鍋爐燃燒二次風測量裝置的系統優化與應用

摘要：文章對鍋爐二次風量控制系統的特點、任務以及對象動態特性等內容進行分析，對風量控制的基本方式及方案進行闡述，并以某發電企業300MW單元機組二次風量控制系統化為分析對象，對其系統組成、功能以及實現方法進行分析，對鍋爐燃燒二次風測量裝置進行探討，以供參考。

關鍵詞：鍋爐燃燒；二次風量控制系統；測量裝置；系統優化；發電企業 文獻標識碼：A

中圖分類號：TK313 文章編號：1009-2374（2016）28-0025-03 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.28.014

1 二次風量的控制任務

企業鍋爐運行過程中燃料的燃燒狀態是其經濟性的重要指標之一，而風煤配比對燃料的燃燒狀態具有十分重要的影響。風量測量可靠性與風量變送器冗余之間存在著密切的關系，原因主要有兩點：第一，氧信號測量的可靠性、準確性以及實時性不理想；第二，二次風執行機構反應較慢。因此必須保證風量和燃料來符合標準要求，即空燃比設計為最佳。某發電廠有300MW機組單元，其風量系統主要由一次風和二次風兩部分構成，而二次風的主要作用是為燃料在爐膛中燃燒提供條件，一次風的主要作用是將煤粉帶至爐膛內。其中二次風以二次風機供給為基礎，利用二次風機變頻器的轉速變化來控制送風量的大小，以進一步保證煙氣中的含氧量處于最佳化，這樣一來使得鍋爐燃燒系統的空燃比得到了保證，提高了鍋爐的熱效率。

為了保證燃料的燃燒效率，實際的送風量應大于理論空氣量，兩者之間的差值主要以過?？諝庀禂郸羴磉M行表征，即α=V實際/V理論。一方面當實際空氣量過大時，會導致風機的耗電量增加，同時還會造成一定的排煙損失；另一方面當空氣量過小時，燃料燃燒不完全，降低鍋爐的熱效率，經過一定的經驗研究發現，α值范圍應當在1.2～1.4之間為最佳。在實際生產中過?？諝庀禂郸量梢岳脿t膛出口煙氣中含氧量進行表征。在燃料完全燃燒的狀態下，過?？諝庀禂郸僚c02%的關系為：

α=21%/（21%-O2%）

由此可知，02%與α成反比。

2 二次風量控制系統的控制方案

1670058.jpg

圖1 氧量-空燃比串級系統

在實際生產過程中，通過利用氧量-空燃比串級系統用氧量信號來校正空燃比系統的誤差是當下大部分企業所采用的控制方案，具體如圖1所示。從圖1中可知，氧量-空繞壁串級系統中副環能夠在短時間內保證空燃比達到最佳，而給料誤差則主要通過利用煙氣中的含氧量來進行校正。

3 燃燒器二次風的風量標定測量試驗

3.1 標定測試原理

第一，在標定測試進行前，已經對鍋爐的低氮燃燒器進行了一定的改造，并在其主燃燒器的上部位置設置了七層SOFA風箱，同時通過使用速度和溫度場的測定方案，加以5孔棱鏡3D探頭的方式來進行測試；第二，3D測量的主要機理如下。當探頭P2-P3之間的壓力差值為零時，探頭與流體的方向是相同的，這時通過利用探頭的偏轉角和（P1-P2和P4-P5）壓力差來對速度矢量值進行計算分析，最終得出流體的角度和大??；第三，溫度值是利用K型熱電偶來完成的，并將測試的信息數據進行統計存儲。另外，在對二次風風箱、風道中的風量進行測量的過程中，應當保證測試管的測試點處于管道的中心位置，以方便對不同方向點的數據進行記錄存檔。

3.2 測試結果分析

經過數據分析發現，提高燃燒效率具有十分可觀的研究價值。可以利用一定的手段保證燃料均勻地進入到爐膛內，如通過煤粉管道將一次風和煤粉進行平衡處理，同時在燃燒器層控制作用下，使二次風和輔助風滿足空燃比的實際需要，但是在這一過程中應當注意并不是所有情況都要求二次風呈均勻分布狀態，其決定因素主要有鍋爐運行策略和燃燒最終的目標，而一般情況下主要由鍋爐的運行策略決定?？傊?，鍋爐燃燒效率提高的主要途徑之一是對二次風的分布情況進行科學合理的控制，并根據鍋爐燃燒具體要求選擇合適的空燃比。但在實際過程中二次風分布均勻性并不僅僅依賴風箱擋板實現，因此通常情況下風箱擋板的損壞或者是功能失靈等情況對流量變化的影響較小。

