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發(fā)布日期： 2017-03-30
電站鍋爐一、二次風(fēng)風(fēng)速在線監(jiān)測系統(tǒng)的研制與開發(fā)
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(jīng)濟性。由于鍋爐設(shè)備龐大、煤粉燃燒工況極為復(fù)雜的特性,決定了燃燒過程以及與之有關(guān)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(shù),能夠?qū)崿F(xiàn)準(zhǔn)確地測量,從而能夠達(dá)到有目的、有計劃的控制、調(diào)整燃燒,實現(xiàn)鍋爐最佳的運行方式。
目前,國內(nèi)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(diào)整的目的是尋找最佳的燃燒方式,建立起爐內(nèi)良好的空氣動力工況。其中,關(guān)鍵的調(diào)整項目是使四角配風(fēng)均勻合理。這對于攜帶煤粉的一次風(fēng)有著較為嚴(yán)格的要求,對動能、剛性比一次風(fēng)大得多的二次風(fēng)有著更高的要求。而要達(dá)到這一目的,則必須實現(xiàn)對各一、二次風(fēng)噴口風(fēng)速的準(zhǔn)確測量,這是問題的關(guān)鍵。從設(shè)計、制造鍋爐的角度出發(fā),燃燒系統(tǒng)中燃燒器出口風(fēng)速是燃燒器設(shè)計的主要參數(shù),也是指導(dǎo)運行的重要依據(jù)。但是,由于目前鍋爐煙風(fēng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)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(tǒng)的噴口風(fēng)速,到目前為止難以實現(xiàn)準(zhǔn)確測量。
多年來,司爐進(jìn)行的鍋爐燃燒調(diào)整一直停留在依靠觀測風(fēng)道靜壓、風(fēng)門開度和肉眼看火這種傳統(tǒng)、落后的監(jiān)測手段上。司爐無法直接、準(zhǔn)確地監(jiān)測到鍋爐一、二次風(fēng)的噴口風(fēng)速,燃燒調(diào)整一直處于靠感覺、憑經(jīng)驗的盲目、半盲目的狀態(tài)。無法有效地監(jiān)測和調(diào)整爐膛內(nèi)的實際燃燒工況。
因此,如何開發(fā)先進(jìn)的燃燒監(jiān)測的手段,解決實現(xiàn)鍋爐燃燒系統(tǒng)一、二次風(fēng)噴口風(fēng)速實時、準(zhǔn)確測量的問題,改變目前的被動局面就成為當(dāng)務(wù)之急。
• 現(xiàn)狀和存在的問題分析
目前,司爐調(diào)整鍋爐一、二次風(fēng)風(fēng)速配比,主要的監(jiān)測手段有三種:
第一種:依據(jù)安裝于每個燃燒器一、二次風(fēng)支管及風(fēng)箱上的靜壓測點指示,調(diào)平各層風(fēng)速
其測量原理是利用流體力學(xué)的伯努力方程,即假設(shè)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(yōu)點是系統(tǒng)簡單、直觀。存在的問題是:第一,由于風(fēng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)上的差異,風(fēng)箱到各個噴口的煙風(fēng)阻力不相等,而且隨爐型增大,差異變大。第二,一、二次風(fēng)風(fēng)道中,尤其是在二次風(fēng)管道中,由于結(jié)構(gòu)的影響,流場的穩(wěn)定性相當(dāng)差,在不采取一定有效措施的前提下,準(zhǔn)確測量靜壓值都是很困難的。第三,即使能夠測量到準(zhǔn)確的靜壓,由于系統(tǒng)中各個管道的阻力無法得到較好的補償,只能實現(xiàn)定性測量,無法實現(xiàn)與設(shè)計風(fēng)速值的定量比對。
現(xiàn)場的實際情況常常是,集控室內(nèi)的一、二次風(fēng)風(fēng)壓指示表計,要么無指示,要么指示無規(guī)律,幾乎形同虛設(shè)。
第二種:通過對各風(fēng)門進(jìn)行冷、熱態(tài)的風(fēng)門特性試驗,依據(jù)風(fēng)門開度的大小來實現(xiàn)一、二次風(fēng)的調(diào)整
