作者：李學(xué)顏，*
摘要：大型電廠煤粉鍋爐各燃燒器之間煤粉分配的調(diào)平一直是一個難題。特別當(dāng)負荷及煤質(zhì)發(fā)生變化后，煤粉分配偏差更加嚴重，一般在±30％左右。這不但使機組煤耗增加而且容易產(chǎn)生過多的有害氣體氮氧化物。因此必須采取有效措施加以解決。
鍋爐燃燒優(yōu)化控制是實現(xiàn)火電廠節(jié)能減排的重要技術(shù)途徑。對于大型燃煤鍋爐，運行中燃料的分配是否均勻，配風(fēng)是否合理，將直接影響到機組運行的經(jīng)濟性、安全性和環(huán)保水平。而要實現(xiàn)運行中的優(yōu)化控制，就必須對燃燒過程的重要參數(shù)進行在線準確測量。目前，在國內(nèi)大部分燃煤電廠，對鍋爐燃燒過程關(guān)鍵參數(shù)的監(jiān)測仍采用人工取樣分析方法和傳統(tǒng)的測量手段，測量精度低且結(jié)果的實時性差，運行人員只能根據(jù)經(jīng)驗對燃燒過程進行控制。這種控制方式往往無法達到*效果，特別是當(dāng)煤質(zhì)和負荷發(fā)生變化的情況下，這種矛盾更加突出。因此，有必要采用新的在線監(jiān)測技術(shù)，輔助運行人員按照13個基本條件為目標對燃燒過程進行優(yōu)化控制，實現(xiàn)燃煤電廠節(jié)能減排的目標。
一、實現(xiàn)鍋爐燃燒優(yōu)化的基本條件
要實現(xiàn)燃煤鍋爐燃燒優(yōu)化必須具備13個基本條件：（l） 爐膛出口整個截面處于氧化性氣氛，氧量值為3％左右。（2） 熱態(tài)運行條件下各煤粉管道之間純空氣流速偏差不高于平均值±2％。（3） 各煤粉管道之間煤粉流速偏差不高于平均值±5％。（4） 各煤粉管道之間煤粉質(zhì)量流量偏差不高于平均值±10％。（5） 所有煤粉管內(nèi)煤粉細度達到：200目網(wǎng)篩（按 ASTM 標準，下同）的通過量至少為75%;50目網(wǎng)篩通過量至少為99.9％。（6）磨煤機通風(fēng)量的測量與控制，測控精度至少為±3 ％。（7）燃盡（OFA）風(fēng)量的測量和控制，測控精度至少為±3％。（8）對一次風(fēng)煤比按設(shè)定曲線進行控制。（9）各煤粉管內(nèi)煤粉流速不低于17m/S。（l0）各燃燒器及風(fēng)門擋板變形量小于6mm 。（11）各燃燒器之間二次風(fēng)量的分配偏差要小于平均值±l0％。（12）對給煤量進行測量和控制。（13）盡可能保證原煤質(zhì)量及煤塊尺寸不變。上述基本條件是燃燒調(diào)試專家經(jīng)過幾十年的現(xiàn)場經(jīng)驗得出的總結(jié)，現(xiàn)在已經(jīng)被業(yè)界普遍采用。如果機組運行過程偏離上述條件，必然導(dǎo)致機組效率的下降。降低機組能耗的各種調(diào)整方法及幅度列于表1。
上述所有方法累計節(jié)能降耗幅度可達300kJ/（kW·h），折合標準煤耗約10g/（kw·h）。根據(jù)調(diào)查，我國大部分燃煤機組在一定程度上沒有滿足燃燒優(yōu)化所要求的基本條件，因此存在著相當(dāng)大的節(jié)能潛力。
二、鍋爐燃燒優(yōu)化的主要途徑
現(xiàn)代大型電廠鍋爐的效率一般可以達到90％－94％。鍋爐的主要熱損失及所占比例為：排煙損失小于5.0%；飛灰中未*燃燒損失小于1.5%；鍋爐散熱損失小于0.5%；可燃氣體未*燃燒損失小于0.1% ；灰渣物理顯熱損失小于0 .05％。由此可見，排煙損失和飛灰未*燃燒損失所占比例zui高，因此，應(yīng)力爭降低這2項損失。如果能按照燃燒優(yōu)化所要求的13個基本條件進行燃燒調(diào)整，就能降低過量氧量和飛灰含碳質(zhì)量濃度，提高鍋爐效率。具體調(diào)整方法如下：
