電廠風(fēng)粉在線監(jiān)測(cè)裝置的應(yīng)用分析

（鄭州電力高等專科學(xué)校，河南 鄭州 450000）

一次風(fēng)進(jìn)入爐膛的速度和所含煤粉的濃度以及各個(gè)煤粉燃燒器的風(fēng)粉均勻性直接影響到爐內(nèi)燃燒工況的穩(wěn)定和鍋爐的燃燒效率。在實(shí)際運(yùn)行過程中，鍋爐常處于配風(fēng)不均的狀況下，嚴(yán)重時(shí)會(huì)引起爐膛內(nèi)火焰中心偏離，煤粉燃燒不穩(wěn)定，從而導(dǎo)致爐膛局部結(jié)焦及水冷壁或過熱器爆管，降低鍋爐效率，并且各風(fēng)管配風(fēng)不均，風(fēng)煤比失調(diào)，也可能導(dǎo)致一次風(fēng)管堵管或噴口著火距離過近甚至在一次風(fēng)管內(nèi)燃燒等事故的發(fā)生[1]。因此，通過風(fēng)粉在線監(jiān)測(cè)裝置的設(shè)計(jì)，運(yùn)行人員可以根據(jù)測(cè)量數(shù)據(jù)合理調(diào)節(jié)給粉量，控制燃燒器著火點(diǎn)、煤粉燃盡程度，也可以監(jiān)視一次風(fēng)管道是否堵塞和自燃，調(diào)整鍋爐各個(gè)燃燒器的風(fēng)煤配比和風(fēng)速，調(diào)整鍋爐的燃燒平衡，從而有效地提高鍋爐燃燒的安全性能和經(jīng)濟(jì)性能。

1 電廠概述

某電廠裝機(jī)容量為2×600MW，采用的是東方鍋爐（集團(tuán)）股份有限公司生產(chǎn)的型號(hào)為DG-1900/25.4-II1 超臨界變壓直流爐、單爐膛、內(nèi)螺紋螺旋管圈水冷壁、一次中間再熱、平衡通風(fēng)、半露天島式布置、固態(tài)排渣、全鋼構(gòu)架懸吊結(jié)構(gòu)Π 型鍋爐，燃燒器分布為前后墻對(duì)沖燃燒形式，前、后墻各布置3 層HT－NR3 燃燒器，每層4 只，共24只。單臺(tái)機(jī)組有6 臺(tái)磨煤機(jī)，一次風(fēng)管數(shù)量為24 根。

2 初步方案

以某電廠為例，在每臺(tái)爐24 根一次風(fēng)管上加裝風(fēng)粉風(fēng)速和風(fēng)粉混合物的濃度測(cè)點(diǎn)，共計(jì)48 個(gè)測(cè)點(diǎn)，所有測(cè)量信號(hào)經(jīng)過裝置工控主機(jī)運(yùn)算后通過一個(gè)RS485 接口以通信方式進(jìn)入機(jī)組DCS 系統(tǒng)，或采用獨(dú)立工控機(jī)在主控室組成一個(gè)風(fēng)粉監(jiān)測(cè)系統(tǒng)畫面，通過大屏幕顯示數(shù)字量和棒狀圖形式顯示各風(fēng)管實(shí)時(shí)的一次風(fēng)風(fēng)速和煤粉濃度。

2.1 傳感器測(cè)點(diǎn)選擇

傳感器應(yīng)該安裝于一次風(fēng)管道的直管段，探頭前方直管段要求在4 倍管道直徑以上，探頭后面直管段在1 個(gè)管道直徑以上。

2.2 靜電傳感器安裝

首先在管壁上開孔，開孔直徑為38 mm，在每個(gè)管道上共計(jì)開設(shè)5 個(gè)孔，然后將探頭底座焊接在開好孔的管壁上，使探頭管座軸線與被測(cè)煤粉管道軸線垂直，最后將傳感器插入管座，用螺母固定好。

所有靜電傳感器探頭以法蘭方式與管座相連，傳感器探針伸入一次風(fēng)管內(nèi)。

2.3 信號(hào)調(diào)理機(jī)箱安裝

信號(hào)調(diào)理機(jī)箱安裝在送粉管附近的工作平臺(tái)上，機(jī)箱采用掛壁式安裝，機(jī)箱支架直接焊接在鋼板上或固定在鋼架，機(jī)箱采用底部進(jìn)線方式。

2.4 主機(jī)柜安裝

主機(jī)柜安裝在電子間，底部進(jìn)線。

3 一次風(fēng)流速和煤粉濃度的測(cè)量原理及特點(diǎn)

