基于煙道CO/O2 雙參量火力發(fā)電廠燃燒控制優(yōu)化

郝轟宇，楊 俊，田宏亮

（內蒙古能源發(fā)電準大發(fā)電有限公司，內蒙古 準格爾旗 010300）

1 電廠鍋爐燃燒概況

目前，火力發(fā)電多數電廠鍋爐運行主要存在下列系列問題：鍋爐排煙溫度偏高、飛灰可燃物含量偏高、再熱器減溫水量大、爐膛水冷壁存在高溫腐蝕等，鍋爐運行的經濟性和安全性都有提升空間。分析來看，鍋爐運行中所存在的這些問題，都與制粉系統(tǒng)及燃燒調整密切相關。

2 存在問題

1）鍋爐缺乏分級配風調整的依據。鍋爐低氮燃燒改造后，爐內分級配風的調整依靠運行人員的經驗和原特定工況下試驗結果的指導，分級配風調整的依據的實時性和精確性較差。如何在不同的工況條件下，保持低氮與高效之間合理的平衡點是現(xiàn)場需要解決的又一問題。

2）鍋爐運行經濟性較低。鍋爐排煙溫度偏高、飛灰可燃物含量偏高、鍋爐爐效偏低，燃燒的經濟性有提升的空間。低氮方式下，送風量的合理選擇與調整，燃盡風與主燃區(qū)風量的合理分配與調整，各輔助風配風的合理以及爐效與NOX排放合理平衡等，都會影響爐內燃燒的均衡性，進而影響鍋爐的燃燒效率和爐效。

3）高溫腐蝕結焦結渣現(xiàn)象多。在低氮燃燒情況下，更易出現(xiàn)高溫腐蝕問題，特別是在燃煤硫份波動較大時，更要關注水冷壁高溫腐蝕風險，因此，適應當前煤種，如何在運行過程中，采用實時優(yōu)化調整技術，減輕或消除鍋爐高溫腐蝕和結焦結渣，是該鍋爐亟待解決的另一個問題。

4）爐內存在火焰偏燒，爐內熱負荷分布不均，存在較大的煙溫偏差，左右兩側的汽溫存在較大的偏差，受熱面局部管壁超溫風險明顯，以及水冷壁向火側的高溫腐蝕管壁減薄、結渣高溫氣流對管壁的沖蝕磨損等，存在較大爆管風險。

5）精細配風依據少。目前，現(xiàn)場僅依據O2來控制鍋爐總風量指導燃燒調整，在當前普遍采用低氮燃燒情況下的燃燒優(yōu)化，沒有將反映實時燃燒工況的煙氣CO 值納入鍋爐燃燒調整中，缺乏精細配風的調控手段等。這些都對給鍋爐高效、可靠和環(huán)保運行造成不可忽視的影響[1]。

3 優(yōu)化方案

3.1 風粉在線測量

目前有一種風粉測量裝置，融合靜電技術、電容技術以及聲發(fā)射技術（見圖1）。以靜電原理完成煤粉流速的測量，同時該參數參與聲波原理對細度的模型運算；由電容法耦合煤粉流速完成煤粉絕對質量流量和煤粉濃度的測量；聲發(fā)射技術及靜電技術融合測量煤粉細度，同時也該數據可參與電容法對煤粉濃度的計算。

圖1 煤粉測量原理圖

3.1.1 基于交流電荷法的煤粉流速

物質原子中由帶負電荷的電子和帶正電荷的質子構成。當兩個不同的物體相互接觸時就會使得一個物體失去或得到一些電荷。對于煤粉顆粒通過電極組時會感應到靜電荷，在金屬電極上產生交流電荷，信號調理電路將交流電荷信號轉變?yōu)榻涣麟妷盒盘枴?/p>

通過計算上游和下游電極間的流量通過時間確定流體速度。在顆粒的均勻分布和不規(guī)則速度分布中及體積濃度為0.1%或更低時，會導致測量的流量參數出現(xiàn)顯著波動。采用一組電極同時進行多次測量，從而通過融合所有測量值獲得更可靠的流量參數。并通過相關算法進行運算，再通過融合單個速度來確定顆粒的加權平均速度[2]。

