火力发电厂飞灰取样装置性能分析与改进

刘景龙，侯凡军，刘　　科，肖冠华

·发电技术·

火力发电厂飞灰取样装置性能分析与改进

刘景龙1，侯凡军1，刘科1，肖冠华2

（1.国网山东省电力公司电力科学研究院，济南250003；2.山东中实易通集团有限公司，济南250003）

对火力发电厂使用的几种飞灰取样装置的取样原理和使用性能进行分析，其存在的主要问题有：取样的代表性差、烟气中水蒸气结露。提出两种新型飞灰取样装置，有效避免了原有飞灰取样装置的不足。取样可靠性问题解决后，可以采用灼烧法和微波法实现飞灰含碳量的在线测量。

飞灰含碳量；飞灰取样装置；等速取样

0　引言

飞灰含碳量是反映锅炉燃烧效果的主要指标，对飞灰的综合利用也有较大影响，因此需要对其进行定期监测，以便监督锅炉燃烧工况，改进运行操作方式，提高锅炉效率。

火力发电厂大多为三值运行，对飞灰的监测通常采取一天取一次飞灰样的方式，所取样品为每天3个班值班期间机组锅炉煤粉燃烧后产生飞灰的混合样。随着火力发电厂节能减排工作的加强，电厂运行开展了小指标竞赛活动，对飞灰含碳量的监测更加严格。为了对每班值班期间机组运行的经济性进行有效监督，每个班值班期间产生的飞灰需要单独取样和化验。另外在进行锅炉的热效率试验、燃烧调整试验和性能考核时也需要进行飞灰取样，为锅炉性能计算提供飞灰含碳量的准确数据。

一般在锅炉尾部烟道的合适部位安装专用的取样装置，将飞灰从烟气中分离出来作为飞灰样。烟道中的飞灰取样是典型的气固分离问题，主要结合气固分离的原理对不同类型的飞灰取样装置进行性能分析。

1　撞击式飞灰取样装置

1.1撞击分离原理

撞击式飞灰取样装置采用撞击分离原理。当气固两相流流经某一特定形状的物体表面时，固体颗粒与壁面撞击后向不同方向反弹，而气体则绕过物体表面流走，从而气固发生分离。

1.2撞击分离飞灰取样装置性能分析

撞击分离飞灰取样装置结构如图1所示。一般安装在锅炉尾部烟道水平段、主要由坡口、落灰管、存灰罐组成。工作原理为：将一段无缝光管一端打一坡口，将带坡口端插入燃煤锅炉空气预热器出口水平烟道中，坡口正好位于烟道中央位置并面对气流方向。当携带飞灰颗粒的烟气流过坡口时，飞灰颗粒撞击管子坡口内表面，从烟气流中分离出来，在重力的作用下沿管子下落至下方的存灰罐。

主要特点为：1）结构简单，只需在烟道中插入一带坡口钢管就可以实现飞灰取样；2）其取样口为坡口形状或在圆管壁上开孔，颗粒存在无规律的碰撞，不符合两相流中颗粒取样原理，颗粒取样的重复性差；3）只在烟道内一点取样，没有实现全截面取样，取样代表性差。

几十年来，我国大多数火力发电厂一直在用撞击式飞灰取样装置［1］，但随着对锅炉节能监测要求的提高和技术的进步，这种方法的不足越来越明显，已经不能适应火力发电厂对飞灰取样的要求。

2　旋风分离式气固分离装置

2.1旋风分离原理

在抽吸力的作用下，含尘气流切向进入旋风分离器圆柱内筒时产生强烈旋转，在离心力的作用下，大部分固体颗粒被甩向内筒四壁并继续向下运动，在与内壁碰撞的过程中失去动能并在重力的作用下沿筒壁下落，而气体在筒内收缩并经中心管排出［2］。旋风分离器的结构简单，尺寸紧凑，在处理含10 μm以上尘粒的气流时，可以有较高的分离效率。其不足是阻力损失大，分离效率的高低极容易受实际流量的影响，若气体流量降低，分离效率下降较快。

