基于煤熱解動(dòng)力學(xué)理論的CO 在線監(jiān)測(cè)技術(shù)在電廠的應(yīng)用

劉 龍，王廣兵，趙永國

（國家能源菏澤發(fā)電有限公司，山東菏澤 274032）

0 引言

目前，我國現(xiàn)有運(yùn)行的300 MW 以上機(jī)組制粉系統(tǒng)，絕大部分采用雙進(jìn)雙出鋼球磨或中速磨煤機(jī)，這2 種磨煤機(jī)主要針對(duì)Vdaf為20%～40%的煙煤系列，內(nèi)部均為正壓5～8 kPa，煤粉細(xì)度R90 在15%～30%區(qū)間，能夠滿足鍋爐動(dòng)力用煤的細(xì)度、均勻度等要求[1]。磨煤機(jī)出口溫度依據(jù)煙煤煤種揮發(fā)分以及磨煤機(jī)形式的不同一般控制在60～85 ℃區(qū)間。據(jù)對(duì)國內(nèi)150 臺(tái)運(yùn)行鍋爐調(diào)查統(tǒng)計(jì)，約有42%的燃煤鍋爐發(fā)生過自燃或內(nèi)爆事故[2]。很多電廠為了確保制粉系統(tǒng)安全，盡量降低磨煤機(jī)出口一次風(fēng)溫，導(dǎo)致鍋爐排煙溫度升高，鍋爐效率下降，此類問題的出現(xiàn)和存在，無論是對(duì)目前節(jié)能降耗還是機(jī)組運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性和安全性，都是急需解決的問題[3]。針對(duì)目前制粉系統(tǒng)（主要是磨煤機(jī)、一次風(fēng)粉管）存在的安全監(jiān)控措施手段匱乏、磨煤機(jī)出口溫度過低等問題，本文開展CO 實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)安全與提效降耗的技術(shù)研究。

1 鍋爐概況

某電廠三期2×330 MW 燃煤機(jī)組鍋爐為東方鍋爐廠有限公司DG1025/18.2-Ⅱ4 型亞臨界、四角切圓燃燒、平衡通風(fēng)、自然循環(huán)汽包鍋爐，制粉系統(tǒng)采用中速磨煤機(jī)、冷一次風(fēng)機(jī)、正壓直吹制粉系統(tǒng)，每臺(tái)鍋爐配備3 臺(tái)中速磨煤機(jī)，均為沈陽重型機(jī)械集團(tuán)有限責(zé)任公司生產(chǎn)的BBD4060 雙進(jìn)雙出磨煤機(jī)[4]，每臺(tái)磨煤機(jī)配備2 臺(tái)由上海發(fā)電設(shè)備成套設(shè)計(jì)研究所生產(chǎn)的CS2024—HP 電子稱重皮帶式給煤機(jī)，每臺(tái)磨煤機(jī)帶1 層鍋爐燃燒器，設(shè)計(jì)煤種是干燥無灰基揮發(fā)分為37.22%的煙煤，磨煤機(jī)出口設(shè)計(jì)溫度爐為75 ℃。根據(jù)以往的運(yùn)行情況調(diào)查，多次發(fā)生自燃著火的安全隱患，具體情況如表1 所示。

2 制粉系統(tǒng)發(fā)生自燃與內(nèi)爆的原因

2.1 制粉系統(tǒng)管道布置存在煤粉聚集現(xiàn)象

影響制粉系統(tǒng)自燃與內(nèi)爆的根本原因在于煤粉本身的以下特性：一是煤粉的爆炸極限；二是揮發(fā)分含量；三是粉塵細(xì)度[5]。此外，雖然磨煤機(jī)整體的設(shè)計(jì)、安裝以及運(yùn)行控制方面比較成熟可靠，但是受制于現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際情況、鍋爐燃燒系統(tǒng)的設(shè)計(jì)安裝以及運(yùn)行要求，決定了制粉系統(tǒng)的整體布置難以完全避免發(fā)生煤粉的異常積累，而異常累積的煤粉本身的特性決定了磨煤機(jī)及其一次風(fēng)管的自燃與內(nèi)爆事故的發(fā)生。

