基于新型風(fēng)粉在線監(jiān)測的鍋爐精細(xì)調(diào)平及優(yōu)化技術(shù)

呂宏彪，聶濤，黃孝彬，梁龍飛

（1.國電投河南電力有限公司技術(shù)信息中心，鄭州 450016；2.國電投河南電力有限公司平頂山發(fā)電分公司，河南平頂山 467312；3.華北電力大學(xué)多相流及燃燒過程檢測與控制研究所，北京 102206；4.北京華清茵藍(lán)科技有限公司，北京 100085）

基于新型風(fēng)粉在線監(jiān)測的鍋爐精細(xì)調(diào)平及優(yōu)化技術(shù)

呂宏彪1，聶濤2，黃孝彬3，梁龍飛4

（1.國電投河南電力有限公司技術(shù)信息中心，鄭州 450016；2.國電投河南電力有限公司平頂山發(fā)電分公司，河南平頂山 467312；3.華北電力大學(xué)多相流及燃燒過程檢測與控制研究所，北京 102206；4.北京華清茵藍(lán)科技有限公司，北京 100085）

長期以來，一次風(fēng)粉的精細(xì)測量和控制在電廠應(yīng)用有限，導(dǎo)致風(fēng)粉的調(diào)整十分粗放，很大程度上制約了鍋爐燃燒優(yōu)化及調(diào)整的效果。以魯陽電廠＃1鍋爐為例，介紹了采用新型風(fēng)粉精確測量系統(tǒng)、風(fēng)粉均衡調(diào)整的技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了鍋爐制粉系統(tǒng)的精細(xì)調(diào)控和均衡燃燒，再熱器等受熱面壁溫偏差明顯減少，CO生成量大幅下降，燃燒后煙氣CO，NO x，O2在爐膛截面分布均勻，對(duì)脫硝系統(tǒng)的運(yùn)行、節(jié)能減排都起到了重要作用。

風(fēng)粉監(jiān)測；風(fēng)粉調(diào)平；燃燒優(yōu)化；風(fēng)煤比

0 引言

一次風(fēng)粉的流速、濃度的精細(xì)控制及均勻分配是優(yōu)化燃燒和實(shí)現(xiàn)低NOx排放的首要條件，對(duì)鍋爐的可靠性、經(jīng)濟(jì)性和環(huán)保運(yùn)行有著非常重要的意義，但是熱態(tài)條件下因缺乏精確的測量和調(diào)整手段，燃燒失衡問題一直存在。

隨著鍋爐容量和爐膛尺寸的不斷加大，不均衡燃燒的情況越來越嚴(yán)重。燃燒不均衡、風(fēng)煤比差成為制約燃燒性能提升的關(guān)鍵問題。

傳統(tǒng)風(fēng)粉測量采用皮托管進(jìn)行測量［1］，主要測量的是送粉管道中一次風(fēng)的風(fēng)速，該種設(shè)備具有如下缺點(diǎn)：（1）測量設(shè)備易磨損；（2）常因煤粉堵塞測量設(shè)備造成測量不準(zhǔn)確；（3）增加吹掃裝置后維護(hù)量大。

1 背景

電廠采用的傳統(tǒng)風(fēng)粉調(diào)整設(shè)備為可調(diào)縮孔［2］，該設(shè)備有以下缺點(diǎn)：殼體積粉，易卡澀；長時(shí)間積粉自燃；磨損失效；調(diào)節(jié)線性不好。

為了解決風(fēng)粉分配不均，實(shí)現(xiàn)各燃燒器功率的均衡調(diào)整和控制，最終改善鍋爐燃燒性能，魯陽電廠＃1鍋爐于2015年5月實(shí)施了基于在線監(jiān)控的燃燒器功率調(diào)平及優(yōu)化項(xiàng)目。

2 鍋爐燃燒存在的問題

國電投平頂山魯陽電廠＃1機(jī)組1 030MW鍋爐DG3000/26.15-Ⅱ1型鍋爐為高效超超臨界參數(shù)變壓直流爐，采用單爐膛、一次中間再熱、平衡通風(fēng)、運(yùn)轉(zhuǎn)層以上露天布置、固態(tài)排渣、全鋼構(gòu)架、全懸吊結(jié)構(gòu)∏型鍋爐。

