劉 龍，王廣兵，趙永國

（國家能源菏澤發(fā)電有限公司，山東菏澤 274032）

0 引言

目前，我國現(xiàn)有運(yùn)行的300 MW 以上機(jī)組制粉系統(tǒng)，絕大部分采用雙進(jìn)雙出鋼球磨或中速磨煤機(jī)，這2 種磨煤機(jī)主要針對Vdaf為20%～40%的煙煤系列，內(nèi)部均為正壓5～8 kPa，煤粉細(xì)度R90 在15%～30%區(qū)間，能夠滿足鍋爐動(dòng)力用煤的細(xì)度、均勻度等要求[1]。磨煤機(jī)出口溫度依據(jù)煙煤煤種揮發(fā)分以及磨煤機(jī)形式的不同一般控制在60～85 ℃區(qū)間。據(jù)對國內(nèi)150 臺(tái)運(yùn)行鍋爐調(diào)查統(tǒng)計(jì)，約有42%的燃煤鍋爐發(fā)生過自燃或內(nèi)爆事故[2]。很多電廠為了確保制粉系統(tǒng)安全，盡量降低磨煤機(jī)出口一次風(fēng)溫，導(dǎo)致鍋爐排煙溫度升高，鍋爐效率下降，此類問題的出現(xiàn)和存在，無論是對目前節(jié)能降耗還是機(jī)組運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性和安全性，都是急需解決的問題[3]。針對目前制粉系統(tǒng)（主要是磨煤機(jī)、一次風(fēng)粉管）存在的安全監(jiān)控措施手段匱乏、磨煤機(jī)出口溫度過低等問題，本文開展CO 實(shí)時(shí)在線監(jiān)測安全與提效降耗的技術(shù)研究。

1 鍋爐概況

某電廠三期2×330 MW 燃煤機(jī)組鍋爐為東方鍋爐廠有限公司DG1025/18.2-Ⅱ4 型亞臨界、四角切圓燃燒、平衡通風(fēng)、自然循環(huán)汽包鍋爐，制粉系統(tǒng)采用中速磨煤機(jī)、冷一次風(fēng)機(jī)、正壓直吹制粉系統(tǒng)，每臺(tái)鍋爐配備3 臺(tái)中速磨煤機(jī)，均為沈陽重型機(jī)械集團(tuán)有限責(zé)任公司生產(chǎn)的BBD4060 雙進(jìn)雙出磨煤機(jī)[4]，每臺(tái)磨煤機(jī)配備2 臺(tái)由上海發(fā)電設(shè)備成套設(shè)計(jì)研究所生產(chǎn)的CS2024—HP 電子稱重皮帶式給煤機(jī)，每臺(tái)磨煤機(jī)帶1 層鍋爐燃燒器，設(shè)計(jì)煤種是干燥無灰基揮發(fā)分為37.22%的煙煤，磨煤機(jī)出口設(shè)計(jì)溫度爐為75 ℃。根據(jù)以往的運(yùn)行情況調(diào)查，多次發(fā)生自燃著火的安全隱患，具體情況如表1 所示。

2 制粉系統(tǒng)發(fā)生自燃與內(nèi)爆的原因

2.1 制粉系統(tǒng)管道布置存在煤粉聚集現(xiàn)象

影響制粉系統(tǒng)自燃與內(nèi)爆的根本原因在于煤粉本身的以下特性：一是煤粉的爆炸極限；二是揮發(fā)分含量；三是粉塵細(xì)度[5]。此外，雖然磨煤機(jī)整體的設(shè)計(jì)、安裝以及運(yùn)行控制方面比較成熟可靠，但是受制于現(xiàn)場的實(shí)際情況、鍋爐燃燒系統(tǒng)的設(shè)計(jì)安裝以及運(yùn)行要求，決定了制粉系統(tǒng)的整體布置難以完全避免發(fā)生煤粉的異常積累，而異常累積的煤粉本身的特性決定了磨煤機(jī)及其一次風(fēng)管的自燃與內(nèi)爆事故的發(fā)生。