目前，國內(nèi)制粉系統(tǒng)管道布置方式普遍為帶管道彎頭的粉管布置和帶有分管的粉管布置。由此可以看出，出于現(xiàn)場(chǎng)布置的原因，煤粉的異常積累往往發(fā)生在管道彎頭處、變管徑處或主管與分管的分配器處、小角度傾斜角管道布置處等部位。特別是對(duì)于老廠或經(jīng)常變負(fù)荷運(yùn)行的電廠，這些部位更易造成煤粉積累進(jìn)而導(dǎo)致自燃或內(nèi)爆事故的發(fā)生。此外，管道內(nèi)部煤粉氣流對(duì)管壁的沖刷由于彎頭的離心作用使管道內(nèi)壁磨損不均勻，更進(jìn)一步惡化了內(nèi)部風(fēng)粉流場(chǎng)，致使煤粉發(fā)生異常累積，這也是風(fēng)粉管自燃的一大原因。同理，磨煤機(jī)內(nèi)部的分離器、粗粉回粉管等也是常見的煤粉自燃部位。

從某電廠制粉系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)管道布置情況可以看出，彎頭較多，還存在煤粉管道傾斜布置的情況，這些都會(huì)導(dǎo)致煤粉在管道內(nèi)部聚集、自燃進(jìn)而燒損一次風(fēng)管的情況發(fā)生。

表1 菏澤公司三期2×330 MW 機(jī)組磨煤機(jī)一次風(fēng)管自燃著火及搶修情況

2.2 火災(zāi)預(yù)警系統(tǒng)難以準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)

現(xiàn)有的磨煤機(jī)保護(hù)系統(tǒng)大都基于溫度進(jìn)行火警監(jiān)測(cè)，即在系統(tǒng)最有可能發(fā)生煤粉累積的部位安裝溫度傳感器，在磨煤機(jī)進(jìn)出口設(shè)測(cè)溫點(diǎn)與測(cè)壓點(diǎn)，以監(jiān)測(cè)系統(tǒng)運(yùn)行是否正常[6]，惰性氣體或消防蒸汽等系統(tǒng)用于火情出現(xiàn)后的消除或補(bǔ)救措施。采用此種原理的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)為溫度火災(zāi)預(yù)警系統(tǒng)，但該系統(tǒng)存在以下缺點(diǎn)：第一，磨煤機(jī)內(nèi)部空間大，溫度測(cè)點(diǎn)是點(diǎn)監(jiān)測(cè)，而磨煤機(jī)系統(tǒng)復(fù)雜，監(jiān)測(cè)點(diǎn)難以覆蓋整個(gè)磨煤機(jī)系統(tǒng)，對(duì)一次風(fēng)管道更是無法實(shí)施監(jiān)測(cè)。第二，可靠性差，誤報(bào)幾率大。第三，由于煤本身的熱解動(dòng)力學(xué)特性，監(jiān)測(cè)效果嚴(yán)重滯后，時(shí)間裕量過小，造成溫度預(yù)警系統(tǒng)失去了預(yù)警的作用，現(xiàn)在更多地表現(xiàn)為制粉系統(tǒng)火情的確認(rèn)信號(hào)。

正是由于此種情況，出于設(shè)備生產(chǎn)安全方面的考慮，嚴(yán)格控制磨煤機(jī)出口的一次風(fēng)溫成為解決該問題的一個(gè)不得已的方法，但過于嚴(yán)格地控制磨煤機(jī)出口的一次風(fēng)粉溫度，則會(huì)嚴(yán)重制約鍋爐效率的提升。因此，本文提出通過監(jiān)測(cè)CO 濃度來提前預(yù)警制粉系統(tǒng)是否存在煤粉聚集和自燃隱患。

3 基于煤熱解理論的CO 在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 煤熱解理論

煤自燃是煤不經(jīng)點(diǎn)燃而自行著火的現(xiàn)象，是有自燃傾向性的煤在遇到空氣中的氧氣時(shí)，進(jìn)行氧化產(chǎn)生的熱量大于向周圍環(huán)境中散失的熱量，發(fā)生了熱量聚集，使煤溫升高達(dá)到燃點(diǎn)而著火的過程。不同的煤種著火點(diǎn)都不同[7]，具體情況如表2 所示。