該鍋爐存在以下問題：

（1）磨煤機(jī)出口一次風(fēng)粉管道長度差異巨大，導(dǎo)致風(fēng)粉沿爐膛寬度方向分布不均；

（2）母管至支管的一分二風(fēng)粉分配器的使用，導(dǎo)致支管之間的風(fēng)粉不均勻。

上述情況又造成沿爐膛寬度方向燃燒器輸出功率分布嚴(yán)重不均、爐內(nèi)熱負(fù)荷偏差大、局部燃燒惡化、兩側(cè)煙溫汽溫偏差大、燃燒器配風(fēng)困難等問題，嚴(yán)重影響鍋爐燃燒的經(jīng)濟(jì)環(huán)保和運(yùn)行安全問題［3］。

3 解決方案及改造情況

鍋爐風(fēng)粉精細(xì)在線監(jiān)測調(diào)平及優(yōu)化系統(tǒng)采用領(lǐng)先的非接觸、陣列式靜電傳感器，共計(jì)48套，分別安裝在6臺(tái)磨煤機(jī)的一次風(fēng)管支管上，能夠?qū)崿F(xiàn)一次風(fēng)煤粉流動(dòng)參數(shù)的在線測量；在各磨煤機(jī)及風(fēng)粉管道上加裝煤粉流速、濃度調(diào)整等設(shè)備，用于實(shí)現(xiàn)各燃燒器出口的煤粉濃度、流速在線可調(diào)可控；調(diào)平鍋爐各燃燒器的輸出功率和風(fēng)煤比，實(shí)現(xiàn)燃料數(shù)量和風(fēng)量的均勻控制及風(fēng)煤比優(yōu)化控制，從而改善鍋爐燃燒的性能。風(fēng)粉在線監(jiān)測及調(diào)平控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

（1）全截面非接觸式煤粉流速濃度測量系統(tǒng)。

魯陽電廠＃1鍋爐風(fēng)粉在線監(jiān)測系統(tǒng)采用全截面、非接觸式煤粉流速濃度測量技術(shù)，對(duì)流經(jīng)管道的煤粉進(jìn)行全截面的感應(yīng)和測量，精確可靠地測量每個(gè)管道中煤粉的流速、濃度等參數(shù)。

圖1 風(fēng)粉在線監(jiān)測及調(diào)平控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

該技術(shù)有以下優(yōu)點(diǎn)。

1）非接觸式測量：測量探頭無任何部分侵入流體，對(duì)流體無任何擾動(dòng)，最大可能地減少煤粉沖擊的磨損，可靠性極高。

2）全截面準(zhǔn)確測量：煤粉流被傳感器完全包覆，可準(zhǔn)確可靠地測量整個(gè)管道截面的風(fēng)粉流動(dòng)狀態(tài)。

3）陣列式靜電傳感設(shè)計(jì)：針對(duì)風(fēng)粉流動(dòng)的復(fù)雜性，陣列式設(shè)計(jì)可獲得更加穩(wěn)定可靠的測量結(jié)果［4-5］。

4）本質(zhì)安全：根據(jù)煤粉的自身的帶電特性進(jìn)行測量，無任何能量注入管道，安全環(huán)保。

5）近零維護(hù)量：日常維護(hù)量幾近為零。

監(jiān)測系統(tǒng)的安裝位置為＃1鍋爐48個(gè)燃燒器前段較長垂直管道或水平管道處。圖2所示為風(fēng)粉在線測量系統(tǒng)現(xiàn)場安裝圖。

圖2 陣列式靜電傳感器的安裝圖

（2）磨煤機(jī)出口煤粉濃度均勻調(diào)整控制。針對(duì)磨煤機(jī)出口粉量分配不均，導(dǎo)致各一次風(fēng)輸粉管道內(nèi)煤粉濃度不均的問題，對(duì)制粉系統(tǒng)進(jìn)行改造。安裝并應(yīng)用了基于CFD仿真設(shè)計(jì)的煤粉濃度均衡調(diào)整裝置，通過改變分離器上方風(fēng)粉動(dòng)力場的分布對(duì)出口粉量的大小進(jìn)行調(diào)節(jié)，進(jìn)而調(diào)節(jié)進(jìn)入各一次風(fēng)粉管道內(nèi)的煤粉濃度。

