基于FES的火焰溫度與氣相堿金屬濃度在線監(jiān)測(cè)

易仕強(qiáng),戴 斌,陳軍華,王浩帆,姚 斌,婁 春

(1.云南華電鎮(zhèn)雄發(fā)電有限公司,云南 鎮(zhèn)雄 657200;2.華電電力科學(xué)研究院有限公司,浙江 杭州 310030;3.華中科技大學(xué) 煤燃燒國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,湖北 武漢 430074)

煤燃燒過程中釋放的氣相堿金屬(鈉、鉀等)在燃燒遇到溫度較低的受熱面發(fā)生凝結(jié),導(dǎo)致受熱面上的大量飛灰黏附[1],其也會(huì)與其他無機(jī)元素形成低溫共融體,使飛灰熔融溫度降低[2-3]。氣相堿金屬在燃煤鍋爐中的沾污、結(jié)渣問題有重要影響。而爐內(nèi)火焰溫度對(duì)氣相堿金屬析出有重要影響[4]。在線監(jiān)測(cè)爐內(nèi)溫度與氣相堿金屬濃度,有益于防止結(jié)渣,燃燒調(diào)整,優(yōu)化運(yùn)行。

目前,基于光學(xué)的非接觸式測(cè)溫在火焰溫度與氣相堿金屬濃度測(cè)量中得到了較為廣泛的應(yīng)用。這種方法不需要直接接觸火焰,可以完成對(duì)燃燒的實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè),主要包括主動(dòng)式與被動(dòng)式[5]。主動(dòng)式需要外加激光,而被動(dòng)式通過收集、分析火焰的自發(fā)射輻射測(cè)量溫度與氣相堿金屬濃度,結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,成本低廉,適合工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用。劉建浩等通過分析火焰圖像,在線監(jiān)測(cè)了玻璃熔窯內(nèi)的火焰溫度變化[6]。婁春等使用熱輻射成像技術(shù)反演燃煤鍋爐內(nèi)燃燒三維溫度場(chǎng),實(shí)現(xiàn)對(duì)燃煤鍋爐溫度的在線監(jiān)測(cè)[7]。通過光譜設(shè)備獲得火焰自發(fā)射光譜(Flame Emission Spectroscopy, 簡(jiǎn)稱FES)同時(shí)測(cè)量火焰溫度與氣相堿金屬濃度的方法在實(shí)驗(yàn)室[8-11]與工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)[12-14]都得到了廣泛的應(yīng)用?；贔ES的爐內(nèi)火焰與氣相堿金屬在線監(jiān)測(cè)技術(shù)已成為對(duì)大型工業(yè)爐膛燃燒診斷的重要發(fā)展方向[15]。

本文使用自主開發(fā)的基于FES的在線火焰溫度與氣相堿金屬濃度在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng),監(jiān)測(cè)W火焰鍋爐爐內(nèi)溫度與堿金屬濃度水平。能夠快速準(zhǔn)確地測(cè)量被測(cè)燃燒火焰的溫度和氣相堿金屬鈉濃度,并實(shí)時(shí)顯示溫度和氣相堿金屬鈉濃度的變化,基于氣相堿金屬濃度對(duì)該鍋爐進(jìn)行了初步的結(jié)渣傾向分析。

1 測(cè)量原理

光譜儀經(jīng)過黑體爐標(biāo)定獲得絕對(duì)光譜強(qiáng)度隨波長(zhǎng)的變化[16],絕對(duì)光譜強(qiáng)度與光譜儀曝光時(shí)間無關(guān),測(cè)量出的光譜強(qiáng)度包括了燃燒產(chǎn)生的熱輻射強(qiáng)度與火焰中氣相堿金屬釋放出的光譜強(qiáng)度,可用下式表示:

Im=IAlkali+Ic

(1)

式中:Im為光譜儀獲得的絕對(duì)光譜強(qiáng)度;IAlkali為氣相堿金屬釋放出的光譜強(qiáng)度;Ic為熱輻射光譜強(qiáng)度。熱輻射光譜強(qiáng)度可被普朗克定律的近似描述為

Ic(λ)=ελC1/(e-C2/(XT)-1)/λ5/π

(2)

式中:T為溫度,℃;ελ為對(duì)應(yīng)波長(zhǎng)下的發(fā)射率,在可見光與近紅外波段,溫度可以通過多波長(zhǎng)法計(jì)算[17-18]:

(3)

式中:λ與λ+Δλ分別表示兩個(gè)間隔較小的波長(zhǎng);I(λ)與I(λ+Δλ)分別表示兩個(gè)波長(zhǎng)對(duì)應(yīng)光譜強(qiáng)度。堿金屬濃度通過堿金屬的原子光譜發(fā)射譜線確定?；鹧鏈囟鹊纳?氣相堿金屬濃度升高均會(huì)引起氣相堿金屬的光譜輻射強(qiáng)度的升高,本文經(jīng)過類似文獻(xiàn)[13]的標(biāo)定實(shí)驗(yàn)過程,獲得氣相堿金屬的光譜輻射強(qiáng)度與濃度、溫度的定量關(guān)系。

