燃煤電廠鍋爐氧量測(cè)量?jī)?yōu)化的研究與應(yīng)用

文_徐鐵軍 孔凡義 閔國(guó)政 宋嚴(yán)強(qiáng) 華電滕州新源熱電有限公司

影響爐膛氧量測(cè)量準(zhǔn)確性的因素主要包括氧量測(cè)點(diǎn)布置和選點(diǎn)存在煙氣偏流、爐膛氧量不均，選點(diǎn)不具備代表性以及氧化鋯測(cè)點(diǎn)老化、線性度不佳和煙道漏風(fēng)等。這些因素導(dǎo)致用于監(jiān)視爐膛氧量的測(cè)點(diǎn)顯示存在較大偏差，爐膛出口、爐膛左右側(cè)不一致，經(jīng)常存在氧量與總風(fēng)量不匹配，很難合理地調(diào)整配風(fēng)，保證鍋爐穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)地運(yùn)行。因此，通過(guò)安裝優(yōu)化氧量測(cè)量，準(zhǔn)確測(cè)量氧量，調(diào)節(jié)空氣和燃料的最佳配比，實(shí)現(xiàn)優(yōu)化燃燒，在節(jié)能減排、安全環(huán)保諸方面具有重要意義和顯著經(jīng)濟(jì)、社會(huì)效益。通過(guò)理論計(jì)算、數(shù)值模擬與現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試結(jié)果相互比對(duì)方法，對(duì)鍋爐煙氣流場(chǎng)模擬進(jìn)行研究。

1 煙氣流場(chǎng)模擬與測(cè)量截面選取

滕州公司3#爐為HG-1065/17.5-YM1型亞臨界一次中間再熱控制循環(huán)汽包爐，四角切圓燃燒，平衡通風(fēng)，固態(tài)排渣，角式擺動(dòng)煤粉燃燒器，均等配風(fēng)直流型鍋爐。

由于鍋爐出口到空預(yù)器之前煙道漏風(fēng)相對(duì)較小，同時(shí)考慮高溫對(duì)測(cè)量?jī)x器的影響，本項(xiàng)目把測(cè)量位置定在省煤器與空預(yù)器之間的煙道上。

為獲得合適的安裝截面，將煙氣流道及整流裝置等統(tǒng)一為單個(gè)系統(tǒng)，對(duì)其流場(chǎng)進(jìn)行了模擬計(jì)算。

1.1 模型對(duì)象

CFD模型建立是從省煤器下部到空預(yù)器入口法蘭。

1.2 數(shù)學(xué)模型

在對(duì)計(jì)算模型進(jìn)行模擬計(jì)算時(shí)，為了保證計(jì)算時(shí)間更短，計(jì)算精度更高，應(yīng)選擇合適的數(shù)學(xué)模型。大型的煤炭燃燒發(fā)電站的脫硝過(guò)程比較復(fù)雜，在其煙道中包含有煙氣和粉塵顆粒以及還原劑等其他物質(zhì)，故在對(duì)其煙道流場(chǎng)進(jìn)行模擬時(shí)并不是僅僅只有氣體流場(chǎng)，還涉及到氣體流動(dòng)、氣固兩相混合流動(dòng)、熱傳導(dǎo)等方面。所用方程均參考Fluent幫助文件與相關(guān)計(jì)算流體力學(xué)文件。

氣相湍流模型。根據(jù)煙氣在進(jìn)行脫硝過(guò)程中的流動(dòng)情況，選擇標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流模型對(duì)脫硝過(guò)程中的煙氣流動(dòng)情況進(jìn)行模擬計(jì)算。

1.3 計(jì)算結(jié)果分析

1.3.1 BMCR工況模擬結(jié)果

根據(jù)滕州公司3#鍋爐設(shè)計(jì)煙氣系統(tǒng)裝置建立相應(yīng)幾何模型，并依據(jù)優(yōu)化設(shè)計(jì)方案對(duì)模型進(jìn)行模擬和分析。

