鍋爐燃燒二次風(fēng)測量裝置的系統(tǒng)優(yōu)化與應(yīng)用

摘要：文章對鍋爐二次風(fēng)量控制系統(tǒng)的特點、任務(wù)以及對象動態(tài)特性等內(nèi)容進行分析，對風(fēng)量控制的基本方式及方案進行闡述，并以某發(fā)電企業(yè)300MW單元機組二次風(fēng)量控制系統(tǒng)化為分析對象，對其系統(tǒng)組成、功能以及實現(xiàn)方法進行分析，對鍋爐燃燒二次風(fēng)測量裝置進行探討，以供參考。

關(guān)鍵詞：鍋爐燃燒；二次風(fēng)量控制系統(tǒng)；測量裝置；系統(tǒng)優(yōu)化；發(fā)電企業(yè) 文獻標(biāo)識碼：A

中圖分類號：TK313 文章編號：1009-2374（2016）28-0025-03 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.28.014

1 二次風(fēng)量的控制任務(wù)

企業(yè)鍋爐運行過程中燃料的燃燒狀態(tài)是其經(jīng)濟性的重要指標(biāo)之一，而風(fēng)煤配比對燃料的燃燒狀態(tài)具有十分重要的影響。風(fēng)量測量可靠性與風(fēng)量變送器冗余之間存在著密切的關(guān)系，原因主要有兩點：第一，氧信號測量的可靠性、準(zhǔn)確性以及實時性不理想；第二，二次風(fēng)執(zhí)行機構(gòu)反應(yīng)較慢。因此必須保證風(fēng)量和燃料來符合標(biāo)準(zhǔn)要求，即空燃比設(shè)計為最佳。某發(fā)電廠有300MW機組單元，其風(fēng)量系統(tǒng)主要由一次風(fēng)和二次風(fēng)兩部分構(gòu)成，而二次風(fēng)的主要作用是為燃料在爐膛中燃燒提供條件，一次風(fēng)的主要作用是將煤粉帶至爐膛內(nèi)。其中二次風(fēng)以二次風(fēng)機供給為基礎(chǔ)，利用二次風(fēng)機變頻器的轉(zhuǎn)速變化來控制送風(fēng)量的大小，以進一步保證煙氣中的含氧量處于最佳化，這樣一來使得鍋爐燃燒系統(tǒng)的空燃比得到了保證，提高了鍋爐的熱效率。

為了保證燃料的燃燒效率，實際的送風(fēng)量應(yīng)大于理論空氣量，兩者之間的差值主要以過?？諝庀禂?shù)α來進行表征，即α=V實際/V理論。一方面當(dāng)實際空氣量過大時，會導(dǎo)致風(fēng)機的耗電量增加，同時還會造成一定的排煙損失；另一方面當(dāng)空氣量過小時，燃料燃燒不完全，降低鍋爐的熱效率，經(jīng)過一定的經(jīng)驗研究發(fā)現(xiàn)，α值范圍應(yīng)當(dāng)在1.2～1.4之間為最佳。在實際生產(chǎn)中過?？諝庀禂?shù)α可以利用爐膛出口煙氣中含氧量進行表征。在燃料完全燃燒的狀態(tài)下，過?？諝庀禂?shù)α與02%的關(guān)系為：

α=21%/（21%-O2%）

由此可知，02%與α成反比。

2 二次風(fēng)量控制系統(tǒng)的控制方案

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圖1 氧量-空燃比串級系統(tǒng)

在實際生產(chǎn)過程中，通過利用氧量-空燃比串級系統(tǒng)用氧量信號來校正空燃比系統(tǒng)的誤差是當(dāng)下大部分企業(yè)所采用的控制方案，具體如圖1所示。從圖1中可知，氧量-空繞壁串級系統(tǒng)中副環(huán)能夠在短時間內(nèi)保證空燃比達到最佳，而給料誤差則主要通過利用煙氣中的含氧量來進行校正。

