失重法飛灰含碳量在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

張　帥，李玉超，于　玲

(1.東北電力大學(xué) 能源與動(dòng)力工程學(xué)院，吉林 吉林 132012；2.河北國(guó)華定洲發(fā)電有限責(zé)任公司，河北 定州 073000；3.國(guó)網(wǎng)錦州供電公司 信息通信分公司，遼寧 錦州 121100；3.國(guó)網(wǎng)錦州供電公司 信息通信分公司，遼寧 錦州 121100)

失重法飛灰含碳量在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

張帥1，李玉超2，于玲3

(1.東北電力大學(xué) 能源與動(dòng)力工程學(xué)院，吉林 吉林 132012；2.河北國(guó)華定洲發(fā)電有限責(zé)任公司，河北 定州 073000；3.國(guó)網(wǎng)錦州供電公司 信息通信分公司，遼寧 錦州 121100；3.國(guó)網(wǎng)錦州供電公司 信息通信分公司，遼寧 錦州 121100)

摘要：機(jī)械不完全燃燒熱損失是鍋爐運(yùn)行中的第二大熱損失，機(jī)械不完全燃燒熱損失主要由鍋爐飛灰含碳量決定。鍋爐飛灰含碳量是反映鍋爐燃燒效率的一項(xiàng)重要指標(biāo)，實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確的對(duì)飛灰含碳量進(jìn)行檢測(cè)是提高鍋爐運(yùn)行效率、降低發(fā)電成本的重要手段。介紹了一種新的飛灰測(cè)碳裝置，對(duì)該方法初期遇到的一些問(wèn)題做了改進(jìn)。改進(jìn)后的方法經(jīng)實(shí)驗(yàn)證明其具有可行性，在現(xiàn)場(chǎng)能夠穩(wěn)定運(yùn)行。

關(guān)鍵詞：飛灰含碳量；在線監(jiān)測(cè)；灼燒

評(píng)價(jià)一個(gè)電廠運(yùn)行效率如何的重要指標(biāo)之一就是發(fā)電煤耗量，它在很大程度上反映出電廠的機(jī)組運(yùn)行水平和經(jīng)濟(jì)效益情況。在鍋爐運(yùn)行過(guò)程中，只有把機(jī)械不完全燃燒熱損失和排煙熱損失這兩大熱損失之和降低，才能真正提高機(jī)組的運(yùn)行效率[1-2]。排煙熱損失的大小正比例于排煙溫度和排煙容積，降低排煙溫度和排煙容積就可以使排煙熱損失(q2)減小。一般降低排煙溫度的方法是增加鍋爐尾部的受熱面，這樣做會(huì)使煙氣流動(dòng)受到的阻力增加且受熱面增加，導(dǎo)致金屬消耗量同時(shí)增大；排煙溫度過(guò)低會(huì)造成受熱面低溫腐蝕。影響排煙容積大小的主要因素有兩個(gè)，即鍋爐漏風(fēng)量和過(guò)量空氣系數(shù)。漏風(fēng)量降低，過(guò)量空氣系數(shù)減小，排煙容積也會(huì)隨之降低，但是過(guò)量空氣系數(shù)減小會(huì)帶來(lái)機(jī)械不完全燃燒熱損失變大的弊端。長(zhǎng)期以來(lái)，人們一直關(guān)注于降低機(jī)械不完全燃燒熱損失，并致力研制一種設(shè)備能夠快速準(zhǔn)確的反映飛灰含碳量，借以指導(dǎo)工作人員進(jìn)行燃燒調(diào)整，改變?nèi)紵绞?、過(guò)量空氣系數(shù)以及煤粉細(xì)度等參數(shù)以提高鍋爐運(yùn)行效率[3-5]。

1國(guó)內(nèi)外在線測(cè)碳裝置簡(jiǎn)介

目前國(guó)內(nèi)外的飛灰測(cè)碳裝置有很多，使用最多并且已經(jīng)商品化的有灼燒失重法和微波檢測(cè)法，另外還有流化床CO2法、反射法、電容法。

