聲波氣體溫度測(cè)量技術(shù)在600 MW燃煤鍋爐上的應(yīng)用

李海浩，李明，王鋼鋒

(華能國(guó)際電力開發(fā)公司銅川照金電廠，陜西 銅川 727100)

0 引言

華能國(guó)際電力開發(fā)公司銅川照金電廠(以下簡(jiǎn)稱華能銅川電廠)Ⅰ期工程2×600 MW機(jī)組鍋爐為哈爾濱鍋爐廠有限責(zé)任公司采用美國(guó)ABB-CE燃燒工程公司引進(jìn)技術(shù)設(shè)計(jì)和制造的HG-2070/17.5-YM9型鍋爐，采用等離子點(diǎn)火啟動(dòng)方式，為亞臨界參數(shù)、一次中間再熱、控制循環(huán)、四角切向燃燒方式、單爐膛平衡通風(fēng)、固態(tài)干式排渣、露天布置、全鋼構(gòu)架的∏形汽包爐。鍋爐以最大連續(xù)負(fù)荷(B-MCR)工況為設(shè)計(jì)參數(shù)，最大連續(xù)蒸發(fā)量為2 070 t/h，過(guò)熱器、再熱器蒸汽出口溫度為541 ℃，給水溫度為283.4 ℃。

華能銅川電廠#1鍋爐聲波氣體溫度測(cè)量系統(tǒng)于2011年10月技術(shù)改造完成后開始投入使用，2011年11月18日，西安熱工研究院有限公司對(duì)該測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行了性能驗(yàn)收試驗(yàn)，得出了該系統(tǒng)具有較高測(cè)量精度的結(jié)論，模擬顯示溫度和實(shí)測(cè)結(jié)果接近，相對(duì)誤差在±1.31%。

1 聲波氣體溫度測(cè)量技術(shù)原理

聲波氣體溫度測(cè)量系統(tǒng)的基本原理是基于聲波在氣體介質(zhì)中的傳播速度，建立氣體組分和絕對(duì)溫度的函數(shù)，氣體中的聲速按照一個(gè)溫度的函數(shù)變化，使其受到聲路氣體成分的影響。這些關(guān)系采用下面的等式來(lái)描述。

(1)

式中：c為氣體里的聲速，m/s；d為聲波傳播的距離，m；t為聲波傳播的時(shí)間，s；r為氣體比熱，在常壓下氣體的比熱是一個(gè)常數(shù)；R為氣體常數(shù)，8.314 J/(mol·K)；T為熱力學(xué)溫度，K；M為氣體摩爾質(zhì)量，kg/mol。

把一個(gè)聲源(發(fā)射器)安裝在爐子或鍋爐的一邊，把麥克風(fēng)(接收器)安裝在對(duì)邊，一個(gè)聲音信號(hào)就能夠被發(fā)射器發(fā)送，接收器探測(cè)。因?yàn)樵诎l(fā)射器和接收器之間的距離是已知并固定的，通過(guò)測(cè)量聲音信號(hào)的傳播時(shí)間就可以計(jì)算出發(fā)射器和接收器之間路徑的氣體平均溫度。

應(yīng)用下面的等式，溫度也可以用攝氏溫度來(lái)表達(dá)。

tC=(d/Bt)2×106-273.16 ，

(2)

2 聲波氣體溫度測(cè)量系統(tǒng)就地安裝位置

在#1鍋爐爐膛被測(cè)面標(biāo)高49.1 m處， 安裝8個(gè)聲波傳感器(4個(gè)發(fā)射接收器，2個(gè)發(fā)射器和2個(gè)接收器)，這樣，在整個(gè)測(cè)量平面內(nèi)共形成22條聲波傳播路徑。

在煙道過(guò)熱器后標(biāo)高62.3 m處，安裝2個(gè)聲波傳感器并設(shè)置1條路徑(1個(gè)發(fā)射器1個(gè)接收器)，形成1條路徑用于監(jiān)測(cè)溫度(灰分程度)。在鍋爐燃燒區(qū)標(biāo)高58.2 m處，同樣安裝2個(gè)聲波傳感器并設(shè)置1條路徑(1個(gè)發(fā)射器1個(gè)接收器)，以監(jiān)測(cè)溫度作為基準(zhǔn)溫度，通過(guò)模型計(jì)算，即可確定積灰程度。 現(xiàn)場(chǎng)聲波傳感器布置情況如圖1所示。

圖1 現(xiàn)場(chǎng)聲波傳感器布置圖

系統(tǒng)運(yùn)行后，按設(shè)定的程序，在一個(gè)檢測(cè)周期內(nèi)順序啟、閉各個(gè)聲波發(fā)射接收器，信號(hào)經(jīng)放大器進(jìn)入分組控制單元(PCU)處理后得到每條路徑聲波傳播時(shí)間。

