郝轟宇，楊 俊，田宏亮

（內(nèi)蒙古能源發(fā)電準(zhǔn)大發(fā)電有限公司，內(nèi)蒙古 準(zhǔn)格爾旗 010300）

1 電廠鍋爐燃燒概況

目前，火力發(fā)電多數(shù)電廠鍋爐運(yùn)行主要存在下列系列問題：鍋爐排煙溫度偏高、飛灰可燃物含量偏高、再熱器減溫水量大、爐膛水冷壁存在高溫腐蝕等，鍋爐運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性和安全性都有提升空間。分析來看，鍋爐運(yùn)行中所存在的這些問題，都與制粉系統(tǒng)及燃燒調(diào)整密切相關(guān)。

2 存在問題

1）鍋爐缺乏分級配風(fēng)調(diào)整的依據(jù)。鍋爐低氮燃燒改造后，爐內(nèi)分級配風(fēng)的調(diào)整依靠運(yùn)行人員的經(jīng)驗(yàn)和原特定工況下試驗(yàn)結(jié)果的指導(dǎo)，分級配風(fēng)調(diào)整的依據(jù)的實(shí)時(shí)性和精確性較差。如何在不同的工況條件下，保持低氮與高效之間合理的平衡點(diǎn)是現(xiàn)場需要解決的又一問題。

2）鍋爐運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性較低。鍋爐排煙溫度偏高、飛灰可燃物含量偏高、鍋爐爐效偏低，燃燒的經(jīng)濟(jì)性有提升的空間。低氮方式下，送風(fēng)量的合理選擇與調(diào)整，燃盡風(fēng)與主燃區(qū)風(fēng)量的合理分配與調(diào)整，各輔助風(fēng)配風(fēng)的合理以及爐效與NOX排放合理平衡等，都會影響爐內(nèi)燃燒的均衡性，進(jìn)而影響鍋爐的燃燒效率和爐效。

3）高溫腐蝕結(jié)焦結(jié)渣現(xiàn)象多。在低氮燃燒情況下，更易出現(xiàn)高溫腐蝕問題，特別是在燃煤硫份波動較大時(shí)，更要關(guān)注水冷壁高溫腐蝕風(fēng)險(xiǎn)，因此，適應(yīng)當(dāng)前煤種，如何在運(yùn)行過程中，采用實(shí)時(shí)優(yōu)化調(diào)整技術(shù)，減輕或消除鍋爐高溫腐蝕和結(jié)焦結(jié)渣，是該鍋爐亟待解決的另一個(gè)問題。

4）爐內(nèi)存在火焰偏燒，爐內(nèi)熱負(fù)荷分布不均，存在較大的煙溫偏差，左右兩側(cè)的汽溫存在較大的偏差，受熱面局部管壁超溫風(fēng)險(xiǎn)明顯，以及水冷壁向火側(cè)的高溫腐蝕管壁減薄、結(jié)渣高溫氣流對管壁的沖蝕磨損等，存在較大爆管風(fēng)險(xiǎn)。

5）精細(xì)配風(fēng)依據(jù)少。目前，現(xiàn)場僅依據(jù)O2來控制鍋爐總風(fēng)量指導(dǎo)燃燒調(diào)整，在當(dāng)前普遍采用低氮燃燒情況下的燃燒優(yōu)化，沒有將反映實(shí)時(shí)燃燒工況的煙氣CO 值納入鍋爐燃燒調(diào)整中，缺乏精細(xì)配風(fēng)的調(diào)控手段等。這些都對給鍋爐高效、可靠和環(huán)保運(yùn)行造成不可忽視的影響[1]。

3 優(yōu)化方案

3.1 風(fēng)粉在線測量

目前有一種風(fēng)粉測量裝置，融合靜電技術(shù)、電容技術(shù)以及聲發(fā)射技術(shù)（見圖1）。以靜電原理完成煤粉流速的測量，同時(shí)該參數(shù)參與聲波原理對細(xì)度的模型運(yùn)算；由電容法耦合煤粉流速完成煤粉絕對質(zhì)量流量和煤粉濃度的測量；聲發(fā)射技術(shù)及靜電技術(shù)融合測量煤粉細(xì)度，同時(shí)也該數(shù)據(jù)可參與電容法對煤粉濃度的計(jì)算。