3 燃燒器二次風(fēng)的風(fēng)量標(biāo)定測量試驗

3.1 標(biāo)定測試原理

第一，在標(biāo)定測試進行前，已經(jīng)對鍋爐的低氮燃燒器進行了一定的改造，并在其主燃燒器的上部位置設(shè)置了七層SOFA風(fēng)箱，同時通過使用速度和溫度場的測定方案，加以5孔棱鏡3D探頭的方式來進行測試；第二，3D測量的主要機理如下。當(dāng)探頭P2-P3之間的壓力差值為零時，探頭與流體的方向是相同的，這時通過利用探頭的偏轉(zhuǎn)角和（P1-P2和P4-P5）壓力差來對速度矢量值進行計算分析，最終得出流體的角度和大小；第三，溫度值是利用K型熱電偶來完成的，并將測試的信息數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計存儲。另外，在對二次風(fēng)風(fēng)箱、風(fēng)道中的風(fēng)量進行測量的過程中，應(yīng)當(dāng)保證測試管的測試點處于管道的中心位置，以方便對不同方向點的數(shù)據(jù)進行記錄存檔。

3.2 測試結(jié)果分析

經(jīng)過數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)，提高燃燒效率具有十分可觀的研究價值?？梢岳靡欢ǖ氖侄伪ＷC燃料均勻地進入到爐膛內(nèi)，如通過煤粉管道將一次風(fēng)和煤粉進行平衡處理，同時在燃燒器層控制作用下，使二次風(fēng)和輔助風(fēng)滿足空燃比的實際需要，但是在這一過程中應(yīng)當(dāng)注意并不是所有情況都要求二次風(fēng)呈均勻分布狀態(tài)，其決定因素主要有鍋爐運行策略和燃燒最終的目標(biāo)，而一般情況下主要由鍋爐的運行策略決定?？傊?，鍋爐燃燒效率提高的主要途徑之一是對二次風(fēng)的分布情況進行科學(xué)合理的控制，并根據(jù)鍋爐燃燒具體要求選擇合適的空燃比。但在實際過程中二次風(fēng)分布均勻性并不僅僅依賴風(fēng)箱擋板實現(xiàn)，因此通常情況下風(fēng)箱擋板的損壞或者是功能失靈等情況對流量變化的影響較小。

4 風(fēng)量測量裝置的選取和安裝

4.1 機翼型風(fēng)量測量裝置

由于機翼型風(fēng)量測定裝置可以用于空氣流量大、風(fēng)道截面積大、流速低以及直管段等多種測量，因此它的應(yīng)用范圍較廣。在實際測量過程中可以根據(jù)實際測量管道的具體形狀、大小以及風(fēng)量等多種條件，選擇不同型號的機翼型風(fēng)量測定裝置，一般情況下該裝置主要應(yīng)用在矩形或者是圓形管道中?，F(xiàn)階段機翼型風(fēng)量測量裝置的應(yīng)用較為廣泛，其裝置特性主要有以下三點：第一，流線型機翼形狀的核心節(jié)流元件的應(yīng)用在一定程度上降低了阻力系數(shù)，為降低壓損提供了條件，但是受到其體形較大的影響，由其造成的壓損大于降低的壓損值；第二，該裝置具有多個翼形管，其目的是為了增加檢測點的數(shù)目，進而提高裝置測量的準(zhǔn)確度，但是這種設(shè)計也在一定程度上增加了阻力，導(dǎo)致壓損增加；第三，部分機翼型風(fēng)量測定裝置為了滿足排污要求，增設(shè)了排污裝置和疏通裝置，但是受到其取壓口較小的影響，同時二次風(fēng)中極易含有灰塵等雜物，因此堵塞現(xiàn)象發(fā)生的概率較大，這樣一方面為運行安全埋下了隱患，另一方面也增加了維修的難度，但是由于組成結(jié)構(gòu)簡單、操作簡便，因而應(yīng)用范圍較為廣泛。

該裝置在實際應(yīng)用過程中，含有灰塵的氣流經(jīng)常會將傳壓孔堵塞，甚至造成防堵塞功能和反吹掃功能失靈，造成測量結(jié)果失真，給技術(shù)人員的后續(xù)操作造成了一定的干擾，因此部分電力企業(yè)已經(jīng)不再使用機翼型風(fēng)量測量裝置。因此清灰以及防堵塞功能是影響機翼型風(fēng)量測量裝置性能發(fā)揮的主要因素，任何一種安裝方式都應(yīng)當(dāng)盡量保證翼形管的靜壓測孔可以在取樣管的作用下引出至傳壓管，繼而再將信號傳送至相應(yīng)的界面，為技術(shù)人員的后續(xù)讀取和操作提供便捷。

4.2 熱線型風(fēng)量測量裝置

在實際應(yīng)用過程中，由于熱線型風(fēng)量測量裝置具有體型小、安裝簡單以及操作方便等諸多特點，因而在工廠壓縮空氣、天然氣、鍋爐燃氣和空氣送風(fēng)測量等多方面得到了廣泛應(yīng)用。熱線型風(fēng)量測量裝置輪廓圖如圖2所示：