2 爐內(nèi)溫度與堿金屬濃度的在線監(jiān)測(cè)

2.1 溫度與堿金屬濃度在線監(jiān)測(cè)裝置

實(shí)驗(yàn)在600 MW的W火焰鍋爐上開展,兩套堿金屬濃度與溫度在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)被分別安裝在17.5 m標(biāo)高的右墻前測(cè)點(diǎn)與左墻后測(cè)點(diǎn)。鍋爐的額定蒸發(fā)量為1 900 t/h,燃用煤種主要為東源煤。系統(tǒng)的主要組成部分以及各系統(tǒng)的連接示意圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)組成圖

系統(tǒng)主要由數(shù)據(jù)采集模塊、就地控制模塊和電子間模塊組成。數(shù)據(jù)采集模塊包括兩套光譜探頭設(shè)備,每套設(shè)備由連接裝置和光譜信號(hào)采集裝置組成。連接裝置的主要作用是將光譜探頭固定在鍋爐壁面,并保持光譜探頭的穩(wěn)定,連接裝置通過法蘭連接。安裝在現(xiàn)場(chǎng)的數(shù)據(jù)采集探頭如圖2所示。所采用的光譜設(shè)備的光譜監(jiān)測(cè)范圍為300～1 000 nm,平均光譜分辨率為0.7 nm,光譜采樣的時(shí)間間隔為1 s。使用0.2 MPa的儀用氣對(duì)光譜探頭進(jìn)行持續(xù)吹掃與冷卻,以保障內(nèi)部電子元件的正常工作。

圖2 數(shù)據(jù)采集探頭

光譜采集裝置是模塊的核心,包括光譜儀、準(zhǔn)直透鏡與光纖,主要作用是采集爐內(nèi)火焰輻射光譜信號(hào),并實(shí)時(shí)將光譜信號(hào)轉(zhuǎn)換為網(wǎng)絡(luò)信號(hào)并通過網(wǎng)線輸出至就地控制模塊。就地控制模塊收集兩路信號(hào),整合并傳輸至電子間模塊,電子間模塊的計(jì)算機(jī)對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理并計(jì)算,將計(jì)算結(jié)果通過4～20 mA的電流信號(hào)值傳輸?shù)郊⒖刂葡到y(tǒng)(distributed control system,簡(jiǎn)稱 DCS)中,達(dá)到在線監(jiān)測(cè)的目的。

計(jì)算機(jī)安裝了自主開發(fā)的在線監(jiān)測(cè)軟件。軟件采用C++語言開發(fā),圖3展示了系統(tǒng)軟件界面。其功能包括:①控制系統(tǒng)的啟停,顯示系統(tǒng)的測(cè)量狀態(tài);②給出當(dāng)前溫度與堿金屬濃度,并繪制在線測(cè)量的溫度與堿金屬濃度隨時(shí)間變化的曲線;③傳輸信號(hào)與保存歷史數(shù)據(jù)。

圖3 軟件界面圖

2.2 溫度與堿金屬濃度在線監(jiān)測(cè)結(jié)果分析

溫度與堿金屬濃度在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)已在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行一個(gè)月。圖4給出了兩個(gè)測(cè)點(diǎn)在此期間某24 h內(nèi)的測(cè)量結(jié)果與機(jī)組負(fù)荷、給煤量與總風(fēng)量的變化。

圖4 溫度與氣相堿金屬濃度48 h監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)

根據(jù)圖4結(jié)果,右墻前測(cè)點(diǎn)溫度在1 380～1 470 ℃,氣相堿金屬濃度在2.7～3.5 mg/m3;左墻后測(cè)點(diǎn)溫度在1 360～1 460 ℃,氣相堿金屬溫度在2.0～3.1 mg/m3。距離兩個(gè)測(cè)點(diǎn)最近的給煤機(jī)的平均給煤量分別標(biāo)注在對(duì)應(yīng)的圖中。對(duì)比機(jī)組運(yùn)行數(shù)據(jù)來看,氣相堿金屬濃度與溫度隨著機(jī)組運(yùn)行數(shù)據(jù)的變化有著明顯的相關(guān)性。隨著給煤量的增加,入爐燃料中的總堿金屬量增加,爐內(nèi)的氣相堿金屬濃度整體升高。另外,氣相堿金屬濃度與溫度的變化趨勢(shì)完全吻合,爐內(nèi)溫度的升高,使得煤粉中的堿金屬更快地釋放,同時(shí)爐內(nèi)煤灰中堿金屬元素也隨著溫度升高大量釋放到氣相中,導(dǎo)致了氣相堿金屬濃度的升高。

