煤粉工业锅炉运行数据与供料参数的相关性研究

刘 振 宇

(1．煤科院节能技术有限公司，北京 100013；2．煤炭资源高效开采与洁净利用国家重点实验室，北京 100013；3．国家能源煤炭高效利用与节能减排技术装备重点实验室，北京 100013)

0 引 言

在煤粉工业锅炉中，供料系统通过气力输送，将煤粉定量送入燃烧器中供给燃烧。供料的稳定性对锅炉的稳定运行影响很大。定量计量供料量和供料波动是锅炉实现自动调节的重要前提。目前煤粉质量流量的直接测量困难[1]，现有的直接测量方法包括电容法、静电法、摩擦电法、微波法、γ射线法、差压法等。其中，电容法[2-3]对传感器固有的检测场分布要求较高，且由于固相浓度变化引起的电容量变化甚微，对电容分辨率和抗杂散电容的能力要求严格，使其对空气湿度等参数变化敏感，需频繁标定。静电法[4-6]由于阵列式静电传感器存在局部敏感特性，仅适用于小管径的密相流测量。摩擦电法[7-8]可测量的煤粉浓度上限很低，目前仅能做到上限45 g/m3。微波法[9-10]的检测范围和精度较广，但受限于设备成本，中小型锅炉难以采用。γ射线法[11]利用γ射线吸收原理，可达到5%以内的测量精度[12]，但γ放射源的危险性及成本限制了其使用范围。差压法利用压力传感器，测量供料系统两点间的压力差，利用煤粉浓度-差压的对应关系[13]测量煤粉流量，一般包括文丘里法和弯管法，文丘里法测量精度较高，具有较高的阻力。由于煤粉工业锅炉一次风沿程经过文丘里混合器，因而具有应用差压法的基础。

除了直接测量，锅炉各种与供料相关的间接参数也可用于衡量供料参数，有学者使用不同方法研究了炉膛压力与供料量的关系[14-15]。但以往研究重点关注炉膛压力，对于其他参数，如中间仓称重、供料锁气阀转速、一次风总压、烟气氧含量等与供料参数的关系鲜有报道。本文通过对工业运行数据的分析，对上述参数用于供料参数间接测量时的可靠性及限制进行探讨。

1 研究对象及方法

1.1 研究对象

本文数据取自天津华苑58 MW双燃烧器中储式煤粉工业锅炉。煤粉经由制粉站通过气力输送储存于大粉仓中。锅炉运行时，大粉仓中的煤粉通过中间仓进料阀分别进入中间仓1和中间仓2，随后通过中间仓出口的供料锁气阀进入煤粉混合器中，与来自一次风机(罗茨风机)的空气混合，形成均匀的气-固两相流送入燃烧器。

在锅炉运行过程中供料锁气阀持续运行，通过变频电机控制转速，进而调整供料量。中间仓使用自动料位控制，当中间仓称重降低到900 kg时，中间仓进料阀开启，将煤粉由大粉仓送入中间仓，直到中间仓称重升至1 100 kg，中间仓进料阀停止。锅炉结构及测点布置如图1所示。各传感器中，中间仓称重位于中间仓下侧，型号为BK-1680，量程上限1 680 kg；一次风总压测点位于一次风沿程的混合器入口处，传感器型号ABB-2600T，量程0～60 kPa，共设置3个，取其中2个数值差较小的测量值，取平均作为有效数据。采用威尔巴流量计测量二次风量和三次风量，压力上限7 000 Pa，传感器具有温度矫正功能，自动矫正为Nm3/h，对应空气密度1.293 kg/m3；炉膛压力传感器量程-1 000～1 000 Pa；烟气氧含量传感器量程0～21%，各传感器数据的更新频率≥1 Hz。数据获取时间为2019-11-01—11-30，数据记录频率均为1 Hz。

图1 锅炉供料系统结构及测点布置Fig.1 Structure of boiler feeding system and arrangement of measuring points

1.2 分析方法

为了分析供料锁气阀转速、粉仓称重、炉膛压力、烟气氧含量用于预测供料性能的可行性及准确性，首先通过变量的物理意义，确定该变量与瞬时供料量、平均供料量、供料波动等供料性能参数的关系。采用决定系数R2，对比不同变量组间拟合优度的差异。R2的计算公式为