采用灼燒法的設(shè)備有：美國(guó)的Rupprecht&Patashnick Co.Inc開(kāi)發(fā)的4200系列燃燒效率監(jiān)測(cè)器，所采灰樣質(zhì)量35 g左右，測(cè)量周期12 min，測(cè)量精度為<±0.5%；Emerson旗下的英國(guó)Bristol Babcock Ltd公司的Cigma飛灰測(cè)碳儀[6，7]；國(guó)內(nèi)西安圣光公司的SG-CT1型飛灰測(cè)碳儀，測(cè)量周期12 min-13 min，精度±0.5%。

灼燒失重法是采集一定量的飛灰樣品，在高溫(815±10)℃下灼燒，將樣品中的碳完全燃盡后，根據(jù)燃燒前后飛灰樣品重量差求得其飛灰含碳量。該方法是實(shí)驗(yàn)中最常用的分析方法，這種方法精度高，但由于分析時(shí)間較長(zhǎng)的影響，導(dǎo)致測(cè)量結(jié)果不能及時(shí)準(zhǔn)確反映鍋爐的當(dāng)下運(yùn)行情況，對(duì)燃燒調(diào)整缺乏指導(dǎo)意義。

應(yīng)用微波法的設(shè)備有：澳大利亞Scantech公司開(kāi)發(fā)的CIFA350飛灰含碳在線分析儀,測(cè)量周期為3 min-5 min，測(cè)量精度在0.08%-0.28%之間；英國(guó)的GREENBANK股份有限公司研制的G-CAM飛灰含碳分析儀,所采集飛灰樣品的質(zhì)量大約為15g，檢測(cè)周期為5 min左右。當(dāng)含碳量在0%-0.5%時(shí)，精度為±0.5%；當(dāng)含碳量在6%-10%時(shí)，精度為±0.6%[8-10]。設(shè)備安裝在空氣預(yù)熱器之前，以確保設(shè)備穩(wěn)定運(yùn)行，防止樣品輸送堵塞。

微波吸收法是利用飛灰中的碳對(duì)特定波長(zhǎng)微波的吸收和對(duì)微波相位的影響來(lái)進(jìn)行含碳量測(cè)量。當(dāng)飛灰含碳量發(fā)生變化時(shí)，微波吸收量隨之變化，可根據(jù)微波能量的變化計(jì)算出含碳量[11]。此方法測(cè)量速度快，可實(shí)現(xiàn)在線監(jiān)測(cè)，目前已廣泛應(yīng)用于含碳量測(cè)量的產(chǎn)品。但是，此法存在嚴(yán)重的問(wèn)題：堵灰。很多電廠在采購(gòu)設(shè)備后，運(yùn)行一段時(shí)間無(wú)法妥善解決導(dǎo)致設(shè)備被閑置。

2一種新的飛灰測(cè)碳系統(tǒng)

傳統(tǒng)的飛灰含碳量檢測(cè)一般是采用灼燒法(失重法)，它是一種離線的實(shí)驗(yàn)室分析方法，它測(cè)量原理簡(jiǎn)單，結(jié)果準(zhǔn)確、可信。所以,最初在線測(cè)碳產(chǎn)品研制都是基于該種方法。由于裝置長(zhǎng)期工作在高溫、高震動(dòng)的環(huán)境中，設(shè)備比較容易發(fā)生故障，現(xiàn)場(chǎng)維護(hù)困難，設(shè)備可靠性相當(dāng)差，嚴(yán)重影響了該產(chǎn)品的推廣使用。這也是為什么人們舍棄這一最為經(jīng)典的檢測(cè)方式,轉(zhuǎn)而開(kāi)發(fā)其他間接方式(如微波法)產(chǎn)品的原因。由于間接方法的局限性，其檢測(cè)結(jié)果很難作為調(diào)控燃燒的依據(jù)。所以，近年來(lái)多數(shù)用戶和研制單位把注意力又轉(zhuǎn)回到基于灼燒法測(cè)碳的產(chǎn)品上來(lái)[12，13]。