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圖2 熱線型風(fēng)量測量裝置的輪廓圖

熱線型風(fēng)量測量裝置特性：第一，熱線型風(fēng)量測量裝置在實際使用過程中可以對氣體質(zhì)量流量等進行直接測量，不需要再通過溫度、壓力等計算氣體密度進行校正，同時其測定結(jié)果會直接以標(biāo)準(zhǔn)單位或者是英制單位等工程單位輸出，該裝置的應(yīng)用一方面可以在一定程度上降低由溫度和壓力校正引起的二次誤差，另一方面也避免了復(fù)雜的單位換算；第二，該裝置傳感器反應(yīng)較為靈敏，同時該裝置具有特殊的傳感器技術(shù)，因此可以應(yīng)用在湍流或者是非軸向流速測量的測試實驗中；第三，該裝置的接口種類較多，例如有RS485接口、Modbus、Profibus-DP、Devicenet和Ethernet協(xié)議等多種選擇。

熱線型風(fēng)量測量裝置安裝：熱線型風(fēng)量測量裝置并沒有制定較為嚴(yán)格的安裝流程，主要以流場選擇為主要參考指標(biāo)，一般情況下，測量點的位置在距擋板190mm處，并在每層燃燒器分風(fēng)箱側(cè)面開設(shè)小孔、配置法蘭。另外，該裝置所有的安裝施工都可以在現(xiàn)場完成，不會涉及到吊裝，同時也不需要對剛性梁、電纜架橋等問題進行考慮分析，因此安裝施工較為簡單。

5 二次風(fēng)量控制系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)及分析

5.1 氧量修正系數(shù)的形成

所謂的氧量修正系數(shù)其具體行程過程如下：第一，利用函數(shù)發(fā)生轉(zhuǎn)換器將主蒸汽流量換算成氧量設(shè)定值，并在鍋爐尾部煙道附近左右設(shè)置一個煙氣含氧量測量點，取值為兩者的平均值，并將其作為煙氣含氧量的實際測量值；第二，將換算所得的氧量設(shè)定值域?qū)嶋H測量值進行對比，兩者之差為偏差信號，將其傳輸至氧量校正器，并經(jīng)過PI運算得出最終的氧量修正系數(shù)。

5.2 風(fēng)量偏差信號的形成

風(fēng)量偏差信號的形成如下：第一，將二次風(fēng)機出口風(fēng)量信號及一次風(fēng)機出口流量進行校正，之后將兩者的校正值疊加；第二，風(fēng)溫會對風(fēng)量信號測量的準(zhǔn)確性造成一定的影響，因此該值需要經(jīng)過風(fēng)溫、氧量校正，最終得到的值就是總風(fēng)量測量信號；第三，將該信號輸送至PID控制器當(dāng)作被調(diào)量。

通過一定的計算得出總風(fēng)量指令信號，而總?cè)济毫繛閹着_給煤機燃煤量信號的總和，對應(yīng)于總?cè)济毫緽m所需要的風(fēng)量Vm與總?cè)济毫砍烧?。即?/p>

Vm=f（Bm）=KmBm

式中：Km為常數(shù)，其取值范圍為0.95～1.05，具體數(shù)值應(yīng)根據(jù)燃用煤的成分決定。同理，總?cè)加土克璧娘L(fēng)量也于總?cè)加土砍烧?，即?/p>

Vu=f（Bu）=KuBu

總?cè)剂狭浚˙m+Bu）所需要的總風(fēng)量為（Vm+Vu），與負荷指令信號及最小風(fēng)量信號進入大選模塊，大選模塊的輸出就是總風(fēng)量指令信號。

6 測量裝置對送風(fēng)阻力的影響

對于二次送風(fēng)系統(tǒng)而言，送風(fēng)阻力對系統(tǒng)運行具有十分重要的影響，特別是對二次風(fēng)風(fēng)機的選擇和相應(yīng)管道布設(shè)，二次送風(fēng)阻力的影響是不容忽視的。