3.1.2 基于電容法的煤粉質量流量和煤粉濃度

電容法測量顆粒濃度的基本原理是：氣固兩相流的氣相和固相介質具有不同的介電常數，當氣固混合流體通過電容極板形成的敏感場時，流體混合物濃度(即等效介電常數)的變化將引起兩電極間電容值的變化，因此固相濃度測量問題轉化為檢測電容值的問題。由于空氣和煤粉介電常數的差異，當管道內煤粉濃度發(fā)生變化時，對應電極之間的電容參數值會發(fā)生改變，可以通過測量電容傳感器相對電極之間的電容值變化來與標定計算煤粉的體積濃度。

3.1.3 基于聲發(fā)射法的煤粉細度

對應一次風管道中，煤粉高速度，低濃度的流動狀態(tài)，更容易獲得較強的煤粉顆粒沖擊信號。

固體顆粒對金屬波導的沖擊產生瞬態(tài)彈性應力波，并從沖擊點向外傳播。距聲源一定距離的傳感器將微小的表面振動轉換成電信號，然后進行信號處理及運算。沖擊粒子的尺寸是影響沖擊力的關鍵參數之一。通過物理建模和充分的信號處理，從單個撞擊事件中得出顆粒大小。

3.2 CO 測量

比較氧量而言，煙氣CO 受漏風影響很小，且敏感性高于氧量值；CO 與過量空氣、爐內局部缺氧（風）、未燃碳熱損失、H2S 濃度、灰熔點及NOx排放等因素直接相關；CO 與火焰偏斜或火焰沖刷水冷壁正相關。因此，可將CO 作為新增的關鍵參數，通過建立CO 與鍋爐熱損失（鍋爐效率）、爐膛出口NOx、綜合運行成本等之間關聯(lián)模型，基于模型預測和綜合尋優(yōu)方法，構建鍋爐燃燒優(yōu)化控制策略，提出燃燒優(yōu)化運行建議，實現(xiàn)鍋爐總風量和燃盡風量的優(yōu)化控制，確保鍋爐高效低氮穩(wěn)定運行。

采用CO 檢測進行燃燒調整具有如下優(yōu)點：

1）爐膛燃燒器區(qū)域煙氣中CO 濃度對總風量及各層風量分配的反應十分靈敏，特別是在臨界點附近，O2的微小變化就會導致CO 濃度的急劇變化，根據爐內主燃區(qū)CO 的測量，結合氧量，有針對性地進行二次風擋板調整和總風量調整，實現(xiàn)燃燒的精細化控制。

2）鍋爐水冷壁的腐蝕除了燃用煤種含硫量過高外，還有很大一部分原因是因為爐內偏燒、火焰刷墻以及局部還原性氛圍所導致的，而這種工況在僅用氧量監(jiān)測往往不能得到有效監(jiān)控，CO 在線測量有效地解決了這一難題。通過對爐內壁面CO 濃度的在線監(jiān)測，結合其他運行特征，可以對水冷壁高溫腐蝕和結焦結渣風險進行在線監(jiān)控，并指導運行人員進行及時的調整，消除水冷壁高溫腐蝕結焦結渣的風險。

3）可通過CO 在線測量，適當控制過量空氣量稍低，為鍋爐低氧運行提供必要的保障，降低鍋爐爐膛出口NOx，并且還能使SO2氧化成SO3的數量減少，進而減輕尾部受熱面的腐蝕和空預器堵塞風險。

4）合理組織爐內空氣動力場，及時發(fā)現(xiàn)并糾正火焰偏斜，保證爐膛火焰具有良好的充滿度，從而能有效地保證鍋爐燃燒的穩(wěn)定性。

5）保證正常的燃燒工況，減小煙溫偏差，降低由此而帶來的低負荷運行條件下容易出現(xiàn)的氣溫偏差大而引起的受熱面管壁超溫和爆管。

6）通過對主燃區(qū)燃燒的精細化控制，能有效的降低飛灰含碳量和煙氣中CO 含量，有效提高低負荷運行條件下鍋爐效率。

煙氣CO 檢測技術及其在鍋爐燃燒調整中的應用最早在英國、德國、美國等國家的燃煤電廠中得到了廣泛采用。前些年，華中科技大學煤燃燒國家重點實驗室、西安熱工研究院及浙江電力科學研究院等單位的專家曾專門對依據煙氣中CO 監(jiān)測進行燃煤鍋爐的燃燒調整技術做過初步的研究和總結，并已形成了較好的理論基礎[3]。