2.2旋风分离飞灰取样装置性能分析

旋风分离飞灰取样装置的抽吸动力可以采取多种方式，根据抽吸方式的不同，旋风分离飞灰取样装置又可分为自抽吸式、烟气负压泵式、烟道差压式等。

2.2.1自吸式旋风分离飞灰取样装置

自吸式飞灰取样装置结构如图2所示，主要由弯头式飞灰取样枪、连接板、旋风分离器、存灰罐、排气管、调节喷嘴、文丘里引射管等组成［3-4］。其工作原理为：文丘里引射管安装在烟道内，由于烟道内是负压，空气从入口进入文丘里引射管，在引射管的喉部产生了一个比烟道内负压更大的负压。调节喷嘴出口位于文丘里引射管的喉部，此处负压与烟道内负压存在一个压差，在压差的作用下，携带飞灰的烟气进入飞灰取样枪，在旋风分离器内发生气固分离，飞灰落入下部的存灰罐，烟气进入排气管，在调节喷嘴处与空气混合后通过引射管重新又回到烟道内。弯头式飞灰取样枪采用静压平衡取样原理，通过调节喷嘴调节抽吸量，实现等速取样，保证煤粉取样的准确性。

主要特点：1）与撞击分离式飞灰取样装置相比，取样口为流线型，取样准确性得到较大提高；2）由于含灰烟气要通过烟道外的取样管，当管壁温度受大气环境影响低于烟气中水蒸气的露点温度时，烟气中的水蒸气在管壁上凝结，因此飞灰颗粒就会附着在壁面上，最终造成取样管道积灰堵塞，无法取样；3）由于机组负荷经常发生变化，烟道内烟气的流速也随之发生变化。目前大多数旋风分离抽吸式飞灰取样装置都只是在锅炉额定负荷时能实现等速功能，但在锅炉负荷发生变化后，并没有自动调节装置去调节抽吸速度；4）只是在烟道内一点取样，没有实现全截面取样，取样代表性差。

图2　自吸式飞灰取样装置

2.2.2烟气负压泵式旋风分离飞灰取样装置

烟气负压泵式旋风分离飞灰取样装置的系统见图3，主要由弯头式飞灰取样枪、旋风分离器、存灰罐、涡轮抽气机、调节挡板门、轴承座、电动机、控制器等组成［5］。

工作原理：在涡轮抽气机的抽吸作用下，烟气由飞灰取样枪进入旋风分离器。烟气中的飞灰颗粒在离心力作用下发生气固分离，飞灰落入下面的取样瓶，烟气则进入涡轮抽气机最后排入烟道。涡轮抽气机的抽吸量可以通过调节挡板调节，使取样速度与烟道内的烟气速度相等，实现等速取样。

主要特点：1）抽气动力采用用电机驱动的涡轮抽气机，易实现机电一体化和自动控制；2）飞灰取样枪和回气管部分位于烟道外，受环境影响易发生烟气中水蒸汽凝结堵灰现象；3）当涡轮抽气机发生故障时，没有备用抽吸动力，飞灰取样装置无法使用，影响飞灰的日常监测。抽吸动力，无需外加抽吸力；2）抽吸速度可调，但当空气预热器因积灰阻力特性改变后，无法保证等速取样；3）分离装置和烟道连接管在烟道外，当烟气流过时，烟气中水蒸气易发生凝结、飞灰沉积堵塞问题。

3　　滤筒分离飞灰取样装置

图3　烟气负压泵式旋风分离器飞灰取样装置

2.2.3烟道差压式旋风分离飞灰取样装置

烟道差压式飞灰取样装置的结构见图4，主要由弯头式飞灰取样枪、旋风分离器、存灰罐、烟气流量调节阀、烟道连接管等组成。其工作原理为：当烟气流经空气预热器时，空气预热器烟气侧进口和出口会产生压差，一般在1.5～3.0 kPa。烟道差压式飞灰取样装置取样枪安装在空气预热器入口，而烟气连接管出口位于空气预热器出口。在空气预热器进出口压差的作用下，携带飞灰颗粒的烟气进入飞灰取样枪，在旋风分离器处发生气固分离，飞灰经过离心分离落入下面的飞灰取样罐、烟气流经烟气流量调节阀和烟道连接管排入空气预热器出口。可以通过改变烟气流量调节阀的开度调节烟气流量实现飞灰的等速取样。

主要特点：1）利用空气预热器进出口压差作为

图4　烟道差压式飞灰取样装置

3.1过滤分离原理

滤筒分离装置基于过滤分离原理。过滤分离是采用纤维编织物制作的袋式过滤元件捕集含尘气体中固体颗粒的一种气固分离方式。对于飞灰取样，袋式过滤元件采用玻璃纤维滤筒。当含尘气流流过玻璃纤维滤筒时，气体通过，固体颗粒则在绕过玻璃纤维时因惯性作用与纤维发生碰撞而被拦截。玻璃纤维滤筒是精细的收尘设备，可以用来收集小至1 μm左右的颗粒。其优点是收尘效率高，耐高温，在正常工作时可达98%以上。玻璃纤维滤筒不能在低于气体露点的温度下工作，以免气体中的水分凝结，尘粒粘结在袋子上，不能正常工作。