6.1 機翼型風(fēng)量測量裝置的壓損

機翼型風(fēng)量測量裝置在實際的應(yīng)用過程中壓損明顯降低，這主要是因為該裝置的界面屬于流線型。但是當(dāng)該裝置設(shè)置于二次風(fēng)分風(fēng)箱時，其所占風(fēng)箱界面的比例較大，使得壓損升高。同時該裝置的機翼翼面屬于典型的流線型，因而當(dāng)流體通過時受到的阻力較小，進而降低了渦流的擾動影響，使得流體的壓損有所降低，同時流量系數(shù)也得到了進一步的穩(wěn)定。如果將一半的機翼分別放置在風(fēng)道左右兩端，且側(cè)壁中間設(shè)置機翼型節(jié)流件，使流通通道有如短型文丘里噴嘴或四分之一圓噴嘴，這樣喉部使得流體的速度加快，動能隨之增加，并導(dǎo)致流通喉部靜壓取點處產(chǎn)生一個更低壓的穩(wěn)流區(qū)，壓差增大，測量的靈敏度和精確度提高。

6.2 熱線型風(fēng)量測量裝置的壓損

熱線型測量裝置安裝簡單：第一，在測量裝置的測風(fēng)導(dǎo)管上布設(shè)測壓點，且測壓點之間的距離應(yīng)當(dāng)相同；第二，當(dāng)測試截面風(fēng)速分布存在偏差時，風(fēng)箱上的熱線型測量裝置應(yīng)平行排列。而當(dāng)測試截面的風(fēng)速分布呈均勻狀態(tài)時，可以只在風(fēng)箱的中心位置設(shè)置一個熱線型裝置，并根據(jù)實際需要在測風(fēng)導(dǎo)管上布設(shè)測壓點。判斷風(fēng)速均勻程度的方法主要有兩種：一種是利用流體模擬計算出測試斷面速度的分布情況，并計算出RMS值，當(dāng)計算所得的RMS值小于15%時，可以直接在風(fēng)箱的中心位置布設(shè)一個熱線型測量裝置，而當(dāng)計算所得的RMS值大于15%時，則代表截面的風(fēng)速分布不均，這時應(yīng)當(dāng)在測試截面上布設(shè)多個熱線型測量裝置；另一種是利用便攜式測量儀進行現(xiàn)場測試，利用“迂回”的測試方法進行判斷截面氣流分布情況，依據(jù)截面氣流分布，選擇熱線型測量裝置的布局方式。

7 風(fēng)量測量裝置導(dǎo)流設(shè)計方案

7.1 機翼型風(fēng)量測量裝置安裝的可行性分析

鍋爐系統(tǒng)中每一組燃燒器都需要進行機翼型風(fēng)量測量裝置，因此在安裝之前需要將使用的設(shè)備運輸至組裝現(xiàn)場，由專業(yè)的安裝公司將設(shè)備吊裝到燃燒器區(qū)域的高度范圍。安裝公司會分析對測量裝置安裝有影響的因素，以保障具有凈高度為9960mm、寬度為1220mm、厚度為大于400mm的安裝空間。在實際的組裝過程中不可避免地會遇到碰撞問題，這時就需要對相關(guān)的元件拆除，待施工完成后再安裝恢復(fù)原狀，但是如果碰撞問題中涉及到的元件是不可拆除和切割的，這時就必須重新設(shè)定施工方案。

7.2 熱線型風(fēng)量測量裝置安裝的可行性分析

熱線型風(fēng)量測量裝置的安裝較為簡單，首先將每角的燃燒器拆除后，每角只需要兩個人就可以完成裝置安裝和接線工作，因此該類型裝置的安裝簡單，不需要進行吊裝等相對較為復(fù)雜的工作，同時也可以保證鍋爐系統(tǒng)運行過程中的安全。

7.3 風(fēng)量測量裝置安裝可行性的對比分析

風(fēng)量測量裝置安裝可行性的對比分析見表1。

8 結(jié)語

在發(fā)電廠的生產(chǎn)過程中，機翼型風(fēng)量測量裝置和熱線型風(fēng)量測量裝置的應(yīng)用都比較廣泛，而通過以上多方面的對比分析發(fā)現(xiàn)，后者在施工安裝、使用性能表現(xiàn)、運行維護以及可靠性等多方面具有一定的優(yōu)勢，而且機翼型風(fēng)量測量裝置的制造成本過高是限制其應(yīng)用范圍進一步擴大的主要因素之一。

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作者簡介：李庭瑜（1974-），男，陜西戶縣人，神華陜西國華錦界能源有限責(zé)任公司工程師，研究方向：火力發(fā)電廠熱控儀表及自動化技術(shù)。

（責(zé)任編輯：黃銀芳）