目前，國內(nèi)制粉系統(tǒng)管道布置方式普遍為帶管道彎頭的粉管布置和帶有分管的粉管布置。由此可以看出，出于現(xiàn)場布置的原因，煤粉的異常積累往往發(fā)生在管道彎頭處、變管徑處或主管與分管的分配器處、小角度傾斜角管道布置處等部位。特別是對于老廠或經(jīng)常變負(fù)荷運(yùn)行的電廠，這些部位更易造成煤粉積累進(jìn)而導(dǎo)致自燃或內(nèi)爆事故的發(fā)生。此外，管道內(nèi)部煤粉氣流對管壁的沖刷由于彎頭的離心作用使管道內(nèi)壁磨損不均勻，更進(jìn)一步惡化了內(nèi)部風(fēng)粉流場，致使煤粉發(fā)生異常累積，這也是風(fēng)粉管自燃的一大原因。同理，磨煤機(jī)內(nèi)部的分離器、粗粉回粉管等也是常見的煤粉自燃部位。

從某電廠制粉系統(tǒng)現(xiàn)場管道布置情況可以看出，彎頭較多，還存在煤粉管道傾斜布置的情況，這些都會(huì)導(dǎo)致煤粉在管道內(nèi)部聚集、自燃進(jìn)而燒損一次風(fēng)管的情況發(fā)生。

表1 菏澤公司三期2×330 MW 機(jī)組磨煤機(jī)一次風(fēng)管自燃著火及搶修情況

2.2 火災(zāi)預(yù)警系統(tǒng)難以準(zhǔn)確監(jiān)測

現(xiàn)有的磨煤機(jī)保護(hù)系統(tǒng)大都基于溫度進(jìn)行火警監(jiān)測，即在系統(tǒng)最有可能發(fā)生煤粉累積的部位安裝溫度傳感器，在磨煤機(jī)進(jìn)出口設(shè)測溫點(diǎn)與測壓點(diǎn)，以監(jiān)測系統(tǒng)運(yùn)行是否正常[6]，惰性氣體或消防蒸汽等系統(tǒng)用于火情出現(xiàn)后的消除或補(bǔ)救措施。采用此種原理的監(jiān)測系統(tǒng)為溫度火災(zāi)預(yù)警系統(tǒng)，但該系統(tǒng)存在以下缺點(diǎn)：第一，磨煤機(jī)內(nèi)部空間大，溫度測點(diǎn)是點(diǎn)監(jiān)測，而磨煤機(jī)系統(tǒng)復(fù)雜，監(jiān)測點(diǎn)難以覆蓋整個(gè)磨煤機(jī)系統(tǒng)，對一次風(fēng)管道更是無法實(shí)施監(jiān)測。第二，可靠性差，誤報(bào)幾率大。第三，由于煤本身的熱解動(dòng)力學(xué)特性，監(jiān)測效果嚴(yán)重滯后，時(shí)間裕量過小，造成溫度預(yù)警系統(tǒng)失去了預(yù)警的作用，現(xiàn)在更多地表現(xiàn)為制粉系統(tǒng)火情的確認(rèn)信號(hào)。

正是由于此種情況，出于設(shè)備生產(chǎn)安全方面的考慮，嚴(yán)格控制磨煤機(jī)出口的一次風(fēng)溫成為解決該問題的一個(gè)不得已的方法，但過于嚴(yán)格地控制磨煤機(jī)出口的一次風(fēng)粉溫度，則會(huì)嚴(yán)重制約鍋爐效率的提升。因此，本文提出通過監(jiān)測CO 濃度來提前預(yù)警制粉系統(tǒng)是否存在煤粉聚集和自燃隱患。

3 基于煤熱解理論的CO 在線監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 煤熱解理論

煤自燃是煤不經(jīng)點(diǎn)燃而自行著火的現(xiàn)象，是有自燃傾向性的煤在遇到空氣中的氧氣時(shí)，進(jìn)行氧化產(chǎn)生的熱量大于向周圍環(huán)境中散失的熱量，發(fā)生了熱量聚集，使煤溫升高達(dá)到燃點(diǎn)而著火的過程。不同的煤種著火點(diǎn)都不同[7]，具體情況如表2 所示。