3.2滤筒分离飞灰取样装置性能分析

滤筒分离自动飞灰取样装置的结构见图5，主要由飞灰取样枪、玻璃纤维滤筒、靠背管、自动抽吸装置等组成。其工作原理为：通过靠背管测量烟道取样点处烟气流动的速度，自动抽吸装置调节抽吸量的大小，使取样口的抽吸速度等于取样点处的烟气流速，实现等速取样。含飞灰的烟气进入取样头和玻璃纤维滤筒。绝大部分飞灰颗粒被玻璃纤维滤筒过滤下来，烟气则通过玻璃纤维滤筒，进入取样管，最后被自动抽吸装置排入大气。取样结束后，将飞灰取样枪取出，将玻璃纤维滤筒里面的飞灰倒出来存好即可［6］。

图5　滤筒分离自动飞灰取样装置

主要特点：1）实现了等速取样，等速实现的方式为预测流速式，即先测量取样点处的烟气流速，然后通过调节抽吸量，使抽吸速度等于烟气流速；2）由于玻璃纤维滤筒位于烟道内，不存在水蒸气凝结的问题，因此取样系统不会发生飞灰积灰堵塞现象；3）取灰量小。玻璃纤维滤筒的容积很小，较短时间内就会取满，无法满足锅炉日常监督的需要，只能用于机组性能试验；4）结构复杂、价格昂贵，在恶劣天气条件下容易出现各种故障，并不适合电厂日常监督使用。

4　　新型飞灰取样装置研制与应用

针对现在火力发电厂飞灰取样装置存在的问题，进行了技术攻关，研制了两种新型飞灰取样装置并在现场进行了应用。

4.1电除尘器自动飞灰取样装置

电除尘器是火力发电厂收集飞灰的主要装置，飞灰在电除尘器中被从烟气中分离出来，落入下部的灰仓，然后进入灰仓下部的仓泵并通过气力输送的方式被送至灰库。

图6是电除尘器飞灰取样装置示意图。全自动电除尘器飞灰取样装置主要由转筒、取样绞龙、手动隔离球阀、取样法兰、落灰收集器、主支撑板、转筒驱动电机、绞龙驱动电机、链轮链条传动机构、转盘、光电开关、飞灰取样罐A、飞灰取样罐B、飞灰取样罐C、转盘驱动电机、控制器、仪器箱等组成。

图6　电除尘器飞灰取样装置

工作原理：从灰库下落的飞灰通过转筒端部的小孔进入转筒内部，在取样绞龙的作用下将落入转筒的飞灰输运至落灰收集器。落灰收集器下方有三个可以旋转的飞灰收集罐。飞灰收集罐A的作用是收集00∶00—08∶00从落灰收集器落下的飞灰。飞灰收集罐B的作用是收集08∶00—16∶00从落灰收集器落下的飞灰。飞灰收集罐C的作用是收集16∶00—24∶00从落灰收集器落下的飞灰。

主要特点：1）飞灰取样代表性好。一般电除尘器分4个电场，第一电场的灰量约占总量的80%左右。从电除尘器第一电场进行飞灰取样，所得飞灰代表性好；2）电除尘器下落的飞灰不存在气固分离的问题，避免了烟气凝结造成的取灰管路堵塞，提高了装置运行的可靠性；3）飞灰取样量大。转筒基本被飞灰淹没，由于飞灰在堆积状态下具有一定的流动性，造成飞灰取样量大。

4.2全自动飞灰取样装置

全自动飞灰取样装置为新一代固定式飞灰取样装置，其结构如图7所示。主要由取样枪、旋风分离器、取灰罐、法兰座、保温箱、吹扫阀、取样阀、射气抽气器、控制器、控制箱等组成。其工作原理为：控制器发出指令，吹扫阀打开，压缩空气进入射气抽气器，产生负压，在负压作用下，携带飞灰的烟气进入取样枪，在旋风分离器内发生气固分离，飞灰落入存灰罐，烟气进入射气抽气器与空气混合后重新又排入烟道。由于连续取灰，飞灰取样量过大，因此采用间断取灰方式。每次取样结束，控制器发出指令，吹扫阀打开，取样装置处于吹扫状态。取样时间和吹扫时间可以人为改变。