該方法的優(yōu)點是簡單、直觀,無需其它附屬設(shè)備。存在的問題是:該方法的前提是要求風(fēng)門開度指示與擋板的實際位置建立起一一對應(yīng)的關(guān)系。但是由于風(fēng)門控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)特點及執(zhí)行機構(gòu)、擋板所處的環(huán)境惡劣,風(fēng)道內(nèi)擋板的實際開度往往與執(zhí)行器開度指示相脫節(jié),風(fēng)門特性經(jīng)常變化,加之運行中,風(fēng)門的檢查、維修工作困難,難以保證這種一一對應(yīng)的關(guān)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(fēng)支管中安裝全壓測速管;把二次風(fēng)小風(fēng)門作為阻力件,通過測量風(fēng)門前后的管道靜壓差,或直接在風(fēng)道安裝靠背管和笛形管等項技術(shù),來試圖解決一、二次風(fēng)風(fēng)速的測量。
但是,由于現(xiàn)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(yè)現(xiàn)場的實際應(yīng)用中難以勝任燃燒器噴口風(fēng)速準(zhǔn)確測量的工作。
系統(tǒng)的設(shè)計思想
鍋爐燃燒系統(tǒng)中二次風(fēng)依次從四角二次風(fēng)大風(fēng)箱進(jìn)行分組,分別分配給各層二次風(fēng)水平支管,然后進(jìn)入爐內(nèi)。在這種結(jié)構(gòu)中能實現(xiàn)對每個二次風(fēng)噴口風(fēng)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(fēng)速測量裝置的位置幾乎沒有,即使對其結(jié)構(gòu)進(jìn)行必要的改造,能創(chuàng)造出的直管段一般最多只有2～3倍D(當(dāng)量直徑)長。在這樣的條件下,距常規(guī)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(shù)據(jù)誤差不能保證。同樣,一次風(fēng)速測量也存在相類似的問題。到目前為止,由于一次風(fēng)風(fēng)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(jìn)行風(fēng)速測量是難以實現(xiàn)的。實際可行的方案是通過測量一次風(fēng)混合點前的空氣氣流動壓,并對其進(jìn)行必要的修正,得出實際的噴口風(fēng)速。由于結(jié)構(gòu)的限制,在現(xiàn)場可提供的動壓測量條件也很有限,因此,要實現(xiàn)一次風(fēng)風(fēng)速的準(zhǔn)確測量也有相當(dāng)?shù)睦щy。
上面是從一、二次風(fēng)風(fēng)道的結(jié)構(gòu)上進(jìn)行的分析。對于動壓(風(fēng)速)測量元件來說,目前,可應(yīng)用于鍋爐風(fēng)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(yīng)現(xiàn)場一、二次風(fēng)管道結(jié)構(gòu)所形成的惡劣測量條件,保證測量結(jié)果的穩(wěn)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(xì)分析、研究,我們得出如下結(jié)論:從測量的理論和技術(shù)上講,要改變這種局面,實現(xiàn)鍋爐的一、二次風(fēng)速的準(zhǔn)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(zhǔn)確、穩(wěn)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(jù)鍋爐風(fēng)箱和風(fēng)道的結(jié)構(gòu)進(jìn)行必要的技術(shù)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(shè)計、開發(fā)出能夠適合于一、二次風(fēng)噴口平均風(fēng)速測量的較為理想的一次動壓測量元件。該元件應(yīng)具有測量條件要求低(即所需直管段為2～3倍的管道當(dāng)量直徑),輸出信號穩(wěn)定,實現(xiàn)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(fēng)速(多點、網(wǎng)格法)的測量。
• 在此基礎(chǔ)上,利用微差壓傳感器、先進(jìn)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和計算機處理技術(shù),對動壓信號進(jìn)行必要的修正,以數(shù)字量和模擬量的方式在計算機屏幕上顯示出來,指導(dǎo)運行。
筆者認(rèn)為,上述步驟對于解決鍋爐的一、二次風(fēng)速實時、準(zhǔn)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(xiàn)經(jīng)濟、安全運行的實際意義是非常重大的。
研究過程與結(jié)果
一次元件的開發(fā)