2.1測(cè)量原理

該裝置采用壓縮空氣產(chǎn)生負(fù)壓，自動(dòng)實(shí)時(shí)地從灰斗內(nèi)采集灰樣，用壓縮空氣經(jīng)輸灰管路密相輸送灰樣，經(jīng)旋風(fēng)分離器分離后將灰樣采集到坩堝中，剩余氣體經(jīng)排氣管排入灰斗，中心旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)將灰樣稱重后進(jìn)行高溫灼燒，灼燒結(jié)束后繼續(xù)稱重，按照公式(1)計(jì)算含碳量。燃燒后的灰樣經(jīng)清灰操作后,進(jìn)入排灰管路送入倉(cāng)泵排氣管路。

本裝置的優(yōu)勢(shì)在于針對(duì)灼燒法分析時(shí)間滯后，不能滿足實(shí)時(shí)調(diào)控鍋爐燃燒工況的需求進(jìn)行改進(jìn)，實(shí)現(xiàn)了實(shí)驗(yàn)室灼燒法對(duì)飛灰含碳量分析的自動(dòng)檢測(cè)，真正做到了鍋爐飛灰含碳量的在線監(jiān)測(cè)。本文所述的灼燒型鍋爐飛灰含碳量在線監(jiān)測(cè)裝置,目前已在國(guó)內(nèi)電廠中應(yīng)用。

本裝置利用灼燒法測(cè)量飛灰含碳量，其計(jì)算公式如下：

(1)

式中:C為灰樣中含碳量百分比，%；m0為空坩堝質(zhì)量，g；m1為灼燒前加灰樣的坩堝質(zhì)量，g；m2為灼燒后加灰樣的坩堝質(zhì)量，g。

2.2運(yùn)行過(guò)程中出現(xiàn)的問(wèn)題及解決方法

裝置在運(yùn)行過(guò)程中遇到排灰端堵灰、中心旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)定位不準(zhǔn)、電子天平稱重偏差和漂移幾個(gè)問(wèn)題。

(1)堵灰問(wèn)題

現(xiàn)有取樣裝置堵灰是由于煙道內(nèi)含有水分，取出灰樣后，由于煙道外溫度遠(yuǎn)低于煙道內(nèi)，使得原有的水蒸氣凝結(jié)成水堵塞裝置。本裝置的堵灰則是發(fā)生在排灰處，灰樣在經(jīng)過(guò)一系列的稱重操作后，經(jīng)清灰后進(jìn)入排灰管路，最后經(jīng)排灰裝置排入倉(cāng)泵排氣管路。堵灰問(wèn)題經(jīng)常發(fā)生在排灰裝置的末端，這是由于在設(shè)備故障停機(jī)或者機(jī)組停機(jī)期間，倉(cāng)泵排氣管路的灰有時(shí)會(huì)倒灌進(jìn)入排灰管路使其堵塞。

解決方案：在排灰管路兩端加入氣動(dòng)球閥，排灰操作開(kāi)始時(shí)打開(kāi)球閥，其他時(shí)候球閥常閉?，F(xiàn)場(chǎng)氣源充足，排灰操作開(kāi)始時(shí)，先打開(kāi)排灰端氣動(dòng)球閥，此時(shí)使排灰管路與倉(cāng)泵排氣管路氣壓一致，然后打開(kāi)清灰端氣動(dòng)球閥開(kāi)始進(jìn)行排灰操作。在停機(jī)后，兩端閥門關(guān)閉，隔絕其內(nèi)部與大氣的連通以防止倉(cāng)泵內(nèi)的灰因壓力大倒流到排灰管路中造成堵塞。

(2)中心旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)定位不準(zhǔn)

