周小鳳 賈志軍

摘 要：為實(shí)現(xiàn)火電廠中鍋爐安全、高效、低污染的燃燒，并降低CO排放濃度，設(shè)計(jì)了鍋爐燃燒煙氣CO在線(xiàn)監(jiān)測(cè)及應(yīng)用系統(tǒng)。該系統(tǒng)應(yīng)用先進(jìn)的電化學(xué)傳感器技術(shù)，對(duì)鍋爐煙道區(qū)域的煙氣CO進(jìn)行實(shí)時(shí)在線(xiàn)監(jiān)測(cè)，并將監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)傳送到機(jī)組DCS系統(tǒng)，根據(jù)CO的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)曲線(xiàn)進(jìn)行精細(xì)化燃燒調(diào)整與優(yōu)化控制。該系統(tǒng)已在電廠實(shí)際應(yīng)用，效果較好。

關(guān)鍵詞：CO；在線(xiàn)監(jiān)測(cè)；氧量；優(yōu)化

Online monitoring and application system of CO Emitted by Boiler Combustion

Zhou Xiaofeng1 Jia Zhijun2

（1.Baotou Vocational & Technical College，Baotou，Inner Mongolia 014035;

2.Inner Mongolia Jingneng Kangbashi Thermal Power Co.，Ltd，Erdos，Inner Mongolia 017010;）

Abstract：In order to realize the safe，efficient and low pollution combustion of boilers in thermal power plants and reduce the concentration of CO emission，an online monitoring and application system of CO emitted by boiler combustion is designed.The system applies advanced electrochemical sensor technology to conduct real-time online monitoring of CO in the boiler flue，and transmits the monitoring data to the unit DCS system for fine combustion adjustment and optimization control.The system has been applied in power plants with good results.

Key words：CO;online monitoring;oxygen content;optimization

按照《內(nèi)蒙古自治區(qū)國(guó)民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展第十四個(gè)五年規(guī)劃和2035年遠(yuǎn)景目標(biāo)綱要》的指導(dǎo)方針，立足能源資源優(yōu)勢(shì)，圍繞碳達(dá)峰、碳中和等目標(biāo)，用高新技術(shù)和先進(jìn)適用技術(shù)改造傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)和傳統(tǒng)企業(yè)，推動(dòng)傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)高端化、智能化、綠色化。設(shè)計(jì)了鍋爐燃燒煙氣CO在線(xiàn)監(jiān)測(cè)及應(yīng)用系統(tǒng)。

實(shí)現(xiàn)鍋爐安全、高效、低污染的燃燒是火電廠一直追求的重要目標(biāo)，經(jīng)過(guò)在北方多家火電廠和鋼廠調(diào)研，發(fā)現(xiàn)鍋爐運(yùn)行時(shí)存在高負(fù)荷時(shí)水冷壁結(jié)焦、兩側(cè)汽溫偏差較大、再熱器減溫水量大、氧量測(cè)量不準(zhǔn)等問(wèn)題。鍋爐運(yùn)行中控制的氧量測(cè)量不準(zhǔn)，容易造成熱效率偏低、NOx濃度偏高。CO排放濃度升高和機(jī)械不完全燃燒損失增大，降低鍋爐熱效率。［1］

本項(xiàng)目能在線(xiàn)精確測(cè)量煙氣CO等氣體成分濃度，以實(shí)現(xiàn)基于CO在線(xiàn)監(jiān)測(cè)的精細(xì)化燃燒調(diào)整與優(yōu)化控制，在確保及時(shí)發(fā)現(xiàn)和糾正結(jié)焦結(jié)渣、高溫腐蝕等不良狀況提高鍋爐運(yùn)行可靠性的同時(shí)提高鍋爐的效率、降低NOX排放濃度。在鍋爐現(xiàn)有運(yùn)行條件下，在線(xiàn)測(cè)量煙氣CO和O2，根據(jù)鍋爐的負(fù)荷、煤種等參數(shù)實(shí)時(shí)可視化給出燃燒調(diào)整操作指導(dǎo)，優(yōu)化鍋爐燃燒配風(fēng)配煤方式。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