圖1 煤粉測量原理圖

3.1.1 基于交流電荷法的煤粉流速

物質(zhì)原子中由帶負(fù)電荷的電子和帶正電荷的質(zhì)子構(gòu)成。當(dāng)兩個(gè)不同的物體相互接觸時(shí)就會使得一個(gè)物體失去或得到一些電荷。對于煤粉顆粒通過電極組時(shí)會感應(yīng)到靜電荷，在金屬電極上產(chǎn)生交流電荷，信號調(diào)理電路將交流電荷信號轉(zhuǎn)變?yōu)榻涣麟妷盒盘枴?/p>

通過計(jì)算上游和下游電極間的流量通過時(shí)間確定流體速度。在顆粒的均勻分布和不規(guī)則速度分布中及體積濃度為0.1%或更低時(shí)，會導(dǎo)致測量的流量參數(shù)出現(xiàn)顯著波動。采用一組電極同時(shí)進(jìn)行多次測量，從而通過融合所有測量值獲得更可靠的流量參數(shù)。并通過相關(guān)算法進(jìn)行運(yùn)算，再通過融合單個(gè)速度來確定顆粒的加權(quán)平均速度[2]。

3.1.2 基于電容法的煤粉質(zhì)量流量和煤粉濃度

電容法測量顆粒濃度的基本原理是：氣固兩相流的氣相和固相介質(zhì)具有不同的介電常數(shù)，當(dāng)氣固混合流體通過電容極板形成的敏感場時(shí)，流體混合物濃度(即等效介電常數(shù))的變化將引起兩電極間電容值的變化，因此固相濃度測量問題轉(zhuǎn)化為檢測電容值的問題。由于空氣和煤粉介電常數(shù)的差異，當(dāng)管道內(nèi)煤粉濃度發(fā)生變化時(shí)，對應(yīng)電極之間的電容參數(shù)值會發(fā)生改變，可以通過測量電容傳感器相對電極之間的電容值變化來與標(biāo)定計(jì)算煤粉的體積濃度。

3.1.3 基于聲發(fā)射法的煤粉細(xì)度

對應(yīng)一次風(fēng)管道中，煤粉高速度，低濃度的流動狀態(tài)，更容易獲得較強(qiáng)的煤粉顆粒沖擊信號。

固體顆粒對金屬波導(dǎo)的沖擊產(chǎn)生瞬態(tài)彈性應(yīng)力波，并從沖擊點(diǎn)向外傳播。距聲源一定距離的傳感器將微小的表面振動轉(zhuǎn)換成電信號，然后進(jìn)行信號處理及運(yùn)算。沖擊粒子的尺寸是影響沖擊力的關(guān)鍵參數(shù)之一。通過物理建模和充分的信號處理，從單個(gè)撞擊事件中得出顆粒大小。

3.2 CO 測量

比較氧量而言，煙氣CO 受漏風(fēng)影響很小，且敏感性高于氧量值；CO 與過量空氣、爐內(nèi)局部缺氧（風(fēng)）、未燃碳熱損失、H2S 濃度、灰熔點(diǎn)及NOx排放等因素直接相關(guān)；CO 與火焰偏斜或火焰沖刷水冷壁正相關(guān)。因此，可將CO 作為新增的關(guān)鍵參數(shù)，通過建立CO 與鍋爐熱損失（鍋爐效率）、爐膛出口NOx、綜合運(yùn)行成本等之間關(guān)聯(lián)模型，基于模型預(yù)測和綜合尋優(yōu)方法，構(gòu)建鍋爐燃燒優(yōu)化控制策略，提出燃燒優(yōu)化運(yùn)行建議，實(shí)現(xiàn)鍋爐總風(fēng)量和燃盡風(fēng)量的優(yōu)化控制，確保鍋爐高效低氮穩(wěn)定運(yùn)行。