2.1 制粉系統(tǒng)的運行優(yōu)化方法 對制粉系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)整的主要目的是保證煤粉分配的均勻性。一般規(guī)定，各煤粉管道之間的煤粉流量分配偏差小于平均值的±10%；煤粉流速分配偏差小于平均值的巧％。影響煤粉分配均勻的主要參數(shù)是煤粉細度、磨煤機通風(fēng)量及煤粉管道之間流動阻力偏差，這幾個參數(shù)對煤粉分配的均勻性都有影響，對制粉系統(tǒng)的運行優(yōu)化實際上就是把這幾個參數(shù)有機地結(jié)合在一起。
2.1.1 煤粉細度
煤粉越細，風(fēng)一粉兩相流越具有氣相流體的特性，越容易把煤粉分配調(diào)平。合格的煤粉細度是實現(xiàn)煤粉均勻分配并具有較低飛灰含碳質(zhì)量濃度（6％以下）的基礎(chǔ)。國內(nèi)火電廠一般要求的煤粉細度為R90≤15％。
煤粉細度一般都是通過煤粉取樣的方法進行測量，取樣過程有嚴格的要求。取樣之前，先用靠背管測量煤粉管內(nèi)的煤粉流速，確定取樣嘴的吸入速度。根據(jù)ISO9931標準，當(dāng)吸入速度比煤粉流速高10％時，才能保證取出的煤粉樣品具有足夠的代表性。將取到的煤粉樣品篩分后，就能得到煤粉的細度指標。zui后將篩分后的結(jié)果按照Rosin-Rammler公式繪制成曲線，檢驗煤粉取樣的代表性。如果該曲線呈直線，則說明所取到的煤粉樣品具有代表性。
磨煤機出口通常裝有煤粉分離器，通過離心分離原理把合格的煤粉送給燃燒器；不合格煤粉重新返回磨煤機。有些磨煤機結(jié)構(gòu)參數(shù)也會影響煤粉細度，例如中速磨煤機的風(fēng)環(huán)面積、磨輥與磨盤之間的間隙、磨輥的壓力及分離器內(nèi)錐的間隙尺寸等；球磨機的裝球量、鋼球尺寸、分離器擋板及軸頸密封板尺寸等也會影響煤粉細度。有時為了提高煤粉細度，需要對磨煤機進行改造，如把擋板加長或做成弧形，更改風(fēng)環(huán)尺寸等。
2.1.2 磨煤機通風(fēng)量
磨煤機通風(fēng)量越低，煤粉分配越均勻。如果通風(fēng)量過高，粗煤粉必然具有很高的動量，容易從風(fēng)一粉氣流中離析出，使煤粉分配不均勻。通風(fēng)量過高也容易使粗煤粉比例增加，加劇煤粉分配不均。因此一般要求按照一定的風(fēng)／煤比例和固定曲線控制磨煤機通風(fēng)量。不同形式的磨煤機具有不同的*一次風(fēng)煤比（見表2）。
在保持磨煤機出口溫度不變的情況下，磨煤機通風(fēng)量過高就需要加入過多的冷風(fēng)，必然導(dǎo)致排煙損失的增加；同時，在火焰的高溫區(qū)，過高的通風(fēng)量還有助于煤中的氮元素轉(zhuǎn)化為NO
x。磨煤機通風(fēng)量過高產(chǎn)生的其他不利因素為：更容易結(jié)焦和積灰、加劇煤粉管和火嘴等部件的磨損等。對于中速磨煤機，在優(yōu)化通風(fēng)量之前，還應(yīng)核實磨煤機的風(fēng)環(huán)面積，保證風(fēng)環(huán)風(fēng)速為33~38m/s，防止由于風(fēng)速過低無法托起原煤，增加石子煤量。必要時更換風(fēng)環(huán)。
用稱重式給煤機可以測量給煤量，因此要保證*一次風(fēng)煤比還需要對通風(fēng)量控制。但是，通風(fēng)量測點所在位置大多沒有傳統(tǒng)測量裝置測量所要求的直管段長度。而且在冷熱風(fēng)混合點后的測點位置其溫度場的分布也不均勻，難以把風(fēng)量換算成標準狀態(tài)下的體積流量。另外，風(fēng)中夾帶的飛灰還容易使傳統(tǒng)測量裝置測量結(jié)果漂移，增加維護人員工作量。根據(jù)經(jīng)驗，應(yīng)該把磨煤機入口風(fēng)道做成文丘里形狀，以利于提高通風(fēng)量測量精度。
2.1.3 煤粉管道之間流動阻力偏差