中心旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)由中心可升降的旋轉(zhuǎn)機(jī)械臂構(gòu)成，在旋轉(zhuǎn)范圍內(nèi)有多個(gè)升降工位和固定工位組成。固定工位有取灰工位、稱重工位、灼燒工位、清灰工位和一個(gè)臨時(shí)放置坩堝工位，與一般的圓盤式工位分配相比，這種圓盤式分布結(jié)構(gòu)明顯提高了效率，可以增加測(cè)量周期內(nèi)的數(shù)據(jù)輸出頻率，提高了檢測(cè)的實(shí)時(shí)性。

在中心旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的運(yùn)作過(guò)程中，由于中心旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)是由電動(dòng)機(jī)通過(guò)皮帶帶動(dòng)中心機(jī)構(gòu)旋轉(zhuǎn)，在正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)的過(guò)程中，由于皮帶張緊度不同，其定位容易發(fā)生偏差。

解決方案：在旋轉(zhuǎn)機(jī)械臂放置坩堝的時(shí)候，始終使懸臂從同一方向進(jìn)入固定工位放置坩堝，這樣可以使每次的坩堝停放位置不變。

(3)電子天平稱重偏差和漂移

由于現(xiàn)場(chǎng)的工作環(huán)境是高溫并且伴有震動(dòng)，電子天平的的稱重屬于0.1毫克的微量稱重測(cè)量，稍有震動(dòng)就會(huì)導(dǎo)致單次稱重結(jié)果偏離其真值，發(fā)生偏差，導(dǎo)致稱重結(jié)果不準(zhǔn)。電子天平的電子元器件有工作溫度范圍，現(xiàn)場(chǎng)的高溫環(huán)境可能使電子元器件性能發(fā)生改變發(fā)生漂移，影響稱重結(jié)果。

解決方案：在電子天平底座增加彈簧減震墊以減小震動(dòng)對(duì)稱重產(chǎn)生的影響，每次稱重時(shí)采用多次稱重結(jié)果的平均值，使得結(jié)果接近其真值。在稱重時(shí)，由于溫度的影響使顯示值朝一個(gè)方向偏離導(dǎo)致數(shù)值不準(zhǔn)確，而含碳量的計(jì)算公式(1)中分子與分母都是兩次稱重結(jié)果的差值，兩次同一方向偏差的值相減可將漂移的影響消除。稱重天平無(wú)論采用什么測(cè)量方式，只要數(shù)據(jù)點(diǎn)包含在由大量測(cè)量結(jié)果統(tǒng)計(jì)規(guī)律形成的帶狀區(qū)域內(nèi)都是合理的。

2.3本裝置優(yōu)點(diǎn)

與傳統(tǒng)的飛灰檢測(cè)裝置對(duì)比，本產(chǎn)品的優(yōu)勢(shì)在于從根本上解決了取樣堵灰問(wèn)題，采樣的代表性大大提高，設(shè)備安裝方便環(huán)境大大改善，并且采樣穩(wěn)定不受負(fù)荷影響。

(1)采樣代表性。煙道采樣是在煙道的截面上采用單點(diǎn)小口徑采樣，不具有代表性，而灰斗采樣是在灰斗下全截面采樣，代表性好；并且在煙道飛灰粒徑分布不均，而灰斗內(nèi)飛灰混合度好。煙道采樣稀相抽取，分析效率不足80%，而一級(jí)除塵器灰量占總灰量90%以上且密相輸送。

(2)堵灰問(wèn)題。煙道采樣抽取物為煙、灰混合物，煙氣中所含水分遇冷后會(huì)凝結(jié)造成采樣管堵塞?；叶废鲁槿∥餅樾L(fēng)分離器分離后的100℃以上的干灰，使用壓縮空氣進(jìn)行密相輸送，無(wú)堵灰可能。