CO 含量與飛灰可燃物、排煙熱損失等存在一定關(guān)系，利用煙氣CO 的在線(xiàn)監(jiān)測(cè)，可以使鍋爐在保證局部不缺氧的前提下保持較低的過(guò)量空氣系數(shù)下運(yùn)行，提高鍋爐熱效率，同時(shí)避免因爐內(nèi)缺氧造成的結(jié)渣和高溫腐蝕等，甚至及時(shí)發(fā)現(xiàn)爐內(nèi)燃燒不均勻性。因此實(shí)現(xiàn)鍋爐尾部煙道煙氣中CO的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)是鍋爐運(yùn)行狀態(tài)和鍋爐熱效率的重要組成部分。［1］

煙氣CO在線(xiàn)監(jiān)測(cè)技術(shù)目前國(guó)內(nèi)外市場(chǎng)上主要的技術(shù)路線(xiàn)包括催化燃燒法、非分散紅外吸收法和原位激光法。本次項(xiàng)目主要引進(jìn)加拿大某公司先進(jìn)的電化學(xué)傳感器技術(shù)，這種新型的電化學(xué)方法半固態(tài)電解質(zhì)單一，不易受到其他氣體的干擾，因此測(cè)量精度高，漂移小，量程寬，適用于CO氣體在線(xiàn)監(jiān)測(cè)。

2 系統(tǒng)組成

本項(xiàng)目通過(guò)在鍋爐省煤器出口兩側(cè)煙道上選址安裝煙氣CO在線(xiàn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，對(duì)鍋爐煙道區(qū)域的煙氣CO進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，并將監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)傳送到DCS，并以煙氣CO和O2含量作為關(guān)鍵參數(shù)指導(dǎo)爐內(nèi)燃燒控制，通過(guò)調(diào)整風(fēng)煤配比，達(dá)到優(yōu)化鍋爐燃燒狀態(tài)的目的。系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案如圖1所示。

煙氣CO在線(xiàn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由兩個(gè)CO傳感器構(gòu)成，采用全球最先進(jìn)的傳感器技術(shù)和雙傳感器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。傳感器產(chǎn)生一個(gè)與CO濃度成正比的電信號(hào)，此電信號(hào)經(jīng)系統(tǒng)分析處理轉(zhuǎn)換成ppm濃度，再被轉(zhuǎn)換成一個(gè)模擬信號(hào)輸出（4mA～20mA）。［2］

煙氣通過(guò)取樣系統(tǒng)，經(jīng)過(guò)除塵、保溫、冷卻、除濕、除酸后，進(jìn)入新型的電化學(xué)傳感器進(jìn)行CO的濃度分析。CO電化學(xué)傳感器本身是一個(gè)密封的容器，由半固態(tài)電解質(zhì)、金屬陽(yáng)極和金屬陰極構(gòu)成。樣氣擴(kuò)散進(jìn)入傳感器室，經(jīng)由透氣膜進(jìn)入電解槽，使在半固態(tài)電解質(zhì)中被擴(kuò)散吸收的CO氣體在規(guī)定的氧化電位下進(jìn)行電位電解，根據(jù)耗用的電解電流求出CO氣體的濃度。［3］這種電化學(xué)CO監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是一款取樣式氣體分析儀表，包括探頭單元、反吹單元和分析單元。探頭單元抽取鍋爐煙氣，通過(guò)取樣泵進(jìn)入分析單元內(nèi)的制冷器降溫除濕，該過(guò)程中產(chǎn)生的凝露由排凝蠕動(dòng)泵以選定周期排出。樣氣釋放出的熱量通過(guò)分析單元外側(cè)的散熱器散發(fā)出去。［2］經(jīng)過(guò)除濕冷卻，樣氣成為潔凈干燥的氣體，再經(jīng)傳感器分析完畢后，廢氣通過(guò)分析單元底部的排氣口排出。［2］