4 系統(tǒng)組成及總體設計

4.1 系統(tǒng)組成

4.1.1 測量單元

風粉傳感器主要測量煤粉管內的煤粉細度、煤粉濃度和煤粉流速。煤粉流速可直接測量，無需標定，煤粉流速測量精度可達±2%；煤粉濃度及細度的測量精度可達±5%。

4.1.2 控制單元

運算傳感器提供數據，并進行顯示及數據存儲。

4.1.3 煤粉均衡裝置

基于測得的一次風粉流速、濃度和細度等測量數據，可通過風粉平衡調整設備對煤粉流速、流量偏差大的管道進行調整，使所有管道的風粉濃度、流速均在設定的偏差范圍內，以解決從磨煤機出口多個輸出管路中的空氣和煤粉在熱態(tài)下的阻力均衡問題。

4.2 方案總體設計

方案按每臺磨煤機安裝一套風粉在線檢測裝置設計，系統(tǒng)如圖2 和圖3 所示。

圖2 鍋爐風粉智能測量與控制系統(tǒng)示意圖

圖3 安裝示意圖

4.3 系統(tǒng)實現(xiàn)功能

實時監(jiān)測管道內煤粉流的煤粉細度、煤粉濃度、煤粉流速；實時監(jiān)測每臺磨煤機分配給各一次風管的煤粉均勻情況；通過設置煤粉細度、煤粉濃度、煤粉流速的報警閥值，輔助診斷一次風管內堵粉、斷粉現(xiàn)象；直觀顯示運行趨勢、各風管比值、趨勢圖、柱狀圖，同時備份數據；依據測量的結果以及鍋爐一次風的偏差情況，利用有效的煤粉均衡裝置來實現(xiàn)流速與濃度的均衡。

5 結論

1）依據實時煤粉細度，指導現(xiàn)場通過對磨煤機出力的調整實現(xiàn)最佳細度，優(yōu)化磨煤機使磨煤機耗電與煤粉細度達到最優(yōu)組合，降低運行成本。

2）提高燃燒的穩(wěn)定性，減小爐膛負壓的波動，并預防出現(xiàn)一次風管堵粉等事故的發(fā)生；

3）防止火焰偏斜造成的鍋爐設備安全問題；在線診斷各燃燒器出口煤粉流速及濃度的的均衡程度，防止風粉不均而引起的爐內結渣、熱負荷偏斜，高溫腐蝕、磨損、爐膛出口煙溫煙速偏差大等問題；防止水冷壁爆管事件的出現(xiàn)，延長水冷壁壽命；

4）有效改善鍋爐燃燒狀況，降低CO、NOx、飛灰、減少排煙損失，降低風機電耗、煤耗。另外，均勻燃燒可改善煙氣中NOx分布，有利于脫硝的運行及減少氨逃逸，降低空預器堵塞風險。

因此，安裝風粉及在線CO 在線精確測量在線測量裝置，以實現(xiàn)基于CO 在線監(jiān)測的精細化燃燒調整與優(yōu)化控制，在確保及時發(fā)現(xiàn)和糾正高溫腐蝕、結焦結渣以及爐膛出口煙溫偏差過大、飛灰含碳量過高等不良狀況、提高鍋爐運行可靠性的同時在線實時尋求鍋爐爐效與爐膛出口NOx的最佳平衡點，提高鍋爐的效率、降低NOx排放濃度。

在線測量煙氣CO 和O2，根據鍋爐的負荷、煤種等參數實時可視化給出燃燒調整操作指導，優(yōu)化鍋爐的配風、配煤燃燒運行方式。通過燃燒優(yōu)化調整可以解決：均衡燃燒、合理的低氮燃燒方式（在綜合考慮防結渣高溫腐蝕、NOx排放及爐效等的情況下確定合理的燃盡風率）、智能風量優(yōu)化控制、高溫腐蝕監(jiān)測與預防、結焦結渣預防技術、超低負荷穩(wěn)燃技術和智能配風優(yōu)化控制等，實現(xiàn)鍋爐燃燒系統(tǒng)的優(yōu)化運行，切實保證鍋爐高效、可靠、低污染運行，具有較大的經濟效益和社會效益。