(3)設(shè)備布置方便，工作環(huán)境徹底改善。煙道采樣的采樣點(diǎn)是在煙氣出口或省煤器出口煙道，無(wú)必要的直管段，設(shè)備布置困難，環(huán)境惡劣(高溫、粉塵、振動(dòng))，嚴(yán)重影響設(shè)備可靠性和使用壽命，維護(hù)困難。灰斗采樣的采樣點(diǎn)在一級(jí)除塵器灰斗下，設(shè)備可就近安裝在除塵間0米或工作平臺(tái)上，位置易選，維護(hù)方便，徹底改善工作環(huán)境。

(4)采樣不受負(fù)荷影響。煙道采樣利用煙道負(fù)壓為動(dòng)力的自吸式采樣系統(tǒng)，采樣量受鍋爐負(fù)荷影響很大，在70%以下很難采出灰樣，并且煙道采樣使煙道漏風(fēng)量增加。灰斗采樣利用壓縮空氣輸送，省氣、高效且不受負(fù)荷限制。

3實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

表1、表2是采用本系統(tǒng)實(shí)測(cè)的飛灰含碳量數(shù)據(jù)。

表1　吉林市某電廠飛灰含碳量檢測(cè)結(jié)果

表2　定州市某電廠飛灰含碳量檢測(cè)結(jié)果

采集到一份灰樣后，分成兩份。表中現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)結(jié)果為其中一份灰樣飛灰測(cè)碳裝置實(shí)時(shí)測(cè)量結(jié)果，人工檢測(cè)是另一份灰樣在實(shí)驗(yàn)室用灼燒法的檢測(cè)結(jié)果。

數(shù)據(jù)誤差分析：由上表的檢測(cè)結(jié)果可以看出，每組“人工”和“現(xiàn)場(chǎng)”檢測(cè)結(jié)果都有一定偏差，但從一段時(shí)間的的平均測(cè)量結(jié)果來(lái)看，其結(jié)果差別很小，說(shuō)明這兩種檢測(cè)方式的結(jié)果沒(méi)有明顯區(qū)別。每組數(shù)據(jù)的差別也說(shuō)明固體不均勻顆粒樣品檢驗(yàn)和微量稱重的特點(diǎn)，即使是同一份混合均勻的灰樣分成若干份測(cè)量，其檢測(cè)結(jié)果仍會(huì)有一定的差別，通常采用平均值的方法加以修正。

其他因素影響：(1)環(huán)境因素即主要包括環(huán)境溫度、濕度、個(gè)體較大可燃物顆粒、空氣流動(dòng)以及灰塵等，都會(huì)對(duì)微量稱重帶來(lái)較大影響；(2)人為因素即主要取決于在每一個(gè)檢驗(yàn)環(huán)節(jié)是否嚴(yán)格執(zhí)行操作規(guī)程，完全做到也是很困難的。

以上影響使檢測(cè)結(jié)果有較大波動(dòng)，但均不會(huì)使其單方向增加或減少，其存在是客觀的，而不是設(shè)備本身的原因所致，并且可以通過(guò)大量的數(shù)據(jù)采集加以修正，而本文采用的對(duì)于飛灰含碳量的連續(xù)在線檢測(cè)系統(tǒng)將從根本上解決這一問(wèn)題。

4結(jié)論

飛灰含碳量檢測(cè)裝置在現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行穩(wěn)定，未出現(xiàn)堵灰問(wèn)題，大大降低了維護(hù)量，并且做到了快速取樣、快速得到含碳量結(jié)果，大大縮短了檢測(cè)周期，實(shí)現(xiàn)了灼燒法的在線測(cè)量。

參考文獻(xiàn)

[1]許軍進(jìn).在線飛灰測(cè)碳儀在燃煤鍋爐中的應(yīng)用[J].電力科技與環(huán)保，2014，30(3)：58-60.

[2]潘理黎，王佳瑩，楊玉峰，等.火電廠飛灰含碳量在線監(jiān)測(cè)設(shè)備現(xiàn)狀[J].熱力發(fā)電，2008，37(11)：10-14.

