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)火焰溫度對氣相堿金屬析出有重要影響[4]。在線監(jiān)測爐內(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)的非接觸式測溫在火焰溫度與氣相堿金屬濃度測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,可以完成對燃燒的實(shí)時(shí)在線監(jiān)測,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)射輻射測量溫度與氣相堿金屬濃度,結(jié)構(gòu)簡單,成本低廉,適合工業(yè)現(xiàn)場應(yīng)用。劉建浩等通過分析火焰圖像,在線監(jiān)測了玻璃熔窯內(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,實(shí)現(xiàn)對燃煤鍋爐溫度的在線監(jiān)測[7]。通過光譜設(shè)備獲得火焰自發(fā)射光譜(Flame Emission Spectroscopy, 簡稱FES)同時(shí)測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[12-14]都得到了廣泛的應(yīng)用。基于FES的爐內(nèi)火焰與氣相堿金屬在線監(jiān)測技術(shù)已成為對大型工業(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)測系統(tǒng),監(jiān)測W火焰鍋爐爐內(nèi)溫度與堿金屬濃度水平。能夠快速準(zhǔn)確地測量被測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該鍋爐進(jìn)行了初步的結(jié)渣傾向分析。

1 測量原理

光譜儀經(jīng)過黑體爐標(biāo)定獲得絕對光譜強(qiáng)度隨波長的變化[16],絕對光譜強(qiáng)度與光譜儀曝光時(shí)間無關(guān),測量出的光譜強(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為對應(yīng)波長下的發(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;I(λ)與I(λ+Δλ)分別表示兩個(gè)波長對應(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

2.1 溫度與堿金屬濃度在線監(jiān)測裝置

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)測系統(tǒng)被分別安裝在17.5 m標(biāo)高的右墻前測點(diǎn)與左墻后測點(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,簡稱 DCS)中,達(dá)到在線監(jiān)測的目的。

計(jì)算機(jī)安裝了自主開發(fā)的在線監(jiān)測軟件。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)的測量狀態(tài);②給出當(dāng)前溫度與堿金屬濃度,并繪制在線測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)測結(jié)果分析

溫度與堿金屬濃度在線監(jiān)測系統(tǒng)已在工業(yè)現(xiàn)場連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行一個(gè)月。圖4給出了兩個(gè)測點(diǎn)在此期間某24 h內(nèi)的測量結(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)測數(shù)據(jù)

根據(jù)圖4結(jié)果,右墻前測點(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)測點(diǎn)最近的給煤機(jī)的平均給煤量分別標(biāo)注在對應(yīng)的圖中。對比機(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,但是右墻前測點(diǎn)的波動(dòng)范圍明顯小于左墻后測點(diǎn)的波動(dòng)范圍,這可能是由于右墻前測點(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。對比在機(jī)組負(fù)荷穩(wěn)定情況下,兩個(gè)測點(diǎn)的氣相堿金屬平均水平,可以發(fā)現(xiàn)右墻前測點(diǎn)的堿金屬一直處于較高的水平,而左墻后測點(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。相較于左墻后測點(diǎn),右墻前測點(diǎn)的氣相堿金屬濃度更高,右墻前測點(diǎn)可能的結(jié)渣傾向更高。

在線監(jiān)測開展過程中,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,右墻前測點(diǎn)與左墻后測點(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,但左墻后測點(diǎn)的波動(dòng)明顯更強(qiáng)。結(jié)合兩個(gè)測點(diǎn)的平均給煤量來看,右墻前測點(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)場情況,氣相堿金屬濃度較高的右墻前測點(diǎn)的結(jié)渣情況更嚴(yán)重,表明對氣相堿金屬的在線監(jiān)測對沾污結(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)測系統(tǒng),將其應(yīng)用在W火焰鍋爐中。選擇了兩個(gè)測點(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W火焰鍋爐的結(jié)渣趨勢進(jìn)行了初步預(yù)測,為運(yùn)行人員提供參考。結(jié)果表明,兩個(gè)測點(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。對該鍋爐的結(jié)渣傾向預(yù)測結(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。