表2 不同煤種的著火點(diǎn)

煤熱解動(dòng)力學(xué)的任務(wù)是研究煤在熱解過程中的反應(yīng)種類、反應(yīng)速度、反應(yīng)歷程、反應(yīng)產(chǎn)物、反應(yīng)控制因素以及反應(yīng)動(dòng)力學(xué)常數(shù)，從反應(yīng)伴隨的宏觀現(xiàn)象探索并揭示反應(yīng)機(jī)理，了解煤結(jié)構(gòu)與反應(yīng)能力之間的關(guān)系，從而有效控制熱解反應(yīng)[8]。煤粉能夠自燃，主要是煤在低溫階段的物理吸附、化學(xué)吸附和化學(xué)反應(yīng)能夠產(chǎn)生熱量，這些熱量在一定環(huán)境下能夠聚集，從而使煤溫度上升，最終引起燃燒[9]。

從煤的自熱析出CO 至達(dá)到煤的著火點(diǎn)有一定的時(shí)間間隔，此時(shí)間間隔即為冗余時(shí)間；不同煤種熱解過程CO 濃度變化如圖1 所示。常見的動(dòng)力用煤種，從監(jiān)測(cè)到CO 至著火點(diǎn)有充足的時(shí)間裕量，保守的冗余時(shí)間為120 min 以上，煙煤氧化溫度與時(shí)間關(guān)系如圖2 所示。因此，監(jiān)測(cè)CO 濃度可以提前預(yù)警設(shè)備是否存在煤粉聚集和自燃隱患。

圖1 不同煤種熱解過程CO 體積分?jǐn)?shù)變化

圖2 煙煤氧化溫度與時(shí)間關(guān)系圖

3.2 CO 在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的選型

為了有效建立CO 實(shí)時(shí)在線安全及提效降耗監(jiān)控系統(tǒng)并推廣應(yīng)用，CO 實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)設(shè)備的選型是關(guān)鍵之一?，F(xiàn)有的CO 在線監(jiān)控設(shè)備主要的2個(gè)流派是電化學(xué)法與紅外吸收法。電化學(xué)分析儀的主要原理是把測(cè)量對(duì)象氣體在電極處氧化或還原而測(cè)得電流，得出對(duì)象氣體濃度的探測(cè)器。其優(yōu)勢(shì)是功耗小，對(duì)被測(cè)氣體有高度的靈敏度以及良好的選擇性，線性好，精度高，質(zhì)量輕，體積小[10]。紅外煙氣分析儀又名非色散紅外煙氣分析儀，相比電化學(xué)傳感器而言，單機(jī)使用壽命長(zhǎng)，抗干擾能力好。但是缺點(diǎn)也很明顯，主機(jī)對(duì)測(cè)量環(huán)境要求高，功耗大，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，價(jià)格高，后期維護(hù)量大[11]。所以在尾部煙道復(fù)雜氣體工況下紅外吸收法在線檢測(cè)儀使用較多，而其他情況下電化學(xué)法在線檢測(cè)儀使用較多。如何把在線監(jiān)測(cè)的穩(wěn)定性、可靠性、工況的適用性、價(jià)格等各方面因素綜合考量是選擇在線分析儀的關(guān)鍵。因?yàn)楸卷?xiàng)目檢測(cè)的是制粉系統(tǒng)的CO 氣體，不涉及燃燒后的復(fù)雜氣體環(huán)境，所以采用電化學(xué)原理的檢測(cè)設(shè)備為宜。

3.3 CO 在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)特點(diǎn)

3.3.1 確保測(cè)量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性

因?yàn)楸卷?xiàng)目是在制粉系統(tǒng)安全的前提下提升磨煤機(jī)出口溫度進(jìn)而達(dá)到節(jié)能降耗的目的，因此與其他部位的檢測(cè)技術(shù)需求最大的差別在于必須要求在線分析儀采用實(shí)時(shí)在線（即一拖一）監(jiān)測(cè)形式，只有實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)才能避免各個(gè)取樣點(diǎn)在主機(jī)測(cè)量室檢測(cè)時(shí)出現(xiàn)互相干擾情況，確保測(cè)量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

