劉 振 宇

(1．煤科院節(jié)能技術(shù)有限公司，北京 100013；2．煤炭資源高效開采與潔凈利用國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100013；3．國家能源煤炭高效利用與節(jié)能減排技術(shù)裝備重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100013)

0 引 言

在煤粉工業(yè)鍋爐中，供料系統(tǒng)通過氣力輸送，將煤粉定量送入燃燒器中供給燃燒。供料的穩(wěn)定性對(duì)鍋爐的穩(wěn)定運(yùn)行影響很大。定量計(jì)量供料量和供料波動(dòng)是鍋爐實(shí)現(xiàn)自動(dòng)調(diào)節(jié)的重要前提。目前煤粉質(zhì)量流量的直接測(cè)量困難[1]，現(xiàn)有的直接測(cè)量方法包括電容法、靜電法、摩擦電法、微波法、γ射線法、差壓法等。其中，電容法[2-3]對(duì)傳感器固有的檢測(cè)場(chǎng)分布要求較高，且由于固相濃度變化引起的電容量變化甚微，對(duì)電容分辨率和抗雜散電容的能力要求嚴(yán)格，使其對(duì)空氣濕度等參數(shù)變化敏感，需頻繁標(biāo)定。靜電法[4-6]由于陣列式靜電傳感器存在局部敏感特性，僅適用于小管徑的密相流測(cè)量。摩擦電法[7-8]可測(cè)量的煤粉濃度上限很低，目前僅能做到上限45 g/m3。微波法[9-10]的檢測(cè)范圍和精度較廣，但受限于設(shè)備成本，中小型鍋爐難以采用。γ射線法[11]利用γ射線吸收原理，可達(dá)到5%以內(nèi)的測(cè)量精度[12]，但γ放射源的危險(xiǎn)性及成本限制了其使用范圍。差壓法利用壓力傳感器，測(cè)量供料系統(tǒng)兩點(diǎn)間的壓力差，利用煤粉濃度-差壓的對(duì)應(yīng)關(guān)系[13]測(cè)量煤粉流量，一般包括文丘里法和彎管法，文丘里法測(cè)量精度較高，具有較高的阻力。由于煤粉工業(yè)鍋爐一次風(fēng)沿程經(jīng)過文丘里混合器，因而具有應(yīng)用差壓法的基礎(chǔ)。

除了直接測(cè)量，鍋爐各種與供料相關(guān)的間接參數(shù)也可用于衡量供料參數(shù)，有學(xué)者使用不同方法研究了爐膛壓力與供料量的關(guān)系[14-15]。但以往研究重點(diǎn)關(guān)注爐膛壓力，對(duì)于其他參數(shù)，如中間倉稱重、供料鎖氣閥轉(zhuǎn)速、一次風(fēng)總壓、煙氣氧含量等與供料參數(shù)的關(guān)系鮮有報(bào)道。本文通過對(duì)工業(yè)運(yùn)行數(shù)據(jù)的分析，對(duì)上述參數(shù)用于供料參數(shù)間接測(cè)量時(shí)的可靠性及限制進(jìn)行探討。

1 研究對(duì)象及方法

1.1 研究對(duì)象

本文數(shù)據(jù)取自天津華苑58 MW雙燃燒器中儲(chǔ)式煤粉工業(yè)鍋爐。煤粉經(jīng)由制粉站通過氣力輸送儲(chǔ)存于大粉倉中。鍋爐運(yùn)行時(shí)，大粉倉中的煤粉通過中間倉進(jìn)料閥分別進(jìn)入中間倉1和中間倉2，隨后通過中間倉出口的供料鎖氣閥進(jìn)入煤粉混合器中，與來自一次風(fēng)機(jī)(羅茨風(fēng)機(jī))的空氣混合，形成均勻的氣-固兩相流送入燃燒器。