該系統(tǒng)測(cè)量范圍廣，在低溫區(qū)間的測(cè)量精度高，能滿(mǎn)足鍋爐從啟動(dòng)到滿(mǎn)負(fù)荷運(yùn)行全過(guò)程工況的要求，CO在線(xiàn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了機(jī)組全過(guò)程狀態(tài)下?tīng)t膛出口煙氣CO含量的在線(xiàn)連續(xù)監(jiān)測(cè)。當(dāng)鍋爐出現(xiàn)偏燒的情況時(shí)，運(yùn)行人員可以通過(guò)鍋爐左右兩側(cè)CO測(cè)量值的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)直觀迅速地發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，從而做出相應(yīng)的調(diào)整，盡快消除鍋爐出口煙氣的殘余旋轉(zhuǎn)，消除兩側(cè)煙溫偏差，避免蒸汽溫度出現(xiàn)更大的偏差，從而使?fàn)t膛內(nèi)部的燃燒工況處于良好的狀態(tài)。

3 軟件設(shè)計(jì)

傳統(tǒng)的氧量控制主要是由送風(fēng)主控制器接受經(jīng)由燃料量與風(fēng)量函數(shù)f1（x） 計(jì)算得到的氧量設(shè)定值，形成穩(wěn)定燃燒所需要的基本送風(fēng)氧量，通過(guò)氧量的手動(dòng)偏置，經(jīng)PID調(diào)節(jié)，并通過(guò)控制器的輸出調(diào)整送風(fēng)擋板開(kāi)度。由于傳統(tǒng)的氧量控制是建立在給定函數(shù)關(guān)系上的被動(dòng)送風(fēng)，并通過(guò)氧量及爐膛負(fù)壓修正風(fēng)量。實(shí)際上，上述相應(yīng)煤量下的送風(fēng)是否最優(yōu)，無(wú)法通過(guò)在線(xiàn)手段進(jìn)行檢測(cè)，尤其是當(dāng)進(jìn)入爐膛的煤質(zhì)發(fā)生改變時(shí)，不合理的配風(fēng)可能會(huì)威脅到鍋爐的穩(wěn)定運(yùn)行。［4］

鑒于傳統(tǒng)風(fēng)量控制策略的局限性，本項(xiàng)目建議在保留傳統(tǒng)風(fēng)量控制系統(tǒng)的同時(shí)，引入基于CO燃燒控制帶的控制方式，并通過(guò)加法器并于氧量定值回路。如圖2所示。

在這里氧量調(diào)節(jié)器的設(shè)定值是鍋爐在不同負(fù)荷下最高燃燒效率確定的最佳含氧量，是經(jīng)過(guò)一個(gè)折線(xiàn)函數(shù)f1（x）得到，保證鍋爐經(jīng)濟(jì)燃燒。對(duì)CO調(diào)節(jié)器而言，實(shí)際燃燒過(guò)程中CO含量的最佳燃燒控制帶為100～200ppm，可以將CO設(shè)定值設(shè)置為最佳燃燒控制帶的一個(gè)值。在這里需要設(shè)置死區(qū)，只有當(dāng)CO含量高于100ppm時(shí)，才啟動(dòng)CO調(diào)節(jié)器，這是因?yàn)楫?dāng)CO含量低于100ppm，過(guò)?？諝庀禂?shù)較大，CO變化過(guò)于緩慢，不適合作為控制信號(hào)。

通過(guò)對(duì)機(jī)組進(jìn)行燃燒調(diào)整試驗(yàn)，確定該機(jī)組的CO最佳燃燒控制帶區(qū)域，并檢驗(yàn)在各負(fù)荷工況下，改進(jìn)型總風(fēng)量控制系統(tǒng)投運(yùn)的效果。

