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一次风煤粉在线精准监控优化技术在1000MW机组上的应用

发表时间：2020/3/3 来源：《电力设备》2019年第20期作者：张彬1 胡雪梅1 聂涛1 梁龙飞2

[导读] 摘要：长期以来，一次风粉在线测量和调整普遍处于十分粗放的状态，火力发电厂普遍缺乏有效的技术手段进行精准的调控，运行水平提升空间很大。

        (1.国家电投集河南电力有限公司平顶山发电分公司河南平顶山 467312;2.北京华清茵蓝科技有限公司北京 100085)
        摘要：长期以来，一次风粉在线测量和调整普遍处于十分粗放的状态，火力发电厂普遍缺乏有效的技术手段进行精准的调控，运行水平提升空间很大。针对某1030MW锅炉存在一次风粉分布不均，炉内热负荷偏斜，局部燃烧恶化等问题，进行基于风粉在线监测和均衡调整，借助于先进的技术手段在线调平各燃烧器出口煤粉流速、粉量分布偏差，同时结合燃烧器精准配风优化调整，优化各燃烧器之间的风煤比，达到锅炉燃烧器输出功率均匀，达到锅炉均匀燃烧的目的，具有较高的推广意义。
        [关键词] 风粉在线燃烧恶化均衡调整精准配风
        1-引言
        一直以来，一次风煤粉流速、浓度、流量的测量是困扰锅炉测量的难题，加上传统调整设备可调缩孔存在诸多缺陷，导致煤粉侧难以精细化调整，直接影响锅炉细致调整及优化运行。燃烧器出口煤粉流速、流量分布不均将影响锅炉的均衡燃烧，造成炉内热负荷偏差大、局部燃烧恶化、两侧烟温汽温偏差大、燃烧器配风困难等严重影响锅炉燃烧的经济环保和运行安全问题[1-2]。
        针对目前多数电厂缺乏准确、有效的风粉在线测量和均衡调整手段，本文提出一种新型的风粉精准监测与精细调平控制的解决方案，从制粉系统侧很好地解决了影响锅炉均匀燃烧的关键问题，实现各燃烧器出口煤粉流速、流量分配的可调可控。燃烧器煤粉分配均匀的基础上，进行燃烧器精细配风，有的放矢，优化燃烧器之间的风煤配比，改善炉内燃烧状态，最终有效解决了炉内热负荷偏差，两侧烟温、汽温偏差问题。该技术方案在国内某1030MW宽锅炉上得到应用并取得良好效果，解决了一直困扰电厂的由于侧煤仓布置造成的一次风粉分布偏差大导致的炉内热负荷偏差大的问题。
        2-一次风煤粉在线精细监控与优化技术
        2.1新型风粉在线监测技术
        风粉在线监测系统采用静电传感技术进行测量。煤粉颗粒在管道中流动，颗粒表面会带上静电电荷，这种物理特性可以用于其流动参数的检测。在煤粉流动方向的上游和下游分别设置静电传感电极，当煤粉颗粒流过电极将产生相应的感应信号，通过特殊设计的电路可以检测出感应电荷信号，通过模型计算可测得煤粉流动参数（煤粉流速、粉量分配等）。
        测量传感器采用非侵入式环形结构设计，内壁光滑，与管道内径相同，安装后成为管道的一部分，最大可能地减少了煤粉冲击的磨损和对风粉流动的影响。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。同时，该系统基于被动式测量原理，完全消除了其他技术所带来的辐射能量，具有极高的安全性[3]。另外该系统安装简单，不存在后期维护和保养工作量很少。

        图1 风粉在线监测系统传感器安装实例
        2.2 流速均衡控制技术
        各一次风管路流动阻力的差异是造成各燃烧器出口风粉的流速偏差主要原因。流动阻力取决于各管路的本身的固有特性（如长度、弯管角度等）、风粉混合物煤粉浓度（浓度高的流动阻力大）等因素。新型煤粉流速均衡装置专为平衡同层燃烧器一次风管道流动阻力而设计，装置内部有调节挡板，挡板开度不同则对管道调节阻力不同。通过连续改变磨煤机出口至燃烧器出口一次风管线的差压及流动阻力，达到燃烧器出口风粉流速均衡的目的。
        当不需要调整时调节挡板位于装置内部，不伸入到风粉管道中，不额外增加管道本身阻力。此装置设计巧妙，不积粉、不卡涩，区别与传统的可调缩孔，调节灵活，可靠性高。此装置配置电动执行器可实现在DCS上远程在线调节风粉流速和分布偏差，运行精细化程度显著提升。

        图2 风粉流速均衡调整装置
        新型流速均衡调节装置具有良好的调节灵敏度和调节特性，当流速调节装置开度变化后即可反映到管道煤粉流速变化；且粉管流速跟踪流速阀开度变化趋势一致，反映出新型煤粉均衡阀调节特性良好。

        图3 试验期间D磨风量煤量趋势

        图4 新型煤粉流速均衡阀调节特性趋势
        调节特性试验表明：D1流速阀全开，开度100%，流速稳定在27m/s，随着依次关小流速阀开度，D1管煤粉流速逐渐减小，当流速阀关至45%时，D1流速稳定在20.5m/s；随后依次加大流速阀开度，D1管煤粉流速逐渐变大，当流速阀开至100%时，D1流速恢复到27m/s。
        2.3 磨出口粉量分配调整装置
        煤粉从磨煤机分离器分离后进入各一次风管道，进入各一次风管道的煤粉量的均匀性主要受磨煤机本身分配特性的影响。针对粉量分配不均的问题，基于CFD流体仿真设计可调节进入各一次风煤粉管道内的粉量大小的煤粉浓度调节装置，可对磨煤机出口粉量分配不均进行均流，使粉量的不均匀可控。煤粉浓度调整装置安装在磨煤机分离器出口上方，在煤粉进入主管前。