風(fēng)粉在線監(jiān)測(cè)裝置關(guān)鍵在于一次風(fēng)風(fēng)速和煤粉濃度的測(cè)量。

3.1 一次風(fēng)風(fēng)速的測(cè)量

在煤的破碎和輸送過程中，煤粉顆粒相互碰撞、摩擦和分離，煤粉顆粒具有一定的電荷量，產(chǎn)生一定的電荷場(chǎng)。當(dāng)通過安裝在一次風(fēng)管道直管段內(nèi)的靜電感應(yīng)探頭時(shí)，靜電傳感器表面會(huì)產(chǎn)生等量的感應(yīng)電荷，傳感器附近大量帶電煤粉的運(yùn)動(dòng)會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電流。

當(dāng)風(fēng)粉混合物在管道中穩(wěn)態(tài)流動(dòng)時(shí)，上、下游速度傳感器檢測(cè)到的隨機(jī)流量信號(hào)可以看作是符合各狀態(tài)遍歷隨機(jī)過程的樣本函數(shù)。同時(shí)，只要2 個(gè)速度傳感器之間的距離合理，2 個(gè)傳感器的靜態(tài)性能相同，就可以認(rèn)為2 個(gè)隨機(jī)流量信號(hào)是相似的，并且具有相關(guān)性，它們之間的相關(guān)時(shí)間是測(cè)量距離（S）處被測(cè)流體的流動(dòng)時(shí)間（t）。通過計(jì)算相關(guān)函數(shù)，可以測(cè)量出管道內(nèi)風(fēng)粉兩相流的平均速度（V=S/t）。用這種方法求得的速度只與S、t 有關(guān)，無需標(biāo)定。

3.2 煤粉濃度的測(cè)量

在線熱力學(xué)方法是目前研究較多的測(cè)量方法。根據(jù)測(cè)量得到的溫度、壓力和壓差等參數(shù)，在一定假設(shè)的基礎(chǔ)上根據(jù)能量守恒定律、連續(xù)性方程和動(dòng)量定律建立相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型，經(jīng)過數(shù)據(jù)處理，得到管道中的煤粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)，進(jìn)而反映煤粉的濃度。假設(shè)條件如下[2]。1）管道內(nèi)的氣粉混合物為稀相流。2）煤粉顆粒在管道中分布得更加均勻，測(cè)量時(shí)可以得到所有煤粉顆粒的速度、溫度、壓力等平均特性。3）煤粉在一次風(fēng)中的流動(dòng)處于強(qiáng)湍流狀態(tài)，煤粉顆粒形狀均為大小相同的球形。4）煤粉顆粒在氣粉兩相流中的運(yùn)動(dòng)被認(rèn)為是一種特殊的流體，在管道中運(yùn)動(dòng)具有摩擦阻力和局部阻力，由此引起的壓力損失利用通用公式計(jì)算。5）在確定純氣流的壓力損失時(shí)，忽略了固體物質(zhì)的體積，計(jì)算單相氣流的壓力損失。6）忽略了一次風(fēng)管內(nèi)風(fēng)粉混合物的熱損失和壓縮性。

風(fēng)粉混合物的總能量近似被認(rèn)為是空氣和煤粉混合物的動(dòng)能和靜壓能的總和。由于存在局部阻力損失和沿程阻力損失，一次風(fēng)和煤粉混合前后的總能量是不相同的。在一定溫度條件下，兩者混合比的差異必然導(dǎo)致氣固兩相流體在混合前后的靜壓能的差異。因此，只要測(cè)量混合前一次風(fēng)的速度和靜壓能以及混合后風(fēng)粉混合物的速度和靜壓能，就可以通過求解熱力學(xué)偏微分方程組得到相應(yīng)的煤粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)。

4 預(yù)算費(fèi)用

根據(jù)系統(tǒng)要完成的功能，在每個(gè)一次風(fēng)管加裝煤粉的濃度、煤粉的流速測(cè)點(diǎn)，并配備測(cè)量系統(tǒng)，單臺(tái)機(jī)組配置見表1。

