摘要：长期以来，对于锅炉燃烧优化的重视集中在二次风、氧量的调整，往往忽视了一次风粉侧的监测和调平，没有下大力度去解决一次风粉测量和调整的问题，使得一次风粉的调整手段一直比较落后，也缺乏准确有效的调整依据，仅凭经验判断来调，导致风粉的调整十分粗放，这在很大程度上制约了锅炉燃烧优化及调整的效果。本文以某公司2号锅炉为例，介绍了该炉采用锅炉智能燃烧综合协同优化系统，实现了锅炉制粉系统的精细调控和均衡燃烧，首次实现燃烧器出口燃料平衡的在线调控，并显著改善过热器两侧的汽温偏差，提升了烟气分布的均匀性，且CO生成量大幅降低，对锅炉的经济效益、环保效益、安全效益的提升起到了明显的作用。
关键词：风粉监测；风粉均衡；智能燃烧优化；烟气均匀性
1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燃烧的首要条件，对于锅炉的可靠性、经济性和环保运行有着非常重要的意义，而这一点却往往得不到足够的重视，原因是缺乏热态条件下精确的测量手段和调整手段，无法良好的解决燃烧失衡问题。
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明显，表现出来的问题也越来越严重。燃烧不均衡、风煤比差成为制约燃烧性能提升的关键问题。
长期以来，制粉系统运行十分粗放，成为制约锅炉燃烧得到有效优化的重要问题。主要原因如下：
●风粉测量技术的滞后；
●风粉调节手段的落后和缺失；
2、超超临界锅炉燃烧存在的问题
某公司2号机组为660MW燃煤发电机组，锅炉采用北京B&W公司超超临界参数п型锅炉，变压运行直流炉、前后墙对冲燃烧方式，一次中间再热、单炉膛平衡通风、露天布置、固态排渣、全钢构架，配置B&W公司双调风旋流燃烧器及NOx喷口（OFA），采用三分仓回转式空气预热器。
锅炉燃烧一直存在较多问题，其中受热面超温频繁，主要集中在低再、高再位置，炉膛出口烟温偏差一般在20℃左右，严重时达40-50℃。汽温偏差也比较明显，过热器减温水一般都在80t/h以上。因为燃烧产生的还原性气氛比较多，存在高温腐蚀的情况导致水冷壁有氧化皮沉积。
#2炉一共配有6台中速磨，不同磨的粉管距离燃烧器的远近差异非常大，即使同一台磨煤机，粉管与燃烧器距离也各不相同，弯头数量也不相同，导致风粉的流速及浓度分配呈现较大的差异，这导致了同层燃烧器之间、上下层之间的燃烧器输出功率严重不均。这是造成炉内热负荷偏差大的主要原因，不仅如此，燃烧器输出功率严重不均还将使得燃烧器配风变得困难，长期下去，将严重影响锅炉燃烧的经济环保运行[1]。
3 锅炉智能燃烧综合协同优化系统的解决方案及改造情况
2 号锅炉于 2017 年开始实施和安装基于非接触阵列式静电测量的煤粉流速浓度在线监测系统、煤粉均衡调整装置（带电动执行机构）、锅炉智能燃烧优化控制系统。通过使用上述设备达到在各工况下同层各燃烧器出口风粉均匀分配的目的，实现燃料量和风量的均匀控制与风煤比优化控制，配合二次风、NOx 风的调整，最终实现锅炉高效低氮燃烧。总体实施情况如下：
在 6 台中速磨煤机共 36 根一次风管道安装煤粉流速浓度在线测量装置 36套、安装带电动执行器的风粉均衡调整阀 36 套，替代机组原有的可调缩孔对风粉偏差进行在线调整，在调平的基础上，对燃烧器配风进行优化，改善锅炉的燃烧性能。
（1）全截面非接触式煤粉流速浓度在线监测系统
某公司2号锅炉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。
全截面非接触式煤粉流速浓度在线监测系统由阵列式静电传感器、信号处理电子装置、信号分析机柜三大部件以及各类电缆组成。测量探头采用非侵入式结构设计，内壁光滑呈环形，可完美代替煤粉管道内壁的一部分，最大可能地减少煤粉冲击的磨损和探头对煤粉流动的影响。这种非侵入式测量的优点在于极低的磨损率和极少的维修量。阵列式静电感应测量可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。测量后的数据通过通讯协议传送到 DCS 系统，供运行人员进行数据监视和对照调整。