煤粉管道之間流動阻力偏差越小，煤粉分配就越均勻。對煤粉管道之間煤粉分配調(diào)平之前應(yīng)先用純空氣調(diào)平管道阻力，純空氣流動阻力的偏差越小，煤粉分配就越均勻。在調(diào)平之前，應(yīng)先把給煤機停運，把熱風(fēng)送人磨煤機，當(dāng)磨煤機出口溫度達到正常運行條件時的溫度再進行調(diào)平。首先用皮托管對煤粉管內(nèi)空氣流速采用網(wǎng)格法測量，然后用可調(diào)縮孔進行調(diào)整。zui終應(yīng)保證煤粉管道之間純空氣流速偏差小于平均值±2％。在整個調(diào)平過程中，應(yīng)注意保證煤粉管內(nèi)的純空氣流速不能低于17m/s，保證煤粉正常輸送。
2.1.4 對煤粉流量和煤粉流速的測量
過去一般采用取樣稱重法測量煤粉流量；采用皮托管按網(wǎng)格法測量煤粉流速。這2種測量方法不但勞動強度大，也存在很大誤差。對于配備幾十臺燃燒器的大型鍋爐來說這種測量方法無法得到實時測量結(jié)果。因此，國內(nèi)絕大部分電廠基本沒有對煤粉流量進行監(jiān)測，無法了解分配偏差的具體狀況。
2.2 對二次風(fēng)量和燃盡風(fēng)量的優(yōu)化 為了實現(xiàn)鍋爐的燃燒優(yōu)化，除了要保證煤粉在每層燃燒器之間分布均勻以外，還要根據(jù)每層燃燒器的給煤量按照一定的風(fēng)煤比向各層二次風(fēng)箱提供風(fēng)量。比如在前墻或前后墻燃燒方式鍋爐中，二次風(fēng)被分別送人二次風(fēng)箱。每層二次風(fēng)箱向其對應(yīng)層燃燒器提供二次風(fēng)，每層二次風(fēng)的數(shù)量應(yīng)根據(jù)此層燃燒器所對應(yīng)的給煤量確定。為了保證每層燃燒器具有相同的化學(xué)當(dāng)量比，必需測量與控制每層二次風(fēng)量，測量精度一般要求不低于±3％。但在這種風(fēng)箱布置結(jié)構(gòu)中，測點所在位置直管段長度只有當(dāng)量直徑1.5倍左右，遠低于傳統(tǒng)測量技術(shù)對直管段的要求，這樣就無法對每層二次風(fēng)量進行有效的控制，結(jié)果使鍋爐無法正常運行。國內(nèi)目前很多新建成的600MW超臨界方式以及1000 MW 超超臨界機組的鍋爐二次風(fēng)箱基本都采用分層布置方式（見圖1）。但是，投運的大部分機組都無法實現(xiàn)層二次風(fēng)量和OFA風(fēng)量的控制，機組無法達到*運行工況。
2.3 對飛灰含碳質(zhì)量濃度的優(yōu)化 飛灰含碳質(zhì)量濃度既反映制粉系統(tǒng)是否正常，也反映燃燒過程風(fēng)量配比是否合適。特別是當(dāng)大型電廠燃煤鍋爐采取低氮燃燒措施后，爐內(nèi)總體溫度降低，特別容易導(dǎo)致飛灰含碳質(zhì)量濃度升高，使鍋爐效率及可利用飛灰的比例下降。因此，有必要對飛灰含碳質(zhì)量濃度進行的在線監(jiān)測，并根據(jù)監(jiān)測結(jié)果調(diào)整制粉系統(tǒng)及風(fēng)量的配比。
對飛灰含碳質(zhì)量濃度測量的zui大難點是取樣的代表性。國內(nèi)電廠常用的飛灰含碳質(zhì)量濃度在線測量裝置一般都在尾部煙道內(nèi)進行等速取樣，事實證明這種取樣方法誤差很大，無法獲得準確的測量結(jié)果。
三、新型在線測量技術(shù)的應(yīng)用 手工取樣分析和傳統(tǒng)的測量技術(shù)對燃燒過程監(jiān)測的實時性和準確性都很低，很難實現(xiàn)燃燒優(yōu)化過程要求的13個基本條件。近年來，國外電廠大量采用新型的燃燒優(yōu)化參數(shù)在線測量技術(shù)，使燃煤機組的性能有了明顯提高。
3.1 煤粉細度激光測量技術(shù)
煤粉細度測量采用光脈動法，其基本原理是當(dāng)處于運動狀態(tài)的顆粒通過截面很小的平行測量光束時，由于處于測量光束中的顆粒數(shù)目和大小始終隨時間在變化，造成透射光強發(fā)生隨機變化。因為光強信號的隨機變化與在測量瞬間處于光束中的顆粒的大小和數(shù)目有關(guān)，測出光信號的隨機變化序列，可應(yīng)用光脈動法進行分析，求得顆粒的平均粒徑。