表1 風(fēng)粉在線監(jiān)測(cè)裝置在單臺(tái)機(jī)組中的配置

按照上面改造要求，每臺(tái)爐預(yù)算設(shè)備金額在90 萬左右，施工費(fèi)約為20 萬。2 臺(tái)爐共計(jì)約為220 萬。

5 經(jīng)濟(jì)效益分析

在電廠實(shí)際運(yùn)行過程中，通過風(fēng)粉在線監(jiān)測(cè)鍋爐一次風(fēng)管燃燒器出口速度和煤粉的濃度，可以引導(dǎo)運(yùn)行人員均勻、合理地調(diào)節(jié)煤粉，使鍋爐在最佳工況下運(yùn)行，對(duì)提高鍋爐運(yùn)行的穩(wěn)定性和經(jīng)濟(jì)性起到良好的作用，具體表現(xiàn)為7 點(diǎn)[3]。1）對(duì)于前后墻燃燒的鍋爐，在冷態(tài)空氣動(dòng)力場(chǎng)試驗(yàn)中假定一次風(fēng)煤粉濃度均勻。熱態(tài)運(yùn)行時(shí)濃度分布不均勻，容易造成爐膛火焰偏移，嚴(yán)重時(shí)會(huì)沖洗水冷壁，造成水冷壁和過熱器管壁結(jié)焦、磨損和腐蝕。如果安裝該產(chǎn)品，可以有效地防止火焰偏移，減少爐膛出口兩側(cè)煙氣溫度偏差，防止水冷壁和過熱器爆管。僅以減少水冷壁和過熱器爆管為例，如果避免一次爐管爆管造成的設(shè)備維護(hù)費(fèi)用及非計(jì)劃停運(yùn)電量損失，其節(jié)省的綜合費(fèi)用大約在50 萬元以上。2）在鍋爐運(yùn)行中，上下兩層燃燒器火嘴中煤粉濃度不相同，直接決定了爐膛火焰中心偏移，最終影響煤粉的燃盡程度、過熱蒸汽溫度即主蒸汽溫度偏離正常范圍。當(dāng)爐膛底部燃燒器火嘴中煤粉的濃度較低時(shí)，爐膛底部溫度較低，也會(huì)對(duì)燃燒穩(wěn)定性產(chǎn)生直接的影響。如果安裝該產(chǎn)品，使鍋爐配風(fēng)合理，降低排煙溫度，降低排煙熱損失和不完全燃燒熱損失。3）當(dāng)一次風(fēng)管內(nèi)煤粉濃度過高、風(fēng)速過低時(shí)，會(huì)導(dǎo)致煤粉著火點(diǎn)離火嘴出口太近，火嘴燒壞，給電廠安全生產(chǎn)和經(jīng)濟(jì)運(yùn)行造成重大影響。如果安裝該產(chǎn)品，避免燃燒器火嘴燒壞，避免堵粉等事故的發(fā)生，由此帶來的設(shè)備費(fèi)用及非計(jì)劃停用電，其節(jié)約的綜合費(fèi)用大約在80萬元以上。4）如果一次風(fēng)管內(nèi)煤粉濃度過高、會(huì)出現(xiàn)煤粉堵管跡象；反過來，當(dāng)風(fēng)管內(nèi)煤粉濃度過低、一次風(fēng)速過大時(shí)，會(huì)引起煤粉破碎，產(chǎn)生斷粉現(xiàn)象。如果安裝該產(chǎn)品，運(yùn)行人會(huì)員可以及時(shí)檢測(cè)到一次風(fēng)管內(nèi)的一次風(fēng)速和煤粉濃度，減少堵粉或斷粉事故的發(fā)生，減少對(duì)人身和設(shè)備的損害，安全是無價(jià)的。5）由于運(yùn)行人員擔(dān)心一次風(fēng)管堵塞，一次風(fēng)速必須保持在較高水平，即無形中增大一次風(fēng)量，使制粉系統(tǒng)單耗居高不下。在滿足制粉需要的前提下，降低一次風(fēng)速，減少制粉系統(tǒng)的通風(fēng)，可以有效地降低風(fēng)機(jī)功率的消耗。安裝產(chǎn)品后，不僅可以減少可觀的電耗成本，而且如果由此減少一次風(fēng)量2%計(jì)算，大約可以節(jié)約成本50 萬元以上。同時(shí)，降低一次風(fēng)速還可以減少一次風(fēng)管被煤粉磨損，從而延長一次風(fēng)管的使用壽命。6）過去，電廠中的鍋爐燃燒出現(xiàn)問題，往往無法查明原因，其實(shí)很多鍋爐燃燒的問題是由于一次風(fēng)和煤粉比例調(diào)節(jié)不當(dāng)，因?yàn)闆]有安裝該產(chǎn)品，事后沒有相關(guān)數(shù)據(jù)，增加了解決問題的難度。如果安裝該產(chǎn)品，可以作為事故追憶裝置，來提供分析數(shù)據(jù)，從而可以更加快速、更加全面的分析鍋爐燃燒問題，從而找到解決方案。7）合理地調(diào)整鍋爐配風(fēng)，可以減少爐內(nèi)NOx 的排放，降低后期脫硝費(fèi)用，經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益并舉。

6 結(jié)語

綜上所述，對(duì)于一臺(tái)600 MW 機(jī)組，由于一次風(fēng)管數(shù)量多，僅憑運(yùn)行人員個(gè)人經(jīng)驗(yàn)來調(diào)節(jié)風(fēng)粉配比，必然會(huì)顧此失彼，很難達(dá)到鍋爐燃燒優(yōu)化狀態(tài)，而安裝風(fēng)粉在線監(jiān)測(cè)裝置可以提供全面的一次風(fēng)風(fēng)速和煤粉濃度的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，使鍋爐調(diào)整有了直觀依據(jù)，每年可以降低發(fā)電成本約100 萬元，同時(shí)可以進(jìn)一步提高機(jī)組安全性，提升鍋爐運(yùn)行自動(dòng)化水平，并有助于提升電廠的競爭能力。