电站锅炉一、二次风风速在线监测系统的研制与开发

项目的提出

       锅炉燃烧工况的好坏在很大程度上影响着电厂运行的洁净、安全和经济性。由于锅炉设备庞大、煤粉燃烧工况极为复杂的特性,决定了燃烧过程以及与之有关的其它过程是难以控制和测量的,需要对影响燃烧工况的主要参数,能够实现准确地测量,从而能够达到有目的、有计划的控制、调整燃烧,实现锅炉最佳的运行方式。

       目前,国内采用四角布置切圆燃烧方式的电站锅炉是极为普遍的。对于四角布置的直流燃烧器来说,燃烧调整的目的是寻找最佳的燃烧方式,建立起炉内良好的空气动力工况。其中,关键的调整项目是使四角配风均匀合理。这对于携带煤粉的一次风有着较为严格的要求,对动能、刚性比一次风大得多的二次风有着更高的要求。而要达到这一目的,则必须实现对各一、二次风喷口风速的准确测量,这是问题的关键。从设计、制造锅炉的角度出发,燃烧系统中燃烧器出口风速是燃烧器设计的主要参数,也是指导运行的重要依据。但是,由于目前锅炉烟风系统结构设计及动压测量装置自身测量条件要求的限制等原因,使得锅炉燃烧系统的喷口风速,到目前为止难以实现准确测量。

        多年来,司炉进行的锅炉燃烧调整一直停留在依靠观测风道静压、风门开度和肉眼看火这种传统、落后的监测手段上。司炉无法直接、准确地监测到锅炉一、二次风的喷口风速,燃烧调整一直处于靠感觉、凭经验的盲目、半盲目的状态。无法有效地监测和调整炉膛内的实际燃烧工况。

        因此,如何开发先进的燃烧监测的手段,解决实现锅炉燃烧系统一、二次风喷口风速实时、准确测量的问题,改变目前的被动局面就成为当务之急。

       • 现状和存在的问题分析

        目前,司炉调整锅炉一、二次风风速配比,主要的监测手段有三种:

        第一种:依据安装于每个燃烧器一、二次风支管及风箱上的静压测点指示,调平各层风速

        其测量原理是利用流体力学的伯努力方程,即假设在全压相等的前提下,动压等于全压减静压,通过测量静压来比对动压。

        该方法的优点是系统简单、直观。存在的问题是:第一,由于风系统结构上的差异,风箱到各个喷口的烟风阻力不相等,而且随炉型增大,差异变大。第二,一、二次风风道中,尤其是在二次风管道中,由于结构的影响,流场的稳定性相当差,在不采取一定有效措施的前提下,准确测量静压值都是很困难的。第三,即使能够测量到准确的静压,由于系统中各个管道的阻力无法得到较好的补偿,只能实现定性测量,无法实现与设计风速值的定量比对。

        现场的实际情况常常是,集控室内的一、二次风风压指示表计,要么无指示,要么指示无规律,几乎形同虚设。

        第二种:通过对各风门进行冷、热态的风门特性试验,依据风门开度的大小来实现一、二次风的调整

        该方法的优点是简单、直观,无需其它附属设备。存在的问题是:该方法的前提是要求风门开度指示与挡板的实际位置建立起一一对应的关系。但是由于风门控制系统结构特点及执行机构、挡板所处的环境恶劣,风道内挡板的实际开度往往与执行器开度指示相脱节,风门特性经常变化,加之运行中,风门的检查、维修工作困难,难以保证这种一一对应的关系。

        第三种:近几年,一些科研院所做过一些工作,如在一、二次风支管中安装全压测速管;把二次风小风门作为阻力件,通过测量风门前后的管道静压差,或直接在风道安装靠背管和笛形管等项技术,来试图解决一、二次风风速的测量。

        但是,由于现场所能提供的测量条件和上述一次测量元件自身测量条件要求的限制,在工业现场的实际应用中难以胜任燃烧器喷口风速准确测量的工作。

系统的设计思想

        锅炉燃烧系统中二次风依次从四角二次风大风箱进行分组,分别分配给各层二次风水平支管,然后进入炉内。在这种结构中能实现对每个二次风喷口风速测量的场所,只能在水平直管段。但水平管段一般为变径管和组合弯头,可供正常安装风速测量装置的位置几乎没有,即使对其结构进行必要的改造,能创造出的直管段一般最多只有2～3倍D(当量直径)长。在这样的条件下,距常规动压测量装置基本测量条件的要求相差悬殊。如笛形管、靠背管、皮托管等所需的测量直管段,在测量截面前要有6～8倍D,测量截面后有2～3倍D长的直管段。如果勉强使用,由于测量条件不能满足,测试数据误差不能保证。同样,一次风速测量也存在相类似的问题。到目前为止,由于一次风风粉混合物气流的煤粉含量高,因测量元件的磨损和堵塞问题无法有效解决,对气流直接取压,进行风速测量是难以实现的。实际可行的方案是通过测量一次风混合点前的空气气流动压,并对其进行必要的修正,得出实际的喷口风速。由于结构的限制,在现场可提供的动压测量条件也很有限,因此,要实现一次风风速的准确测量也有相当的困难。

