電站鍋爐一、二次風風速在線監測系統的研制與開發

項目的提出

       鍋爐燃燒工況的好壞在很大程度上影響著電廠運行的潔凈、安全和經濟性。由于鍋爐設備龐大、煤粉燃燒工況極為復雜的特性,決定了燃燒過程以及與之有關的其它過程是難以控制和測量的,需要對影響燃燒工況的主要參數,能夠實現準確地測量,從而能夠達到有目的、有計劃的控制、調整燃燒,實現鍋爐最佳的運行方式。

       目前,國內采用四角布置切圓燃燒方式的電站鍋爐是極為普遍的。對于四角布置的直流燃燒器來說,燃燒調整的目的是尋找最佳的燃燒方式,建立起爐內良好的空氣動力工況。其中,關鍵的調整項目是使四角配風均勻合理。這對于攜帶煤粉的一次風有著較為嚴格的要求,對動能、剛性比一次風大得多的二次風有著更高的要求。而要達到這一目的,則必須實現對各一、二次風噴口風速的準確測量,這是問題的關鍵。從設計、制造鍋爐的角度出發,燃燒系統中燃燒器出口風速是燃燒器設計的主要參數,也是指導運行的重要依據。但是,由于目前鍋爐煙風系統結構設計及動壓測量裝置自身測量條件要求的限制等原因,使得鍋爐燃燒系統的噴口風速,到目前為止難以實現準確測量。

        多年來,司爐進行的鍋爐燃燒調整一直停留在依靠觀測風道靜壓、風門開度和肉眼看火這種傳統、落后的監測手段上。司爐無法直接、準確地監測到鍋爐一、二次風的噴口風速,燃燒調整一直處于靠感覺、憑經驗的盲目、半盲目的狀態。無法有效地監測和調整爐膛內的實際燃燒工況。

        因此,如何開發先進的燃燒監測的手段,解決實現鍋爐燃燒系統一、二次風噴口風速實時、準確測量的問題,改變目前的被動局面就成為當務之急。

       • 現狀和存在的問題分析

        目前,司爐調整鍋爐一、二次風風速配比,主要的監測手段有三種:

        第一種:依據安裝于每個燃燒器一、二次風支管及風箱上的靜壓測點指示,調平各層風速

        其測量原理是利用流體力學的伯努力方程,即假設在全壓相等的前提下,動壓等于全壓減靜壓,通過測量靜壓來比對動壓。

        該方法的優點是系統簡單、直觀。存在的問題是:第一,由于風系統結構上的差異,風箱到各個噴口的煙風阻力不相等,而且隨爐型增大,差異變大。第二,一、二次風風道中,尤其是在二次風管道中,由于結構的影響,流場的穩定性相當差,在不采取一定有效措施的前提下,準確測量靜壓值都是很困難的。第三,即使能夠測量到準確的靜壓,由于系統中各個管道的阻力無法得到較好的補償,只能實現定性測量,無法實現與設計風速值的定量比對。

        現場的實際情況常常是,集控室內的一、二次風風壓指示表計,要么無指示,要么指示無規律,幾乎形同虛設。

        第二種:通過對各風門進行冷、熱態的風門特性試驗,依據風門開度的大小來實現一、二次風的調整

        該方法的優點是簡單、直觀,無需其它附屬設備。存在的問題是:該方法的前提是要求風門開度指示與擋板的實際位置建立起一一對應的關系。但是由于風門控制系統結構特點及執行機構、擋板所處的環境惡劣,風道內擋板的實際開度往往與執行器開度指示相脫節,風門特性經常變化,加之運行中,風門的檢查、維修工作困難,難以保證這種一一對應的關系。

        第三種:近幾年,一些科研院所做過一些工作,如在一、二次風支管中安裝全壓測速管;把二次風小風門作為阻力件,通過測量風門前后的管道靜壓差,或直接在風道安裝靠背管和笛形管等項技術,來試圖解決一、二次風風速的測量。

        但是,由于現場所能提供的測量條件和上述一次測量元件自身測量條件要求的限制,在工業現場的實際應用中難以勝任燃燒器噴口風速準確測量的工作。

系統的設計思想

        鍋爐燃燒系統中二次風依次從四角二次風大風箱進行分組,分別分配給各層二次風水平支管,然后進入爐內。在這種結構中能實現對每個二次風噴口風速測量的場所,只能在水平直管段。但水平管段一般為變徑管和組合彎頭,可供正常安裝風速測量裝置的位置幾乎沒有,即使對其結構進行必要的改造,能創造出的直管段一般最多只有2～3倍D(當量直徑)長。在這樣的條件下,距常規動壓測量裝置基本測量條件的要求相差懸殊。如笛形管、靠背管、皮托管等所需的測量直管段,在測量截面前要有6～8倍D,測量截面后有2～3倍D長的直管段。如果勉強使用,由于測量條件不能滿足,測試數據誤差不能保證。同樣,一次風速測量也存在相類似的問題。到目前為止,由于一次風風粉混合物氣流的煤粉含量高,因測量元件的磨損和堵塞問題無法有效解決,對氣流直接取壓,進行風速測量是難以實現的。實際可行的方案是通過測量一次風混合點前的空氣氣流動壓,并對其進行必要的修正,得出實際的噴口風速。由于結構的限制,在現場可提供的動壓測量條件也很有限,因此,要實現一次風風速的準確測量也有相當的困難。