入口斜上升煙道漸擴(kuò)段分別設(shè)計(jì)3塊直型（即導(dǎo)流板1）和3塊折型導(dǎo)流板（即導(dǎo)流板2），豎直上升煙道下轉(zhuǎn)彎處設(shè)計(jì)2塊弧-直形導(dǎo)流板（即導(dǎo)流板3），豎直上升煙道上轉(zhuǎn)彎處設(shè)計(jì)1塊弧形及1塊弧-直形導(dǎo)流板（即導(dǎo)流板4），反應(yīng)器入口設(shè)計(jì)4塊直板導(dǎo)流板（即導(dǎo)流板5）且在反應(yīng)器頂端設(shè)計(jì)弧形擾流導(dǎo)流板（即導(dǎo)流板6），在反應(yīng)器出口煙道漸縮段設(shè)計(jì)3塊折型導(dǎo)流板（即導(dǎo)流板7），空預(yù)器入口設(shè)計(jì)2塊弧-直形導(dǎo)流板（即導(dǎo)流板8）和4塊折型導(dǎo)流板（即導(dǎo)流板9）。100%BMCR工況下系統(tǒng)流線圖如圖1所示。

圖1 100%BMCR工況下系統(tǒng)流線圖

通過(guò)選取柵附件截面上不同點(diǎn)處的速度，得出所優(yōu)選截面區(qū)域速度分布標(biāo)準(zhǔn)偏差為4.62%，滿足實(shí)際工作的技術(shù)要求。

1.4.2 各工況模擬結(jié)果

最優(yōu)方案75%BMCR和50%BMCR的模擬結(jié)果，其中各工況下系統(tǒng)壓力損失分別為572Pa和363Pa；根據(jù)各工況模擬結(jié)果，各項(xiàng)參數(shù)均滿足設(shè)計(jì)工作狀態(tài)下的技術(shù)指標(biāo)要求。

通過(guò)選取該噴氨格柵附件截面上不同點(diǎn)處的速度，得出速度分布標(biāo)準(zhǔn)偏差為4.88%，滿足實(shí)際工作的技術(shù)要求。

2 設(shè)計(jì)優(yōu)化

CFD模型建立是從省煤器下部到空預(yù)器入口法蘭，爐膛煙氣出口系統(tǒng)煙道，經(jīng)過(guò)測(cè)點(diǎn)位置后，進(jìn)入空氣預(yù)熱器等下游各級(jí)輔機(jī)設(shè)備。

通過(guò)對(duì)滕州公司3#鍋爐氧量測(cè)量裝置前后煙道簡(jiǎn)化后的幾何模型進(jìn)行模擬分析后，通過(guò)分別在煙道截面急劇變大處、煙氣轉(zhuǎn)向處、反應(yīng)器進(jìn)口處等位置進(jìn)行分析綜合測(cè)算，附近優(yōu)選截面區(qū)域速度分布標(biāo)準(zhǔn)偏差小于5%，滿足設(shè)計(jì)要求，可用于布置多點(diǎn)取樣系統(tǒng)。

3 系統(tǒng)功能

（1）實(shí)現(xiàn)網(wǎng)格多點(diǎn)取樣。在煙道中的單個(gè)截面上均勻的布置取樣器，不同組取樣器之間互不影響，在同一截面布置多組取樣器可以保證有一組取樣器停止工作后其他組取樣器能夠正常工作，這樣的取樣更具有說(shuō)服力。

（2）抽樣工序采取自動(dòng)化控制，可以保證勻速取樣。由系統(tǒng)測(cè)得煙氣在煙道中的流動(dòng)速度，當(dāng)煙氣流速較快時(shí)，加快抽取速度；當(dāng)煙氣流速變慢時(shí)，降低抽取速度。保持抽取速度隨煙氣流速變動(dòng)而變動(dòng)，從而保證均勻取樣。

（3）保證取樣器的溫度與煙氣的溫度相同。取樣過(guò)程中必須保證整個(gè)取樣器的溫度和煙氣的溫度相一致，避免煙氣在取樣器中因溫度的變化而造成煙氣無(wú)吸附損失或者發(fā)生其他反應(yīng)造成的損失。

（4）氧濃度實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。系統(tǒng)對(duì)煙氣中的氧濃度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、實(shí)時(shí)測(cè)量，保證測(cè)量的數(shù)據(jù)沒(méi)有缺失。

（5）取樣管路定時(shí)反吹掃。在取樣的過(guò)程中要對(duì)整個(gè)取樣管路進(jìn)行定時(shí)吹掃，保證整個(gè)管路暢通無(wú)阻礙。

（6）系統(tǒng)故障報(bào)警。當(dāng)煙氣流道溫度低于預(yù)設(shè)溫度時(shí)，系統(tǒng)報(bào)警停止取樣；當(dāng)氣源壓力過(guò)低，低于0.5MPa時(shí)，系統(tǒng)報(bào)警停止取樣；當(dāng)測(cè)量裝置非正常工作時(shí)，系統(tǒng)報(bào)警停止取樣。