在鍋爐運(yùn)行過程中供料鎖氣閥持續(xù)運(yùn)行，通過變頻電機(jī)控制轉(zhuǎn)速，進(jìn)而調(diào)整供料量。中間倉使用自動(dòng)料位控制，當(dāng)中間倉稱重降低到900 kg時(shí)，中間倉進(jìn)料閥開啟，將煤粉由大粉倉送入中間倉，直到中間倉稱重升至1 100 kg，中間倉進(jìn)料閥停止。鍋爐結(jié)構(gòu)及測(cè)點(diǎn)布置如圖1所示。各傳感器中，中間倉稱重位于中間倉下側(cè)，型號(hào)為BK-1680，量程上限1 680 kg；一次風(fēng)總壓測(cè)點(diǎn)位于一次風(fēng)沿程的混合器入口處，傳感器型號(hào)ABB-2600T，量程0～60 kPa，共設(shè)置3個(gè)，取其中2個(gè)數(shù)值差較小的測(cè)量值，取平均作為有效數(shù)據(jù)。采用威爾巴流量計(jì)測(cè)量二次風(fēng)量和三次風(fēng)量，壓力上限7 000 Pa，傳感器具有溫度矯正功能，自動(dòng)矯正為Nm3/h，對(duì)應(yīng)空氣密度1.293 kg/m3；爐膛壓力傳感器量程-1 000～1 000 Pa；煙氣氧含量傳感器量程0～21%，各傳感器數(shù)據(jù)的更新頻率≥1 Hz。數(shù)據(jù)獲取時(shí)間為2019-11-01—11-30，數(shù)據(jù)記錄頻率均為1 Hz。

圖1 鍋爐供料系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及測(cè)點(diǎn)布置Fig.1 Structure of boiler feeding system and arrangement of measuring points

1.2 分析方法

為了分析供料鎖氣閥轉(zhuǎn)速、粉倉稱重、爐膛壓力、煙氣氧含量用于預(yù)測(cè)供料性能的可行性及準(zhǔn)確性，首先通過變量的物理意義，確定該變量與瞬時(shí)供料量、平均供料量、供料波動(dòng)等供料性能參數(shù)的關(guān)系。采用決定系數(shù)R2，對(duì)比不同變量組間擬合優(yōu)度的差異。R2的計(jì)算公式為

(1)

式中，y1為帶入回歸方程得到的參數(shù)y的估計(jì)值；y2為參數(shù)y的實(shí)際值；-y為參數(shù)y的平均值。

(2)

2 數(shù)據(jù)分析

2.1 中間倉稱重

鍋爐運(yùn)行時(shí)，中間倉進(jìn)料閥一般以5～10 min為周期交替開啟、關(guān)閉。在進(jìn)料閥關(guān)閉的時(shí)間段內(nèi)，中間倉沒有煤粉流入，煤粉唯一的流出途徑為供料鎖氣閥。因此，該時(shí)間段內(nèi)若其他參數(shù)不變，可采用中間倉稱重的變化速率計(jì)算供料量。

圖2 單卸料周期稱重曲線Fig.2 Single unloading cycle weighing curve

但中間倉稱重用于判斷供料特性也存在以下局限：① 由于稱重傳感器輸出的數(shù)據(jù)是質(zhì)量累計(jì)值，其分辨率不足以計(jì)量瞬時(shí)供料量；② 將圖2局部放大可以看出，存在中間倉稱重?cái)?shù)據(jù)隨時(shí)間上升現(xiàn)象，由于該過程中間倉內(nèi)煤粉只有流出沒有流入，可推斷該信號(hào)屬于干擾數(shù)據(jù)。由于局部干擾數(shù)據(jù)的存在，使中間倉稱重?zé)o法用來計(jì)算供料波動(dòng)。

2.2 鎖氣閥頻率

常見的供料量計(jì)量方法是將供料鎖氣閥凹槽中的煤粉填充率和密度視為定值，根據(jù)鎖氣閥電機(jī)減速比計(jì)算出電機(jī)頻率-鎖氣閥轉(zhuǎn)速的關(guān)系(供料量=鎖氣閥轉(zhuǎn)速×每轉(zhuǎn)容積×煤粉填充密度)。實(shí)踐發(fā)現(xiàn)，該計(jì)算方法準(zhǔn)確性和重復(fù)性較差，主要是由于不同供料量下煤粉填充密度通常為非定值，因此需要引入其他參數(shù)。由于中間倉稱重可準(zhǔn)確計(jì)量一定時(shí)間內(nèi)的平均供料量，因此可將其作為中間變量，研究鎖氣閥頻率和供料量之間的關(guān)系。

