摘要：针对传统飞灰取样装置存在的问题，分析了满足快速准确取样的技术途径，研制了新型自动飞灰取样装置并在现场进行了应用。应用结果表明：该装置运行可靠、可以实现快速准确取样。新型自动飞灰取样装置完全可以替代现有传统飞灰取样装置，对降低火电机组发电煤耗，促进节能减排起到重要作用。
关键词：飞灰取样；飞灰含碳量；等速取样；燃烧调整
1克服外扰内扰实现准确取样
1.1锅炉外扰和内扰对飞灰取样的影响
火力发电厂飞灰取样存在两种情况：一是需要满足飞灰含碳量日常监测的需要，所测样品为每天24小时的混合样或每个班8小时的混合样；二是需要满足燃煤锅炉燃烧调整试验或性能考核试验时的飞灰取样要求，即在较短的时间内就需要取到足够多的有代表性的飞灰样品。由于燃烧调整试验的结果用来指导燃煤锅炉的日常运行操作，其对飞灰取样装置的技术性能要求更高。
火力发电厂燃煤锅炉在进行燃烧调整试验时，机组会受到外部扰动和内部扰动的影响。外部扰动主要是投入AGC后的电负荷变化，内部扰动主要是入炉煤质的变化[2]。外扰和内扰严重影响了锅炉运行参数的稳定进而影响飞灰取样的准确性。
现在火力发电厂常用的飞灰取样装置有撞击式飞灰取样装置和自吸式飞灰取样装置[3-4]。现场使用情况表明，这两种取样装置取灰代表性差，而且取灰量不可控，很难在短时间内取到足够数量的飞灰样。撞击式飞灰取样装置和自吸式飞灰取样装置不能同时满足上面两种使用要求，特别是不能满足进行燃烧调整试验时的飞灰取样要求。
1.2克服外扰和内扰影响的技术措施
为了克服内外扰动的影响，可以考虑采取以下措施：
1）当负荷基本稳定时，飞灰含碳量调整试验只与锅炉内部燃烧过程有关，而与炉内受热面的换热过程基本无关。煤粉进入炉膛后着火后很快就通过炉膛出口进入尾部烟道，因此当进行飞灰含碳量调整试验时，每个工况用时10～15分钟已经足够了。在这么短的时间内，煤质基本没有变化，从而有效克服了内扰的影响。
2）应尽量选择在调度负荷曲线比较平稳的时段内进行试验。由于AGC负荷调度曲线总是有相对平稳的一段时间，选择一段长10～15分钟的负荷区间在实际试验时是可以实现的，从而可以有效克服外扰的影响。
3）每次试验都选择一个基准工况，然后进行快速取样，要求在10～15分钟内就能取到足够数量的飞灰样。这样每小时可以进行3-4个工况的试验，有利于分析不同因素对飞灰含碳量的影响。
2飞灰取样关键技术探讨
为满足燃煤机组日常监测和燃烧调整的要求，需要解决飞灰取样的几个关键技术问题：飞灰取样量的确定；飞灰的等速取样；飞灰取样的代表性。
2.1飞灰取样量的确定
对于粉料样品的检验，为保证检验结果准确，所检验样品存在最低可靠质量。为保证实验样品的代表性，实际取样质量必须要大于最低可靠质量。
样品最低可靠质量通过地质矿产行业常用的切乔特采样公式得到：
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式中：
d-实验样品中最大颗粒的直径，mm；
K-经验常数，由实验室求得；
Q-实验室分析样品的最低可靠质量，g。
对于飞灰，d可取0.2mm，K取0.1，将飞灰的相关数据代入切乔特采样公式，得到飞灰的最低可靠质量为4g。因此进行快速飞灰取样时， 实际取灰量不能小于4g。
对近几年山东省内大多数火力发电厂燃煤机组不同锅炉不同负荷下的飞灰浓度进行了统计，飞灰的平均浓度为0.029kg/m3，最低浓度为0.015kg/m3。飞灰取样系统设计时，取飞灰浓度为最低浓度0.015kg/m3，取样口的直径取最常用的10mm，取样为等速取样。由此计算得到每10分钟的飞灰取样量约为5.5g，大于4g，因此利用飞灰的等速取样，在较短时间内得到有代表性的飞灰样品在技术上是完全可行的。
2.2飞灰的等速取样
锅炉烟气中飞灰颗粒的运动为典型的气固两相流动，取样速度大小影响飞灰取样的准确性[5]。当取样速度小于烟气流速时，所取飞灰颗粒变粗；当取样速度大于烟气流速时，所取飞灰颗粒变细。由于颗粒粗细不同，其飞灰含碳量也不同，因此飞灰取样的误差带来飞灰含碳量测量结果的偏差。只有实现等速取样，才能保证所取样品的粒度大小和飞灰含碳量测量的准确性。
实现等速取样有静压平衡式和预测流速式等方法，而且只有通过采用自动调节装置才能实现实时的等速功能。
2.3飞灰取样的代表性
锅炉烟道截面一般为矩形截面，为保证所取飞灰样品的代表性，一般采用全截面取样。
要实现飞灰的快速准确取样，采用全截面飞灰取样是不可能实现的。可以通过全截面飞灰取样试验，找到飞灰取样的代表点，将飞灰取样装置的取样口安装在代表点上，可以保证飞灰取样的代表性。
3新型自动飞灰取样装置研制及工程应用
3.1取样器结构和工作原理
全自动飞灰取样装置为新一代固定式飞灰取样装置。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。
3.2技术特点
新型飞灰自动飞灰取样装置具有如下技术特点：
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，试验模式在锅炉燃烧调整试验时使用，每10分钟取样一次。
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。
4新型自动飞灰取样装置的现场应用
新型自动飞灰取样装置于2014年9月在某公司一台300MW机组锅炉上进行了安装，设备布置在空气预热器出口竖直烟道上。应用情况如下：
1）该装置实现了对传统飞灰取样装置的更新替代，实现了全自动飞灰取样。
2）实际取样结果表明，该装置10分钟内可取样4～8g，满足化学分析的需要，可以做到快速改变燃烧工况。
3）该装置已运行一年多，从来没有出现过积灰堵塞问题，装置运行可靠。
4）通过该飞灰取样装置进行了飞灰含碳量调整试验，由于能实现快速准确取样，2天内共进行了21个工况的试验，试验结果准确可靠。
5）通过使用新型自动飞灰取样装置进行飞灰含碳量优化调整试验，该锅炉飞灰含碳量平均下降1.5％，取得了显著的经济效益，按机组一年运行5500小时计算，可降低发电成本148万元。
4未来展望
目前省内大多数火力发电厂燃煤锅炉还使用传统的撞击式飞灰取样装置，新型自动飞灰取样装置的研制和成功应用为火力发电厂飞灰取样装置的更新换代提供了最佳选择。同时省内多数发电厂也都不同程度存在飞灰含碳量因低氮燃烧器改造增大的问题。通过使用新型自动飞灰取样装置，可以实现快速准确取样，使锅炉的燃烧优化试验更真实有效，必将对降低省内火力发电厂发电煤耗，促进火电机组节能减排起到重要作用。
参考文献：
[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，1974：328.
[2] 秦志明，张栾英，谷俊杰.直流锅炉单元机组协调控制系统的研究与设计[J].动力工程学报，2016（01）:16-21.
作者简介：
孙兆勇（1972－），男，工程师，主要从事煤粉锅炉的运行、调试、及技术管理工作。
论文作者:孙兆勇
论文发表刊物:《电力设备》2019年第20期
论文发表时间:2020/3/3
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