3.2 交相關(guān)風(fēng)速測量技術(shù) 交相關(guān)風(fēng)速測量原理：在風(fēng)道內(nèi)按一定距離安裝2支金屬傳感器（圖2），氣流中飛灰?guī)в徐o電，因此，在傳感器上產(chǎn)生了2個隨機信號。當(dāng)2支傳感器相距很近時，所產(chǎn)生的2個隨機信號就非常相似，但存在一個時間差。通過交相關(guān)計算可得到這個時間差，用傳感器之間的距離除以這個時間差就可得到管道內(nèi)的平均流速。
交相關(guān)風(fēng)速測量技術(shù)的特點是所需直管段較短、安裝簡單、沒有堵塞和信號漂移問題、不需要標定且測量精度高。這種測量技術(shù)應(yīng)用范圍廣，可在線測量磨煤機進口的通風(fēng)量和出口煤粉流速；甚至可以測量大口徑風(fēng)道的風(fēng)量，如二次風(fēng)量和 OFA 風(fēng)量。
3.3 煤粉質(zhì)量濃度微波在線測量技術(shù) 煤粉質(zhì)量濃度微波測量原理：在煤粉管道內(nèi)插入2支金屬天線，一支作為微波信號發(fā)射端；另一支作為微波信號接收端。煤粉管內(nèi)有煤粉與無煤粉的微波諧振頻率存在頻差，煤粉質(zhì)量濃度與頻差成正比。根據(jù)微波信號在管道中傳播的頻率就可以計算煤粉質(zhì)量濃度：
ρ=（f
0-f
ε）.k
fd 式中:f
0為管道內(nèi)沒有煤粉時的微波諧振頻率；天為管內(nèi)有煤粉時的諧振頻率；k
fd為與管道尺寸有關(guān)的常數(shù)。結(jié)合煤粉流速測量信號就能測量煤粉質(zhì)量流量，測量精度可以達到±5％。
3.4 飛灰含碳質(zhì)量濃度微波在線測量技術(shù) 飛灰含碳質(zhì)量濃度微波測量原理：在飛灰測量倉內(nèi)安裝2支微波天線，一支為發(fā)射端；另一支為接收端。測量倉內(nèi)有灰與無灰的微波諧振頻率存在差別（見圖3），飛灰含碳質(zhì)量濃度與頻率成正比。測量精度可達±0.5％。飛灰取樣位置設(shè)在電除塵器灰斗內(nèi)，能充分保證飛灰取樣的代表性。
四、應(yīng)用實例 德國柏林Vattemfall發(fā)電廠有2合300MW燃煤機組，鍋爐采用前墻燃燒方式，配4臺MPS中速磨煤機。原采用文丘里測量裝置測量磨煤機的通風(fēng)量。通過用交相關(guān)測量系統(tǒng)與文丘里測量裝置的對比試驗，發(fā)現(xiàn)文丘里測量裝置的測量結(jié)果比實際通風(fēng)量高出8％。為此該廠將所有一次風(fēng)量測量裝置全部改為德國PROMECON
公司
生產(chǎn)的交相關(guān)風(fēng)量測量系統(tǒng)，并對DCS 系統(tǒng)通風(fēng)量進行了重新設(shè)定，每臺磨煤機的通風(fēng)量降低了5000 m
3/h。根據(jù)計算，*一項就提高鍋爐效率0.2％。另外，由于煤粉管道內(nèi)煤粉流速的降低，使煤粉流速分布更加均勻，火炬燃燒更加穩(wěn)定。
五、結(jié)語
用過去的人工及傳統(tǒng)測量技術(shù)無法以基本條件為目標對鍋爐燃燒進行優(yōu)化調(diào)整，因此不能滿足節(jié)能減排的要求。如果采用*測量技術(shù)對鍋爐燃燒過程的重要參數(shù)進行在線測量，就能實現(xiàn)鍋爐燃燒優(yōu)化運行，提高燃煤機組的運行水平。此外，為了提高燃燒調(diào)整的工作效率和控制精度，建議把過去使用的用手工調(diào)節(jié)的節(jié)流縮孔更改為自動調(diào)整縮孔。在節(jié)流縮孔磨損后，應(yīng)及時對煤粉管道系統(tǒng)阻力重新調(diào)平。
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