在測(cè)量數(shù)據(jù)中篩選出1號(hào)供料鎖氣閥運(yùn)行數(shù)據(jù)最多的8個(gè)電機(jī)頻率工況，以及2號(hào)供料鎖氣閥運(yùn)行數(shù)據(jù)最多的7個(gè)電機(jī)頻率工況。每個(gè)篩選出的電機(jī)頻率中，隨機(jī)選取5個(gè)完整1 100～900 kg中間倉卸料周期，采用2.1節(jié)的方法計(jì)算每個(gè)周期的供料量，并計(jì)算5個(gè)周期供料量的均值和標(biāo)準(zhǔn)差，結(jié)果如圖3所示。

圖3 鎖氣閥頻率-供料量的關(guān)系Fig.3 Relationship between frequency of air lock valve and feed quantity

不同鎖氣閥的的衰減規(guī)律存在差異，該鍋爐2個(gè)鎖氣閥的供料曲線在低頻下較接近理想值，且差距很小，但在20 Hz以上開始出現(xiàn)差異，其原因有待進(jìn)一步探究。

2.3 一次風(fēng)總壓

一次風(fēng)從羅茨風(fēng)機(jī)出口依次經(jīng)過混合器、一次風(fēng)管、回流帽進(jìn)入燃燒器。從物理意義角度，風(fēng)機(jī)出口氣流的總能量損耗，等于沿程煤粉-空氣-管壁之間的摩擦、煤粉加速、文丘里加速-擴(kuò)散等作用造成的能量損失之和，該損耗可用一次風(fēng)壓總壓進(jìn)行表征。

當(dāng)供料量為0時(shí)，一次風(fēng)沿程阻力計(jì)算公式為

(3)

其中，ΔPa為無煤粉時(shí)的一次風(fēng)總阻力，Pa；λ為直管段的摩擦因數(shù)；ζ1為彎管的局部阻力系數(shù)；ζ2為文丘里混合器的局部阻力系數(shù)；l為一次風(fēng)管長度，m；d為一次風(fēng)管直徑，m；ρ為空氣密度，kg/m3；u為一次風(fēng)速，m/s。λ、l、d、ζ1、ζ2屬于結(jié)構(gòu)參數(shù)，在不改變文丘里噴口口徑的情況下為定值。在輸送煤粉時(shí)，沿程阻力上升，導(dǎo)致風(fēng)機(jī)出口空氣密度ρ上升，u降低，兩者反向變化，且由于羅茨風(fēng)機(jī)屬于恒容積式風(fēng)機(jī)，風(fēng)量下降速率較平緩，因此在壓力變化不大的情況下，ρu2可近似按照定值處理。因此ΔPa可取煤粉輸送量為0的工況下一次風(fēng)總壓的平均值，結(jié)果為：1號(hào)供料器ΔPa1=20.54 kPa，標(biāo)準(zhǔn)差0.69 kPa；2號(hào)供料器ΔPa2=21.64 kPa，標(biāo)準(zhǔn)差0.74 kPa。

供料量>0時(shí)，一次風(fēng)沿程阻力增加，此時(shí)一次風(fēng)總壓和空載一次風(fēng)總壓關(guān)系[16]為

(4)

式中，ΔP為氣固混合物通過文丘里時(shí)的總阻力，Pa；k為未知系數(shù)；μ為固氣比，kg/kg；ms為煤粉質(zhì)量流量，kg/s；ma為一次風(fēng)空氣質(zhì)量流量，kg/s。

根據(jù)式(4)，確定k值后，可通過供料量>0時(shí)一次風(fēng)總壓ΔP計(jì)算煤粉流量，即

(5)

根據(jù)式(5)計(jì)算2.2節(jié)中1號(hào)供料器8個(gè)工況和2號(hào)供料器7個(gè)工況下的一次風(fēng)總壓均值(k1和k2)，結(jié)果如圖4所示。

圖4 系數(shù)k計(jì)算值Fig.4 Calculated value of coefficient k

由圖4可知，k1均值為0.174 1，標(biāo)準(zhǔn)差為0.007 2，k2均值為0.151 3，標(biāo)準(zhǔn)差為0.008 5，離散系數(shù)約為5%，精度可滿足工業(yè)計(jì)算要求。

式(5)中質(zhì)量流量ma的計(jì)算方法為：空氣溫度(41±4) ℃，空氣密度1.124 kg/m3，一次風(fēng)管內(nèi)徑135 mm，平均氣速25 m/s，空氣質(zhì)量流量0.402 kg/s(或1 447 kg/h)，代入式(5)得到

ms1=0.404 6ΔP1-8 310

(6)

ms2=0.441 8ΔP2-9 564

(7)