       上面是从一、二次风风道的结构上进行的分析。对于动压(风速)测量元件来说,目前,可应用于锅炉风速测量的成型的装置有皮托管、文丘里管、机翼、笛形管、靠背管、双文丘里管(动压倍增管)等较多类型,但是由于各自的适用范围、安装、测量条件和测量精度的不同,能适应现场一、二次风管道结构所形成的恶劣测量条件,保证测量结果的稳定和精度,可供选择的一次测量元件几乎没有。

       因此,通过对上述存在问题的仔细分析、研究,我们得出如下结论:从测量的理论和技术上讲,要改变这种局面,实现锅炉的一、二次风速的准确测量,必须同时满足如下三个必要条件:

       • 对于任何测量装置或仪器来说,要保证测量的准确、稳定,即有误差限作保证,都需要一个基本的测量条件。对于动压测量装置也是如此,即需要一定的整流直管段。因此,需要根据锅炉风箱和风道的结构进行必要的技术改造,为一次测量元件的安装和测试提供一定的测量条件。

       • 设计、开发出能够适合于一、二次风喷口平均风速测量的较为理想的一次动压测量元件。该元件应具有测量条件要求低(即所需直管段为2～3倍的管道当量直径),输出信号稳定,实现矩形、圆形截面,小管径,高流速,局部阻力小,洁净或低含尘气流管道平均风速(多点、网格法)的测量。

       • 在此基础上,利用微差压传感器、先进的数据采集系统和计算机处理技术,对动压信号进行必要的修正,以数字量和模拟量的方式在计算机屏幕上显示出来,指导运行。

       笔者认为,上述步骤对于解决锅炉的一、二次风速实时、准确测量的难题来说,是缺一不可的,而且也是唯一可行的出路。而且对于锅炉实现经济、安全运行的实际意义是非常重大的。

研究过程与结果

       一次元件的开发

       我们通过细致的技术分析比较,得出如下结论:在常规测速装置中,翼形风速测速装置由于它是喉部取压,测量信号稳定,精度和灵敏度较高;本身可以对流场进行整形,要求的前后直管段短;整个形状为流线型,不可恢复的动压损失小;输出的差压信号能放大3～5倍,能够满足传感器对微差压信号的要求,同时也满足锅炉送风系统的设计、风道结构布置的要求。

       但是,传统意义上的机翼测量装置是由单板成型的,适用于低流速、大管径、矩形截面、纯净空气流速测量领域的装置。因此,我们如果选定机翼形测速装置为该监测系统的一次测量元件,就需要对它的结构、制造工艺、计算方法进行相应的改进,使之适合于矩形、圆形、小管径、高流速、全截面(多点、网格法)平均风速、低含尘气流动压准确测量的需要。并且,需要在此基础上,对开发出的机翼形测速装置进行大量的实验室冷态模化试验,对设计方法、制造工艺进行验证,为进一步改进和最终能够投入工业运行,提供第一手的试验资料。

       此项研究、开发工作从1996年初开始,历时11个月结束。主要工作内容和结论如下:

       通过自行设计和外委加工、安装,建立模化试验台;设计、加工各种型号、规格的机翼形测量装置;确定试验方法、计算方法和试验内容;进行各种条件下的测试、试验;对试验数据进行计算、处理,编制试验报告。

       试验结论:开发出的机翼形风速测量装置,在阻力系数较小(ξ=0.3～0.5)的情况下,机翼前后各有1D和0.5D的直管段,就能保证风速测量误差<2.5%。如果测量条件还能改善,误差可以控制在小于2%的范围内。

       目前,已开发出的应用型测速装置,并已申报国家专利。

       系统软、硬件的选型和开发

       • 微差压传感器组研制

       根据我们对现场的防尘、防电磁和高温的要求,与中国航天部传感器研究所联合开发出YZ2B2型微差压传感器组,作为该系统传感器部件。

       每个传感器组由八路信号组成。传感器的核心元件是选用进口的典型的扩散硅电阻桥硅膜片,具有良好的稳定性。根据硬件系统的需要,感压信号经放大转换成4m～20m或1V～5V标准信号输出,系统精度<0.5%/F.S。

       • 分散式数据采集系统的选型

       本系统选用了英国生产的DATASCAN7000分散式数据采集系统。该系统具有高度的分散特性,由RS485通讯总线构成,网络可延伸1.2km,可达1000个数据采集通道。系统同时可以实现监测和控制能力。有高的转换精度(万分之一)和抗干扰能力,支持各种信号的输入。能很好地适应工业现场恶劣的工作环境。