（3）磨煤機(jī)出口煤粉流速均衡調(diào)整控制。為解決從磨煤機(jī)出口多個(gè)輸出管路中的空氣和煤粉燃料在熱態(tài)下的阻力均衡問題，魯陽電廠＃1機(jī)組安裝了風(fēng)粉平衡調(diào)整設(shè)備。通過改變磨煤機(jī)出口的差壓來平衡各管道的流動(dòng)阻力，達(dá)到燃燒器出口煤粉流速的均衡。

（4）燃燒器功率調(diào)平控制系統(tǒng)?；诿悍哿魉贊舛鹊臏y量數(shù)據(jù)，對(duì)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)。

（5）配風(fēng)優(yōu)化控制。以風(fēng)粉調(diào)平為基礎(chǔ)，優(yōu)化燃燒器二次風(fēng)配風(fēng)方式，實(shí)現(xiàn)風(fēng)量和煤量的最佳風(fēng)煤比控制。

4 系統(tǒng)的應(yīng)用效果

4.1 煤粉濃度調(diào)平控制情況

機(jī)組配置6臺(tái)中速磨煤機(jī)，每臺(tái)磨煤機(jī)配置4根一次風(fēng)主管，進(jìn)燃燒器前每根主管經(jīng)一分二分配器分為2根支管，每臺(tái)磨煤機(jī)共計(jì)8根一次風(fēng)支管。以A磨煤機(jī)為例，調(diào)整前，A磨煤機(jī)出口主管的煤粉分配情況如圖3所示。

調(diào)平后，煤粉濃度調(diào)整后的取粉試驗(yàn)結(jié)果與調(diào)整前的取粉試驗(yàn)結(jié)果如圖4所示。

圖3 A磨煤機(jī)一次風(fēng)主管煤粉分配

圖4 A磨煤機(jī)調(diào)平前后試驗(yàn)粉量分配

圖3、圖4對(duì)比可以看出：A磨煤機(jī)主管的煤粉流量分配偏差得到明顯的改善，各主管間的煤粉分配由原來的最大偏差7%降低到基本平衡的狀態(tài)。根據(jù)煤粉流量分配在線測量數(shù)據(jù)進(jìn)行調(diào)整后，煤粉分配的實(shí)測情況和監(jiān)測系統(tǒng)表盤指示基本吻合，這也進(jìn)一步驗(yàn)證了煤粉分配測量結(jié)果的有效性。從調(diào)試的過程反映出，當(dāng)煤粉分配平衡后，各支管的煤粉流速基本平衡，也印證了濃度調(diào)整平衡的本質(zhì)作用。

4.2 燃燒器出口煤粉流速調(diào)平效果

試驗(yàn)對(duì)A-F磨煤機(jī)進(jìn)行反復(fù)調(diào)平后，單個(gè)管道的流速相對(duì)偏差可控制在很小范圍以內(nèi)，各磨煤機(jī)各管道煤粉流速與平均流速的平均偏差可控制在1%～5%。煤粉流速調(diào)平試驗(yàn)表明，煤粉流速調(diào)整裝置對(duì)煤粉流速具有明顯的調(diào)整作用和良好的特性。

4.3 對(duì)鍋爐燃燒均勻性的改善效果

（1）再熱器、過熱器等受熱面壁溫偏差維持在很小的范圍內(nèi)（20℃左右）；

（2）鍋爐主熱蒸汽、再熱蒸汽溫度能夠達(dá)到額定值，且減溫水具有一定調(diào)節(jié)裕量。

（3）低過煙道A，B側(cè)煙溫偏差維持在較低水平，低壓再熱器入口煙氣溫度偏差從61℃降至24℃。

（4）優(yōu)化調(diào)整前煙氣含氧量的數(shù)據(jù)差異明顯，部分煙氣含氧量測點(diǎn)因CO過高而顯示異常。風(fēng)粉調(diào)平及均衡配風(fēng)優(yōu)化后，煙氣含氧量測點(diǎn)絕大部分時(shí)間處于正常和差異不大的情況，表明鍋爐截面上煙氣含氧量分布變均勻，爐內(nèi)燃燒工況顯著改善，各燃燒器燃燒均勻，無明顯的缺氧情況存在，CO含量排放顯著降低且分布均勻。優(yōu)化前994MW負(fù)荷工況CO分布如圖5所示，優(yōu)化后994MW負(fù)荷工況CO分布如圖6所示，其中A1～A8，B1～B8分別表示省煤器出口A，B側(cè)各8個(gè)測點(diǎn)的CO值。