表2 不同煤種的著火點(diǎn)

煤熱解動(dòng)力學(xué)的任務(wù)是研究煤在熱解過程中的反應(yīng)種類、反應(yīng)速度、反應(yīng)歷程、反應(yīng)產(chǎn)物、反應(yīng)控制因素以及反應(yīng)動(dòng)力學(xué)常數(shù)，從反應(yīng)伴隨的宏觀現(xiàn)象探索并揭示反應(yīng)機(jī)理，了解煤結(jié)構(gòu)與反應(yīng)能力之間的關(guān)系，從而有效控制熱解反應(yīng)[8]。煤粉能夠自燃，主要是煤在低溫階段的物理吸附、化學(xué)吸附和化學(xué)反應(yīng)能夠產(chǎn)生熱量，這些熱量在一定環(huán)境下能夠聚集，從而使煤溫度上升，最終引起燃燒[9]。

從煤的自熱析出CO 至達(dá)到煤的著火點(diǎn)有一定的時(shí)間間隔，此時(shí)間間隔即為冗余時(shí)間；不同煤種熱解過程CO 濃度變化如圖1 所示。常見的動(dòng)力用煤種，從監(jiān)測到CO 至著火點(diǎn)有充足的時(shí)間裕量，保守的冗余時(shí)間為120 min 以上，煙煤氧化溫度與時(shí)間關(guān)系如圖2 所示。因此，監(jiān)測CO 濃度可以提前預(yù)警設(shè)備是否存在煤粉聚集和自燃隱患。

圖1 不同煤種熱解過程CO 體積分?jǐn)?shù)變化

圖2 煙煤氧化溫度與時(shí)間關(guān)系圖

3.2 CO 在線監(jiān)測系統(tǒng)的選型

為了有效建立CO 實(shí)時(shí)在線安全及提效降耗監(jiān)控系統(tǒng)并推廣應(yīng)用，CO 實(shí)時(shí)在線監(jiān)測設(shè)備的選型是關(guān)鍵之一?，F(xiàn)有的CO 在線監(jiān)控設(shè)備主要的2個(gè)流派是電化學(xué)法與紅外吸收法。電化學(xué)分析儀的主要原理是把測量對象氣體在電極處氧化或還原而測得電流，得出對象氣體濃度的探測器。其優(yōu)勢是功耗小，對被測氣體有高度的靈敏度以及良好的選擇性，線性好，精度高，質(zhì)量輕，體積小[10]。紅外煙氣分析儀又名非色散紅外煙氣分析儀，相比電化學(xué)傳感器而言，單機(jī)使用壽命長，抗干擾能力好。但是缺點(diǎn)也很明顯，主機(jī)對測量環(huán)境要求高，功耗大，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，價(jià)格高，后期維護(hù)量大[11]。所以在尾部煙道復(fù)雜氣體工況下紅外吸收法在線檢測儀使用較多，而其他情況下電化學(xué)法在線檢測儀使用較多。如何把在線監(jiān)測的穩(wěn)定性、可靠性、工況的適用性、價(jià)格等各方面因素綜合考量是選擇在線分析儀的關(guān)鍵。因?yàn)楸卷?xiàng)目檢測的是制粉系統(tǒng)的CO 氣體，不涉及燃燒后的復(fù)雜氣體環(huán)境，所以采用電化學(xué)原理的檢測設(shè)備為宜。

3.3 CO 在線監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)特點(diǎn)

3.3.1 確保測量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性

因?yàn)楸卷?xiàng)目是在制粉系統(tǒng)安全的前提下提升磨煤機(jī)出口溫度進(jìn)而達(dá)到節(jié)能降耗的目的，因此與其他部位的檢測技術(shù)需求最大的差別在于必須要求在線分析儀采用實(shí)時(shí)在線（即一拖一）監(jiān)測形式，只有實(shí)時(shí)在線監(jiān)測才能避免各個(gè)取樣點(diǎn)在主機(jī)測量室檢測時(shí)出現(xiàn)互相干擾情況，確保測量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