主要特点：1）自动化程度高，操作简单，使用方便。本取样装置采用PLC控制，实现自动定时取样；2）飞灰取样量可控，有两种工作模式，正常模式和试验模式。正常模式下每天取3次样，每次8 h取样约200 g左右。试验模式在锅炉性能试验时使用，1 h内可取样50 g左右，满足化学分析的需要；3）具有防堵功能。采用了特殊的工艺设计，确保烟气中水蒸气不会结露，彻底解决了飞灰取样器积灰堵塞的隐患，极大提高了装置运行的可靠性；4）取样代表性好。取样位置和取样枪的长度都事先经过飞灰标定试验得到，保证了飞灰取样的代表性；5）采用压缩空气作为抽吸动力，抽吸量可调，运行可靠性大大增强。

图7　全自动飞灰取样装置

5　　结语

火力发电厂现场使用的飞灰取样装置有很多不同方式，各种方式取样来的飞灰的化验结果并不相同。由于飞灰取样装置安装烟道界面面积大、流速分布和飞灰浓度分布不均匀，因此需要对各种飞灰取样装置取样位置和取样结果进行标定，因此研制飞灰取样标定装置变得非常重要，实现飞灰的全截面、等速、同时取样。

飞灰含碳量在线测量装置能够实时监测飞灰含碳量的变化趋势，操作人员就能随时调整运行方式，将飞灰含碳量控制在最佳范围，使锅炉经常保持最佳工况运行［7-8］。但是现在电厂使用的飞灰含碳量在线测量装置存在各种问题，其中一个问题就是取样可靠性差。现场应用效果表明，全自动飞灰取样装置取样准确可靠，和灼烧法或者微波法飞灰含碳量在线测量技术相结合，可以制作满足现场要求的飞灰含碳量在线测量装置。

［1]西安热工研究所，东北电力局技术改进局.燃煤锅炉燃烧调整试验方法［M］.北京：水利电力出版社，1974.

［2]白志鹏，耿春梅，杜世勇，等.空气颗粒物测量技术［M］.北京：化学工业出版社，2014.

［3］DL/T 926—2005自抽式飞灰取样方法［S］.

［4]李洪涛，阎维平，叶学民，等.自吸式飞灰等速取样枪的气体动力学分析［J］.热力发电，2006（3）：19-22.

［5]刘治，马更生，张瑾，等.新型抽气式飞灰取样装置在火电厂的应用［J］.内蒙古电力技术，2012，30（2）：73-76.

［6]岑可法.锅炉燃烧试验研究方法及测量技术［M］.北京：水利电力出版社，1995.

［7]张扬，马道临，陆明.微波在线飞灰含碳量测定技术及分析［J］.发电设备，2006（3）：180-183.

［8]赵世杰，周钰哲，王海滨.灼烧法飞灰含碳量在线检测与应用的研究［J］.华北电力技术，2011（10）：10-13.

Performance Analysis and Improvement of the Fly Ash Sampling Device in Thermal Power Plants

LIU Jinglong1，HOU Fanjun1，LIU Ke1，XIAO Guanhua2
（1.Shandong Electric Power Research Institute，Jinan 250003，China；2.Shandong Zhongshi Yitong Group Co.，Ltd.，Jinan 250003，China）

The principle and performance of the fly ash sampling device that used in thermal power plants are analyzed.For those devices，main problems are low representation of sampling and dewing of vapor in the flue gas.Two new fly ash sampling devices that effectively avoid disadvantages of the original device are proposed.Combustion method and microwave method can be used to realize online measuring of carbon content of the fly ash after problems of sampling reliability is solved.

carbon content of the fly ash；fly ash sampling device；isokinetic sampling

TK229.6

A

1007－9904（2016）06－0051－05

2016-03-10

刘景龙（1987），男，工程师，主要从事电厂锅炉性能试验及煤粉燃烧技术的研究；侯凡军（1971），男，高级工程师，主要从事电厂锅炉性能试验及煤粉燃烧技术的研究；刘科（1986），男，工程师，主要从事电厂锅炉性能试验及煤粉燃烧技术的研究；肖冠华（1987），男，主要从事电厂锅炉性能试验及煤粉燃烧技术的研究。