基于煤熱解動力學理論的CO 在線監測技術在電廠的應用

劉 龍，王廣兵，趙永國

（國家能源菏澤發電有限公司，山東菏澤 274032）

0 引言

目前，我國現有運行的300 MW 以上機組制粉系統，絕大部分采用雙進雙出鋼球磨或中速磨煤機，這2 種磨煤機主要針對Vdaf為20%～40%的煙煤系列，內部均為正壓5～8 kPa，煤粉細度R90 在15%～30%區間，能夠滿足鍋爐動力用煤的細度、均勻度等要求[1]。磨煤機出口溫度依據煙煤煤種揮發分以及磨煤機形式的不同一般控制在60～85 ℃區間。據對國內150 臺運行鍋爐調查統計，約有42%的燃煤鍋爐發生過自燃或內爆事故[2]。很多電廠為了確保制粉系統安全，盡量降低磨煤機出口一次風溫，導致鍋爐排煙溫度升高，鍋爐效率下降，此類問題的出現和存在，無論是對目前節能降耗還是機組運行的經濟性和安全性，都是急需解決的問題[3]。針對目前制粉系統（主要是磨煤機、一次風粉管）存在的安全監控措施手段匱乏、磨煤機出口溫度過低等問題，本文開展CO 實時在線監測安全與提效降耗的技術研究。

1 鍋爐概況

某電廠三期2×330 MW 燃煤機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、自然循環汽包鍋爐，制粉系統采用中速磨煤機、冷一次風機、正壓直吹制粉系統，每臺鍋爐配備3 臺中速磨煤機，均為沈陽重型機械集團有限責任公司生產的BBD4060 雙進雙出磨煤機[4]，每臺磨煤機配備2 臺由上海發電設備成套設計研究所生產的CS2024—HP 電子稱重皮帶式給煤機，每臺磨煤機帶1 層鍋爐燃燒器，設計煤種是干燥無灰基揮發分為37.22%的煙煤，磨煤機出口設計溫度爐為75 ℃。根據以往的運行情況調查，多次發生自燃著火的安全隱患，具體情況如表1 所示。

2 制粉系統發生自燃與內爆的原因

2.1 制粉系統管道布置存在煤粉聚集現象

影響制粉系統自燃與內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；二是揮發分含量；三是粉塵細度[5]。此外，雖然磨煤機整體的設計、安裝以及運行控制方面比較成熟可靠，但是受制于現場的實際情況、鍋爐燃燒系統的設計安裝以及運行要求，決定了制粉系統的整體布置難以完全避免發生煤粉的異常積累，而異常累積的煤粉本身的特性決定了磨煤機及其一次風管的自燃與內爆事故的發生。

目前，國內制粉系統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，出于現場布置的原因，煤粉的異常積累往往發生在管道彎頭處、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常變負荷運行的電廠，這些部位更易造成煤粉積累進而導致自燃或內爆事故的發生。此外，管道內部煤粉氣流對管壁的沖刷由于彎頭的離心作用使管道內壁磨損不均勻，更進一步惡化了內部風粉流場，致使煤粉發生異常累積，這也是風粉管自燃的一大原因。同理，磨煤機內部的分離器、粗粉回粉管等也是常見的煤粉自燃部位。

從某電廠制粉系統現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，這些都會導致煤粉在管道內部聚集、自燃進而燒損一次風管的情況發生。

表1 菏澤公司三期2×330 MW 機組磨煤機一次風管自燃著火及搶修情況

2.2 火災預警系統難以準確監測

現有的磨煤機保護系統大都基于溫度進行火警監測，即在系統最有可能發生煤粉累積的部位安裝溫度傳感器，在磨煤機進出口設測溫點與測壓點，以監測系統運行是否正常[6]，惰性氣體或消防蒸汽等系統用于火情出現后的消除或補救措施。采用此種原理的監測系統為溫度火災預警系統，但該系統存在以下缺點：第一，磨煤機內部空間大，溫度測點是點監測，而磨煤機系統復雜，監測點難以覆蓋整個磨煤機系統，對一次風管道更是無法實施監測。第二，可靠性差，誤報幾率大。第三，由于煤本身的熱解動力學特性，監測效果嚴重滯后，時間裕量過小，造成溫度預警系統失去了預警的作用，現在更多地表現為制粉系統火情的確認信號。