3.3.2 CO 在線監(jiān)測設(shè)備的適用性

必須符合現(xiàn)場實(shí)際運(yùn)行要求，最好可以就地安裝，維護(hù)量要盡可能小，相對于精度，更重要的是免維護(hù)、運(yùn)行穩(wěn)定、可靠性高和適用性強(qiáng)。

3.3.3 CO 數(shù)據(jù)庫的建立方式

CO 數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)的收集方法、標(biāo)準(zhǔn)、范圍需要考慮不同煤種、運(yùn)行狀態(tài)等因素的綜合影響，既要達(dá)到避免誤報(bào)警影響正常穩(wěn)定生產(chǎn)，又不能影響設(shè)備的安全性。

3.3.4 分散控制系統(tǒng)整合

以前期運(yùn)行儲(chǔ)備的CO 數(shù)據(jù)庫為基礎(chǔ)，將CO實(shí)時(shí)在線監(jiān)控系統(tǒng)整合進(jìn)分散控制系統(tǒng)DCS（distributed control system），確定聯(lián)鎖執(zhí)行方式，進(jìn)入正常運(yùn)行工作。

3.4 CO 在線監(jiān)測系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)

3.4.1 技術(shù)路線

在現(xiàn)有煤熱解理論技術(shù)成果的基礎(chǔ)上，依據(jù)菏澤電廠現(xiàn)有的入爐煤的煤質(zhì)情況并根據(jù)本廠制粉系統(tǒng)的實(shí)際現(xiàn)狀，確定CO 設(shè)備的安裝部位與方式；以CO 監(jiān)測設(shè)備實(shí)測數(shù)據(jù)為基準(zhǔn)，建立初期的CO 安全以及溫升數(shù)據(jù)庫范本；在現(xiàn)有DCS 系統(tǒng)上增加CO 實(shí)時(shí)監(jiān)控項(xiàng)目，以前期運(yùn)行儲(chǔ)備的CO 數(shù)據(jù)庫為基礎(chǔ)，進(jìn)行邏輯以及報(bào)警值設(shè)定；建立相應(yīng)的運(yùn)行規(guī)范。

3.4.2 CO 在線監(jiān)測設(shè)備的安裝部位與方式

建立制粉系統(tǒng)的CO 實(shí)時(shí)在線安全與提效降耗監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)CO 在線監(jiān)測設(shè)備的就地布線、安裝與調(diào)試，CO 在線監(jiān)測設(shè)備輸出信號(hào)與DCS 主機(jī)的連接。雙進(jìn)雙出磨煤機(jī)CO 監(jiān)控系統(tǒng)的監(jiān)測點(diǎn)取樣探頭安裝在輸出管道的垂直管段。因?yàn)? 個(gè)雙進(jìn)雙出磨煤機(jī)組有2 個(gè)獨(dú)立的制粉通道，所以每臺(tái)磨煤機(jī)需要安裝2 套CO 在線監(jiān)測系統(tǒng)才能保證實(shí)時(shí)在線監(jiān)測磨煤機(jī)整體的安全性。雙進(jìn)雙出磨煤機(jī)CO 監(jiān)控系統(tǒng)安裝在磨煤機(jī)煤粉管出口垂直段上，快關(guān)閥下部，每臺(tái)磨煤機(jī)出口安裝2 個(gè)監(jiān)測點(diǎn)。一次風(fēng)管進(jìn)入噴燃器前的CO 監(jiān)控系統(tǒng)的監(jiān)測點(diǎn)取樣探頭安裝在一次風(fēng)管進(jìn)入噴燃器前的垂直管段，如果沒有垂直管段，要在點(diǎn)火油槍等設(shè)備之前安裝，如果一次風(fēng)管有閘閥等截止閥，則安裝在截止閥的入風(fēng)口部位，一次風(fēng)管進(jìn)入噴燃器前的CO監(jiān)控系統(tǒng)安裝在噴燃器前的垂直管段處。