[3]張揚(yáng)，馬道林，陸明.微波在線飛灰含碳量測(cè)定技術(shù)及分析[J]發(fā)電設(shè)備，2006，20(3)：180-184.

[4]劉文鵬，王乃文.飛灰含碳量在線監(jiān)測(cè)技術(shù)在電站鍋爐上應(yīng)用的探討[J].電站系統(tǒng)工程，1994，10(1).52-54.

[5]林鵬云，羅永浩，胡璣元.燃煤電站鍋爐NOx排放影響因素的數(shù)值模擬分[J].熱能與動(dòng)力工程，2007，22(5)：529-533.

[6]馬立軍.空氣分級(jí)燃燒對(duì)爐內(nèi)NOx生成影響的數(shù)值模擬研究[J].鍋爐制造，2010，32(1)：20-25.

[7]邱燕，田茂誠(chéng)，牛蔚然等.降低循環(huán)流化床鍋爐飛灰含碳量的理論及其應(yīng)用[J].熱能動(dòng)力工程，2005，20(4)：369-372.

[8]劉鴻，周克毅.鍋爐飛灰測(cè)碳儀的技術(shù)現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)[J].鍋爐技術(shù)，2004，35(2)：65-68.

[9]戴莉，宋兆龍.鍋爐煙道飛灰含碳量在線檢測(cè)系統(tǒng)的研究[J].傳感器與微系統(tǒng)，2004，23(12)：17-19.

[10] 陳雪平，賈寶富.微波測(cè)碳儀的技術(shù)現(xiàn)狀及展望[J]西北電力技術(shù)，2005，33(2)：34-36.

[11] Yin Chungen，Caillat Sebastien，Harion Jean-Luc，et al.Investigation of the Flow，Combustion，Heat-transfer and Emissions from a 609MW Utility Tangentially Fired Pulverized-coal Boiler[J].Fuel，2002，81(8)：997-1006.

[12] 陳向偉，韓青，王海月.飛龍測(cè)碳在線執(zhí)行機(jī)構(gòu)優(yōu)化的探索[J].東北電力大學(xué)學(xué)報(bào)，2013，33(3)：10-13.

[13] 盧洪波，王金龍.基于LIBSVM和智能算法的電站鍋爐飛灰含碳量?jī)?yōu)化[J].東北電力大學(xué)學(xué)報(bào)，2014，34(1)：16-20.

On-lineMonitoring System of Carbon Content in Fly Ash by Weight Loss Method

ZHANG Shuai1，LI Yu-chao2，YU Ling3

(1.Energy Resource and Power Engineering College，Northeast Dianli University，Jilin Jilin 132012；2.Hebei Guohua Dingzhou Power Generation Co.，Ltd，Hebei Dingzhou 073000;3.Information and Communication Branch Company Jinzhou Power Supply Company of state Grid，Jinzhou Liaoning 121100)

Abstract：Mechanical incomplete combustion heat loss is the second biggest heat loss in boiler operation，Mechanical incomplete combustion heat loss is mainly determined by the carbon content of the fly ash in the boiler.The carbon content in fly ash of boiler is an important index to reflect the combustion efficiency of boiler，real-time，accurate detection of fly ash carbon content is an important means of improving boiler operating efficiency and reducing power generation cost.A brief introduction of several kinds of fly ash measuring instruments which have been commercialized at present，this paper introduces a new method of measuring carbon in fly ash，some problems encountered in the initial stage of the method are improved.The feasibility of this method is proved by the experiment，its reliability has been proved through the operation.

Key words：Carbon content in fly ash；On-line monitoring；Burning

收稿日期：2016-04-12

作者簡(jiǎn)介：張帥(1991-)，男，山東省乳山市人，東北電力大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院在讀碩士研究生，主要研究方向:電廠熱力設(shè)備監(jiān)測(cè).

文章編號(hào)：1005-2992(2016)03-0047-05

中圖分類號(hào)：TK16

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A