圖5 優(yōu)化前994MW負(fù)荷工況CO分布

圖6 優(yōu)化后994MW負(fù)荷工況CO分布

4.4 燃燒效率的明顯提升

風(fēng)粉調(diào)平及優(yōu)化調(diào)整前的基準(zhǔn)工況數(shù)據(jù)表明，由于鍋爐的風(fēng)粉不均，燃燒處于惡化狀態(tài)，飛灰可燃物達(dá)到2.74%，排煙平均CO濃度高達(dá)2mL/L，950 MW下實(shí)測鍋爐效率僅為91.70%。

在制粉系統(tǒng)風(fēng)粉調(diào)平及優(yōu)化配風(fēng)后，大幅改善了鍋爐燃燒，緩解了局部燃燒惡化的情況，有效抑制了CO的濃度。煙氣中局部CO排放濃度由調(diào)整前的超量程值（單點(diǎn)＞10mL/L）降低至0.500mL/L以內(nèi)，鍋爐的灰渣可燃物含量也有一定的降低，其中僅CO產(chǎn)生的化學(xué)未燃盡熱損失項(xiàng)，優(yōu)化后就降低了0.62%，灰渣可燃物降低約減少未燃碳熱損失0.2%。

5 結(jié)束語

經(jīng)過優(yōu)化，本項(xiàng)目很好地解決了燃燒器出口粉量和風(fēng)量的均衡控制，實(shí)現(xiàn)了各燃燒器出口的煤粉濃度、煤粉流速在線可調(diào)可控；優(yōu)化了燃燒器配風(fēng)，極大地改善了各燃燒器之間的風(fēng)粉偏差和風(fēng)煤比，使?fàn)t內(nèi)燃燒狀況和鍋爐燃燒性能得到了顯著提升。項(xiàng)目的成功實(shí)踐將為類似項(xiàng)目鍋爐燃燒改造提供一條行之有效的新途徑。

［1］張鑫涌.鍋爐一、二次風(fēng)速及一次風(fēng)粉在線監(jiān)測系統(tǒng)在電廠中的應(yīng)用［J］.電站輔機(jī)，1999（3）：26-32.

［2］尹靜.電站鍋爐一次風(fēng)煤粉濃度測量方法的研究與應(yīng)用［J］.儀器儀表學(xué)報(bào)，2003，24（S2）：27-28.

［3］李光輝.電廠鍋爐一次風(fēng)煤粉濃度測量系統(tǒng)研究［D］.南京：南京理工大學(xué)，2007.

［4］許傳龍，湯光華，楊道業(yè)，等.氣固兩相流顆粒速度的靜電感應(yīng)空間濾波測量方法［J］.中國電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2007，27（26）：84-89.

［5］付飛飛，許傳龍，王式民等.基于陣列式靜電傳感器的密相力輸送煤粉顆粒運(yùn)動(dòng)特性分析［J］.東南大學(xué)學(xué)報(bào)，2013，43（3）：536-541.

（本文責(zé)編：劉炳鋒）

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B

1674-1951（2016）11-0035-03

呂宏彪（1983—），男，河南平頂山人，高級(jí)工程師，從事燃煤發(fā)電廠鍋爐運(yùn)行及節(jié)能降耗方面的研究和應(yīng)用方面的工作（E-mail：18538163820＠163.com）。

聶濤（1975—），男，湖南益陽人，高級(jí)工程師，從事發(fā)電廠熱工過程控制方面的工作（E-mail：754106124＠qq.com）。

黃孝彬（1977—），男，云南曲靖人，副教授，工學(xué)博士，從事電站鍋爐燃燒運(yùn)行優(yōu)化研究方面的工作（E-mail：binhuangcn＠126.com）。

梁龍飛（1989—），男，河北藁城人，工程師，工學(xué)碩士，從事氣固兩相流測量的研究和應(yīng)用方面的工作（E-mail：18510047440＠163.com）。

2016-10-14；

2016-10-18