基于烟道CO/O2 双参量火力发电厂燃烧控制优化

郝轰宇，杨 俊，田宏亮

（内蒙古能源发电准大发电有限公司，内蒙古 准格尔旗 010300）

1 电厂锅炉燃烧概况

目前，火力发电多数电厂锅炉运行主要存在下列系列问题：锅炉排烟温度偏高、飞灰可燃物含量偏高、再热器减温水量大、炉膛水冷壁存在高温腐蚀等，锅炉运行的经济性和安全性都有提升空间。分析来看，锅炉运行中所存在的这些问题，都与制粉系统及燃烧调整密切相关。

2 存在问题

1）锅炉缺乏分级配风调整的依据。锅炉低氮燃烧改造后，炉内分级配风的调整依靠运行人员的经验和原特定工况下试验结果的指导，分级配风调整的依据的实时性和精确性较差。如何在不同的工况条件下，保持低氮与高效之间合理的平衡点是现场需要解决的又一问题。

2）锅炉运行经济性较低。锅炉排烟温度偏高、飞灰可燃物含量偏高、锅炉炉效偏低，燃烧的经济性有提升的空间。低氮方式下，送风量的合理选择与调整，燃尽风与主燃区风量的合理分配与调整，各辅助风配风的合理以及炉效与NOX排放合理平衡等，都会影响炉内燃烧的均衡性，进而影响锅炉的燃烧效率和炉效。

3）高温腐蚀结焦结渣现象多。在低氮燃烧情况下，更易出现高温腐蚀问题，特别是在燃煤硫份波动较大时，更要关注水冷壁高温腐蚀风险，因此，适应当前煤种，如何在运行过程中，采用实时优化调整技术，减轻或消除锅炉高温腐蚀和结焦结渣，是该锅炉亟待解决的另一个问题。

4）炉内存在火焰偏烧，炉内热负荷分布不均，存在较大的烟温偏差，左右两侧的汽温存在较大的偏差，受热面局部管壁超温风险明显，以及水冷壁向火侧的高温腐蚀管壁减薄、结渣高温气流对管壁的冲蚀磨损等，存在较大爆管风险。

5）精细配风依据少。目前，现场仅依据O2来控制锅炉总风量指导燃烧调整，在当前普遍采用低氮燃烧情况下的燃烧优化，没有将反映实时燃烧工况的烟气CO 值纳入锅炉燃烧调整中，缺乏精细配风的调控手段等。这些都对给锅炉高效、可靠和环保运行造成不可忽视的影响[1]。

3 优化方案

3.1 风粉在线测量

目前有一种风粉测量装置，融合静电技术、电容技术以及声发射技术（见图1）。以静电原理完成煤粉流速的测量，同时该参数参与声波原理对细度的模型运算；由电容法耦合煤粉流速完成煤粉绝对质量流量和煤粉浓度的测量；声发射技术及静电技术融合测量煤粉细度，同时也该数据可参与电容法对煤粉浓度的计算。

图1 煤粉测量原理图

3.1.1 基于交流电荷法的煤粉流速

物质原子中由带负电荷的电子和带正电荷的质子构成。当两个不同的物体相互接触时就会使得一个物体失去或得到一些电荷。对于煤粉颗粒通过电极组时会感应到静电荷，在金属电极上产生交流电荷，信号调理电路将交流电荷信号转变为交流电压信号。

通过计算上游和下游电极间的流量通过时间确定流体速度。在颗粒的均匀分布和不规则速度分布中及体积浓度为0.1%或更低时，会导致测量的流量参数出现显著波动。采用一组电极同时进行多次测量，从而通过融合所有测量值获得更可靠的流量参数。并通过相关算法进行运算，再通过融合单个速度来确定颗粒的加权平均速度[2]。

3.1.2 基于电容法的煤粉质量流量和煤粉浓度

电容法测量颗粒浓度的基本原理是：气固两相流的气相和固相介质具有不同的介电常数，当气固混合流体通过电容极板形成的敏感场时，流体混合物浓度(即等效介电常数)的变化将引起两电极间电容值的变化，因此固相浓度测量问题转化为检测电容值的问题。由于空气和煤粉介电常数的差异，当管道内煤粉浓度发生变化时，对应电极之间的电容参数值会发生改变，可以通过测量电容传感器相对电极之间的电容值变化来与标定计算煤粉的体积浓度。

3.1.3 基于声发射法的煤粉细度

对应一次风管道中，煤粉高速度，低浓度的流动状态，更容易获得较强的煤粉颗粒冲击信号。

固体颗粒对金属波导的冲击产生瞬态弹性应力波，并从冲击点向外传播。距声源一定距离的传感器将微小的表面振动转换成电信号，然后进行信号处理及运算。冲击粒子的尺寸是影响冲击力的关键参数之一。通过物理建模和充分的信号处理，从单个撞击事件中得出颗粒大小。

3.2 CO 测量

比较氧量而言，烟气CO 受漏风影响很小，且敏感性高于氧量值；CO 与过量空气、炉内局部缺氧（风）、未燃碳热损失、H2S 浓度、灰熔点及NOx排放等因素直接相关；CO 与火焰偏斜或火焰冲刷水冷壁正相关。因此，可将CO 作为新增的关键参数，通过建立CO 与锅炉热损失（锅炉效率）、炉膛出口NOx、综合运行成本等之间关联模型，基于模型预测和综合寻优方法，构建锅炉燃烧优化控制策略，提出燃烧优化运行建议，实现锅炉总风量和燃尽风量的优化控制，确保锅炉高效低氮稳定运行。

