燃煤電廠鍋爐氧量測量優化的研究與應用

文_徐鐵軍 孔凡義 閔國政 宋嚴強 華電滕州新源熱電有限公司

影響爐膛氧量測量準確性的因素主要包括氧量測點布置和選點存在煙氣偏流、爐膛氧量不均，選點不具備代表性以及氧化鋯測點老化、線性度不佳和煙道漏風等。這些因素導致用于監視爐膛氧量的測點顯示存在較大偏差，爐膛出口、爐膛左右側不一致，經常存在氧量與總風量不匹配，很難合理地調整配風，保證鍋爐穩定、經濟地運行。因此，通過安裝優化氧量測量，準確測量氧量，調節空氣和燃料的最佳配比，實現優化燃燒，在節能減排、安全環保諸方面具有重要意義和顯著經濟、社會效益。通過理論計算、數值模擬與現場測試結果相互比對方法，對鍋爐煙氣流場模擬進行研究。

1 煙氣流場模擬與測量截面選取

滕州公司3#爐為HG-1065/17.5-YM1型亞臨界一次中間再熱控制循環汽包爐，四角切圓燃燒，平衡通風，固態排渣，角式擺動煤粉燃燒器，均等配風直流型鍋爐。

由于鍋爐出口到空預器之前煙道漏風相對較小，同時考慮高溫對測量儀器的影響，本項目把測量位置定在省煤器與空預器之間的煙道上。

為獲得合適的安裝截面，將煙氣流道及整流裝置等統一為單個系統，對其流場進行了模擬計算。

1.1 模型對象

CFD模型建立是從省煤器下部到空預器入口法蘭。

1.2 數學模型

在對計算模型進行模擬計算時，為了保證計算時間更短，計算精度更高，應選擇合適的數學模型。大型的煤炭燃燒發電站的脫硝過程比較復雜，在其煙道中包含有煙氣和粉塵顆粒以及還原劑等其他物質，故在對其煙道流場進行模擬時并不是僅僅只有氣體流場，還涉及到氣體流動、氣固兩相混合流動、熱傳導等方面。所用方程均參考Fluent幫助文件與相關計算流體力學文件。

氣相湍流模型。根據煙氣在進行脫硝過程中的流動情況，選擇標準k-ε湍流模型對脫硝過程中的煙氣流動情況進行模擬計算。

1.3 計算結果分析

1.3.1 BMCR工況模擬結果

根據滕州公司3#鍋爐設計煙氣系統裝置建立相應幾何模型，并依據優化設計方案對模型進行模擬和分析。

入口斜上升煙道漸擴段分別設計3塊直型（即導流板1）和3塊折型導流板（即導流板2），豎直上升煙道下轉彎處設計2塊弧-直形導流板（即導流板3），豎直上升煙道上轉彎處設計1塊弧形及1塊弧-直形導流板（即導流板4），反應器入口設計4塊直板導流板（即導流板5）且在反應器頂端設計弧形擾流導流板（即導流板6），在反應器出口煙道漸縮段設計3塊折型導流板（即導流板7），空預器入口設計2塊弧-直形導流板（即導流板8）和4塊折型導流板（即導流板9）。100%BMCR工況下系統流線圖如圖1所示。

圖1 100%BMCR工況下系統流線圖

通過選取柵附件截面上不同點處的速度，得出所優選截面區域速度分布標準偏差為4.62%，滿足實際工作的技術要求。

1.4.2 各工況模擬結果

最優方案75%BMCR和50%BMCR的模擬結果，其中各工況下系統壓力損失分別為572Pa和363Pa；根據各工況模擬結果，各項參數均滿足設計工作狀態下的技術指標要求。

通過選取該噴氨格柵附件截面上不同點處的速度，得出速度分布標準偏差為4.88%，滿足實際工作的技術要求。

2 設計優化

CFD模型建立是從省煤器下部到空預器入口法蘭，爐膛煙氣出口系統煙道，經過測點位置后，進入空氣預熱器等下游各級輔機設備。

通過對滕州公司3#鍋爐氧量測量裝置前后煙道簡化后的幾何模型進行模擬分析后，通過分別在煙道截面急劇變大處、煙氣轉向處、反應器進口處等位置進行分析綜合測算，附近優選截面區域速度分布標準偏差小于5%，滿足設計要求，可用于布置多點取樣系統。

