張伶俐，張兆生

（1.江蘇航空職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212134；2.江蘇鎮(zhèn)江發(fā)電有限公司，江蘇 鎮(zhèn)江 212100）

0 引言

截至2021 年底，我國在產(chǎn)煤電機(jī)組基本達(dá)到超低排放水平，先進(jìn)的煤電機(jī)組單位發(fā)電量碳排放可以達(dá)到756 g/（kW·h）。但是在國家“碳達(dá)峰、碳中和”的背景下，這離100 g/（kW·h）的排放標(biāo)準(zhǔn)還有很大距離，因此煤電行業(yè)仍為未來減碳重要領(lǐng)域。同時(shí)近幾年受疫情與國內(nèi)外煤炭產(chǎn)能的影響，國內(nèi)市場煤炭價(jià)格居高不下，負(fù)盈利模式成為眾多煤電產(chǎn)業(yè)的新常態(tài)，以上眾多不利因素催動(dòng)了電力行業(yè)向多元化、低碳化發(fā)展。同時(shí)在產(chǎn)煤電機(jī)組亟待轉(zhuǎn)型，引入何種新設(shè)備、新技術(shù)能夠提高能源轉(zhuǎn)化效率，提升生產(chǎn)質(zhì)量，這將是電力行業(yè)共同面對(duì)的重大課題。

控制爐膛氧量盡可能接近燃燒理論值一直是集控運(yùn)行工程師追求的目標(biāo)。相對(duì)于傳統(tǒng)的爐膛風(fēng)量控制方案，此次我們使用氧化鋯氧分析儀對(duì)煙氣含氧量進(jìn)行連續(xù)測定，并引入PI 無差控制規(guī)律作用于氧量校正系統(tǒng)，最終通過控制風(fēng)機(jī)變頻器或調(diào)節(jié)擋板門開度來修正二次風(fēng)量，從而實(shí)現(xiàn)鍋爐更充分的燃燒，降低煤耗與污染。同時(shí)，煙氣含氧量也為運(yùn)行人員調(diào)節(jié)燃煤、風(fēng)量配比提供了重要的參照依據(jù)。

1 煙氣含氧量控制對(duì)于鍋爐運(yùn)行的實(shí)際意義

在正常工況下，鍋爐的大小與結(jié)構(gòu)、運(yùn)行負(fù)荷的高低、摻燒煤種的性質(zhì)以及運(yùn)行調(diào)節(jié)燃風(fēng)配比等都會(huì)影響到煙氣含氧量的參數(shù)，它可以在一定程度上反映鍋爐燃燒效率。

1.1 對(duì)于鍋爐運(yùn)行穩(wěn)定性的影響

鍋爐運(yùn)行中爐膛含氧量過高會(huì)導(dǎo)致鍋爐燃燒區(qū)溫度不均甚至明顯降低，這將會(huì)極大影響燃燒效率，燃燒穩(wěn)定性下降。嚴(yán)重時(shí)甚至還會(huì)造成全爐膛無火MFT 保護(hù)信號(hào)動(dòng)作。

1.2 對(duì)于發(fā)電廠煤耗經(jīng)濟(jì)性與NOx 污染物排放影響

合理的風(fēng)量、煤粉配比是提升鍋爐燃燒效率的重要手段。但含氧量過度增加，也會(huì)直接導(dǎo)致鍋爐煙氣量增加，熱損耗增大。同時(shí)，過度增大風(fēng)量也會(huì)導(dǎo)致煙氣流量和流速驟增，加劇鍋爐受熱面磨損。因此既要考慮鍋爐燃燒綜合熱損耗，還要兼顧廠用電耗和污染物排放。

在實(shí)際燃燒過程中，鍋爐煙氣O2與CO 以及NOx含量有一定關(guān)系，文獻(xiàn)[1]中給出了三者定性關(guān)系圖，如圖1 所示。從圖中不難看出，將O2控制在CO 驟降的拐點(diǎn)區(qū)域，此時(shí)鍋爐熱效率最高，即爐膛內(nèi)固態(tài)煤粉和CO 等可燃?xì)怏w燃燒的最充分，鍋爐熱損耗最小。同時(shí)，圖1 曲線說明鍋爐在高氧量運(yùn)行對(duì)于污染物達(dá)標(biāo)排放的控制是十分不利的。

