锅炉燃烧二次风测量装置的系统优化与应用

2016-05-30李庭瑜

中国高新技术企业 2016年28期

摘要：文章对锅炉二次风量控制系统的特点、任务以及对象动态特性等内容进行分析，对风量控制的基本方式及方案进行阐述，并以某发电企业300MW单元机组二次风量控制系统化为分析对象，对其系统组成、功能以及实现方法进行分析，对锅炉燃烧二次风测量装置进行探讨，以供参考。

关键词：锅炉燃烧；二次风量控制系统；测量装置；系统优化；发电企业文献标识码：A

中图分类号：TK313 文章编号：1009-2374（2016）28-0025-03 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.28.014

1 二次風量的控制任务

企业锅炉运行过程中燃料的燃烧状态是其经济性的重要指标之一，而风煤配比对燃料的燃烧状态具有十分重要的影响。风量测量可靠性与风量变送器冗余之间存在着密切的关系，原因主要有两点：第一，氧信号测量的可靠性、准确性以及实时性不理想；第二，二次风执行机构反应较慢。因此必须保证风量和燃料来符合标准要求，即空燃比设计为最佳。某发电厂有300MW机组单元，其风量系统主要由一次风和二次风两部分构成，而二次风的主要作用是为燃料在炉膛中燃烧提供条件，一次风的主要作用是将煤粉带至炉膛内。其中二次风以二次风机供给为基础，利用二次风机变频器的转速变化来控制送风量的大小，以进一步保证烟气中的含氧量处于最佳化，这样一来使得锅炉燃烧系统的空燃比得到了保证，提高了锅炉的热效率。

为了保证燃料的燃烧效率，实际的送风量应大于理论空气量，两者之间的差值主要以过剩空气系数α来进行表征，即α=V实际/V理论。一方面当实际空气量过大时，会导致风机的耗电量增加，同时还会造成一定的排烟损失；另一方面当空气量过小时，燃料燃烧不完全，降低锅炉的热效率，经过一定的经验研究发现，α值范围应当在1.2～1.4之间为最佳。在实际生产中过剩空气系数α可以利用炉膛出口烟气中含氧量进行表征。在燃料完全燃烧的状态下，过剩空气系数α与02%的关系为：

α=21%/（21%-O2%）

由此可知，02%与α成反比。

2 二次风量控制系统的控制方案

1670058.jpg

图1 氧量-空燃比串级系统

在实际生产过程中，通过利用氧量-空燃比串级系统用氧量信号来校正空燃比系统的误差是当下大部分企业所采用的控制方案，具体如图1所示。从图1中可知，氧量-空绕壁串级系统中副环能够在短时间内保证空燃比达到最佳，而给料误差则主要通过利用烟气中的含氧量来进行校正。

3 燃烧器二次风的风量标定测量试验

3.1 标定测试原理

第一，在标定测试进行前，已经对锅炉的低氮燃烧器进行了一定的改造，并在其主燃烧器的上部位置设置了七层SOFA风箱，同时通过使用速度和温度场的测定方案，加以5孔棱镜3D探头的方式来进行测试；第二，3D测量的主要机理如下。当探头P2-P3之间的压力差值为零时，探头与流体的方向是相同的，这时通过利用探头的偏转角和（P1-P2和P4-P5）压力差来对速度矢量值进行计算分析，最终得出流体的角度和大小；第三，温度值是利用K型热电偶来完成的，并将测试的信息数据进行统计存储。另外，在对二次风风箱、风道中的风量进行测量的过程中，应当保证测试管的测试点处于管道的中心位置，以方便对不同方向点的数据进行记录存档。

3.2 测试结果分析

经过数据分析发现，提高燃烧效率具有十分可观的研究价值。可以利用一定的手段保证燃料均匀地进入到炉膛内，如通过煤粉管道将一次风和煤粉进行平衡处理，同时在燃烧器层控制作用下，使二次风和辅助风满足空燃比的实际需要，但是在这一过程中应当注意并不是所有情况都要求二次风呈均匀分布状态，其决定因素主要有锅炉运行策略和燃烧最终的目标，而一般情况下主要由锅炉的运行策略决定。总之，锅炉燃烧效率提高的主要途径之一是对二次风的分布情况进行科学合理的控制，并根据锅炉燃烧具体要求选择合适的空燃比。但在实际过程中二次风分布均匀性并不仅仅依赖风箱挡板实现，因此通常情况下风箱挡板的损坏或者是功能失灵等情况对流量变化的影响较小。

