鎖氣閥的供料量遞減規(guī)律存在個體差異。