圖1 鍋爐煙氣中CO O2 NOx 的定性關(guān)系

1.3 對(duì)于鍋爐本體部件的影響

當(dāng)爐膛處于欠氧燃燒狀態(tài)時(shí)，水冷壁區(qū)域會(huì)形成還原性氣體與硫化氫氣體，該氣體與空氣混合極易產(chǎn)生局部爆燃，同時(shí)破壞三氧化二鐵保護(hù)層，對(duì)水冷壁管路造成嚴(yán)重腐蝕。同時(shí)，灰分在還原性氣體的作用下灰熔融溫度將大幅下降，直接導(dǎo)致爐渣增多[2]。

在生產(chǎn)過程必須檢測并控制煙氣中的氧含量。氧化鋯氧分析儀（氧化鋯氧量計(jì)、氧量表）的主要作用就是連續(xù)監(jiān)測爐膛煙氣中的含氧量，將氧量值轉(zhuǎn)換成4 ～20 mA 模擬信號(hào)并送至DCS 參與PI 控制[3]，優(yōu)化爐膛燃燒，提升燃燒效率，減少污染物排放。

2 氧化鋯氧分析儀

2.1 測量原理

工作溫度在650 ℃以上時(shí)，穩(wěn)定的二氧化鋯陶瓷（ZrO2）呈現(xiàn)氧離子導(dǎo)電現(xiàn)象，根據(jù)此特性，在高溫條件下，如果在二氧化鋯陶瓷兩側(cè)氧分壓不同時(shí)，在其內(nèi)部會(huì)發(fā)生氧離子的遷移。此時(shí)在二氧化鋯兩側(cè)引出的鉑電極上可以測量到穩(wěn)定的毫伏級(jí)信號(hào)，即為氧電動(dòng)勢。通常在氧化鋯內(nèi)外兩側(cè)涂上多孔性鉑電極制成氧濃度差電池（以下簡稱電池）。

在一定的溫度環(huán)境下，兩個(gè)鉑電極輸出電勢服從能斯特（Nernst）方程：

方程中：E為氧濃度電勢差；P1為參比氣體常數(shù)（空氣）；P2為被測氣體分壓的氧分壓（氧濃度）；R為理想氣體常數(shù)（8.314 J/molk）；F為法拉第常數(shù)（96500 c/mol）；T為絕對(duì)溫度值（K）。

參比氣體通常為無油干燥清潔的空氣（含氧20.60%）。若參比氣側(cè)與被測氣體側(cè)氧分壓不同時(shí)，氧離子從高的一側(cè)遷移到低的一側(cè)。電池就以對(duì)數(shù)顯示被測氣體中的氧濃度值。通過實(shí)驗(yàn)測定，電池工作溫度在700 ℃時(shí)，氧濃度每減少一個(gè)數(shù)量級(jí)，毫伏信號(hào)約增加約48 mV[4-5]。

2.2 系統(tǒng)組成

氧化鋯氧分析儀是由安裝在煙道內(nèi)的傳感器（探頭）、就地安裝的氧分析儀、氣源及它們之間的連接電纜、氣管組成。以ROYTEC-211 型氧化鋯氧分析儀[6]引入為例，做分析解釋說明。

2.2.1 傳感器

傳感器裝置由探頭、法蘭、測量電池、加熱器、過濾元件、參比氣管接頭、校驗(yàn)氣口等組成，如圖2 所示。

圖2 氧化鋯氧分析儀傳感器（探頭）結(jié)構(gòu)組成

由于測量電池的工作溫度設(shè)定為700 ℃，采用一支K 型熱電偶測量電池的工作溫度，通過分析儀內(nèi)部的溫控器和加熱器來實(shí)現(xiàn)溫度恒定。

2.2.2 氧分析儀

氧分析儀最主要的功能是進(jìn)行氧信號(hào)處理，氧傳感器輸入的氧電勢E 信號(hào)首先進(jìn)行放大，然后將放大的電壓信號(hào)經(jīng)過A/D 轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)。根據(jù)傳感器測量電池的特性曲線，微處理器將數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)橄鄳?yīng)的氧濃度值并顯示在氧分析儀顯示屏上，同時(shí)將數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)榫€性標(biāo)準(zhǔn)模擬電流信號(hào)輸出至DCS。當(dāng)然，氧分析儀還具備內(nèi)部溫控、校準(zhǔn)、故障報(bào)警、過熱保護(hù)等功能[7]。