3 系統功能

（1）實現網格多點取樣。在煙道中的單個截面上均勻的布置取樣器，不同組取樣器之間互不影響，在同一截面布置多組取樣器可以保證有一組取樣器停止工作后其他組取樣器能夠正常工作，這樣的取樣更具有說服力。

（2）抽樣工序采取自動化控制，可以保證勻速取樣。由系統測得煙氣在煙道中的流動速度，當煙氣流速較快時，加快抽取速度；當煙氣流速變慢時，降低抽取速度。保持抽取速度隨煙氣流速變動而變動，從而保證均勻取樣。

（3）保證取樣器的溫度與煙氣的溫度相同。取樣過程中必須保證整個取樣器的溫度和煙氣的溫度相一致，避免煙氣在取樣器中因溫度的變化而造成煙氣無吸附損失或者發生其他反應造成的損失。

（4）氧濃度實時監測。系統對煙氣中的氧濃度進行實時監測、實時測量，保證測量的數據沒有缺失。

（5）取樣管路定時反吹掃。在取樣的過程中要對整個取樣管路進行定時吹掃，保證整個管路暢通無阻礙。

（6）系統故障報警。當煙氣流道溫度低于預設溫度時，系統報警停止取樣；當氣源壓力過低，低于0.5MPa時，系統報警停止取樣；當測量裝置非正常工作時，系統報警停止取樣。

4 現場應用前后比較分析

（1）改造前。滕州公司3#機組鍋爐于2006年11月投產，鍋爐出口O2測點原始設計為單點取樣，存在測點波動大，沒有代表性，難以為運行人員提供準確的氧量參考數據。

（2）改造后。根據等流量取樣裝置的優化計算，我們設計研發了多點取樣裝置并安裝在滕州公司3#鍋爐SCR入口優化選取煙道截面，進行了現場驗證。

該取樣裝置區別于傳統的單點氧量測量方式，在SCR脫硝反應器入口煙道優選合適的截面，開口并設置多點取樣探頭，探頭采集到的氧氣經過母管到達混合管進行煙氣混合，氧量測量裝置位于混合罐下端對混合后的煙氣進行連續在線監測。整套裝置利用煙道內負壓作為動力，不需要額外裝置提供采樣動力，運行經濟環保。為保證煙氣溫度減少對運行影響，設備的外部進行了良好的保溫。

（3）改造前后數據對比。改造前O2測點原始設計為單點取樣，存在測點波動大、沒有代表性、難以為運行人員提供準確的氧量參考數據，導致一/二次風調節缺乏依據，難以保證鍋爐穩定、經濟地運行。改造后經過長期運行觀察，并調閱歷史曲線，多點氧量綜合測量裝置監測效果良好，整體跟蹤趨勢與爐膛氧量和空預器測點處氧量保持一致，實現了優化。

5 結語

煙氣中氧量的精準測量涉及流場優化、取樣設計優化等多個方面。 以滕州新源熱電有限公司3#鍋爐氧量的精準測量升級改造全過程為對象進行深入的研究。通過流場模擬優化、多點取樣綜合測量裝置優化設計，取得了一定的成果，主要工作總結如下：

（1）對氧量測點前后煙道裝置進行流體模型試驗CFD數值計算結果分析，通過優化升級后，有效截面區域的速度分布相對偏差小于5%，能夠基本滿足設計要求。

（2）針對滕州公司3#鍋爐氧量測點單點取樣樣氣沒有代表性，難以為運行人員提供準確的氧量參考的現實情況，進行了系統詳細的理論優化計算，并根據計算結果重新設計開發了等流量多點綜合取樣裝置。

（3）滕州公司3#鍋爐氧量測點由單點取樣改造為等流量多點取樣以來，系統運行穩定可靠，取樣系統無積灰堵塞現象。通過對改造前后的數據分析對比，可以確認裝置整體性能優良，滿足了運行人員調整要求。