4 風量測量裝置的選取和安裝

4.1 機翼型風量測量裝置

由于機翼型風量測定裝置可以用于空氣流量大、風道截面積大、流速低以及直管段等多種測量，因此它的應用范圍較廣。在實際測量過程中可以根據實際測量管道的具體形狀、大小以及風量等多種條件，選擇不同型號的機翼型風量測定裝置，一般情況下該裝置主要應用在矩形或者是圓形管道中。現階段機翼型風量測量裝置的應用較為廣泛，其裝置特性主要有以下三點：第一，流線型機翼形狀的核心節流元件的應用在一定程度上降低了阻力系數，為降低壓損提供了條件，但是受到其體形較大的影響，由其造成的壓損大于降低的壓損值；第二，該裝置具有多個翼形管，其目的是為了增加檢測點的數目，進而提高裝置測量的準確度，但是這種設計也在一定程度上增加了阻力，導致壓損增加；第三，部分機翼型風量測定裝置為了滿足排污要求，增設了排污裝置和疏通裝置，但是受到其取壓口較小的影響，同時二次風中極易含有灰塵等雜物，因此堵塞現象發生的概率較大，這樣一方面為運行安全埋下了隱患，另一方面也增加了維修的難度，但是由于組成結構簡單、操作簡便，因而應用范圍較為廣泛。

該裝置在實際應用過程中，含有灰塵的氣流經常會將傳壓孔堵塞，甚至造成防堵塞功能和反吹掃功能失靈，造成測量結果失真，給技術人員的后續操作造成了一定的干擾，因此部分電力企業已經不再使用機翼型風量測量裝置。因此清灰以及防堵塞功能是影響機翼型風量測量裝置性能發揮的主要因素，任何一種安裝方式都應當盡量保證翼形管的靜壓測孔可以在取樣管的作用下引出至傳壓管，繼而再將信號傳送至相應的界面，為技術人員的后續讀取和操作提供便捷。

4.2 熱線型風量測量裝置

在實際應用過程中，由于熱線型風量測量裝置具有體型小、安裝簡單以及操作方便等諸多特點，因而在工廠壓縮空氣、天然氣、鍋爐燃氣和空氣送風測量等多方面得到了廣泛應用。熱線型風量測量裝置輪廓圖如圖2所示：

1670066.jpg

圖2 熱線型風量測量裝置的輪廓圖

熱線型風量測量裝置特性：第一，熱線型風量測量裝置在實際使用過程中可以對氣體質量流量等進行直接測量，不需要再通過溫度、壓力等計算氣體密度進行校正，同時其測定結果會直接以標準單位或者是英制單位等工程單位輸出，該裝置的應用一方面可以在一定程度上降低由溫度和壓力校正引起的二次誤差，另一方面也避免了復雜的單位換算；第二，該裝置傳感器反應較為靈敏，同時該裝置具有特殊的傳感器技術，因此可以應用在湍流或者是非軸向流速測量的測試實驗中；第三，該裝置的接口種類較多，例如有RS485接口、Modbus、Profibus-DP、Devicenet和Ethernet協議等多種選擇。

熱線型風量測量裝置安裝：熱線型風量測量裝置并沒有制定較為嚴格的安裝流程，主要以流場選擇為主要參考指標，一般情況下，測量點的位置在距擋板190mm處，并在每層燃燒器分風箱側面開設小孔、配置法蘭。另外，該裝置所有的安裝施工都可以在現場完成，不會涉及到吊裝，同時也不需要對剛性梁、電纜架橋等問題進行考慮分析，因此安裝施工較為簡單。

5 二次風量控制系統總體結構及分析

5.1 氧量修正系數的形成

所謂的氧量修正系數其具體行程過程如下：第一，利用函數發生轉換器將主蒸汽流量換算成氧量設定值，并在鍋爐尾部煙道附近左右設置一個煙氣含氧量測量點，取值為兩者的平均值，并將其作為煙氣含氧量的實際測量值；第二，將換算所得的氧量設定值域實際測量值進行對比，兩者之差為偏差信號，將其傳輸至氧量校正器，并經過PI運算得出最終的氧量修正系數。

5.2 風量偏差信號的形成

風量偏差信號的形成如下：第一，將二次風機出口風量信號及一次風機出口流量進行校正，之后將兩者的校正值疊加；第二，風溫會對風量信號測量的準確性造成一定的影響，因此該值需要經過風溫、氧量校正，最終得到的值就是總風量測量信號；第三，將該信號輸送至PID控制器當作被調量。