我們通過細(xì)致的技術(shù)分析比較,得出如下結(jié)論:在常規(guī)測速裝置中,翼形風(fēng)速測速裝置由于它是喉部取壓,測量信號穩(wěn)定,精度和靈敏度較高;本身可以對流場進(jìn)行整形,要求的前后直管段短;整個形狀為流線型,不可恢復(fù)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(fēng)系統(tǒng)的設(shè)計、風(fēng)道結(jié)構(gòu)布置的要求。
但是,傳統(tǒng)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(lǐng)域的裝置。因此,我們?nèi)绻x定機翼形測速裝置為該監(jiān)測系統(tǒng)的一次測量元件,就需要對它的結(jié)構(gòu)、制造工藝、計算方法進(jìn)行相應(yīng)的改進(jìn),使之適合于矩形、圓形、小管徑、高流速、全截面(多點、網(wǎng)格法)平均風(fēng)速、低含塵氣流動壓準(zhǔn)確測量的需要。并且,需要在此基礎(chǔ)上,對開發(fā)出的機翼形測速裝置進(jìn)行大量的實驗室冷態(tài)模化試驗,對設(shè)計方法、制造工藝進(jìn)行驗證,為進(jìn)一步改進(jìn)和最終能夠投入工業(yè)運行,提供第一手的試驗資料。
此項研究、開發(fā)工作從1996年初開始,歷時11個月結(jié)束。主要工作內(nèi)容和結(jié)論如下:
通過自行設(shè)計和外委加工、安裝,建立模化試驗臺;設(shè)計、加工各種型號、規(guī)格的機翼形測量裝置;確定試驗方法、計算方法和試驗內(nèi)容;進(jìn)行各種條件下的測試、試驗;對試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行計算、處理,編制試驗報告。
試驗結(jié)論:開發(fā)出的機翼形風(fēng)速測量裝置,在阻力系數(shù)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(fēng)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(nèi)。
目前,已開發(fā)出的應(yīng)用型測速裝置,并已申報國家專利。
系統(tǒng)軟、硬件的選型和開發(fā)
• 微差壓傳感器組研制
根據(jù)我們對現(xiàn)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(lián)合開發(fā)出YZ2B2型微差壓傳感器組,作為該系統(tǒng)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(jìn)口的典型的擴散硅電阻橋硅膜片,具有良好的穩(wěn)定性。根據(jù)硬件系統(tǒng)的需要,感壓信號經(jīng)放大轉(zhuǎn)換成4m～20m或1V～5V標(biāo)準(zhǔn)信號輸出,系統(tǒng)精度<0.5%/F.S。
• 分散式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的選型
本系統(tǒng)選用了英國生產(chǎn)的DATASCAN7000分散式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。該系統(tǒng)具有高度的分散特性,由RS485通訊總線構(gòu)成,網(wǎng)絡(luò)可延伸1.2km,可達(dá)1000個數(shù)據(jù)采集通道。系統(tǒng)同時可以實現(xiàn)監(jiān)測和控制能力。有高的轉(zhuǎn)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(yīng)工業(yè)現(xiàn)場惡劣的工作環(huán)境。
• 系統(tǒng)選用高性能的研華P586工業(yè)控制計算機,能夠滿足工業(yè)現(xiàn)場監(jiān)測的需要。
• 系統(tǒng)應(yīng)用軟件包的編制
軟件包完全是自行編制、開發(fā),主要由下述功能模塊組成:系統(tǒng)主程序模塊、實時數(shù)據(jù)通訊、采集模塊、數(shù)據(jù)計算、處理模塊、數(shù)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?zāi)K、風(fēng)速測量裝置輸出信號校驗?zāi)K。
現(xiàn)場改造和鍋爐的冷、熱態(tài)試驗
• 現(xiàn)場改造
提出方案 根據(jù)鍋爐一、二次風(fēng)風(fēng)箱、風(fēng)道的具體結(jié)構(gòu)和相關(guān)的技術(shù)參數(shù),設(shè)計機翼形測速裝置,并提出具體的改造方案。
技術(shù)改造 利用機組大修的機會對相關(guān)設(shè)備進(jìn)行技術(shù)改造工作,加裝機翼形測速裝置。
系統(tǒng)安裝 系統(tǒng)的熱工監(jiān)測部分,也結(jié)合現(xiàn)場的具體情況進(jìn)行安裝。
系統(tǒng)調(diào)試 在系統(tǒng)全部安裝完畢后,進(jìn)行系統(tǒng)軟、硬件的整體調(diào)試工作,消除系統(tǒng)中存在的缺陷。