       上面是從一、二次風風道的結構上進行的分析。對于動壓(風速)測量元件來說,目前,可應用于鍋爐風速測量的成型的裝置有皮托管、文丘里管、機翼、笛形管、靠背管、雙文丘里管(動壓倍增管)等較多類型,但是由于各自的適用范圍、安裝、測量條件和測量精度的不同,能適應現場一、二次風管道結構所形成的惡劣測量條件,保證測量結果的穩定和精度,可供選擇的一次測量元件幾乎沒有。

       因此,通過對上述存在問題的仔細分析、研究,我們得出如下結論:從測量的理論和技術上講,要改變這種局面,實現鍋爐的一、二次風速的準確測量,必須同時滿足如下三個必要條件:

       • 對于任何測量裝置或儀器來說,要保證測量的準確、穩定,即有誤差限作保證,都需要一個基本的測量條件。對于動壓測量裝置也是如此,即需要一定的整流直管段。因此,需要根據鍋爐風箱和風道的結構進行必要的技術改造,為一次測量元件的安裝和測試提供一定的測量條件。

       • 設計、開發出能夠適合于一、二次風噴口平均風速測量的較為理想的一次動壓測量元件。該元件應具有測量條件要求低(即所需直管段為2～3倍的管道當量直徑),輸出信號穩定,實現矩形、圓形截面,小管徑,高流速,局部阻力小,潔凈或低含塵氣流管道平均風速(多點、網格法)的測量。

       • 在此基礎上,利用微差壓傳感器、先進的數據采集系統和計算機處理技術,對動壓信號進行必要的修正,以數字量和模擬量的方式在計算機屏幕上顯示出來,指導運行。

       筆者認為,上述步驟對于解決鍋爐的一、二次風速實時、準確測量的難題來說,是缺一不可的,而且也是唯一可行的出路。而且對于鍋爐實現經濟、安全運行的實際意義是非常重大的。

研究過程與結果

       一次元件的開發

       我們通過細致的技術分析比較,得出如下結論:在常規測速裝置中,翼形風速測速裝置由于它是喉部取壓,測量信號穩定,精度和靈敏度較高;本身可以對流場進行整形,要求的前后直管段短;整個形狀為流線型,不可恢復的動壓損失小;輸出的差壓信號能放大3～5倍,能夠滿足傳感器對微差壓信號的要求,同時也滿足鍋爐送風系統的設計、風道結構布置的要求。

       但是,傳統意義上的機翼測量裝置是由單板成型的,適用于低流速、大管徑、矩形截面、純凈空氣流速測量領域的裝置。因此,我們如果選定機翼形測速裝置為該監測系統的一次測量元件,就需要對它的結構、制造工藝、計算方法進行相應的改進,使之適合于矩形、圓形、小管徑、高流速、全截面(多點、網格法)平均風速、低含塵氣流動壓準確測量的需要。并且,需要在此基礎上,對開發出的機翼形測速裝置進行大量的實驗室冷態?；囼?對設計方法、制造工藝進行驗證,為進一步改進和最終能夠投入工業運行,提供第一手的試驗資料。

       此項研究、開發工作從1996年初開始,歷時11個月結束。主要工作內容和結論如下:

       通過自行設計和外委加工、安裝,建立?；囼炁_;設計、加工各種型號、規格的機翼形測量裝置;確定試驗方法、計算方法和試驗內容;進行各種條件下的測試、試驗;對試驗數據進行計算、處理,編制試驗報告。

       試驗結論:開發出的機翼形風速測量裝置,在阻力系數較小(ξ=0.3～0.5)的情況下,機翼前后各有1D和0.5D的直管段,就能保證風速測量誤差<2.5%。如果測量條件還能改善,誤差可以控制在小于2%的范圍內。

       目前,已開發出的應用型測速裝置,并已申報國家專利。

       系統軟、硬件的選型和開發

       • 微差壓傳感器組研制

       根據我們對現場的防塵、防電磁和高溫的要求,與中國航天部傳感器研究所聯合開發出YZ2B2型微差壓傳感器組,作為該系統傳感器部件。

       每個傳感器組由八路信號組成。傳感器的核心元件是選用進口的典型的擴散硅電阻橋硅膜片,具有良好的穩定性。根據硬件系統的需要,感壓信號經放大轉換成4m～20m或1V～5V標準信號輸出,系統精度<0.5%/F.S。

       • 分散式數據采集系統的選型

       本系統選用了英國生產的DATASCAN7000分散式數據采集系統。該系統具有高度的分散特性,由RS485通訊總線構成,網絡可延伸1.2km,可達1000個數據采集通道。系統同時可以實現監測和控制能力。有高的轉換精度(萬分之一)和抗干擾能力,支持各種信號的輸入。能很好地適應工業現場惡劣的工作環境。