通過一定的計算得出總風量指令信號，而總燃煤量為幾臺給煤機燃煤量信號的總和，對應于總燃煤量Bm所需要的風量Vm與總燃煤量成正比。即：

Vm=f（Bm）=KmBm

式中：Km為常數，其取值范圍為0.95～1.05，具體數值應根據燃用煤的成分決定。同理，總燃油量所需的風量也于總燃油量成正比，即：

Vu=f（Bu）=KuBu

總燃料量（Bm+Bu）所需要的總風量為（Vm+Vu），與負荷指令信號及最小風量信號進入大選模塊，大選模塊的輸出就是總風量指令信號。

6 測量裝置對送風阻力的影響

對于二次送風系統而言，送風阻力對系統運行具有十分重要的影響，特別是對二次風風機的選擇和相應管道布設，二次送風阻力的影響是不容忽視的。

6.1 機翼型風量測量裝置的壓損

機翼型風量測量裝置在實際的應用過程中壓損明顯降低，這主要是因為該裝置的界面屬于流線型。但是當該裝置設置于二次風分風箱時，其所占風箱界面的比例較大，使得壓損升高。同時該裝置的機翼翼面屬于典型的流線型，因而當流體通過時受到的阻力較小，進而降低了渦流的擾動影響，使得流體的壓損有所降低，同時流量系數也得到了進一步的穩定。如果將一半的機翼分別放置在風道左右兩端，且側壁中間設置機翼型節流件，使流通通道有如短型文丘里噴嘴或四分之一圓噴嘴，這樣喉部使得流體的速度加快，動能隨之增加，并導致流通喉部靜壓取點處產生一個更低壓的穩流區，壓差增大，測量的靈敏度和精確度提高。

6.2 熱線型風量測量裝置的壓損

熱線型測量裝置安裝簡單：第一，在測量裝置的測風導管上布設測壓點，且測壓點之間的距離應當相同；第二，當測試截面風速分布存在偏差時，風箱上的熱線型測量裝置應平行排列。而當測試截面的風速分布呈均勻狀態時，可以只在風箱的中心位置設置一個熱線型裝置，并根據實際需要在測風導管上布設測壓點。判斷風速均勻程度的方法主要有兩種：一種是利用流體模擬計算出測試斷面速度的分布情況，并計算出RMS值，當計算所得的RMS值小于15%時，可以直接在風箱的中心位置布設一個熱線型測量裝置，而當計算所得的RMS值大于15%時，則代表截面的風速分布不均，這時應當在測試截面上布設多個熱線型測量裝置；另一種是利用便攜式測量儀進行現場測試，利用“迂回”的測試方法進行判斷截面氣流分布情況，依據截面氣流分布，選擇熱線型測量裝置的布局方式。

7 風量測量裝置導流設計方案

7.1 機翼型風量測量裝置安裝的可行性分析

鍋爐系統中每一組燃燒器都需要進行機翼型風量測量裝置，因此在安裝之前需要將使用的設備運輸至組裝現場，由專業的安裝公司將設備吊裝到燃燒器區域的高度范圍。安裝公司會分析對測量裝置安裝有影響的因素，以保障具有凈高度為9960mm、寬度為1220mm、厚度為大于400mm的安裝空間。在實際的組裝過程中不可避免地會遇到碰撞問題，這時就需要對相關的元件拆除，待施工完成后再安裝恢復原狀，但是如果碰撞問題中涉及到的元件是不可拆除和切割的，這時就必須重新設定施工方案。

7.2 熱線型風量測量裝置安裝的可行性分析

熱線型風量測量裝置的安裝較為簡單，首先將每角的燃燒器拆除后，每角只需要兩個人就可以完成裝置安裝和接線工作，因此該類型裝置的安裝簡單，不需要進行吊裝等相對較為復雜的工作，同時也可以保證鍋爐系統運行過程中的安全。

7.3 風量測量裝置安裝可行性的對比分析

風量測量裝置安裝可行性的對比分析見表1。

8 結語

在發電廠的生產過程中，機翼型風量測量裝置和熱線型風量測量裝置的應用都比較廣泛，而通過以上多方面的對比分析發現，后者在施工安裝、使用性能表現、運行維護以及可靠性等多方面具有一定的優勢，而且機翼型風量測量裝置的制造成本過高是限制其應用范圍進一步擴大的主要因素之一。

參考文獻

[1] 肖江.超臨界火電機組二次風量測量裝置改進[J].國網技術學院學報，2014，（4）.

[2] 張博.鍋爐一、二次風系統風量測量裝置的聯鎖與應用[J].電站系統工程，2012，（4）.

[3] 劉強.電廠鍋爐的燃燒優化和運行調整探微[J].山東工業技術，2016，（5）.

[4] 李忠秋.600MW單元機組二次風量控制系統淺析[J].黑龍江科技信息，2013，（34）.

[5] 陳友斌.350MW單元機組一、二次風控制系統淺析

[J].山東工業技術，2015，（21）.

作者簡介：李庭瑜（1974-），男，陜西戶縣人，神華陜西國華錦界能源有限責任公司工程師，研究方向：火力發電廠熱控儀表及自動化技術。

（責任編輯：黃銀芳）