3.3.2 CO 在線監(jiān)測(cè)設(shè)備的適用性

必須符合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際運(yùn)行要求，最好可以就地安裝，維護(hù)量要盡可能小，相對(duì)于精度，更重要的是免維護(hù)、運(yùn)行穩(wěn)定、可靠性高和適用性強(qiáng)。

3.3.3 CO 數(shù)據(jù)庫的建立方式

CO 數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)的收集方法、標(biāo)準(zhǔn)、范圍需要考慮不同煤種、運(yùn)行狀態(tài)等因素的綜合影響，既要達(dá)到避免誤報(bào)警影響正常穩(wěn)定生產(chǎn)，又不能影響設(shè)備的安全性。

3.3.4 分散控制系統(tǒng)整合

以前期運(yùn)行儲(chǔ)備的CO 數(shù)據(jù)庫為基礎(chǔ)，將CO實(shí)時(shí)在線監(jiān)控系統(tǒng)整合進(jìn)分散控制系統(tǒng)DCS（distributed control system），確定聯(lián)鎖執(zhí)行方式，進(jìn)入正常運(yùn)行工作。

3.4 CO 在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)

3.4.1 技術(shù)路線

在現(xiàn)有煤熱解理論技術(shù)成果的基礎(chǔ)上，依據(jù)菏澤電廠現(xiàn)有的入爐煤的煤質(zhì)情況并根據(jù)本廠制粉系統(tǒng)的實(shí)際現(xiàn)狀，確定CO 設(shè)備的安裝部位與方式；以CO 監(jiān)測(cè)設(shè)備實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)為基準(zhǔn)，建立初期的CO 安全以及溫升數(shù)據(jù)庫范本；在現(xiàn)有DCS 系統(tǒng)上增加CO 實(shí)時(shí)監(jiān)控項(xiàng)目，以前期運(yùn)行儲(chǔ)備的CO 數(shù)據(jù)庫為基礎(chǔ)，進(jìn)行邏輯以及報(bào)警值設(shè)定；建立相應(yīng)的運(yùn)行規(guī)范。

3.4.2 CO 在線監(jiān)測(cè)設(shè)備的安裝部位與方式

建立制粉系統(tǒng)的CO 實(shí)時(shí)在線安全與提效降耗監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)CO 在線監(jiān)測(cè)設(shè)備的就地布線、安裝與調(diào)試，CO 在線監(jiān)測(cè)設(shè)備輸出信號(hào)與DCS 主機(jī)的連接。雙進(jìn)雙出磨煤機(jī)CO 監(jiān)控系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)點(diǎn)取樣探頭安裝在輸出管道的垂直管段。因?yàn)? 個(gè)雙進(jìn)雙出磨煤機(jī)組有2 個(gè)獨(dú)立的制粉通道，所以每臺(tái)磨煤機(jī)需要安裝2 套CO 在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)才能保證實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)磨煤機(jī)整體的安全性。雙進(jìn)雙出磨煤機(jī)CO 監(jiān)控系統(tǒng)安裝在磨煤機(jī)煤粉管出口垂直段上，快關(guān)閥下部，每臺(tái)磨煤機(jī)出口安裝2 個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)。一次風(fēng)管進(jìn)入噴燃器前的CO 監(jiān)控系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)點(diǎn)取樣探頭安裝在一次風(fēng)管進(jìn)入噴燃器前的垂直管段，如果沒有垂直管段，要在點(diǎn)火油槍等設(shè)備之前安裝，如果一次風(fēng)管有閘閥等截止閥，則安裝在截止閥的入風(fēng)口部位，一次風(fēng)管進(jìn)入噴燃器前的CO監(jiān)控系統(tǒng)安裝在噴燃器前的垂直管段處。