3.4.3 CO 數(shù)據(jù)庫的建立與數(shù)據(jù)建模

依照原規(guī)程連續(xù)運(yùn)行不小于24 h 獲取不同負(fù)荷情況下的CO 數(shù)據(jù)參數(shù)；更換煤種時(shí)重新進(jìn)行上述步驟并觀察實(shí)際參數(shù)的變化量；分析獲取CO 數(shù)據(jù)，設(shè)定制粉系統(tǒng)安全運(yùn)行時(shí)CO 的上限值與報(bào)警值；在保證安全的前提下（在火情危險(xiǎn)源出現(xiàn)時(shí)及時(shí)預(yù)警，提供60 min 左右的時(shí)間裕量），以5 ℃溫升（最高溫升不大于20 ℃）為梯段進(jìn)行溫度提升驗(yàn)證工作并建立不同溫升梯段時(shí)的CO 數(shù)據(jù)庫模板，作為提升磨煤機(jī)出口溫度的綜合標(biāo)定數(shù)據(jù)；以上述步驟為基礎(chǔ)，研究CO 數(shù)據(jù)的規(guī)律，以CO 監(jiān)控設(shè)備測量的數(shù)據(jù)為控制參量，直接控制磨煤機(jī)出口溫度進(jìn)行算法建模或報(bào)警值設(shè)定，調(diào)整相應(yīng)的報(bào)警上下限值，并確保磨煤機(jī)出口溫升10 ℃的安全可靠性。

3.4.4 分散控制系統(tǒng)整合

由鍋爐、熱控、電氣、運(yùn)行等相關(guān)人員確定聯(lián)鎖執(zhí)行方式，將CO 實(shí)時(shí)在線監(jiān)控系統(tǒng)整合進(jìn)DCS 系統(tǒng)，進(jìn)入正常運(yùn)行工作。報(bào)警預(yù)處理設(shè)置為兩級(jí)報(bào)警體系：一級(jí)報(bào)警值用于報(bào)警下限的設(shè)置，此時(shí)密切關(guān)注CO 數(shù)值變化，并適當(dāng)調(diào)整冷熱風(fēng)門的開度以控制CO 濃度的升高；二級(jí)報(bào)警值為報(bào)警上限值，處理方案為進(jìn)行停磨聯(lián)鎖動(dòng)作，必要時(shí)可以打開消防蒸汽以確保磨煤機(jī)的安全。

4 結(jié)束語

電廠磨煤機(jī)作為鍋爐燃燒制粉系統(tǒng)的核心設(shè)備，是電廠重要的鋪機(jī)，其工作狀況對整個(gè)電廠系統(tǒng)運(yùn)行的安全和經(jīng)濟(jì)性具有重要影響。煤是火力發(fā)電廠的主要燃料，提高設(shè)備運(yùn)行的安全、穩(wěn)定性，發(fā)展監(jiān)測與診斷相關(guān)的技術(shù)，實(shí)施狀態(tài)檢修，是電廠的必然要求。煤主要由碳組成，在存在氧氣和溫度足夠的條件下，將會(huì)起反應(yīng)開始氧化過程，如果該反應(yīng)持續(xù)下去，結(jié)果是進(jìn)一步地氧化將導(dǎo)致自燃和CO 的產(chǎn)生。CO 的濃度是火焰發(fā)生的一個(gè)重要指示，如果CO 被監(jiān)測出來，就可以在上述的反應(yīng)因自燃而發(fā)展成明火之前，用作火災(zāi)的前期報(bào)警，在實(shí)際火災(zāi)發(fā)生之前，就監(jiān)測出潛在危險(xiǎn)[12]。因此，基于煤的熱解理論，在磨煤機(jī)本體及一次風(fēng)管安裝取樣探頭，實(shí)時(shí)在線監(jiān)測磨煤機(jī)本體及一次風(fēng)管全工況下的CO 數(shù)值，可以全方位地監(jiān)控其安全性，并提供充足的時(shí)間裕量消除事故隱患。通過建立磨煤機(jī)本體及一次風(fēng)管的CO 監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)庫，可進(jìn)而實(shí)現(xiàn)科學(xué)量化地提升磨煤機(jī)一次風(fēng)出口溫度，達(dá)到節(jié)能降耗的目的。