监测系统的安装位置为2号炉36个燃烧器前段较长垂直管道或水平管道处。下图为风粉在线测量系统现场安装图。
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图1 阵列式静电传感器的安装图
（2）风粉均衡在线自动调控及优化系统
为解决从磨煤机出口多个送粉管路中的风粉混合物在热态下的阻力均衡问题，某公司2号机组安装了风粉均衡在线自动调控系统，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、粉量分配均衡的目的。
风粉均衡在线自动调控系统由就地风粉均衡调整阀、电动执行机构、自动智能调控单元组成。调整阀安装在一次风粉管道上，用于平衡同一台磨煤机几根粉管阻力的差异，同时可在线远程实现煤粉流量的分配控制，该装置可连续改变输粉管道的流动阻力，并跟随工况变化实现自动调整。
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图2 带电动执行器的零阻力风粉均衡阀
现场共安装 36 套风粉均衡调节阀，全部带有电动执行机构，运行人员在热态下随时可以进行在线调整。在实现煤粉分配均匀的基础上，优化风煤配比，达到煤粉分布均匀、燃烧器二次风配风均衡的效果，实现锅炉整体优化燃烧的目标。
利用新型的风粉均衡调整阀取代了传统的可调缩孔等风粉调整的落后手段，基于在线一次风粉测量数据，实现运行人员通过 DCS 指令即可完成在线调整，改变了传统风粉测试及调平需要冷态清理完可调缩孔进行或者热态可调缩孔卡死无法调整的落后方式，实现锅炉优化的快速、有效调整。
（3）锅炉智能燃烧综合优化控制系统
利用一套燃烧智能管理系统，实现对燃烧情况的及时跟踪、分析和评估；不同工况下的最优运行控制规则知识的存储、管理。根据煤粉流速浓度的测量数据，针对不同磨煤机的偏差情况进行自适应调整，使不同粉管流速偏差均控制在±5%的范围内。使锅炉的燃烧调整能够快速、有效，并使优化效果可持续。
（4）二次风、氧量优化控制
以风粉调平为基础，解决一次风粉侧的均衡问题，利用便携式烟气成份测试仪，结合炉内烟气、汽温偏差情况及SCR、空预器入口的烟气分布情况，优化二次风配风方式，实现风、煤的最佳配比控制、实现最优氧量控制。
4 系统的应用效果
4.1风粉均衡阀的调节线性及效果
以下是风粉均衡调整装置调节能力测试情况：
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图 3 风粉均衡阀调节能力测试验证
从上图中可以看出，均衡调节阀从全开到关小再全开的过程中，煤粉流速、流量分配具有良好的调节线性。在 DCS操作画面上可随时进行一次风煤粉的在线调整，以A 磨、F磨为例，同一台磨煤机6根粉管从调整前的相对分散状态到调整后趋于重合的形态分析，具有明显的调节效果。
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图 4 在DCS侧在线调整A磨煤粉流速趋势
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图 5 在DCS侧在线调整F磨煤粉流速趋势
表1 A磨一次风速调平性能试验主要结果汇总
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表2 F磨一次风速调平性能试验主要结果汇总
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通过风粉均衡装置调节特性的试验，检验了流速调整的有效性。基于此进行各磨燃烧器出口煤粉流速的热态调平。试验表明，煤粉均衡调整装置对煤粉流速具有明显的调整作用和良好的特性[]。试验对A-F磨进行反复调平后，单个管道的流速相对偏差可控制很小范围以内，各磨各管道煤粉流速与平均流速的平均偏差可控制在1%~5%。
4.2对烟气分布均匀性的改善效果
某公司SCR入口沿炉膛宽度方向左、右侧各有5个测孔，利用烟气分析仪在炉膛深度方向取4个点，利用网格化的方法测量烟气温度以及烟气成份。
