飛灰含碳在線測(cè)量在660 MW機(jī)組鍋爐燃燒中應(yīng)用

張 超 柳 寧 繩鵬鵬 崔小軍

(陜西德源府谷能源有限公司)

鍋爐燃燒優(yōu)化主要是通過(guò)調(diào)整鍋爐燃料以及優(yōu)化配風(fēng)來(lái)實(shí)現(xiàn)，在保證穩(wěn)定著火、安全燃燒的基礎(chǔ)上，提升鍋爐運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性[1-4]，并減少污染物的排放?？焖贉?zhǔn)確地測(cè)量鍋爐運(yùn)行的重要參數(shù)是鍋爐優(yōu)化燃燒的關(guān)鍵，眾多的參數(shù)中燃煤機(jī)械未完全燃燒損失占比較大，而飛灰含碳量多少反映了燃煤機(jī)械未完全燃燒損失的大小[5-6]。

目前，飛灰含碳測(cè)量技術(shù)主要包括微波諧振法、失重法、激光法等[7]。采用符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《DLT 926-2005 自抽式飛灰取樣方法》的飛灰取樣器將灰樣由煙道內(nèi)取出，在測(cè)量單元中進(jìn)行測(cè)量和分析。微波諧振法的優(yōu)點(diǎn)是在線監(jiān)測(cè)能力強(qiáng)，但存在測(cè)量擾動(dòng)量容易混淆的問(wèn)題；激光法的優(yōu)點(diǎn)是效率高，但存在飛灰顆粒流的顆粒分布不均勻和激光燒蝕激發(fā)不完全的問(wèn)題，進(jìn)而導(dǎo)致光譜穩(wěn)定性降低，給后續(xù)的定量分析造成很大干擾[8]；基于失重法的飛灰含碳精準(zhǔn)檢測(cè)技術(shù)是一種測(cè)量可信高、不受煤種變化影響的研究方法，如何解決取樣器的磨損和堵塞問(wèn)題是保證設(shè)備正常工作的重要課題[9]。

1 飛灰含碳檢測(cè)原理

利用灰樣燒失量計(jì)算灰樣中含碳量：稱(chēng)出收灰前空坩堝的質(zhì)量以及取灰后的坩堝加灰樣的質(zhì)量；執(zhí)行機(jī)構(gòu)將裝有灰樣的坩堝送入電爐進(jìn)行灼燒；灼燒到規(guī)定時(shí)間(8 min)后，再由執(zhí)行機(jī)構(gòu)將坩堝從電爐中取出，并送到稱(chēng)重單元對(duì)灼燒后的坩堝加灰樣進(jìn)行稱(chēng)重；利用稱(chēng)重單元對(duì)收灰前、收灰后、灼燒后所稱(chēng)出的質(zhì)量值來(lái)計(jì)算灰樣的含碳量。灼燒的灰樣由測(cè)量箱內(nèi)的排灰機(jī)構(gòu)排回到煙道中去?；覙又泻剂坑?jì)算式為：

(1)

式中：wc為所測(cè)灰樣中含碳量質(zhì)量百分?jǐn)?shù)；m1為收灰前坩堝質(zhì)量，g；m2為收灰后坩堝質(zhì)量，g；m3為灼燒后坩堝質(zhì)量，g。

2 飛灰含碳檢測(cè)方案

飛灰測(cè)碳裝置主要采用了以下幾項(xiàng)技術(shù)措施：①取樣管整體采用不銹鋼，并在取樣管的迎風(fēng)面貼有定制的耐磨陶瓷片，保證煙道內(nèi)的飛灰取樣管不易磨損；②旋流集塵器采用耐磨鋼，在旋流集塵器內(nèi)部采用耐磨陶瓷貼片，在旋流集塵器外部采用高性能的膜式加熱器，保證飛灰不易粘結(jié)和磨損；③取樣彎管采用陶瓷整體設(shè)計(jì)技術(shù)，在接口部分采用不粘灰的四氟材料，防止飛灰粘結(jié)；④對(duì)測(cè)量管路、分離器、彎管采用全程加熱，確保取樣管路處于高溫狀態(tài)，不會(huì)產(chǎn)生冷凝水，防止取樣管的堵塞；⑤采用周期性的振打，使管壁上可能粘結(jié)的灰塊脫落。實(shí)踐證明，這些措施可以有效防止灰路系統(tǒng)的堵塞、磨損和粘結(jié)問(wèn)題。

基于灼燒失重法的飛灰測(cè)碳裝置，稱(chēng)重單元的設(shè)計(jì)是非常關(guān)鍵的，其對(duì)于現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境的適應(yīng)性決定了飛灰測(cè)碳裝置的測(cè)量精度。工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)對(duì)天平測(cè)量精度的影響因素主要有振動(dòng)、溫度和氣流。對(duì)天平的稱(chēng)量部件進(jìn)行了獨(dú)特的防風(fēng)設(shè)計(jì)，確保天平的測(cè)量精度，使其能完全滿足對(duì)飛灰含碳量測(cè)量的應(yīng)用。

常溫實(shí)驗(yàn)室稱(chēng)量條件下通常忽略空氣浮力對(duì)物體質(zhì)量的影響。在熱作用下物體受到氣體密度、氣體流量、溫度和相對(duì)濕度等因素的影響，相對(duì)于常溫實(shí)驗(yàn)室稱(chēng)量條件下物體的質(zhì)量產(chǎn)生變化的現(xiàn)象稱(chēng)為浮力效應(yīng)[10]。飛灰測(cè)碳裝置所采集的灰樣需要在線灼燒，加熱裝置的設(shè)定溫度為815±10 ℃，飛灰測(cè)碳單元內(nèi)的氣流擾動(dòng)比較劇烈，在對(duì)稱(chēng)重單元進(jìn)行充分防護(hù)的基礎(chǔ)上，需要進(jìn)一步采用空白坩堝進(jìn)行浮力效應(yīng)校正。裝置定期采用空坩堝在不取樣情況下執(zhí)行一次灼燒稱(chēng)重流程進(jìn)行浮力校驗(yàn)，可有效消除環(huán)境變化所產(chǎn)生浮力效應(yīng)的影響。