式中，ms1、ms2分別為供料鎖氣閥1、2的供料量，kg/s；ΔP1、ΔP2分別為供料系統(tǒng)1、2的一次風(fēng)總阻力，Pa。

根據(jù)式(6)和式(7)，可得到鍋爐總供料量mss為

mss=0.404 6ΔP1+0.441 8ΔP2-17 874

(8)

2.4 爐膛壓力

根據(jù)理想氣體狀態(tài)方程

PV=nRT

(9)

其中，P為壓力，Pa；V為體積，m3；n為氣體摩爾數(shù)；R為常數(shù)；T為溫度，K。其他參數(shù)不變、供料量增加時(shí)，若燃料燃盡率無明顯下降，則煤粉放熱量增加，爐膛溫度T升高，由于爐膛體積V和助燃風(fēng)量n均不變，因此爐膛壓力P升高。要得到供料量-爐膛壓力絕對(duì)值的關(guān)系，需要確定與熱態(tài)相同二次風(fēng)量、三次風(fēng)量、引風(fēng)機(jī)頻率等相同工況下的冷態(tài)爐膛壓力空白值。由于鍋爐長期處于運(yùn)行狀態(tài)，缺少可供參照的冷態(tài)數(shù)據(jù)，因此難以分析供料量-爐膛壓力的關(guān)系，僅可通過熱態(tài)爐膛壓力和一次風(fēng)總壓的波動(dòng)，推斷爐膛壓力波動(dòng)-供料波動(dòng)的關(guān)系。

選取93組取樣時(shí)間為300 s、頻率1 Hz的數(shù)據(jù)，每組數(shù)據(jù)取樣時(shí)鍋爐各設(shè)備參數(shù)保持不變，根據(jù)式(8)計(jì)算瞬時(shí)供料量，結(jié)果如圖5所示。

圖5 供料量標(biāo)準(zhǔn)差-爐膛壓力標(biāo)準(zhǔn)差Fig.5 standard deviation of feed quantity-standarddeviation of furnace pressure

圖6 配風(fēng)量/供料量波動(dòng)-爐膛壓力波動(dòng)Fig.6 Distribution air volume/feed volume fluctuation-furnace pressure fluctuation

2.5 煙氣氧含量

氧含量和供料量、二次風(fēng)量、三次風(fēng)量、煤粉燃盡率等參數(shù)關(guān)聯(lián)較大，與爐膛壓力不同，鍋爐氧含量有固定的空白值，即空氣中的氧含量0.21。因此可使用煙氣氧含量推斷供料量和供料波動(dòng)，耗氧量的計(jì)算公式為

Q(O2)=(A1+A2+A3)[0.21-w(O2)]

(10)

式中，Q(O2)為鍋爐耗氧量，Nm3/h；A1、A2、A3為總一次風(fēng)量、總二次風(fēng)量、總?cè)物L(fēng)量，Nm3/h；w(O2)為氧含量。

圖7 耗氧-供料/配風(fēng)Fig.7 oxygen consumption-feed/air distribution

在較長時(shí)間跨度上，該鍋爐同樣供料量下的耗氧量有較大變化，主要是由于該鍋爐煤粉為2種熱值相差較大的煤粉摻混而成，說明2種煤粉的摻混比例控制可能較差，導(dǎo)致成品煤粉的熱值/元素組成存在較大波動(dòng)。

3 結(jié) 論

1)中間倉進(jìn)料閥關(guān)閉時(shí)，可通過中間倉稱重?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行線性回歸，以高準(zhǔn)確度計(jì)算供料器300 s周期內(nèi)的平均供料量。但受限于稱重傳感器的分辨率及局部干擾數(shù)據(jù)，中間倉稱重?zé)o法用于瞬時(shí)供料量或供料波動(dòng)。

2)采用供料鎖氣閥轉(zhuǎn)速計(jì)算供料量，需假設(shè)鎖氣閥凹槽填充率和填充密度為定值，鎖氣閥低轉(zhuǎn)速下供料曲線符合該假設(shè)。但隨著鎖氣閥轉(zhuǎn)速增加，有效進(jìn)料/出料時(shí)間的縮短和出口壓力的提高，使供料量隨轉(zhuǎn)速的增長率以二次曲線邊際遞減，且不同鎖氣閥的供料量遞減規(guī)律存在個(gè)體差異。