4 风量测量装置的选取和安装

4.1 机翼型风量测量装置

由于机翼型风量测定装置可以用于空气流量大、风道截面积大、流速低以及直管段等多种测量，因此它的应用范围较广。在实际测量过程中可以根据实际测量管道的具体形状、大小以及风量等多种条件，选择不同型号的机翼型风量测定装置，一般情况下该装置主要应用在矩形或者是圆形管道中。现阶段机翼型风量测量装置的应用较为广泛，其装置特性主要有以下三点：第一，流线型机翼形状的核心节流元件的应用在一定程度上降低了阻力系数，为降低压损提供了条件，但是受到其体形较大的影响，由其造成的压损大于降低的压损值；第二，该装置具有多个翼形管，其目的是为了增加检测点的数目，进而提高装置测量的准确度，但是这种设计也在一定程度上增加了阻力，导致压损增加；第三，部分机翼型风量测定装置为了满足排污要求，增设了排污装置和疏通装置，但是受到其取压口较小的影响，同时二次风中极易含有灰尘等杂物，因此堵塞现象发生的概率较大，这样一方面为运行安全埋下了隐患，另一方面也增加了维修的难度，但是由于组成结构简单、操作简便，因而应用范围较为广泛。

该装置在实际应用过程中，含有灰尘的气流经常会将传压孔堵塞，甚至造成防堵塞功能和反吹扫功能失灵，造成测量结果失真，给技术人员的后续操作造成了一定的干扰，因此部分电力企业已经不再使用机翼型风量测量装置。因此清灰以及防堵塞功能是影响机翼型风量测量装置性能发挥的主要因素，任何一种安装方式都应当尽量保证翼形管的静压测孔可以在取样管的作用下引出至传压管，继而再将信号传送至相应的界面，为技术人员的后续读取和操作提供便捷。

4.2 热线型风量测量装置

在实际应用过程中，由于热线型风量测量装置具有体型小、安装简单以及操作方便等诸多特点，因而在工厂压缩空气、天然气、锅炉燃气和空气送风测量等多方面得到了广泛应用。热线型风量测量装置轮廓图如图2所示：

1670066.jpg

图2 热线型风量测量装置的轮廓图

热线型风量测量装置特性：第一，热线型风量测量装置在实际使用过程中可以对气体质量流量等进行直接测量，不需要再通过温度、压力等计算气体密度进行校正，同时其测定结果会直接以标准单位或者是英制单位等工程单位输出，该装置的应用一方面可以在一定程度上降低由温度和压力校正引起的二次误差，另一方面也避免了复杂的单位换算；第二，该装置传感器反应较为灵敏，同时该装置具有特殊的传感器技术，因此可以应用在湍流或者是非轴向流速测量的测试实验中；第三，该装置的接口种类较多，例如有RS485接口、Modbus、Profibus-DP、Devicenet和Ethernet协议等多种选择。

热线型风量测量装置安装：热线型风量测量装置并没有制定较为严格的安装流程，主要以流场选择为主要参考指标，一般情况下，测量点的位置在距挡板190mm处，并在每层燃烧器分风箱侧面开设小孔、配置法兰。另外，该装置所有的安装施工都可以在现场完成，不会涉及到吊装，同时也不需要对刚性梁、电缆架桥等问题进行考虑分析，因此安装施工较为简单。

5 二次风量控制系统总体结构及分析

5.1 氧量修正系数的形成

所谓的氧量修正系数其具体行程过程如下：第一，利用函数发生转换器将主蒸汽流量换算成氧量设定值，并在锅炉尾部烟道附近左右设置一个烟气含氧量测量点，取值为两者的平均值，并将其作为烟气含氧量的实际测量值；第二，将换算所得的氧量设定值域实际测量值进行对比，两者之差为偏差信号，将其传输至氧量校正器，并经过PI运算得出最终的氧量修正系数。

5.2 风量偏差信号的形成

风量偏差信号的形成如下：第一，将二次風机出口风量信号及一次风机出口流量进行校正，之后将两者的校正值叠加；第二，风温会对风量信号测量的准确性造成一定的影响，因此该值需要经过风温、氧量校正，最终得到的值就是总风量测量信号；第三，将该信号输送至PID控制器当作被调量。

