一次风在线监测系统在直吹式锅炉上的应用

一次风在线监测系统在直吹式锅炉上的应用

本文介绍了目前得到广泛应用的大容量直吹式锅炉机组制粉系统的特性，分析了直吹式锅炉应用一次风在线监测系统的重要性。实践证明，一次风在线监测系统在直吹式锅炉燃烧运行控制过程中对于提高自动控制调节水平和提高锅炉燃烧效率具有很强的必要性。
[关键词] 直吹式制粉系统   燃烧优化  负荷调节　一次风在线监测

1 概述
    直吹式制粉系统和传统的中间仓储式制粉系统相比，系统简单，没有细粉分离器、粉仓、可调给粉机等设备；且在贫煤燃烧的着火、稳燃、燃尽方面具有明显的优势。在新近一轮的火力发电厂大规模电源点建设中使用贫煤的锅炉上，大量配用磨煤机直吹式系统。
    为提高自动调节水平、负荷响应速度和燃烧效率，以及燃烧燃尽度和避免局部结渣，直吹式锅炉对于制粉系统所供煤粉浓度、细度的均匀性、风粉分配、煤粉细度、风煤比、各风管参数均匀性可调性等都提出了更高的要求。
    本文阐述了对于直吹式锅炉的各风管一次风风量风速风量进行监测的重要性与必要性，同时介绍了一种适用于较高浓度的气固两相流测量的一次风风速风量的解决方案以及在实践中取得的成功应用情况。

2 直吹式锅炉对一次风在线监测的需求
2.1燃烧调整的需要
    配置直吹式制粉系统的锅炉，一次风粉流量均衡性直接影响到锅炉的燃烧均匀稳定，由于输粉管道的长度不同、弯头数量不同等因素导致各粉管的综合阻力系数不同，在相同的压差下并列运行会引起风粉分配不均。
    锅炉制粉系统各一次风管道的阻力调平一般都是采用冷态纯空气阻力调平法，即在冷态情况下，当纯空气流过同一层一次风管时，在几根阻力较小的一次风管上加上开度合适的节流圈，使其与阻力最大的一次风管相平衡。实质上，这样的阻力调整方法，只能保证锅炉燃烧系统同一层各一次风管至燃烧器出口的阻力在冷态下的平衡，由于输粉管道的纯空气阻力特性与煤粉气固两相流动的阻力特性不同，不能保证实际运行时管内流过风粉混合物时的阻力平衡，这样就造成锅炉在实际运行时各一次风管中风粉流速和浓度的不一致。即使采用了热态带粉阻力调平，各节流圈也可能产生不均衡磨损，导致一次风均匀性恶化。
    某600MW锅炉运行一段时间后，一度出现了再热汽温一侧偏低的异常现象，影响到机组的经济、安全运行。该炉燃烧系统采用双进双出冷一次风机正压直吹式系统，在炉膛前、后墙上分三层分别布置有24只旋流式DS燃烧器，煤粉和空气从前后墙送入，在炉膛中呈对冲燃烧。该炉每一个煤粉管道入口均有节流圈（缩孔），通过调节各缩孔的开口大小，可平衡各管阻力及一次风流量。该炉机组调试中，进行过粉管阻力调整，但长期运行后，各磨煤机煤粉管道的节流孔圈产生不均匀的磨损，使风粉均匀性重新变差，以致影响锅炉内燃烧均匀性，使得主汽温、再热汽温A、B两侧偏差大。如果采用一次风在线监测，则可以及时发现运行过程中的异常并采取措施进行调整。
2.2煤粉细度和风煤比调整的需要
    锅炉燃用煤种变化时，所要求的经济煤粉细度相应变化。应随时调整煤粉细度以适应锅炉运行负荷和燃料的变化。国内电厂通常仅在设备调试时调整好煤粉细度，运行中则不很重视相应的调节工作，因而实际运行中不能保证经济的煤粉细度，影响了电厂运行经济性。
    对于自动控制水平较高的直吹式锅炉，锅炉负荷变化的信号首先调整给煤机的给煤量，并相应调节一次风机的流量。在40%～100%磨煤机运行负荷范围内，磨煤机通风量与磨煤机负荷率间呈线性关系，但由于制粉系统最小通风量的要求，决定了通风量必须维持在额定值的70%。一般当磨煤机以额定出力和相应额定通风量运行时，可获得一个对燃烧合适的风煤比。但随着磨煤机出力下降，风煤比增大，煤粉浓度降低。低负荷运行时，炉膛温度水平本已降低，又加上风煤比过大，对煤粉着火和稳定燃烧会更加不利。特别是国产机组自动控制水平较低，许多电厂在磨煤机变负荷运行时基本不调整其通风量，使低负荷运行时风煤比显著偏离合适值。
    对一次风管风速风量和煤粉浓度的在线监测，为可调式煤粉分配器提供调节的依据，或通过闭环控制系统在运行中连续调节煤粉分配器，可以使送入炉膛的风粉保持煤粉细度和风煤比最佳。
2.3快速负荷调节的需要
    锅炉负荷指令变化时，在给煤量变化的同时，调节一次风量调节挡板开度或一次风机转速，使进入磨煤机的一次风量变化，通风出力发生变化，由于气流量的变化速度远远大于干燥量的变化速度，一次通风出力的变化较快。采用通风量超前变化的手段，在调节上改变给煤量的同时，改变通风量，虽然研磨出力来不及变化，但通风携带的煤粉量已发生变化，因此保持磨煤机风量调节的准确度和灵敏度可以减小制粉系统迟滞特性对锅炉负荷调节的影响。
    综上所述，对于直吹式制粉系统来说，采用一次风在线监测具有十分重要的意义。