3 在超臨界直流鍋爐上的應(yīng)用

3.1 機(jī)組概述

某燃煤電廠#6 機(jī)組為600 MW 超臨界直流爐機(jī)組，鍋爐部分為SG-1913/25.4-M951 超臨界直流鍋，爐型為超臨界參數(shù)變壓運(yùn)行螺旋管圈直流爐，單爐膛、一次中間再熱、采用四角切圓燃燒方式、平衡通風(fēng)、固態(tài)排渣、全鋼架懸吊結(jié)構(gòu)π 型露天布置燃煤鍋爐。設(shè)計(jì)煤種為神府煤，校核煤種為晉北煤。DCS 控制系統(tǒng)采用Foxboro 公司的I/A 系統(tǒng)。為連續(xù)檢測鍋爐煙道內(nèi)的煙氣氧氣濃度，該電廠#6 機(jī)組選用了6 套R(shí)OYTEC-211 型氧化鋯氧分析儀。

3.2 氧化鋯氧分析儀位置選址及安裝

3.2.1 位置選址原則

從鍋爐煙道中抽取煙氣樣品要具有代表性，即氧化鋯探頭裝置的安裝位置選擇是保證分析結(jié)果準(zhǔn)確性的關(guān)鍵。

600MW 超臨界直流爐，鍋爐系統(tǒng)煙氣的流向主要從爐膛經(jīng)過過熱器、省煤器、空氣預(yù)熱器，經(jīng)由電除塵處理后，最終由引風(fēng)機(jī)送往煙囪排放大氣。如果測點(diǎn)過于靠近爐膛煙氣的出口，由于溫度過高，流速過快，此時(shí)的煙氣勢必會(huì)嚴(yán)重沖刷腐蝕探頭不銹鋼外殼，嚴(yán)重縮短使用壽命；當(dāng)然，如果測點(diǎn)過于置后，由于風(fēng)煙系統(tǒng)中存在漏氣因素，探頭的檢測數(shù)據(jù)會(huì)偏高，不能如實(shí)反映爐膛中煙氣真實(shí)含氧量。

綜合以上因素，為了提升檢測效率和準(zhǔn)確度，我們將測點(diǎn)放在省煤器出口A 側(cè)、B 側(cè)及空預(yù)器出口，主要原因是此處距離爐內(nèi)燃燒區(qū)的時(shí)滯較短。

3.2.2 氧化鋯探頭（傳感器）的安裝

探頭的參比氣是靠空氣自然對(duì)流提供的，因此需要水平安裝。同時(shí)必須保證探頭端距離鍋爐內(nèi)壁150 mm 以上，同時(shí)使過濾器的多孔陶瓷暴露部分背對(duì)煙氣流向，以此來避免氣體沖刷。為防止探頭受熱不均爆裂，將探頭推入煙道時(shí)，應(yīng)當(dāng)分階段推入，一般為10 ～20 cm/min。

3.3 氧量分析控制在DCS 工控系統(tǒng)上的實(shí)現(xiàn)

現(xiàn)場氧量分析儀通過將測量信號(hào)處理轉(zhuǎn)換成線性標(biāo)準(zhǔn)模擬電流信號(hào)4～20 mA 送至DCS。通常理論氧量定值是鍋爐負(fù)荷的函數(shù)，然后與就地送過來的信號(hào)相比對(duì)，二者的偏差值參與PI 運(yùn)算，該模塊的輸出值用來修正二次風(fēng)量大小，即將氧量控制回路作為送風(fēng)控制的修正回路。氧量控制回路在DCS 系統(tǒng)中的SAMA 圖實(shí)現(xiàn)如圖3。

圖3 氧量控制回路SAMA 圖

這里說明下，理論氧量值的設(shè)定不是一成不變的，它會(huì)在機(jī)組運(yùn)行不同負(fù)荷下隨動(dòng)變化。我們可以將氧量控制系統(tǒng)視為一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的隨動(dòng)系統(tǒng)，它是由機(jī)組運(yùn)行負(fù)荷表示的分段線性函數(shù)，氧量控制系統(tǒng)會(huì)根據(jù)不同的負(fù)荷自動(dòng)給定出氧量定制參與自動(dòng)控制，這個(gè)值是整個(gè)氧量控制系統(tǒng)的核心。通常情況下630 MW 的超臨界機(jī)組最佳氧量值：3.3% ～3.6%[8]。

為了進(jìn)一步驗(yàn)證氧量參與燃燒控制的實(shí)際效果，在均值330 MW 負(fù)荷下，抓取了送風(fēng)機(jī)動(dòng)葉開度的反饋、爐膛入口熱二次風(fēng)流量大小等趨勢作為參照對(duì)比，如圖4、圖5 所示。