正是由于此種情況，出于設備生產安全方面的考慮，嚴格控制磨煤機出口的一次風溫成為解決該問題的一個不得已的方法，但過于嚴格地控制磨煤機出口的一次風粉溫度，則會嚴重制約鍋爐效率的提升。因此，本文提出通過監測CO 濃度來提前預警制粉系統是否存在煤粉聚集和自燃隱患。

3 基于煤熱解理論的CO 在線監測系統設計

3.1 煤熱解理論

煤自燃是煤不經點燃而自行著火的現象，是有自燃傾向性的煤在遇到空氣中的氧氣時，進行氧化產生的熱量大于向周圍環境中散失的熱量，發生了熱量聚集，使煤溫升高達到燃點而著火的過程。不同的煤種著火點都不同[7]，具體情況如表2 所示。

表2 不同煤種的著火點

煤熱解動力學的任務是研究煤在熱解過程中的反應種類、反應速度、反應歷程、反應產物、反應控制因素以及反應動力學常數，從反應伴隨的宏觀現象探索并揭示反應機理，了解煤結構與反應能力之間的關系，從而有效控制熱解反應[8]。煤粉能夠自燃，主要是煤在低溫階段的物理吸附、化學吸附和化學反應能夠產生熱量，這些熱量在一定環境下能夠聚集，從而使煤溫度上升，最終引起燃燒[9]。

從煤的自熱析出CO 至達到煤的著火點有一定的時間間隔，此時間間隔即為冗余時間；不同煤種熱解過程CO 濃度變化如圖1 所示。常見的動力用煤種，從監測到CO 至著火點有充足的時間裕量，保守的冗余時間為120 min 以上，煙煤氧化溫度與時間關系如圖2 所示。因此，監測CO 濃度可以提前預警設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 體積分數變化

圖2 煙煤氧化溫度與時間關系圖

3.2 CO 在線監測系統的選型

為了有效建立CO 實時在線安全及提效降耗監控系統并推廣應用，CO 實時在線監測設備的選型是關鍵之一。現有的CO 在線監控設備主要的2個流派是電化學法與紅外吸收法。電化學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，相比電化學傳感器而言，單機使用壽命長，抗干擾能力好。但是缺點也很明顯，主機對測量環境要求高，功耗大，結構復雜，價格高，后期維護量大[11]。所以在尾部煙道復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法在線檢測儀使用較多。如何把在線監測的穩定性、可靠性、工況的適用性、價格等各方面因素綜合考量是選擇在線分析儀的關鍵。因為本項目檢測的是制粉系統的CO 氣體，不涉及燃燒后的復雜氣體環境，所以采用電化學原理的檢測設備為宜。

3.3 CO 在線監測系統的設計特點

3.3.1 確保測量數據的準確性

因為本項目是在制粉系統安全的前提下提升磨煤機出口溫度進而達到節能降耗的目的，因此與其他部位的檢測技術需求最大的差別在于必須要求在線分析儀采用實時在線（即一拖一）監測形式，只有實時在線監測才能避免各個取樣點在主機測量室檢測時出現互相干擾情況，確保測量數據的準確性。

3.3.2 CO 在線監測設備的適用性

必須符合現場實際運行要求，最好可以就地安裝，維護量要盡可能小，相對于精度，更重要的是免維護、運行穩定、可靠性高和適用性強。

3.3.3 CO 數據庫的建立方式

CO 數據庫數據的收集方法、標準、范圍需要考慮不同煤種、運行狀態等因素的綜合影響，既要達到避免誤報警影響正常穩定生產，又不能影響設備的安全性。

3.3.4 分散控制系統整合

以前期運行儲備的CO 數據庫為基礎，將CO實時在線監控系統整合進分散控制系統DCS（distributed control system），確定聯鎖執行方式，進入正常運行工作。