３ 直吹式锅炉一次风在线监测的难点及解决方案
    由于气固两相流的复杂性，直吹式锅炉一次风在线监测的应用面临着许多问题：
（1）测量设备在气固两相流环境中长期运行时不能满足防堵要求，必须采用连续或定期反吹等手段。
（2）测量设备不能耐磨。测量设备在长期运行过程中易产生变形、磨损，不能保证测量的准确度，不能为锅炉的燃烧提供有用的运行参数。
（3）不能保证测量设备的低压损，增加了管道原有风阻。磨煤机出口各一次风管道已经根据风阻调平了各管速度，安装测量设备后，附加压损可能影响原有的运行状况。
（4）流程中的管路受限于空间位置，往往不能满足流速流量仪表对直管段长度的要求。
（5）流速流量仪表的精确度不能得到公认，限制了新型流速流量仪表的开发、研制和推广应用。
（6）低速、温度压力变化大等不利因素影响流速流量仪表的精确度和可靠性，流速流量仪表的性能难以提高，无法满足用户的需求。
    朗坤公司的LUSE型一二次风在线监测系统根据伯努利方程原理，由测速装置、变送器及人机界面组成。针对高速气固两相流的检测环境，测速装置采用专有技术彻底解决了堵塞、防磨、大压损和低精度等长期困扰直吹式锅炉一次风在线监测的难题。
    LUSE型一二次风在线监测系统具有如下特点：
（1）取压口采用特殊设计，兼顾高取压效能、防止堵塞和保护静压测量管。
（2）特别设计的防堵元件借助测量介质的动能进行取压管道的全壁实时清灰。
（3）采用多曲迷宫式管路防止粉尘进入引压管。
（4）采用具有突出防磨性能的高温合金陶瓷。
（5）采用摆锤原理充分吸收检测介质的动能。
（6）集成耐磨热电阻提供温度补偿。

4 直吹式锅炉一次风在线监测的使用效果分析
4.1节煤费用
    在使用一次风在线监测系统后，各管内风速实时显示在DCS画面上。制粉系统启停进程中，磨煤机出口门、喷燃器门是否开足或关严，司炉均能一清二楚。这样就能保证锅炉在较为合理的风煤比下运行，大大提高锅炉燃烧效率。
4.2节约设备费用
    若系统缺乏监测系统，火焰偏斜将会引起火嘴烧坏，而监测系统实施之后，则将彻底避免类似情况发生。
若因局部结焦引起水冷壁爆管，将会给电厂造成巨额的经济损失。
4.3减少维护维修费用
    由于杜绝了炉膛偏心结焦，风管堵塞等，每年潜在的节省了大量的维修、维护费用、停炉停产造成的各种损失费用并延长了锅炉寿命。
    同时还有其它社会效益方面的好处。譬如，降低了飞灰含碳量，减少了环境污染等。
    贵州安顺发电厂地处高原，燃用贵州轿子山无烟煤和当地小窑煤。一期两台300MW等级锅炉为东方锅炉厂引进FW技术设计制造的DG1025/18.2-II10型亚临界压力中间一次再热的自然循环W火焰锅炉。制粉系统配四台FWEC公司D-10D型双进双出球磨机构成正压直吹制粉系统。锅炉满负荷参数如下：

参数名称

单位

数值

汽包压力

MPa

17.8

给水流量

t/h

1045

给水压力

MPa

18.3

给水温度

℃

265

过热蒸汽流量

t/h

943

过热蒸汽出口压力

MPa

16.6

过热蒸汽出口温度

℃

538

过热器减温水流量

t/h

75

再热器进/出口压力

MPa

3.7/3.5

再热器进/出口温度

t/h

278/539

再热器减温水流量

t/h

0

一次风压

KPa

11.9

二次风压

KPa

1.0

风箱压力

KPa

0.8

一次风量

t/h

134

二次风量

t/h

924

一次风温

℃

322

二次风温

℃

312

省煤器出口氧量

%

3.1

排烟温度

℃

135

    机组投产后高负荷运行时加风困难、不稳定，燃烧经济性很差且容易出现汽温不足，经制造厂家多次燃烧调整也未能解决。2001年在大修期间安装了一次风在线监测系统，对各喷燃器的风粉配合、一二次风配比进行了科学的组织，保证了各喷燃器煤粉浓度，一二次风速的合理性，使着火迅速，燃烧完全，锅炉满负荷的飞灰含碳量由原来的30%左右降到13%左右（最低9%～10%），大渣含碳量由30%左右降到15%左右；汽温不足问题得到彻底解决，大幅度提高了锅炉燃烧安全性和经济性，使得安顺发电厂一期两台机组每年可节约燃煤67392吨，折合人民币741.3万元。

5 结论
    采用LUSE型系列一二次风在线监测系统，为直吹式锅炉的燃烧优化提供了切实可行的解决方案，通过与可调式煤粉分配器的协调工作使得一次风的分配得到优化，改善锅炉运行的安全性和经济性，避免燃烧器烧损、水冷壁或其它区域结焦、热负荷不均造成爆管、还原性气氛下的局部高温腐蚀等一系列问题，为燃烧运行优化奠定了基础，具有很高的社会效益和技术经济效益。