燃煤电厂锅炉氧量测量优化的研究与应用

文_徐铁军 孔凡义 闵国政 宋严强 华电滕州新源热电有限公司

影响炉膛氧量测量准确性的因素主要包括氧量测点布置和选点存在烟气偏流、炉膛氧量不均，选点不具备代表性以及氧化锆测点老化、线性度不佳和烟道漏风等。这些因素导致用于监视炉膛氧量的测点显示存在较大偏差，炉膛出口、炉膛左右侧不一致，经常存在氧量与总风量不匹配，很难合理地调整配风，保证锅炉稳定、经济地运行。因此，通过安装优化氧量测量，准确测量氧量，调节空气和燃料的最佳配比，实现优化燃烧，在节能减排、安全环保诸方面具有重要意义和显著经济、社会效益。通过理论计算、数值模拟与现场测试结果相互比对方法，对锅炉烟气流场模拟进行研究。

1 烟气流场模拟与测量截面选取

滕州公司3#炉为HG-1065/17.5-YM1型亚临界一次中间再热控制循环汽包炉，四角切圆燃烧，平衡通风，固态排渣，角式摆动煤粉燃烧器，均等配风直流型锅炉。

由于锅炉出口到空预器之前烟道漏风相对较小，同时考虑高温对测量仪器的影响，本项目把测量位置定在省煤器与空预器之间的烟道上。

为获得合适的安装截面，将烟气流道及整流装置等统一为单个系统，对其流场进行了模拟计算。

1.1 模型对象

CFD模型建立是从省煤器下部到空预器入口法兰。

1.2 数学模型

在对计算模型进行模拟计算时，为了保证计算时间更短，计算精度更高，应选择合适的数学模型。大型的煤炭燃烧发电站的脱硝过程比较复杂，在其烟道中包含有烟气和粉尘颗粒以及还原剂等其他物质，故在对其烟道流场进行模拟时并不是仅仅只有气体流场，还涉及到气体流动、气固两相混合流动、热传导等方面。所用方程均参考Fluent帮助文件与相关计算流体力学文件。

气相湍流模型。根据烟气在进行脱硝过程中的流动情况，选择标准k-ε湍流模型对脱硝过程中的烟气流动情况进行模拟计算。

1.3 计算结果分析

1.3.1 BMCR工况模拟结果

根据滕州公司3#锅炉设计烟气系统装置建立相应几何模型，并依据优化设计方案对模型进行模拟和分析。

入口斜上升烟道渐扩段分别设计3块直型（即导流板1）和3块折型导流板（即导流板2），竖直上升烟道下转弯处设计2块弧-直形导流板（即导流板3），竖直上升烟道上转弯处设计1块弧形及1块弧-直形导流板（即导流板4），反应器入口设计4块直板导流板（即导流板5）且在反应器顶端设计弧形扰流导流板（即导流板6），在反应器出口烟道渐缩段设计3块折型导流板（即导流板7），空预器入口设计2块弧-直形导流板（即导流板8）和4块折型导流板（即导流板9）。100%BMCR工况下系统流线图如图1所示。

图1 100%BMCR工况下系统流线图

通过选取栅附件截面上不同点处的速度，得出所优选截面区域速度分布标准偏差为4.62%，满足实际工作的技术要求。

1.4.2 各工况模拟结果

最优方案75%BMCR和50%BMCR的模拟结果，其中各工况下系统压力损失分别为572Pa和363Pa；根据各工况模拟结果，各项参数均满足设计工作状态下的技术指标要求。

通过选取该喷氨格栅附件截面上不同点处的速度，得出速度分布标准偏差为4.88%，满足实际工作的技术要求。

2 设计优化

CFD模型建立是从省煤器下部到空预器入口法兰，炉膛烟气出口系统烟道，经过测点位置后，进入空气预热器等下游各级辅机设备。

通过对滕州公司3#锅炉氧量测量装置前后烟道简化后的几何模型进行模拟分析后，通过分别在烟道截面急剧变大处、烟气转向处、反应器进口处等位置进行分析综合测算，附近优选截面区域速度分布标准偏差小于5%，满足设计要求，可用于布置多点取样系统。