采用CO 检测进行燃烧调整具有如下优点：

1）炉膛燃烧器区域烟气中CO 浓度对总风量及各层风量分配的反应十分灵敏，特别是在临界点附近，O2的微小变化就会导致CO 浓度的急剧变化，根据炉内主燃区CO 的测量，结合氧量，有针对性地进行二次风挡板调整和总风量调整，实现燃烧的精细化控制。

2）锅炉水冷壁的腐蚀除了燃用煤种含硫量过高外，还有很大一部分原因是因为炉内偏烧、火焰刷墙以及局部还原性氛围所导致的，而这种工况在仅用氧量监测往往不能得到有效监控，CO 在线测量有效地解决了这一难题。通过对炉内壁面CO 浓度的在线监测，结合其他运行特征，可以对水冷壁高温腐蚀和结焦结渣风险进行在线监控，并指导运行人员进行及时的调整，消除水冷壁高温腐蚀结焦结渣的风险。

3）可通过CO 在线测量，适当控制过量空气量稍低，为锅炉低氧运行提供必要的保障，降低锅炉炉膛出口NOx，并且还能使SO2氧化成SO3的数量减少，进而减轻尾部受热面的腐蚀和空预器堵塞风险。

4）合理组织炉内空气动力场，及时发现并纠正火焰偏斜，保证炉膛火焰具有良好的充满度，从而能有效地保证锅炉燃烧的稳定性。

5）保证正常的燃烧工况，减小烟温偏差，降低由此而带来的低负荷运行条件下容易出现的气温偏差大而引起的受热面管壁超温和爆管。

6）通过对主燃区燃烧的精细化控制，能有效的降低飞灰含碳量和烟气中CO 含量，有效提高低负荷运行条件下锅炉效率。

烟气CO 检测技术及其在锅炉燃烧调整中的应用最早在英国、德国、美国等国家的燃煤电厂中得到了广泛采用。前些年，华中科技大学煤燃烧国家重点实验室、西安热工研究院及浙江电力科学研究院等单位的专家曾专门对依据烟气中CO 监测进行燃煤锅炉的燃烧调整技术做过初步的研究和总结，并已形成了较好的理论基础[3]。

4 系统组成及总体设计

4.1 系统组成

4.1.1 测量单元

风粉传感器主要测量煤粉管内的煤粉细度、煤粉浓度和煤粉流速。煤粉流速可直接测量，无需标定，煤粉流速测量精度可达±2%；煤粉浓度及细度的测量精度可达±5%。

4.1.2 控制单元

运算传感器提供数据，并进行显示及数据存储。

4.1.3 煤粉均衡装置

基于测得的一次风粉流速、浓度和细度等测量数据，可通过风粉平衡调整设备对煤粉流速、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，以解决从磨煤机出口多个输出管路中的空气和煤粉在热态下的阻力均衡问题。

4.2 方案总体设计

方案按每台磨煤机安装一套风粉在线检测装置设计，系统如图2 和图3 所示。

图2 锅炉风粉智能测量与控制系统示意图

图3 安装示意图

4.3 系统实现功能

实时监测管道内煤粉流的煤粉细度、煤粉浓度、煤粉流速；实时监测每台磨煤机分配给各一次风管的煤粉均匀情况；通过设置煤粉细度、煤粉浓度、煤粉流速的报警阀值，辅助诊断一次风管内堵粉、断粉现象；直观显示运行趋势、各风管比值、趋势图、柱状图，同时备份数据；依据测量的结果以及锅炉一次风的偏差情况，利用有效的煤粉均衡装置来实现流速与浓度的均衡。

5 结论

1）依据实时煤粉细度，指导现场通过对磨煤机出力的调整实现最佳细度，优化磨煤机使磨煤机耗电与煤粉细度达到最优组合，降低运行成本。

2）提高燃烧的稳定性，减小炉膛负压的波动，并预防出现一次风管堵粉等事故的发生；

3）防止火焰偏斜造成的锅炉设备安全问题；在线诊断各燃烧器出口煤粉流速及浓度的的均衡程度，防止风粉不均而引起的炉内结渣、热负荷偏斜，高温腐蚀、磨损、炉膛出口烟温烟速偏差大等问题；防止水冷壁爆管事件的出现，延长水冷壁寿命；

4）有效改善锅炉燃烧状况，降低CO、NOx、飞灰、减少排烟损失，降低风机电耗、煤耗。另外，均匀燃烧可改善烟气中NOx分布，有利于脱硝的运行及减少氨逃逸，降低空预器堵塞风险。

因此，安装风粉及在线CO 在线精确测量在线测量装置，以实现基于CO 在线监测的精细化燃烧调整与优化控制，在确保及时发现和纠正高温腐蚀、结焦结渣以及炉膛出口烟温偏差过大、飞灰含碳量过高等不良状况、提高锅炉运行可靠性的同时在线实时寻求锅炉炉效与炉膛出口NOx的最佳平衡点，提高锅炉的效率、降低NOx排放浓度。

在线测量烟气CO 和O2，根据锅炉的负荷、煤种等参数实时可视化给出燃烧调整操作指导，优化锅炉的配风、配煤燃烧运行方式。通过燃烧优化调整可以解决：均衡燃烧、合理的低氮燃烧方式（在综合考虑防结渣高温腐蚀、NOx排放及炉效等的情况下确定合理的燃尽风率）、智能风量优化控制、高温腐蚀监测与预防、结焦结渣预防技术、超低负荷稳燃技术和智能配风优化控制等，实现锅炉燃烧系统的优化运行，切实保证锅炉高效、可靠、低污染运行，具有较大的经济效益和社会效益。