试验开始前记录燃烧器配风的开度情况，观察锅炉的燃烧均匀性，记录CO的分布情况，下图是调整之前330MW负荷下CO的分布情况：
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从图中可以看出，锅炉燃烧存在严重的燃烧恶化现象，炉膛边缘位置CO值非常高，中间位置CO值基本都在20以下，说明边缘区域氧量偏低。通过调整一次风粉均衡及燃烧器二次风门开度之后，再次测量CO的分布情况，如下图所示：
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在制粉系统风粉调平后，通过对配风的进一步优化调整，使燃烧器二次风量也均衡，SCR入口 CO 分布均匀性明显提高，烟气 CO 排放浓度大幅降低。
4.3 对过热器两侧汽温偏差的改善效果
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左、右侧一级过热器减温前的汽温最能反映汽温偏差情况，从图中可以看出在调平和配风优化之前，两侧汽温偏差波动比较大，有的高达20度以上，且非常不稳定。调整完之后，两侧汽温偏差维持在5度以内，且大部分时间维持在3度以内；
4.4 锅炉燃烧工况及效率的明显提升
分别在660MW、530MW、330MW工况下对锅炉进行风粉调平及优化，并取得了以下试验效果：
1）660MW 工况下，优化后比优化前锅炉效率提高 0.80%，按照供电煤耗计算，优化后共节约煤耗约为 2.4g/kWh，烟气均匀度提升非常明显。
2）530MW 工况下，由于优化前后煤质波动较大，总煤量优化后较优化前大 7.56t/h。该工况优化前后燃烧相对均匀，排除煤种变化的影响，锅炉效率与氮氧化物排放浓度优化前后应无明显变化。
3）330MW 工况下，优化后比优化前锅炉效率提高 0.21%，按照供电煤耗计算，优化后共节约煤耗约为 0.63g/kWh。优化后比优化前 NOx 排放浓度降低约 10.85%。该工况运行较为稳定，不仅烟气均匀度大幅提升，过热器左、右侧一级减温前汽温偏差也大幅改善。
在风粉均匀性达到平衡的基础上，对二次风、氧量进行优化后，大幅改善了锅炉热负荷偏差，缓解了局部燃烧恶化情况，减少了不完全燃烧损失，使锅炉燃烧的经济性、环保性、安全性都得到了较好的提升。
系统整体应用效果主要体现在以下方面：
1、首次实现燃烧器出口燃料平衡的在线调控。
2、实现了过热器减温水前两侧汽温的几乎零偏差。
3、空预器入口两侧氧量值体现出良好的均衡性。
4、SCR入口的烟气分布均匀性得到明显改善。
5、锅炉各负荷段下，锅炉效率和NOx排放有着良好的表现。
5、结束语
锅炉智能燃烧系统实现了一次风粉的有效在线监测和在线热态调平，对消除锅炉燃烧偏差起到了良好的作用；基于风粉在线调平的基础上进行燃烧优化调整，可使各工况下锅炉燃烧性能达到或逼近最佳区域。自动在线调控的实现，使燃烧调整变得快速、有效，不仅仅是多了一个有效的调整手段，锅炉智能燃烧系统为燃烧调整探索出一条有效路径，使这项工作不再局限于运行人员的习惯和经验，也减少了运行人员的工作量和维护量，使优化效果可持续。
参考文献：
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[3]钱相臣，黄孝彬，胡永辉，等.阵列式环形静电传感器及气力输送粉体测量装置：CN201420673922.4[P].2014-11-05.
[4]闫勇，胡永辉，钱相臣，等.基于阵列式静电传感器的粉体流动在线测量装置及方法：CN201310314830.7[P].2013-11-13.华北电力大学.
[5]张斯媛.锅炉煤粉均衡分配控制技术的研究[D].华北电力大学；华北电力大学（北京）控制科学与工程；控制理论与控制工程，2015.
论文作者:陶春1,张霖峰1,蔡永峰1,邱煜民1,沈兵1,周成
论文发表刊物:《电力设备》2019年第21期
论文发表时间:2020/3/16
标签：在线论文; 锅炉论文; 流速论文; 煤粉论文; 测量论文; 偏差论文; 浓度论文; 《电力设备》2019年第21期论文;