浮力效應(yīng)校正的經(jīng)驗(yàn)公式為：

(2)

式中：mf為經(jīng)浮力效應(yīng)校正后的樣品和坩堝質(zhì)量；ma為室溫下空白坩堝的質(zhì)量；mt為測(cè)定溫度下空白坩堝的質(zhì)量；mst為測(cè)定溫度下帶樣坩堝的質(zhì)量。

3 實(shí)例分析

某2×660 MW超超臨界燃煤空冷發(fā)電機(jī)組，2022年9月在3、4號(hào)爐上各安裝了4套飛灰含碳量在線測(cè)量裝置，裝置投運(yùn)后運(yùn)行穩(wěn)定。

為了進(jìn)一步驗(yàn)證飛灰測(cè)碳裝置的測(cè)量精度，在飛灰含碳量在線測(cè)量裝置取樣點(diǎn)附近安裝了手動(dòng)取樣裝置。在不同工況下，通過(guò)手動(dòng)取樣器上收取一定數(shù)量的灰樣送到實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行化驗(yàn)，同步記錄下在線儀表的顯示數(shù)值，在線儀表顯示值和化驗(yàn)值對(duì)比結(jié)果如表1所示。

表1 在線儀表顯示值與化驗(yàn)值對(duì)比結(jié)果

在線儀表顯示值和化驗(yàn)值誤差較小，均在 ±0.4%以內(nèi)，完全能滿足電廠智慧燃燒系統(tǒng)對(duì)測(cè)量精度的要求。

針對(duì)該660 MW機(jī)組，采用數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)方法建立的飛灰含碳預(yù)測(cè)模型結(jié)構(gòu)如圖1所示。最小二次支持向量機(jī)模型(LSSVM)中選取上一時(shí)刻機(jī)組負(fù)荷、給煤機(jī)給煤量、二次風(fēng)門(mén)開(kāi)度、燃盡風(fēng)門(mén)開(kāi)度、省煤器出口氧量與飛灰含碳作為輸入，當(dāng)前時(shí)刻飛灰含碳量預(yù)測(cè)值作為模型輸出。

圖1 飛灰含碳預(yù)測(cè)模型結(jié)構(gòu)

從機(jī)組DCS歷史數(shù)據(jù)庫(kù)中導(dǎo)出20 d歷史運(yùn)行數(shù)據(jù)，采樣周期設(shè)置為20 s。對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行清洗和歸一化后，選擇前2 000個(gè)樣本建立飛灰含碳預(yù)測(cè)模型，后5 000個(gè)樣本用于模型性能測(cè)試。針對(duì)鍋爐因煤質(zhì)變化、爐膛積灰結(jié)渣等擾動(dòng)出現(xiàn)燃燒特性時(shí)變的現(xiàn)象，文章通過(guò)適當(dāng)?shù)呐f樣本替換新樣本策略完成模型自更新[11]，以實(shí)時(shí)跟蹤鍋爐特性。飛灰含碳預(yù)測(cè)模型中，核參數(shù)1.2，懲罰參數(shù)100，核參數(shù)和懲罰參數(shù)采用粒子群優(yōu)化算法(PSO)結(jié)合5折交叉驗(yàn)證得出。模型支持向量數(shù)設(shè)置為500，最大允許誤差設(shè)置為0.01%，即當(dāng)模型預(yù)測(cè)誤差大于0.01%時(shí)采用樣本替換更新策略。

飛灰含碳實(shí)際值與預(yù)測(cè)值誤差保持在較小范圍內(nèi)，最大誤差不超過(guò)0.015%。這說(shuō)明模型具有良好的預(yù)測(cè)精度，能準(zhǔn)確預(yù)測(cè)飛灰含碳變化趨勢(shì)，正確反映鍋爐燃燒特性。

利用飛灰含碳的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量數(shù)據(jù)，建立實(shí)時(shí)更新LSSVM飛灰含碳預(yù)測(cè)模型，并以其為燃燒優(yōu)化系統(tǒng)預(yù)測(cè)模型之一。通過(guò)預(yù)測(cè)控制技術(shù)，對(duì)給煤機(jī)給煤量、二次風(fēng)門(mén)開(kāi)度、燃盡風(fēng)門(mén)開(kāi)度、省煤器出口氧量進(jìn)行了實(shí)時(shí)優(yōu)化調(diào)整。現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行結(jié)果表明，投入燃燒優(yōu)化系統(tǒng)后，飛灰含碳量均值由優(yōu)化前的2.1%降到1.5%，鍋爐效率平均提高0.21%。

4 結(jié)論

針對(duì)失重法飛灰測(cè)碳裝置取樣及測(cè)量方面的不足進(jìn)行了有效改進(jìn)和應(yīng)用，提高了飛灰測(cè)碳裝置的測(cè)量精度，設(shè)計(jì)了防堵耐磨的取樣單元，提高了飛灰測(cè)碳裝置的取樣穩(wěn)定性。

基于灼燒失重法的飛灰含碳測(cè)量精度高，不受煤種變化影響，是一種極具前景的測(cè)量方法，具有很高的研究與應(yīng)用價(jià)值。