采用CO 檢測進(jìn)行燃燒調(diào)整具有如下優(yōu)點(diǎn)：

1）爐膛燃燒器區(qū)域煙氣中CO 濃度對總風(fēng)量及各層風(fēng)量分配的反應(yīng)十分靈敏，特別是在臨界點(diǎn)附近，O2的微小變化就會導(dǎo)致CO 濃度的急劇變化，根據(jù)爐內(nèi)主燃區(qū)CO 的測量，結(jié)合氧量，有針對性地進(jìn)行二次風(fēng)擋板調(diào)整和總風(fēng)量調(diào)整，實(shí)現(xiàn)燃燒的精細(xì)化控制。

2）鍋爐水冷壁的腐蝕除了燃用煤種含硫量過高外，還有很大一部分原因是因?yàn)闋t內(nèi)偏燒、火焰刷墻以及局部還原性氛圍所導(dǎo)致的，而這種工況在僅用氧量監(jiān)測往往不能得到有效監(jiān)控，CO 在線測量有效地解決了這一難題。通過對爐內(nèi)壁面CO 濃度的在線監(jiān)測，結(jié)合其他運(yùn)行特征，可以對水冷壁高溫腐蝕和結(jié)焦結(jié)渣風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行在線監(jiān)控，并指導(dǎo)運(yùn)行人員進(jìn)行及時(shí)的調(diào)整，消除水冷壁高溫腐蝕結(jié)焦結(jié)渣的風(fēng)險(xiǎn)。

3）可通過CO 在線測量，適當(dāng)控制過量空氣量稍低，為鍋爐低氧運(yùn)行提供必要的保障，降低鍋爐爐膛出口NOx，并且還能使SO2氧化成SO3的數(shù)量減少，進(jìn)而減輕尾部受熱面的腐蝕和空預(yù)器堵塞風(fēng)險(xiǎn)。

4）合理組織爐內(nèi)空氣動力場，及時(shí)發(fā)現(xiàn)并糾正火焰偏斜，保證爐膛火焰具有良好的充滿度，從而能有效地保證鍋爐燃燒的穩(wěn)定性。

5）保證正常的燃燒工況，減小煙溫偏差，降低由此而帶來的低負(fù)荷運(yùn)行條件下容易出現(xiàn)的氣溫偏差大而引起的受熱面管壁超溫和爆管。

6）通過對主燃區(qū)燃燒的精細(xì)化控制，能有效的降低飛灰含碳量和煙氣中CO 含量，有效提高低負(fù)荷運(yùn)行條件下鍋爐效率。

煙氣CO 檢測技術(shù)及其在鍋爐燃燒調(diào)整中的應(yīng)用最早在英國、德國、美國等國家的燃煤電廠中得到了廣泛采用。前些年，華中科技大學(xué)煤燃燒國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、西安熱工研究院及浙江電力科學(xué)研究院等單位的專家曾專門對依據(jù)煙氣中CO 監(jiān)測進(jìn)行燃煤鍋爐的燃燒調(diào)整技術(shù)做過初步的研究和總結(jié)，并已形成了較好的理論基礎(chǔ)[3]。

4 系統(tǒng)組成及總體設(shè)計(jì)

4.1 系統(tǒng)組成

4.1.1 測量單元

風(fēng)粉傳感器主要測量煤粉管內(nèi)的煤粉細(xì)度、煤粉濃度和煤粉流速。煤粉流速可直接測量，無需標(biāo)定，煤粉流速測量精度可達(dá)±2%；煤粉濃度及細(xì)度的測量精度可達(dá)±5%。

4.1.2 控制單元

運(yùn)算傳感器提供數(shù)據(jù)，并進(jìn)行顯示及數(shù)據(jù)存儲。

4.1.3 煤粉均衡裝置

基于測得的一次風(fēng)粉流速、濃度和細(xì)度等測量數(shù)據(jù)，可通過風(fēng)粉平衡調(diào)整設(shè)備對煤粉流速、流量偏差大的管道進(jìn)行調(diào)整，使所有管道的風(fēng)粉濃度、流速均在設(shè)定的偏差范圍內(nèi)，以解決從磨煤機(jī)出口多個(gè)輸出管路中的空氣和煤粉在熱態(tài)下的阻力均衡問題。

4.2 方案總體設(shè)計(jì)

