基于新型风粉在线监测的锅炉精细调平及优化技术

2016-04-18吕宏彪聂涛黄孝彬梁龙飞

综合智慧能源 2016年11期

吕宏彪，聂涛，黄孝彬，梁龙飞

（1.国电投河南电力有限公司技术信息中心，郑州 450016；2.国电投河南电力有限公司平顶山发电分公司，河南平顶山 467312；3.华北电力大学多相流及燃烧过程检测与控制研究所，北京 102206；4.北京华清茵蓝科技有限公司，北京 100085）

吕宏彪1，聂涛2，黄孝彬3，梁龙飞4

长期以来，一次风粉的精细测量和控制在电厂应用有限，导致风粉的调整十分粗放，很大程度上制约了锅炉燃烧优化及调整的效果。以鲁阳电厂＃1锅炉为例，介绍了采用新型风粉精确测量系统、风粉均衡调整的技术，实现了锅炉制粉系统的精细调控和均衡燃烧，再热器等受热面壁温偏差明显减少，CO生成量大幅下降，燃烧后烟气CO，NO x，O2在炉膛截面分布均匀，对脱硝系统的运行、节能减排都起到了重要作用。

风粉监测；风粉调平；燃烧优化；风煤比

0 引言

一次风粉的流速、浓度的精细控制及均匀分配是优化燃烧和实现低NOx排放的首要条件，对锅炉的可靠性、经济性和环保运行有着非常重要的意义，但是热态条件下因缺乏精确的测量和调整手段，燃烧失衡问题一直存在。

随着锅炉容量和炉膛尺寸的不断加大，不均衡燃烧的情况越来越严重。燃烧不均衡、风煤比差成为制约燃烧性能提升的关键问题。

传统风粉测量采用皮托管进行测量［1］，主要测量的是送粉管道中一次风的风速，该种设备具有如下缺点：（1）测量设备易磨损；（2）常因煤粉堵塞测量设备造成测量不准确；（3）增加吹扫装置后维护量大。

1 背景

电厂采用的传统风粉调整设备为可调缩孔［2］，该设备有以下缺点：壳体积粉，易卡涩；长时间积粉自燃；磨损失效；调节线性不好。

为了解决风粉分配不均，实现各燃烧器功率的均衡调整和控制，最终改善锅炉燃烧性能，鲁阳电厂＃1锅炉于2015年5月实施了基于在线监控的燃烧器功率调平及优化项目。

2 锅炉燃烧存在的问题

国电投平顶山鲁阳电厂＃1机组1 030MW锅炉DG3000/26.15-Ⅱ1型锅炉为高效超超临界参数变压直流炉，采用单炉膛、一次中间再热、平衡通风、运转层以上露天布置、固态排渣、全钢构架、全悬吊结构∏型锅炉。

该锅炉存在以下问题：

（1）磨煤机出口一次风粉管道长度差异巨大，导致风粉沿炉膛宽度方向分布不均；

（2）母管至支管的一分二风粉分配器的使用，导致支管之间的风粉不均匀。

上述情况又造成沿炉膛宽度方向燃烧器输出功率分布严重不均、炉内热负荷偏差大、局部燃烧恶化、两侧烟温汽温偏差大、燃烧器配风困难等问题，严重影响锅炉燃烧的经济环保和运行安全问题［3］。

3 解决方案及改造情况

锅炉风粉精细在线监测调平及优化系统采用领先的非接触、阵列式静电传感器，共计48套，分别安装在6台磨煤机的一次风管支管上，能够实现一次风煤粉流动参数的在线测量；在各磨煤机及风粉管道上加装煤粉流速、浓度调整等设备，用于实现各燃烧器出口的煤粉浓度、流速在线可调可控；调平锅炉各燃烧器的输出功率和风煤比，实现燃料数量和风量的均匀控制及风煤比优化控制，从而改善锅炉燃烧的性能。风粉在线监测及调平控制系统结构如图1所示。

（1）全截面非接触式煤粉流速浓度测量系统。

鲁阳电厂＃1锅炉风粉在线监测系统采用全截面、非接触式煤粉流速浓度测量技术，对流经管道的煤粉进行全截面的感应和测量，精确可靠地测量每个管道中煤粉的流速、浓度等参数。