PCU將每個(gè)路徑溫度信息通過(guò)RS-422端口傳輸?shù)絋MSIS-4000專用工業(yè)計(jì)算機(jī)，由TMS-2000專用工業(yè)計(jì)算機(jī)為運(yùn)行人員提供溫度場(chǎng)等溫線圖、路徑圖、爐管泄漏圖、區(qū)塊圖以及時(shí)間趨勢(shì)圖等直觀化的信息。

3 聲波氣體溫度測(cè)量系統(tǒng)在生產(chǎn)中的應(yīng)用

3.1 在鍋爐點(diǎn)火啟動(dòng)過(guò)程中的應(yīng)用

(1)在鍋爐點(diǎn)火啟動(dòng)過(guò)程中，可以參照聲波氣體溫度測(cè)量系統(tǒng)測(cè)出的爐膛出口溫度，通過(guò)燃燒調(diào)整，控制鍋爐溫升速度在合理范圍內(nèi)，同時(shí)在機(jī)組并網(wǎng)前控制爐膛出口溫度不超過(guò)538 ℃，防止再熱器干燒損壞。

(2)在鍋爐點(diǎn)火啟動(dòng)過(guò)程中，根據(jù)聲波氣體溫度測(cè)量系統(tǒng)的實(shí)際情況，觀察爐膛出口溫度，在爐膛出口煙溫達(dá)到500 ℃以上及省煤器后煙溫達(dá)到270 ℃以上方可投入第2臺(tái)磨煤機(jī)運(yùn)行，以防止第2臺(tái)磨煤機(jī)投入運(yùn)行后燃燒不完全而發(fā)生鍋爐爆燃或尾部煙道再燃燒事故。

(3)在鍋爐點(diǎn)火啟動(dòng)過(guò)程中，爐膛出口溫度應(yīng)逐步上升，若聲波氣體溫度測(cè)量系統(tǒng)測(cè)試出爐膛出口溫度忽高忽低、溫度場(chǎng)變化劇烈的情況，此時(shí)要結(jié)合爐膛負(fù)壓、汽包水位等重要參數(shù)來(lái)判斷鍋爐燃燒是否正常，并通過(guò)調(diào)整燃煤量大小、二次小風(fēng)門開度、磨煤機(jī)風(fēng)煤比、氧量大小等參數(shù)來(lái)改善爐膛出口溫度不穩(wěn)定的狀況，爐膛出口煙溫顯示狀況如圖2所示，圖2中橫坐標(biāo)表示時(shí)刻，縱坐標(biāo)表示攝氏溫度。

圖2 爐膛出口煙溫顯示狀況

(4)在鍋爐點(diǎn)火啟動(dòng)過(guò)程中，通過(guò)聲波氣體溫度測(cè)量系統(tǒng)觀察爐膛火焰中心的位置，若發(fā)現(xiàn)火焰中心偏斜，此時(shí)可能會(huì)出現(xiàn)某個(gè)角燃燒不好或滅火，要通過(guò)磨煤機(jī)出口火檢強(qiáng)度、等離子圖像或就地觀火孔來(lái)檢查燃燒情況，以此判斷燃燒器某個(gè)角燃燒不好或滅火。若檢查發(fā)現(xiàn)某個(gè)角燃燒不好要分析查找原因，檢查等離子電流、載體風(fēng)壓、二次小風(fēng)門等參數(shù)控制是否合適并做出相應(yīng)的調(diào)整，以改善燃燒狀況。若檢查發(fā)現(xiàn)某個(gè)角滅火，短時(shí)處理后仍不正常時(shí)，鍋爐要立即滅火，待查明原因，爐膛重新吹掃后再進(jìn)行點(diǎn)火啟動(dòng)，以防止發(fā)生鍋爐爆燃和尾部煙道再燃燒事故，爐膛火焰中心顯示狀況如圖3所示。

圖3 爐膛火焰中心顯示狀況

3.2 在機(jī)組正常運(yùn)行中的應(yīng)用

(1)可以根據(jù)背景噪聲曲線判別爐內(nèi)是否有泄漏發(fā)生。若發(fā)現(xiàn)噪聲曲線波動(dòng)較大，立即就地檢查，以此判斷爐內(nèi)是否出現(xiàn)“四管”泄漏情況，背景噪聲曲線狀況如圖4所示，圖4中橫坐標(biāo)表示時(shí)刻，縱坐標(biāo)表示噪度。