        图5 磨出口粉量分配调整装置
        2.4 风粉自动调平控制系统
        基于对锅炉各燃烧器出口煤粉流速、流量分布等关键参数的精准测量，运用智能控制算法，对测量参数进行实时和历史的分析计算，分析出各管道间偏差情况并形成均衡控制指令，向风粉调节装置发送控制信号至各装置电动执行器进行动作，使磨同层各燃烧器出口煤粉分布处于均衡状态，从而实现在各种工况下的自动均衡调整，实现了一次风煤粉监测及控制的闭环自动控制。
        该控制系统彻底改变了传统风粉调整中依靠电科院人工取粉测试，再依次手动调节可调缩孔的方式，不仅费时费力，调节效果也不佳。

        图6 风粉均衡自动控制系统结构

        图7 风粉自动调整过程
        2.5 精准配风优化
        在风粉精准调平的基础上，优化各燃烧器二次风配风，最终优化各燃烧器之间的风粉偏差和风煤比，防止由于炉内配风不均出现局部缺氧或者局部过烧而导致燃烧不完全或者NOx偏高等现象，明显改善了炉内燃烧恶化的情况，显著提升锅炉燃烧性能[4]。
        3-系统取得的应用效果
        3.1 风粉流速在线自动调平
        以其中1台磨为例，流速调平试验表明，煤粉流速调整装置具有良好的调节线性和调节灵敏度，经过对同台磨不同管道间煤粉流速偏差的测量和统计分析，系统自动调整，最终单个管道间流速相对偏差可控制在5%以内。

        图8 B磨调平前后流速分布对比

        图9 B磨调平前后流速偏差对比
        3.2 煤粉粉量分配调平
        基于精准的风粉在线数据对各煤粉浓度调节装置进行调整，改善粉量分配偏差情况，进而调平燃烧器输出功率。

        图10 E磨调平前后粉量分配对比
        粉量分配调平前后试验和测试数据可以看出：
        1）每台磨4根主管间粉量分配存在较大偏差，最大偏差接近40%；
        2）从总体上看，调平前各磨4根主管粉量分配基本呈现出12、34、56、78号管逐渐递增的趋势，这和磨煤机一次粉管固定端一侧管道长度较短，而扩建端一侧管道较长的侧煤仓布置方式体现出一致性；
        3）调平后4根主管粉量分配偏差有较大改善，调平后各主管间粉量分配较为均匀，偏差均在10%以内。
        3.3 锅炉效率提高
        优化调整前，由于风粉分布不均，锅炉存在局部燃烧恶化的问题，尤其960MW负荷下炉膛两侧出现大片区域CO爆表，尤其高负荷下调整前炉膛两侧CO排放浓度由超量程值（单点>6000μL/L)，优化后炉膛两侧CO排放浓度绝大部分均降低至900μL/L以下。

        图11 优化前960MW负荷下SCR入口A/B侧O2分布

        图12 优化前960MW负荷下SCR入口A/B侧CO分布

        图13 优化后960MW负荷下SCR入口A/B侧O2分布

        图14 优化后960MW负荷下SCR入口A/B侧CO分布
        制粉系统风粉调平以及配风优化后，锅炉燃烧恶化现象得到极大缓解，两侧CO含量显著降低，氧量分布也较为均匀。960MW负荷下优化前锅炉效率为91.89%，优化后锅炉效率为92.44%，锅炉效率提高0.55个百分点，煤耗降低约1.76g/kWh。
        3.4 NOx排放量降低
        制粉系统风粉调平与燃烧器配风优化后，炉膛截面NOx分布均匀性有较大改善，优化后较优化前各工况下NOx排放均有10%以上的降幅。

        图15 优化前960MW负荷下SCR入口实测NOx分布

        图16 优化后960MW负荷下SCR入口实测NOx分布
        960MW负荷优化前，SCR入口NOx排放为459.2mg/Nm3，优化后960MW负荷下NOx排放为403.5mg/Nm3 ，优化后较优化前降低约12.1%，且优化后炉膛截面NOx分布均匀性有很大改善。
        3.5 烟温、汽温偏差降低
        优化后的各工况下低过烟道A、B侧烟温偏差基本维持在较低水平，过热器汽温偏差缩小，基本控制在10℃以内，减温水阀门均具有一定调节裕量，再热器减温水阀门全关。
        4-结论
        当前，锅炉燃烧运行控制仍处于较为粗放的状态，而作为核心的制粉系统运行监测和控制水平还不高，在一定程度上影响锅炉的经济环保安全运行，随着煤质和锅炉运行工况的复杂多变，此问题已成为制约锅炉经济安全运行的重要因素。随着技术的发展，这方面工作取得了重要突破。基于精准的煤粉在线监测技术，对锅炉制粉系统调控设备和系统进行改造，实现煤粉侧的精细控制，并结合锅炉精细配风控制，实现最优的风煤配比，必将显著提升锅炉均匀燃烧状态和运行精细化水平。
        参考文献:
        [1]焦世超.煤粉锅炉一次风管风粉配平方案的研究[D].华北电力大学，2011
        [2] 侯致福.一次风管风粉均匀性影响因素研究[J].东北电力技术.2011(08)
        [3] Qian X, Huang X, Hu Y and Yan Y, ‘Pulverized coal flow metering on a full-scale power plant using electrostatic sensor arrays’, Flow Measurement and Instrumentation, vol.40, no.12. pp.185-191, 2014. DOI: 10.1016/j.flowmeasinst.2014.06.001
        [4] 王夔.600MW亚临界锅炉冷态空气动力场试验及优化[D].2008