4 監(jiān)控界面

項(xiàng)目實(shí)現(xiàn)了鍋爐機(jī)組全過(guò)程狀態(tài)下?tīng)t膛出口煙氣CO含量的在線(xiàn)連續(xù)監(jiān)測(cè)，通過(guò)監(jiān)測(cè)CO數(shù)值可以分析原設(shè)計(jì)燃燒器特性及配風(fēng)方式，分析如何優(yōu)化配風(fēng)降低鍋爐污染物排放，提出改進(jìn)建議。通過(guò)監(jiān)測(cè)CO數(shù)值運(yùn)行氧量的調(diào)整應(yīng)保證過(guò)熱蒸汽、再熱蒸汽溫度在正常范圍內(nèi)，鍋爐受熱面無(wú)超溫，且爐內(nèi)無(wú)嚴(yán)重結(jié)渣現(xiàn)象。在此原則下，運(yùn)行氧量應(yīng)根據(jù)鍋爐燃燒優(yōu)化調(diào)整試驗(yàn)結(jié)果確定的最佳運(yùn)行氧量曲線(xiàn)進(jìn)行控制。［5］

圖3是某廠鍋爐爐機(jī)組負(fù)荷從300MW到175MW鍋爐出口CO在線(xiàn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)曲線(xiàn)圖。圖4是鍋爐機(jī)組負(fù)荷從175MW到300MW鍋爐出口CO在線(xiàn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)曲線(xiàn)圖。

從上述CO監(jiān)測(cè)曲線(xiàn)圖可以看出，機(jī)組鍋爐出口煙氣CO在線(xiàn)監(jiān)測(cè)裝置能夠?qū)崿F(xiàn)在線(xiàn)實(shí)時(shí)測(cè)量CO含量，對(duì)運(yùn)行人員判斷爐內(nèi)燃燒工況起到很好的輔助作用，對(duì)控制爐膛結(jié)焦，減輕鍋爐兩側(cè)煙溫偏差和優(yōu)化吹灰均有幫助。通過(guò)實(shí)時(shí)運(yùn)行CO檢測(cè)，可判斷爐內(nèi)燃燒情況，以便及時(shí)進(jìn)行調(diào)整，正常運(yùn)行控制CO含量在100ppm以?xún)?nèi)，最大不超過(guò)200ppm，防止鍋爐水冷壁發(fā)生高溫腐蝕。

5 結(jié)束語(yǔ)

鍋爐安裝了煙氣CO在線(xiàn)監(jiān)測(cè)及應(yīng)用系統(tǒng)后，將煙氣CO排放值控制在要求范圍內(nèi)，避免CO超標(biāo)而導(dǎo)致的爐效下降。能避免因火焰中心偏斜造成水冷壁高溫腐蝕和結(jié)渣的風(fēng)險(xiǎn)。能保證正常的燃燒工況，減小煙溫偏差，降低由此而帶來(lái)的低負(fù)荷運(yùn)行條件下容易出現(xiàn)的氣溫偏差大而引起的受熱面管壁超溫和爆管。采用CO+O2控制燃燒，鍋爐可控制在相對(duì)較低的氧量下運(yùn)行，因此可降低NOX的排放濃度。將煙氣中的CO控制在合理的范圍，降低因爐內(nèi)局部混合不好所造成的飛灰含碳量，同時(shí)將總風(fēng)量控制在合理的范圍之內(nèi)，降低鍋爐排煙熱損失和風(fēng)機(jī)電耗，能減少供電煤耗。提高了鍋爐的安全性、環(huán)保性、經(jīng)濟(jì)性和運(yùn)行效率。

參考文獻(xiàn)：

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［5］國(guó)家能源局.DL/T 1052-2016-2016.電力節(jié)能技術(shù)監(jiān)督導(dǎo)則［S］.

（責(zé)任編輯 郭曉勇）