從圖4、圖5 可看出，在實(shí)際的運(yùn)行過程中通過將氧量作為控制對(duì)象后（氧量控制投入自動(dòng)），送風(fēng)機(jī)動(dòng)葉擋板門開度調(diào)節(jié)與爐膛二次風(fēng)流量比較平穩(wěn)，爐膛氧量平穩(wěn)可控，系統(tǒng)始終將煙氣的氧量控制在最佳值范圍內(nèi)，保證了燃燒的經(jīng)濟(jì)性。

圖4 省煤器及空預(yù)器出口煙氣氧量連續(xù)測定值曲線

圖5 送風(fēng)機(jī)動(dòng)葉位置反饋、熱二次風(fēng)流量大小

由于近幾年煤炭價(jià)格持續(xù)走高。為了保證利潤率，燃煤電廠實(shí)際運(yùn)行過程中大量摻燒了熱值較低的煤，它們大都具有高水分、低灰分、低硫分、高揮發(fā)性的特點(diǎn)。所以在高負(fù)荷工況下，即使6 臺(tái)磨煤機(jī)全開，也會(huì)出現(xiàn)機(jī)組實(shí)帶負(fù)荷遠(yuǎn)低于設(shè)計(jì)出力標(biāo)準(zhǔn)的情況。此時(shí)，如果氧量完全投入自動(dòng)，實(shí)際的爐膛入口風(fēng)量是不能滿足爐膛燃燒需求的。

一般考慮在4 種情形下：

（1）氧量設(shè)定值與就地反饋值偏差過大；

（2）爐膛總風(fēng)量小于設(shè)定下限；

（3）風(fēng)量控制處于手動(dòng)狀態(tài)；

（4）鍋爐實(shí)際負(fù)荷（一般由主蒸汽流量、汽輪機(jī)第一級(jí)壓力表數(shù)值）測量偏差過大，背離規(guī)定值，此時(shí)氧量校正功能由自動(dòng)切換為手動(dòng)。邏輯設(shè)計(jì)如圖6 所示。

圖6 送風(fēng)控制部分邏輯

在高負(fù)荷工況下（均值550 MW），氧量切手動(dòng)控制后，運(yùn)行人員一般會(huì)根據(jù)機(jī)組負(fù)荷階梯對(duì)應(yīng)氧量設(shè)定值，通過手動(dòng)調(diào)節(jié)送風(fēng)機(jī)擋板門開度來改變二次風(fēng)量來控制爐膛燃燒狀況。同樣考察了送風(fēng)機(jī)動(dòng)葉擋板門開度與爐膛二次風(fēng)流量趨勢。如圖7 所示。

分析圖7 得知，單純依靠負(fù)荷對(duì)應(yīng)氧量的方式手動(dòng)調(diào)節(jié)風(fēng)量大小，相較于氧量全自動(dòng)投入的情形，爐膛二次風(fēng)量穩(wěn)定性相對(duì)較差，鍋爐燃燒的效率勢必會(huì)有所下降。所以，在摻燒煤質(zhì)與機(jī)組負(fù)荷允許的情況下，盡可能地通過氧量全自動(dòng)投入來調(diào)節(jié)爐膛燃燒是十分有必要的。根據(jù)數(shù)據(jù)后評(píng)估測定，630 MW 機(jī)組通過燃燒優(yōu)化投入氧量自動(dòng)控制后，鍋爐的燃燒效率能夠提高約0.3%，粗略折算成煤耗為0.92 g，這種經(jīng)濟(jì)效益是相當(dāng)可觀的。

圖7 高負(fù)荷工況送風(fēng)機(jī)動(dòng)葉位置反饋、熱二次風(fēng)流量大小

4 結(jié)語

影響燃煤電廠鍋爐燃燒效率的因素有很多，包括：煤質(zhì)量、燃料細(xì)度、爐膛風(fēng)量等等。本研究運(yùn)用ROYTEC-211 型氧化鋯氧分析儀，從測量原理、系統(tǒng)組成與安裝、DCS 邏輯實(shí)現(xiàn)、設(shè)備投運(yùn)后評(píng)估等角度做了比較全面的分析，證明通過正確合理的選型、投用氧化鋯氧分析儀，可以提高鍋爐燃燒效率，同時(shí)避免污染物排放超標(biāo)，這對(duì)于企業(yè)降本增效、履行環(huán)保責(zé)任，都具有很大的意義。