3 系统功能

（1）实现网格多点取样。在烟道中的单个截面上均匀的布置取样器，不同组取样器之间互不影响，在同一截面布置多组取样器可以保证有一组取样器停止工作后其他组取样器能够正常工作，这样的取样更具有说服力。

（2）抽样工序采取自动化控制，可以保证匀速取样。由系统测得烟气在烟道中的流动速度，当烟气流速较快时，加快抽取速度；当烟气流速变慢时，降低抽取速度。保持抽取速度随烟气流速变动而变动，从而保证均匀取样。

（3）保证取样器的温度与烟气的温度相同。取样过程中必须保证整个取样器的温度和烟气的温度相一致，避免烟气在取样器中因温度的变化而造成烟气无吸附损失或者发生其他反应造成的损失。

（4）氧浓度实时监测。系统对烟气中的氧浓度进行实时监测、实时测量，保证测量的数据没有缺失。

（5）取样管路定时反吹扫。在取样的过程中要对整个取样管路进行定时吹扫，保证整个管路畅通无阻碍。

（6）系统故障报警。当烟气流道温度低于预设温度时，系统报警停止取样；当气源压力过低，低于0.5MPa时，系统报警停止取样；当测量装置非正常工作时，系统报警停止取样。

4 现场应用前后比较分析

（1）改造前。滕州公司3#机组锅炉于2006年11月投产，锅炉出口O2测点原始设计为单点取样，存在测点波动大，没有代表性，难以为运行人员提供准确的氧量参考数据。

（2）改造后。根据等流量取样装置的优化计算，我们设计研发了多点取样装置并安装在滕州公司3#锅炉SCR入口优化选取烟道截面，进行了现场验证。

该取样装置区别于传统的单点氧量测量方式，在SCR脱硝反应器入口烟道优选合适的截面，开口并设置多点取样探头，探头采集到的氧气经过母管到达混合管进行烟气混合，氧量测量装置位于混合罐下端对混合后的烟气进行连续在线监测。整套装置利用烟道内负压作为动力，不需要额外装置提供采样动力，运行经济环保。为保证烟气温度减少对运行影响，设备的外部进行了良好的保温。

（3）改造前后数据对比。改造前O2测点原始设计为单点取样，存在测点波动大、没有代表性、难以为运行人员提供准确的氧量参考数据，导致一/二次风调节缺乏依据，难以保证锅炉稳定、经济地运行。改造后经过长期运行观察，并调阅历史曲线，多点氧量综合测量装置监测效果良好，整体跟踪趋势与炉膛氧量和空预器测点处氧量保持一致，实现了优化。

5 结语

烟气中氧量的精准测量涉及流场优化、取样设计优化等多个方面。 以滕州新源热电有限公司3#锅炉氧量的精准测量升级改造全过程为对象进行深入的研究。通过流场模拟优化、多点取样综合测量装置优化设计，取得了一定的成果，主要工作总结如下：

（1）对氧量测点前后烟道装置进行流体模型试验CFD数值计算结果分析，通过优化升级后，有效截面区域的速度分布相对偏差小于5%，能够基本满足设计要求。

（2）针对滕州公司3#锅炉氧量测点单点取样样气没有代表性，难以为运行人员提供准确的氧量参考的现实情况，进行了系统详细的理论优化计算，并根据计算结果重新设计开发了等流量多点综合取样装置。

（3）滕州公司3#锅炉氧量测点由单点取样改造为等流量多点取样以来，系统运行稳定可靠，取样系统无积灰堵塞现象。通过对改造前后的数据分析对比，可以确认装置整体性能优良，满足了运行人员调整要求。