圖4 背景噪聲曲線

(2)在正常情況下，爐膛出口溫度為1 100～1 450 ℃。若聲波氣體溫度測(cè)量系統(tǒng)顯示爐膛出口溫度低于1 100 ℃，要結(jié)合爐膛負(fù)壓、磨煤機(jī)火檢強(qiáng)度等參數(shù)情況來(lái)判斷鍋爐是否出現(xiàn)燃燒不穩(wěn)定的情況；若等溫線顯示爐膛出口溫度高于1 450 ℃，要結(jié)合過(guò)/再熱蒸汽減溫水量大小、排煙溫度、爐膛吹灰時(shí)渣量大小等參數(shù)來(lái)判斷爐膛內(nèi)部是否出現(xiàn)結(jié)焦或著火推遲火焰中心偏高等情況。

(3)通過(guò)燃燒調(diào)整，降低爐膛火焰中心高度，控制爐膛出口溫度低于1 400 ℃，可有效減少熱力型NOx的生成量。

(4)在正常情況下，聲波氣體溫度測(cè)量系統(tǒng)顯示的爐膛火焰中心位置在中間。若顯示火焰中心位置偏斜時(shí)，要檢查燃燒器4個(gè)角的擺角是否一致；檢查各角的二次小風(fēng)開度是否一致，是否出現(xiàn)卡澀異常；檢查磨煤機(jī)出口煤閥是否出現(xiàn)誤關(guān)情況；檢查磨煤機(jī)出口煤粉管是否出現(xiàn)堵塞現(xiàn)象。通過(guò)上述參數(shù)分析查找火焰中心位置偏斜的原因，應(yīng)針對(duì)性地進(jìn)行處理。

(5)通過(guò)分析過(guò)熱器分隔屏和后屏之間的溫度測(cè)點(diǎn)23，24的變化趨勢(shì)，可隨時(shí)掌握爐內(nèi)的結(jié)焦程度，合理安排鍋爐吹灰，溫度測(cè)點(diǎn)23，24的顯示情況如圖5所示。

圖5 溫度測(cè)點(diǎn)23，24的顯示情況

(6)隨著檢修后鍋爐運(yùn)行時(shí)間的延長(zhǎng)，聲波氣體溫度測(cè)量系統(tǒng)顯示的爐膛出口火焰中心位置逐漸偏斜，由于磨煤機(jī)出口4根煤粉管可調(diào)縮孔磨損，火焰中心逐漸偏斜的原因可能是一次風(fēng)速不平衡，此時(shí)需要進(jìn)行一次風(fēng)速調(diào)平工作。

(7)當(dāng)機(jī)組出現(xiàn)負(fù)荷低、煤質(zhì)差或低負(fù)荷斷煤而造成隔層燃燒時(shí)，要通過(guò)聲波氣體溫度測(cè)量系統(tǒng)觀察爐膛出口溫度的變化情況，如果顯示爐膛出口溫度大幅降低，在爐膛負(fù)壓波動(dòng)較大及磨煤機(jī)火檢信號(hào)強(qiáng)度降低較大時(shí)，要及時(shí)采取鍋爐穩(wěn)燃措施，防止燃燒不穩(wěn)滅火。

4 運(yùn)行中遇到的問(wèn)題及解決方法

(1)該系統(tǒng)在投入使用初期，頻繁出現(xiàn)測(cè)量溫度顯示異常(溫度顯示為1 500～2 000 ℃或爐膛火焰中心異常偏斜)，檢查發(fā)現(xiàn)就地測(cè)量裝置探頭處結(jié)焦堵塞嚴(yán)重。2012年7月，對(duì)每個(gè)探頭就地加裝空氣炮定期吹掃后該問(wèn)題基本消除，加裝空氣炮的情況如圖6所示。

圖6 就地加裝的空氣炮

(2)聲波氣體溫度測(cè)量系統(tǒng)測(cè)出的數(shù)據(jù)未引入機(jī)組分散控制系統(tǒng)(DCS)，無(wú)法將爐膛出口溫度、鍋爐氧量、二次風(fēng)門開度、各磨煤機(jī)煤量大小等曲線組合在一起進(jìn)行分析總結(jié)，以便得出各個(gè)參數(shù)變化后對(duì)整個(gè)燃燒工況的影響，以追求更高的鍋爐燃燒效率。此項(xiàng)工作目前還沒(méi)有開展，還需要后續(xù)引入。

5 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，利用前瞻性的高新科學(xué)技術(shù)手段，采用了鍋爐聲波氣體溫度測(cè)量系統(tǒng)，為鍋爐運(yùn)行工作提供了可靠直觀的調(diào)節(jié)依據(jù)。此項(xiàng)工作在國(guó)內(nèi)電廠首次嘗試并取得了初步的成效，積累了寶貴的經(jīng)驗(yàn)。

參考文獻(xiàn)：

[1]Q/HNTD-102.03—2012 華能國(guó)際電力開發(fā)公司銅川照金電廠集控運(yùn)行規(guī)程[S].