方案按每臺磨煤機(jī)安裝一套風(fēng)粉在線檢測裝置設(shè)計(jì)，系統(tǒng)如圖2 和圖3 所示。

圖2 鍋爐風(fēng)粉智能測量與控制系統(tǒng)示意圖

圖3 安裝示意圖

4.3 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)功能

實(shí)時(shí)監(jiān)測管道內(nèi)煤粉流的煤粉細(xì)度、煤粉濃度、煤粉流速；實(shí)時(shí)監(jiān)測每臺磨煤機(jī)分配給各一次風(fēng)管的煤粉均勻情況；通過設(shè)置煤粉細(xì)度、煤粉濃度、煤粉流速的報(bào)警閥值，輔助診斷一次風(fēng)管內(nèi)堵粉、斷粉現(xiàn)象；直觀顯示運(yùn)行趨勢、各風(fēng)管比值、趨勢圖、柱狀圖，同時(shí)備份數(shù)據(jù)；依據(jù)測量的結(jié)果以及鍋爐一次風(fēng)的偏差情況，利用有效的煤粉均衡裝置來實(shí)現(xiàn)流速與濃度的均衡。

5 結(jié)論

1）依據(jù)實(shí)時(shí)煤粉細(xì)度，指導(dǎo)現(xiàn)場通過對磨煤機(jī)出力的調(diào)整實(shí)現(xiàn)最佳細(xì)度，優(yōu)化磨煤機(jī)使磨煤機(jī)耗電與煤粉細(xì)度達(dá)到最優(yōu)組合，降低運(yùn)行成本。

2）提高燃燒的穩(wěn)定性，減小爐膛負(fù)壓的波動，并預(yù)防出現(xiàn)一次風(fēng)管堵粉等事故的發(fā)生；

3）防止火焰偏斜造成的鍋爐設(shè)備安全問題；在線診斷各燃燒器出口煤粉流速及濃度的的均衡程度，防止風(fēng)粉不均而引起的爐內(nèi)結(jié)渣、熱負(fù)荷偏斜，高溫腐蝕、磨損、爐膛出口煙溫?zé)熕倨畲蟮葐栴}；防止水冷壁爆管事件的出現(xiàn)，延長水冷壁壽命；

4）有效改善鍋爐燃燒狀況，降低CO、NOx、飛灰、減少排煙損失，降低風(fēng)機(jī)電耗、煤耗。另外，均勻燃燒可改善煙氣中NOx分布，有利于脫硝的運(yùn)行及減少氨逃逸，降低空預(yù)器堵塞風(fēng)險(xiǎn)。

因此，安裝風(fēng)粉及在線CO 在線精確測量在線測量裝置，以實(shí)現(xiàn)基于CO 在線監(jiān)測的精細(xì)化燃燒調(diào)整與優(yōu)化控制，在確保及時(shí)發(fā)現(xiàn)和糾正高溫腐蝕、結(jié)焦結(jié)渣以及爐膛出口煙溫偏差過大、飛灰含碳量過高等不良狀況、提高鍋爐運(yùn)行可靠性的同時(shí)在線實(shí)時(shí)尋求鍋爐爐效與爐膛出口NOx的最佳平衡點(diǎn)，提高鍋爐的效率、降低NOx排放濃度。

在線測量煙氣CO 和O2，根據(jù)鍋爐的負(fù)荷、煤種等參數(shù)實(shí)時(shí)可視化給出燃燒調(diào)整操作指導(dǎo)，優(yōu)化鍋爐的配風(fēng)、配煤燃燒運(yùn)行方式。通過燃燒優(yōu)化調(diào)整可以解決：均衡燃燒、合理的低氮燃燒方式（在綜合考慮防結(jié)渣高溫腐蝕、NOx排放及爐效等的情況下確定合理的燃盡風(fēng)率）、智能風(fēng)量優(yōu)化控制、高溫腐蝕監(jiān)測與預(yù)防、結(jié)焦結(jié)渣預(yù)防技術(shù)、超低負(fù)荷穩(wěn)燃技術(shù)和智能配風(fēng)優(yōu)化控制等，實(shí)現(xiàn)鍋爐燃燒系統(tǒng)的優(yōu)化運(yùn)行，切實(shí)保證鍋爐高效、可靠、低污染運(yùn)行，具有較大的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。