• 鍋爐的冷、熱態(tài)試驗
冷態(tài)試驗 由于機翼形測速裝置是一種非標(biāo)準(zhǔn)的測速裝置,因此,必須對其進(jìn)行流量系數(shù)的標(biāo)定工作。此項工作可以通過試驗風(fēng)洞或在現(xiàn)場通過冷態(tài)試驗完成。另外,對燃燒設(shè)備的狀況進(jìn)行必要的檢查。
熱態(tài)試驗 在鍋爐啟動以后,還需要對鍋爐進(jìn)行熱態(tài)的燃燒調(diào)整試驗,目的是通過該項試驗確定,在一定的煤質(zhì)范圍內(nèi),鍋爐在不同負(fù)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(fēng)的調(diào)整、匹配方式,并建立燃燒運行卡。
試驗結(jié)果 試驗結(jié)果表明,加裝了電站鍋爐燃燒在線監(jiān)測系統(tǒng)后,可以實現(xiàn)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(fù)荷穩(wěn)燃能力和煤種的適應(yīng)性,而且能夠較好地控制NOX的生成。
國內(nèi)外相關(guān)技術(shù)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(tǒng)的設(shè)計、制造較為過關(guān),燃燒調(diào)整手段比較多,加之吹灰手段比較完善,相應(yīng)的燃燒系統(tǒng)發(fā)生的問題不是很集中,是否必須要實現(xiàn)噴口風(fēng)速的準(zhǔn)確測量問題不是很突出。
在國內(nèi),鍋爐燃燒器是固定安裝的,燃燒調(diào)整的主要手段是各層一、二次風(fēng)噴口風(fēng)速和上下一次風(fēng)的負(fù)荷(粉量)分配。但由于監(jiān)測手段的落后,無法實行合理的燃燒調(diào)整,燃燒的安全、經(jīng)濟性差。最近幾年,一些科研院所雖然也先后在現(xiàn)有的常規(guī)動壓測量裝置的基礎(chǔ)上,利用傳感器、數(shù)據(jù)采集和微機技術(shù),實現(xiàn)了對中儲式制粉系統(tǒng)鍋爐一次風(fēng)噴口風(fēng)速的實時監(jiān)測。但是由于受到常規(guī)動壓測量裝置本身測量條件的要求和現(xiàn)場條件的嚴(yán)重制約,在現(xiàn)場難以實現(xiàn)準(zhǔn)確測量。
另外,在二次風(fēng)噴口風(fēng)速的監(jiān)測領(lǐng)域,由于可供測試的條件極為惡劣。目前,國內(nèi)外尚未見能夠?qū)崿F(xiàn)準(zhǔn)確測定風(fēng)速的類似報道。
我們開發(fā)的“電站鍋爐一、二次風(fēng)風(fēng)速在線監(jiān)測系統(tǒng)”的風(fēng)速測量誤差小于5%,解決了國內(nèi)電站鍋爐一、二次風(fēng)噴口風(fēng)速的實時、準(zhǔn)確測量的問題。1998年3月,該項目在電力工業(yè)部電力信息中心進(jìn)行了查新檢索,無相同的研究成果,同年通過了內(nèi)蒙科委組織的技術(shù)鑒定,技術(shù)達(dá)到國內(nèi)領(lǐng)先水平。
適用范圍和推廣應(yīng)用情況
根據(jù)本項目的課題來源和技術(shù)內(nèi)容的特點,開發(fā)出的矩形、圓形截面管道翼形測速裝置,可以應(yīng)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(zhuǎn)式空氣預(yù)熱器漏風(fēng)的攜帶作用,使得一、二次風(fēng)中包含一定濃度的飛灰,易造成感壓孔堵塞)矩形、圓形風(fēng)道的平均風(fēng)速監(jiān)測上,典型的應(yīng)用就是鍋爐燃燒器的各個二次風(fēng)噴口風(fēng)速監(jiān)測。另外對于一次風(fēng)風(fēng)速的測量,目前只應(yīng)用于中儲式制粉系統(tǒng)的鍋爐。
該項目較好地解決了鍋爐燃燒系統(tǒng)一、二次風(fēng)噴口風(fēng)速實時、準(zhǔn)確測量的問題。目前已分別在豐鎮(zhèn)發(fā)電廠1號、2號、6號670t/h鍋爐和海勃灣發(fā)電廠2號機組410t/h鍋爐上安裝使用。整個系統(tǒng)投入生產(chǎn)運行后,工作正常,性能優(yōu)良,經(jīng)濟效益、社會效益顯著。系統(tǒng)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(fù)荷穩(wěn)燃能力,避免了因燃燒方面的原因造成的事故。根據(jù)測算,每臺鍋爐每年可創(chuàng)造直接經(jīng)濟效益460萬元人民幣,間接經(jīng)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(yīng)用潛力巨大。目前,已被內(nèi)蒙科委批準(zhǔn)為1999～2001年度自治區(qū)重點科技推廣應(yīng)用項目。