图1 风粉在线监测及调平控制系统结构示意图

该技术有以下优点。

1）非接触式测量：测量探头无任何部分侵入流体，对流体无任何扰动，最大可能地减少煤粉冲击的磨损，可靠性极高。

2）全截面准确测量：煤粉流被传感器完全包覆，可准确可靠地测量整个管道截面的风粉流动状态。

3）阵列式静电传感设计：针对风粉流动的复杂性，阵列式设计可获得更加稳定可靠的测量结果［4-5］。

4）本质安全：根据煤粉的自身的带电特性进行测量，无任何能量注入管道，安全环保。

5）近零维护量：日常维护量几近为零。

监测系统的安装位置为＃1锅炉48个燃烧器前段较长垂直管道或水平管道处。图2所示为风粉在线测量系统现场安装图。

图2 阵列式静电传感器的安装图

（2）磨煤机出口煤粉浓度均匀调整控制。针对磨煤机出口粉量分配不均，导致各一次风输粉管道内煤粉浓度不均的问题，对制粉系统进行改造。安装并应用了基于CFD仿真设计的煤粉浓度均衡调整装置，通过改变分离器上方风粉动力场的分布对出口粉量的大小进行调节，进而调节进入各一次风粉管道内的煤粉浓度。

（3）磨煤机出口煤粉流速均衡调整控制。为解决从磨煤机出口多个输出管路中的空气和煤粉燃料在热态下的阻力均衡问题，鲁阳电厂＃1机组安装了风粉平衡调整设备。通过改变磨煤机出口的差压来平衡各管道的流动阻力，达到燃烧器出口煤粉流速的均衡。

（4）燃烧器功率调平控制系统。基于煤粉流速浓度的测量数据，对煤粉流速、流量偏差大的管道进行调整，使所有管道的风粉浓度、流速均在设定的偏差范围内。

（5）配风优化控制。以风粉调平为基础，优化燃烧器二次风配风方式，实现风量和煤量的最佳风煤比控制。

4 系统的应用效果

4.1 煤粉浓度调平控制情况

机组配置6台中速磨煤机，每台磨煤机配置4根一次风主管，进燃烧器前每根主管经一分二分配器分为2根支管，每台磨煤机共计8根一次风支管。以A磨煤机为例，调整前，A磨煤机出口主管的煤粉分配情况如图3所示。

调平后，煤粉浓度调整后的取粉试验结果与调整前的取粉试验结果如图4所示。

图3 A磨煤机一次风主管煤粉分配

图4 A磨煤机调平前后试验粉量分配

图3、图4对比可以看出：A磨煤机主管的煤粉流量分配偏差得到明显的改善，各主管间的煤粉分配由原来的最大偏差7%降低到基本平衡的状态。根据煤粉流量分配在线测量数据进行调整后，煤粉分配的实测情况和监测系统表盘指示基本吻合，这也进一步验证了煤粉分配测量结果的有效性。从调试的过程反映出，当煤粉分配平衡后，各支管的煤粉流速基本平衡，也印证了浓度调整平衡的本质作用。

4.2 燃烧器出口煤粉流速调平效果

试验对A-F磨煤机进行反复调平后，单个管道的流速相对偏差可控制在很小范围以内，各磨煤机各管道煤粉流速与平均流速的平均偏差可控制在1%～5%。煤粉流速调平试验表明，煤粉流速调整装置对煤粉流速具有明显的调整作用和良好的特性。

4.3 对锅炉燃烧均匀性的改善效果

（1）再热器、过热器等受热面壁温偏差维持在很小的范围内（20℃左右）；

（2）锅炉主热蒸汽、再热蒸汽温度能够达到额定值，且减温水具有一定调节裕量。

（3）低过烟道A，B侧烟温偏差维持在较低水平，低压再热器入口烟气温度偏差从61℃降至24℃。

（4）优化调整前烟气含氧量的数据差异明显，部分烟气含氧量测点因CO过高而显示异常。风粉调平及均衡配风优化后，烟气含氧量测点绝大部分时间处于正常和差异不大的情况，表明锅炉截面上烟气含氧量分布变均匀，炉内燃烧工况显著改善，各燃烧器燃烧均匀，无明显的缺氧情况存在，CO含量排放显著降低且分布均匀。优化前994MW负荷工况CO分布如图5所示，优化后994MW负荷工况CO分布如图6所示，其中A1～A8，B1～B8分别表示省煤器出口A，B侧各8个测点的CO值。

图5 优化前994MW负荷工况CO分布

图6 优化后994MW负荷工况CO分布

4.4 燃烧效率的明显提升

风粉调平及优化调整前的基准工况数据表明，由于锅炉的风粉不均，燃烧处于恶化状态，飞灰可燃物达到2.74%，排烟平均CO浓度高达2mL/L，950 MW下实测锅炉效率仅为91.70%。

在制粉系统风粉调平及优化配风后，大幅改善了锅炉燃烧，缓解了局部燃烧恶化的情况，有效抑制了CO的浓度。烟气中局部CO排放浓度由调整前的超量程值（单点＞10mL/L）降低至0.500mL/L以内，锅炉的灰渣可燃物含量也有一定的降低，其中仅CO产生的化学未燃尽热损失项，优化后就降低了0.62%，灰渣可燃物降低约减少未燃碳热损失0.2%。