4 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用前后比較分析

（1）改造前。滕州公司3#機(jī)組鍋爐于2006年11月投產(chǎn)，鍋爐出口O2測(cè)點(diǎn)原始設(shè)計(jì)為單點(diǎn)取樣，存在測(cè)點(diǎn)波動(dòng)大，沒(méi)有代表性，難以為運(yùn)行人員提供準(zhǔn)確的氧量參考數(shù)據(jù)。

（2）改造后。根據(jù)等流量取樣裝置的優(yōu)化計(jì)算，我們?cè)O(shè)計(jì)研發(fā)了多點(diǎn)取樣裝置并安裝在滕州公司3#鍋爐SCR入口優(yōu)化選取煙道截面，進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證。

該取樣裝置區(qū)別于傳統(tǒng)的單點(diǎn)氧量測(cè)量方式，在SCR脫硝反應(yīng)器入口煙道優(yōu)選合適的截面，開(kāi)口并設(shè)置多點(diǎn)取樣探頭，探頭采集到的氧氣經(jīng)過(guò)母管到達(dá)混合管進(jìn)行煙氣混合，氧量測(cè)量裝置位于混合罐下端對(duì)混合后的煙氣進(jìn)行連續(xù)在線監(jiān)測(cè)。整套裝置利用煙道內(nèi)負(fù)壓作為動(dòng)力，不需要額外裝置提供采樣動(dòng)力，運(yùn)行經(jīng)濟(jì)環(huán)保。為保證煙氣溫度減少對(duì)運(yùn)行影響，設(shè)備的外部進(jìn)行了良好的保溫。

（3）改造前后數(shù)據(jù)對(duì)比。改造前O2測(cè)點(diǎn)原始設(shè)計(jì)為單點(diǎn)取樣，存在測(cè)點(diǎn)波動(dòng)大、沒(méi)有代表性、難以為運(yùn)行人員提供準(zhǔn)確的氧量參考數(shù)據(jù)，導(dǎo)致一/二次風(fēng)調(diào)節(jié)缺乏依據(jù)，難以保證鍋爐穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)地運(yùn)行。改造后經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期運(yùn)行觀察，并調(diào)閱歷史曲線，多點(diǎn)氧量綜合測(cè)量裝置監(jiān)測(cè)效果良好，整體跟蹤趨勢(shì)與爐膛氧量和空預(yù)器測(cè)點(diǎn)處氧量保持一致，實(shí)現(xiàn)了優(yōu)化。

5 結(jié)語(yǔ)

煙氣中氧量的精準(zhǔn)測(cè)量涉及流場(chǎng)優(yōu)化、取樣設(shè)計(jì)優(yōu)化等多個(gè)方面。 以滕州新源熱電有限公司3#鍋爐氧量的精準(zhǔn)測(cè)量升級(jí)改造全過(guò)程為對(duì)象進(jìn)行深入的研究。通過(guò)流場(chǎng)模擬優(yōu)化、多點(diǎn)取樣綜合測(cè)量裝置優(yōu)化設(shè)計(jì)，取得了一定的成果，主要工作總結(jié)如下：

（1）對(duì)氧量測(cè)點(diǎn)前后煙道裝置進(jìn)行流體模型試驗(yàn)CFD數(shù)值計(jì)算結(jié)果分析，通過(guò)優(yōu)化升級(jí)后，有效截面區(qū)域的速度分布相對(duì)偏差小于5%，能夠基本滿足設(shè)計(jì)要求。

（2）針對(duì)滕州公司3#鍋爐氧量測(cè)點(diǎn)單點(diǎn)取樣樣氣沒(méi)有代表性，難以為運(yùn)行人員提供準(zhǔn)確的氧量參考的現(xiàn)實(shí)情況，進(jìn)行了系統(tǒng)詳細(xì)的理論優(yōu)化計(jì)算，并根據(jù)計(jì)算結(jié)果重新設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了等流量多點(diǎn)綜合取樣裝置。

（3）滕州公司3#鍋爐氧量測(cè)點(diǎn)由單點(diǎn)取樣改造為等流量多點(diǎn)取樣以來(lái)，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定可靠，取樣系統(tǒng)無(wú)積灰堵塞現(xiàn)象。通過(guò)對(duì)改造前后的數(shù)據(jù)分析對(duì)比，可以確認(rèn)裝置整體性能優(yōu)良，滿足了運(yùn)行人員調(diào)整要求。