3.4 CO 在線監測系統的總體設計

3.4.1 技術路線

在現有煤熱解理論技術成果的基礎上，依據菏澤電廠現有的入爐煤的煤質情況并根據本廠制粉系統的實際現狀，確定CO 設備的安裝部位與方式；以CO 監測設備實測數據為基準，建立初期的CO 安全以及溫升數據庫范本；在現有DCS 系統上增加CO 實時監控項目，以前期運行儲備的CO 數據庫為基礎，進行邏輯以及報警值設定；建立相應的運行規范。

3.4.2 CO 在線監測設備的安裝部位與方式

建立制粉系統的CO 實時在線安全與提效降耗監控系統，實現CO 在線監測設備的就地布線、安裝與調試，CO 在線監測設備輸出信號與DCS 主機的連接。雙進雙出磨煤機CO 監控系統的監測點取樣探頭安裝在輸出管道的垂直管段。因為1 個雙進雙出磨煤機組有2 個獨立的制粉通道，所以每臺磨煤機需要安裝2 套CO 在線監測系統才能保證實時在線監測磨煤機整體的安全性。雙進雙出磨煤機CO 監控系統安裝在磨煤機煤粉管出口垂直段上，快關閥下部，每臺磨煤機出口安裝2 個監測點。一次風管進入噴燃器前的CO 監控系統的監測點取樣探頭安裝在一次風管進入噴燃器前的垂直管段，如果沒有垂直管段，要在點火油槍等設備之前安裝，如果一次風管有閘閥等截止閥，則安裝在截止閥的入風口部位，一次風管進入噴燃器前的CO監控系統安裝在噴燃器前的垂直管段處。

3.4.3 CO 數據庫的建立與數據建模

依照原規程連續運行不小于24 h 獲取不同負荷情況下的CO 數據參數；更換煤種時重新進行上述步驟并觀察實際參數的變化量；分析獲取CO 數據，設定制粉系統安全運行時CO 的上限值與報警值；在保證安全的前提下（在火情危險源出現時及時預警，提供60 min 左右的時間裕量），以5 ℃溫升（最高溫升不大于20 ℃）為梯段進行溫度提升驗證工作并建立不同溫升梯段時的CO 數據庫模板，作為提升磨煤機出口溫度的綜合標定數據；以上述步驟為基礎，研究CO 數據的規律，以CO 監控設備測量的數據為控制參量，直接控制磨煤機出口溫度進行算法建模或報警值設定，調整相應的報警上下限值，并確保磨煤機出口溫升10 ℃的安全可靠性。

3.4.4 分散控制系統整合

由鍋爐、熱控、電氣、運行等相關人員確定聯鎖執行方式，將CO 實時在線監控系統整合進DCS 系統，進入正常運行工作。報警預處理設置為兩級報警體系：一級報警值用于報警下限的設置，此時密切關注CO 數值變化，并適當調整冷熱風門的開度以控制CO 濃度的升高；二級報警值為報警上限值，處理方案為進行停磨聯鎖動作，必要時可以打開消防蒸汽以確保磨煤機的安全。

4 結束語

電廠磨煤機作為鍋爐燃燒制粉系統的核心設備，是電廠重要的鋪機，其工作狀況對整個電廠系統運行的安全和經濟性具有重要影響。煤是火力發電廠的主要燃料，提高設備運行的安全、穩定性，發展監測與診斷相關的技術，實施狀態檢修，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，將會起反應開始氧化過程，如果該反應持續下去，結果是進一步地氧化將導致自燃和CO 的產生。CO 的濃度是火焰發生的一個重要指示，如果CO 被監測出來，就可以在上述的反應因自燃而發展成明火之前，用作火災的前期報警，在實際火災發生之前，就監測出潛在危險[12]。因此，基于煤的熱解理論，在磨煤機本體及一次風管安裝取樣探頭，實時在線監測磨煤機本體及一次風管全工況下的CO 數值，可以全方位地監控其安全性，并提供充足的時間裕量消除事故隱患。通過建立磨煤機本體及一次風管的CO 監控數據庫，可進而實現科學量化地提升磨煤機一次風出口溫度，達到節能降耗的目的。