3.4.3 CO 數(shù)據(jù)庫的建立與數(shù)據(jù)建模

依照原規(guī)程連續(xù)運(yùn)行不小于24 h 獲取不同負(fù)荷情況下的CO 數(shù)據(jù)參數(shù)；更換煤種時(shí)重新進(jìn)行上述步驟并觀察實(shí)際參數(shù)的變化量；分析獲取CO 數(shù)據(jù)，設(shè)定制粉系統(tǒng)安全運(yùn)行時(shí)CO 的上限值與報(bào)警值；在保證安全的前提下（在火情危險(xiǎn)源出現(xiàn)時(shí)及時(shí)預(yù)警，提供60 min 左右的時(shí)間裕量），以5 ℃溫升（最高溫升不大于20 ℃）為梯段進(jìn)行溫度提升驗(yàn)證工作并建立不同溫升梯段時(shí)的CO 數(shù)據(jù)庫模板，作為提升磨煤機(jī)出口溫度的綜合標(biāo)定數(shù)據(jù)；以上述步驟為基礎(chǔ)，研究CO 數(shù)據(jù)的規(guī)律，以CO 監(jiān)控設(shè)備測(cè)量的數(shù)據(jù)為控制參量，直接控制磨煤機(jī)出口溫度進(jìn)行算法建模或報(bào)警值設(shè)定，調(diào)整相應(yīng)的報(bào)警上下限值，并確保磨煤機(jī)出口溫升10 ℃的安全可靠性。

3.4.4 分散控制系統(tǒng)整合

由鍋爐、熱控、電氣、運(yùn)行等相關(guān)人員確定聯(lián)鎖執(zhí)行方式，將CO 實(shí)時(shí)在線監(jiān)控系統(tǒng)整合進(jìn)DCS 系統(tǒng)，進(jìn)入正常運(yùn)行工作。報(bào)警預(yù)處理設(shè)置為兩級(jí)報(bào)警體系：一級(jí)報(bào)警值用于報(bào)警下限的設(shè)置，此時(shí)密切關(guān)注CO 數(shù)值變化，并適當(dāng)調(diào)整冷熱風(fēng)門的開度以控制CO 濃度的升高；二級(jí)報(bào)警值為報(bào)警上限值，處理方案為進(jìn)行停磨聯(lián)鎖動(dòng)作，必要時(shí)可以打開消防蒸汽以確保磨煤機(jī)的安全。

4 結(jié)束語

電廠磨煤機(jī)作為鍋爐燃燒制粉系統(tǒng)的核心設(shè)備，是電廠重要的鋪機(jī)，其工作狀況對(duì)整個(gè)電廠系統(tǒng)運(yùn)行的安全和經(jīng)濟(jì)性具有重要影響。煤是火力發(fā)電廠的主要燃料，提高設(shè)備運(yùn)行的安全、穩(wěn)定性，發(fā)展監(jiān)測(cè)與診斷相關(guān)的技術(shù)，實(shí)施狀態(tài)檢修，是電廠的必然要求。煤主要由碳組成，在存在氧氣和溫度足夠的條件下，將會(huì)起反應(yīng)開始氧化過程，如果該反應(yīng)持續(xù)下去，結(jié)果是進(jìn)一步地氧化將導(dǎo)致自燃和CO 的產(chǎn)生。CO 的濃度是火焰發(fā)生的一個(gè)重要指示，如果CO 被監(jiān)測(cè)出來，就可以在上述的反應(yīng)因自燃而發(fā)展成明火之前，用作火災(zāi)的前期報(bào)警，在實(shí)際火災(zāi)發(fā)生之前，就監(jiān)測(cè)出潛在危險(xiǎn)[12]。因此，基于煤的熱解理論，在磨煤機(jī)本體及一次風(fēng)管安裝取樣探頭，實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)磨煤機(jī)本體及一次風(fēng)管全工況下的CO 數(shù)值，可以全方位地監(jiān)控其安全性，并提供充足的時(shí)間裕量消除事故隱患。通過建立磨煤機(jī)本體及一次風(fēng)管的CO 監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)庫，可進(jìn)而實(shí)現(xiàn)科學(xué)量化地提升磨煤機(jī)一次風(fēng)出口溫度，達(dá)到節(jié)能降耗的目的。