通过一定的计算得出总风量指令信号，而总燃煤量为几台给煤机燃煤量信号的总和，对应于总燃煤量Bm所需要的风量Vm与总燃煤量成正比。即：

Vm=f（Bm）=KmBm

式中：Km为常数，其取值范围为0.95～1.05，具体数值应根据燃用煤的成分决定。同理，总燃油量所需的风量也于总燃油量成正比，即：

Vu=f（Bu）=KuBu

总燃料量（Bm+Bu）所需要的总风量为（Vm+Vu），与负荷指令信号及最小风量信号进入大选模块，大选模块的输出就是总风量指令信号。

6 测量装置对送风阻力的影响

对于二次送风系统而言，送风阻力对系统运行具有十分重要的影响，特别是对二次风风机的选择和相应管道布设，二次送风阻力的影响是不容忽视的。

6.1 机翼型风量测量装置的压损

机翼型风量测量装置在实际的应用过程中压损明显降低，这主要是因为该装置的界面属于流线型。但是当该装置设置于二次风分风箱时，其所占风箱界面的比例较大，使得压损升高。同时该装置的机翼翼面属于典型的流线型，因而当流体通过时受到的阻力较小，进而降低了涡流的扰动影响，使得流体的压损有所降低，同时流量系数也得到了进一步的稳定。如果将一半的机翼分别放置在风道左右两端，且侧壁中间设置机翼型节流件，使流通通道有如短型文丘里喷嘴或四分之一圆喷嘴，这样喉部使得流体的速度加快，动能随之增加，并导致流通喉部静压取点处产生一个更低压的稳流区，压差增大，测量的灵敏度和精确度提高。

6.2 热线型风量测量装置的压损

热线型测量装置安装简单：第一，在测量装置的测风导管上布设测压点，且测压点之间的距离应当相同；第二，当测试截面风速分布存在偏差时，风箱上的热线型测量装置应平行排列。而当测试截面的风速分布呈均匀状态时，可以只在风箱的中心位置设置一个热线型装置，并根据实际需要在测风导管上布设测压点。判断风速均匀程度的方法主要有两种：一种是利用流体模拟计算出测试断面速度的分布情况，并计算出RMS值，当计算所得的RMS值小于15%时，可以直接在风箱的中心位置布设一个热线型测量装置，而当计算所得的RMS值大于15%时，则代表截面的风速分布不均，这时应当在测试截面上布设多个热线型测量装置；另一种是利用便携式测量仪进行现场测试，利用“迂回”的测试方法进行判断截面气流分布情况，依据截面气流分布，选择热线型测量装置的布局方式。

7 风量测量装置导流设计方案

7.1 机翼型风量测量装置安装的可行性分析

锅炉系统中每一组燃烧器都需要进行机翼型风量测量装置，因此在安装之前需要将使用的设备运输至组装现场，由专业的安装公司将设备吊装到燃烧器区域的高度范围。安装公司会分析对测量装置安装有影响的因素，以保障具有净高度为9960mm、宽度为1220mm、厚度为大于400mm的安装空间。在实际的组装过程中不可避免地会遇到碰撞问题，这时就需要对相关的元件拆除，待施工完成后再安装恢复原状，但是如果碰撞问题中涉及到的元件是不可拆除和切割的，这时就必须重新设定施工方案。

7.2 热线型风量测量装置安装的可行性分析

热线型风量测量装置的安装较为简单，首先将每角的燃烧器拆除后，每角只需要两个人就可以完成装置安装和接线工作，因此该类型装置的安装简单，不需要进行吊装等相对较为复杂的工作，同时也可以保证锅炉系统运行过程中的安全。

7.3 风量测量装置安装可行性的对比分析

风量测量装置安装可行性的对比分析见表1。

8 结语

在发电厂的生产过程中，机翼型风量测量装置和热线型风量测量装置的应用都比较广泛，而通过以上多方面的对比分析发现，后者在施工安装、使用性能表现、运行维护以及可靠性等多方面具有一定的优势，而且机翼型风量测量装置的制造成本过高是限制其应用范围进一步扩大的主要因素之一。

参考文献

[1] 肖江.超临界火电机组二次风量测量装置改进[J].国网技术学院学报，2014，（4）.

[2] 张博.锅炉一、二次风系统风量测量装置的联锁与应用[J].电站系统工程，2012，（4）.

[3] 刘强.电厂锅炉的燃烧优化和运行调整探微[J].山东工业技术，2016，（5）.

[4] 李忠秋.600MW单元机组二次风量控制系统浅析[J].黑龙江科技信息，2013，（34）.

[5] 陈友斌.350MW单元机组一、二次风控制系统浅析