由機(jī)組參數(shù)曲線可得,在在線監(jiān)測(cè)進(jìn)行的24 h內(nèi),機(jī)組在360～480 MW劇烈變化。從整體來看,兩個(gè)測(cè)點(diǎn)的溫度與氣相堿金屬濃度均隨著負(fù)荷變化而變化,但是右墻前測(cè)點(diǎn)的波動(dòng)范圍明顯小于左墻后測(cè)點(diǎn)的波動(dòng)范圍,這可能是由于右墻前測(cè)點(diǎn)附近的給煤量更多,其受到的機(jī)組運(yùn)行過程中的擾動(dòng)更少,整體的波動(dòng)更少。對(duì)比在機(jī)組負(fù)荷穩(wěn)定情況下,兩個(gè)測(cè)點(diǎn)的氣相堿金屬平均水平,可以發(fā)現(xiàn)右墻前測(cè)點(diǎn)的堿金屬一直處于較高的水平,而左墻后測(cè)點(diǎn)的波動(dòng)較大。在24 h內(nèi)負(fù)荷穩(wěn)定的時(shí)段內(nèi),右墻前測(cè)點(diǎn)的溫度與氣相堿金屬濃度基本穩(wěn)定。相較于左墻后測(cè)點(diǎn),右墻前測(cè)點(diǎn)的氣相堿金屬濃度更高,右墻前測(cè)點(diǎn)可能的結(jié)渣傾向更高。

在線監(jiān)測(cè)開展過程中,整體上,鍋爐存在兩次的變負(fù)荷調(diào)整,分別對(duì)應(yīng)第15 000 s左右負(fù)荷從440 MW降低至360 MW,第40 000 s開始負(fù)荷開始升高,直至480 MW。分析兩次變負(fù)荷過程,第一次變負(fù)荷過程中,右墻前測(cè)點(diǎn)與左墻后測(cè)點(diǎn)的溫度與氣相堿金屬濃度均隨著機(jī)組運(yùn)行參數(shù)的下降而下降,但左墻后測(cè)點(diǎn)的波動(dòng)明顯更強(qiáng)。結(jié)合兩個(gè)測(cè)點(diǎn)的平均給煤量來看,右墻前測(cè)點(diǎn)的平均給煤量更高,其受到的運(yùn)行期間的干擾更少,波動(dòng)更小。第二次變負(fù)荷過程較復(fù)雜,總體來看,兩個(gè)測(cè)點(diǎn)的堿金屬濃度均升高,可以由此判斷,高負(fù)荷下的結(jié)渣傾向更高。

在兩個(gè)變負(fù)荷階段內(nèi),結(jié)合在負(fù)荷變化時(shí)刻,在線監(jiān)測(cè)的溫度和氣相堿金屬濃度的變化與機(jī)組參數(shù)具有跟隨性,說明本系統(tǒng)能夠?qū)t內(nèi)燃燒變化具有高靈敏度和實(shí)時(shí)響應(yīng)。綜合現(xiàn)場(chǎng)情況,氣相堿金屬濃度較高的右墻前測(cè)點(diǎn)的結(jié)渣情況更嚴(yán)重,表明對(duì)氣相堿金屬的在線監(jiān)測(cè)對(duì)沾污結(jié)渣的預(yù)報(bào)、防控,和鍋爐燃燒調(diào)整具有重要意義。

3 結(jié) 論

本文基于FES開發(fā)了燃煤鍋爐內(nèi)溫度與氣相堿金屬濃度在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng),將其應(yīng)用在W火焰鍋爐中。選擇了兩個(gè)測(cè)點(diǎn),系統(tǒng)可以穩(wěn)定運(yùn)行,采樣間隔時(shí)間為1 s。本文分析了某2日的溫度、氣相堿金屬濃度隨著機(jī)組參數(shù)的變化關(guān)系,并根據(jù)氣相堿金屬濃度結(jié)果對(duì)W火焰鍋爐的結(jié)渣趨勢(shì)進(jìn)行了初步預(yù)測(cè),為運(yùn)行人員提供參考。結(jié)果表明,兩個(gè)測(cè)點(diǎn)的溫度與氣相堿金屬濃度隨著機(jī)組運(yùn)行數(shù)據(jù)的變化有著明顯的相關(guān)性。由于右墻前測(cè)點(diǎn)的給煤量較高,受到鍋爐運(yùn)行過程中的干擾較小,溫度與氣相堿金屬濃度波動(dòng)范圍較小,但氣相堿金屬濃度始終維持在較高的水平。對(duì)該鍋爐的結(jié)渣傾向預(yù)測(cè)結(jié)果是:負(fù)荷越高,燃燒器的局部給煤量越高,氣相堿金屬濃度越高,結(jié)渣的傾向也越高。