       • 系統選用高性能的研華P586工業控制計算機,能夠滿足工業現場監測的需要。

       • 系統應用軟件包的編制

       軟件包完全是自行編制、開發,主要由下述功能模塊組成:系統主程序模塊、實時數據通訊、采集模塊、數據計算、處理模塊、數值、模擬界面顯示模塊、傳感器零點自補償模塊、傳感器電信號校驗模塊、風速測量裝置輸出信號校驗模塊。

      現場改造和鍋爐的冷、熱態試驗

      • 現場改造

       提出方案 根據鍋爐一、二次風風箱、風道的具體結構和相關的技術參數,設計機翼形測速裝置,并提出具體的改造方案。

       技術改造 利用機組大修的機會對相關設備進行技術改造工作,加裝機翼形測速裝置。

       系統安裝 系統的熱工監測部分,也結合現場的具體情況進行安裝。

       系統調試 在系統全部安裝完畢后,進行系統軟、硬件的整體調試工作,消除系統中存在的缺陷。

      • 鍋爐的冷、熱態試驗

       冷態試驗 由于機翼形測速裝置是一種非標準的測速裝置,因此,必須對其進行流量系數的標定工作。此項工作可以通過試驗風洞或在現場通過冷態試驗完成。另外,對燃燒設備的狀況進行必要的檢查。

       熱態試驗 在鍋爐啟動以后,還需要對鍋爐進行熱態的燃燒調整試驗,目的是通過該項試驗確定,在一定的煤質范圍內,鍋爐在不同負荷、不同工況的磨組合方式下的最佳的燃燒運行方式。其中,最主要的是鍋爐一、二次風的調整、匹配方式,并建立燃燒運行卡。

       試驗結果 試驗結果表明,加裝了電站鍋爐燃燒在線監測系統后,可以實現對鍋爐燃燒工況較為精確的控制。不僅提高了鍋爐的熱效率,提高了主蒸汽溫度水平、低負荷穩燃能力和煤種的適應性,而且能夠較好地控制NOX的生成。

國內外相關技術比較

       目前,國外鍋爐(主要是CE公司的四角切圓燃燒方式)的燃燒系統的設計、制造較為過關,燃燒調整手段比較多,加之吹灰手段比較完善,相應的燃燒系統發生的問題不是很集中,是否必須要實現噴口風速的準確測量問題不是很突出。

       在國內,鍋爐燃燒器是固定安裝的,燃燒調整的主要手段是各層一、二次風噴口風速和上下一次風的負荷(粉量)分配。但由于監測手段的落后,無法實行合理的燃燒調整,燃燒的安全、經濟性差。最近幾年,一些科研院所雖然也先后在現有的常規動壓測量裝置的基礎上,利用傳感器、數據采集和微機技術,實現了對中儲式制粉系統鍋爐一次風噴口風速的實時監測。但是由于受到常規動壓測量裝置本身測量條件的要求和現場條件的嚴重制約,在現場難以實現準確測量。

       另外,在二次風噴口風速的監測領域,由于可供測試的條件極為惡劣。目前,國內外尚未見能夠實現準確測定風速的類似報道。

       我們開發的“電站鍋爐一、二次風風速在線監測系統”的風速測量誤差小于5%,解決了國內電站鍋爐一、二次風噴口風速的實時、準確測量的問題。1998年3月,該項目在電力工業部電力信息中心進行了查新檢索,無相同的研究成果,同年通過了內蒙科委組織的技術鑒定,技術達到國內領先水平。

適用范圍和推廣應用情況

       根據本項目的課題來源和技術內容的特點,開發出的矩形、圓形截面管道翼形測速裝置,可以應用在各種容量和燃燒方式的鍋爐純空氣或低含塵氣流(如回轉式空氣預熱器漏風的攜帶作用,使得一、二次風中包含一定濃度的飛灰,易造成感壓孔堵塞)矩形、圓形風道的平均風速監測上,典型的應用就是鍋爐燃燒器的各個二次風噴口風速監測。另外對于一次風風速的測量,目前只應用于中儲式制粉系統的鍋爐。

       該項目較好地解決了鍋爐燃燒系統一、二次風噴口風速實時、準確測量的問題。目前已分別在豐鎮發電廠1號、2號、6號670t/h鍋爐和海勃灣發電廠2號機組410t/h鍋爐上安裝使用。整個系統投入生產運行后,工作正常,性能優良,經濟效益、社會效益顯著。系統在電站鍋爐投入使用后,能明顯改善燃燒工況,提高鍋爐效率和低負荷穩燃能力,避免了因燃燒方面的原因造成的事故。根據測算,每臺鍋爐每年可創造直接經濟效益460萬元人民幣,間接經濟效益420萬元人民幣;另外,可以降低NOX的生成量20%～30%,社會效益顯著,推廣應用潛力巨大。目前,已被內蒙科委批準為1999～2001年度自治區重點科技推廣應用項目。