       • 系统选用高性能的研华P586工业控制计算机,能够满足工业现场监测的需要。

       • 系统应用软件包的编制

       软件包完全是自行编制、开发,主要由下述功能模块组成:系统主程序模块、实时数据通讯、采集模块、数据计算、处理模块、数值、模拟界面显示模块、传感器零点自补偿模块、传感器电信号校验模块、风速测量装置输出信号校验模块。

      现场改造和锅炉的冷、热态试验

      • 现场改造

       提出方案 根据锅炉一、二次风风箱、风道的具体结构和相关的技术参数,设计机翼形测速装置,并提出具体的改造方案。

       技术改造 利用机组大修的机会对相关设备进行技术改造工作,加装机翼形测速装置。

       系统安装 系统的热工监测部分,也结合现场的具体情况进行安装。

       系统调试 在系统全部安装完毕后,进行系统软、硬件的整体调试工作,消除系统中存在的缺陷。

      • 锅炉的冷、热态试验

       冷态试验 由于机翼形测速装置是一种非标准的测速装置,因此,必须对其进行流量系数的标定工作。此项工作可以通过试验风洞或在现场通过冷态试验完成。另外,对燃烧设备的状况进行必要的检查。

       热态试验 在锅炉启动以后,还需要对锅炉进行热态的燃烧调整试验,目的是通过该项试验确定,在一定的煤质范围内,锅炉在不同负荷、不同工况的磨组合方式下的最佳的燃烧运行方式。其中,最主要的是锅炉一、二次风的调整、匹配方式,并建立燃烧运行卡。

       试验结果 试验结果表明,加装了电站锅炉燃烧在线监测系统后,可以实现对锅炉燃烧工况较为精确的控制。不仅提高了锅炉的热效率,提高了主蒸汽温度水平、低负荷稳燃能力和煤种的适应性,而且能够较好地控制NOX的生成。

国内外相关技术比较

       目前,国外锅炉(主要是CE公司的四角切圆燃烧方式)的燃烧系统的设计、制造较为过关,燃烧调整手段比较多,加之吹灰手段比较完善,相应的燃烧系统发生的问题不是很集中,是否必须要实现喷口风速的准确测量问题不是很突出。

       在国内,锅炉燃烧器是固定安装的,燃烧调整的主要手段是各层一、二次风喷口风速和上下一次风的负荷(粉量)分配。但由于监测手段的落后,无法实行合理的燃烧调整,燃烧的安全、经济性差。最近几年,一些科研院所虽然也先后在现有的常规动压测量装置的基础上,利用传感器、数据采集和微机技术,实现了对中储式制粉系统锅炉一次风喷口风速的实时监测。但是由于受到常规动压测量装置本身测量条件的要求和现场条件的严重制约,在现场难以实现准确测量。

       另外,在二次风喷口风速的监测领域,由于可供测试的条件极为恶劣。目前,国内外尚未见能够实现准确测定风速的类似报道。

       我们开发的“电站锅炉一、二次风风速在线监测系统”的风速测量误差小于5%,解决了国内电站锅炉一、二次风喷口风速的实时、准确测量的问题。1998年3月,该项目在电力工业部电力信息中心进行了查新检索,无相同的研究成果,同年通过了内蒙科委组织的技术鉴定,技术达到国内领先水平。

适用范围和推广应用情况

       根据本项目的课题来源和技术内容的特点,开发出的矩形、圆形截面管道翼形测速装置,可以应用在各种容量和燃烧方式的锅炉纯空气或低含尘气流(如回转式空气预热器漏风的携带作用,使得一、二次风中包含一定浓度的飞灰,易造成感压孔堵塞)矩形、圆形风道的平均风速监测上,典型的应用就是锅炉燃烧器的各个二次风喷口风速监测。另外对于一次风风速的测量,目前只应用于中储式制粉系统的锅炉。

       该项目较好地解决了锅炉燃烧系统一、二次风喷口风速实时、准确测量的问题。目前已分别在丰镇发电厂1号、2号、6号670t/h锅炉和海勃湾发电厂2号机组410t/h锅炉上安装使用。整个系统投入生产运行后,工作正常,性能优良,经济效益、社会效益显著。系统在电站锅炉投入使用后,能明显改善燃烧工况,提高锅炉效率和低负荷稳燃能力,避免了因燃烧方面的原因造成的事故。根据测算,每台锅炉每年可创造直接经济效益460万元人民币,间接经济效益420万元人民币;另外,可以降低NOX的生成量20%～30%,社会效益显著,推广应用潜力巨大。目前,已被内蒙科委批准为1999～2001年度自治区重点科技推广应用项目。