(1)

式中，y1为带入回归方程得到的参数y的估计值；y2为参数y的实际值；-y为参数y的平均值。

(2)

2 数据分析

2.1 中间仓称重

锅炉运行时，中间仓进料阀一般以5～10 min为周期交替开启、关闭。在进料阀关闭的时间段内，中间仓没有煤粉流入，煤粉唯一的流出途径为供料锁气阀。因此，该时间段内若其他参数不变，可采用中间仓称重的变化速率计算供料量。

图2 单卸料周期称重曲线Fig.2 Single unloading cycle weighing curve

但中间仓称重用于判断供料特性也存在以下局限：① 由于称重传感器输出的数据是质量累计值，其分辨率不足以计量瞬时供料量；② 将图2局部放大可以看出，存在中间仓称重数据随时间上升现象，由于该过程中间仓内煤粉只有流出没有流入，可推断该信号属于干扰数据。由于局部干扰数据的存在，使中间仓称重无法用来计算供料波动。

2.2 锁气阀频率

常见的供料量计量方法是将供料锁气阀凹槽中的煤粉填充率和密度视为定值，根据锁气阀电机减速比计算出电机频率-锁气阀转速的关系(供料量=锁气阀转速×每转容积×煤粉填充密度)。实践发现，该计算方法准确性和重复性较差，主要是由于不同供料量下煤粉填充密度通常为非定值，因此需要引入其他参数。由于中间仓称重可准确计量一定时间内的平均供料量，因此可将其作为中间变量，研究锁气阀频率和供料量之间的关系。

在测量数据中筛选出1号供料锁气阀运行数据最多的8个电机频率工况，以及2号供料锁气阀运行数据最多的7个电机频率工况。每个筛选出的电机频率中，随机选取5个完整1 100～900 kg中间仓卸料周期，采用2.1节的方法计算每个周期的供料量，并计算5个周期供料量的均值和标准差，结果如图3所示。

图3 锁气阀频率-供料量的关系Fig.3 Relationship between frequency of air lock valve and feed quantity

不同锁气阀的的衰减规律存在差异，该锅炉2个锁气阀的供料曲线在低频下较接近理想值，且差距很小，但在20 Hz以上开始出现差异，其原因有待进一步探究。

2.3 一次风总压

一次风从罗茨风机出口依次经过混合器、一次风管、回流帽进入燃烧器。从物理意义角度，风机出口气流的总能量损耗，等于沿程煤粉-空气-管壁之间的摩擦、煤粉加速、文丘里加速-扩散等作用造成的能量损失之和，该损耗可用一次风压总压进行表征。

当供料量为0时，一次风沿程阻力计算公式为

(3)

其中，ΔPa为无煤粉时的一次风总阻力，Pa；λ为直管段的摩擦因数；ζ1为弯管的局部阻力系数；ζ2为文丘里混合器的局部阻力系数；l为一次风管长度，m；d为一次风管直径，m；ρ为空气密度，kg/m3；u为一次风速，m/s。λ、l、d、ζ1、ζ2属于结构参数，在不改变文丘里喷口口径的情况下为定值。在输送煤粉时，沿程阻力上升，导致风机出口空气密度ρ上升，u降低，两者反向变化，且由于罗茨风机属于恒容积式风机，风量下降速率较平缓，因此在压力变化不大的情况下，ρu2可近似按照定值处理。因此ΔPa可取煤粉输送量为0的工况下一次风总压的平均值，结果为：1号供料器ΔPa1=20.54 kPa，标准差0.69 kPa；2号供料器ΔPa2=21.64 kPa，标准差0.74 kPa。

供料量>0时，一次风沿程阻力增加，此时一次风总压和空载一次风总压关系[16]为

(4)

式中，ΔP为气固混合物通过文丘里时的总阻力，Pa；k为未知系数；μ为固气比，kg/kg；ms为煤粉质量流量，kg/s；ma为一次风空气质量流量，kg/s。

根据式(4)，确定k值后，可通过供料量>0时一次风总压ΔP计算煤粉流量，即

(5)

根据式(5)计算2.2节中1号供料器8个工况和2号供料器7个工况下的一次风总压均值(k1和k2)，结果如图4所示。

图4 系数k计算值Fig.4 Calculated value of coefficient k

由图4可知，k1均值为0.174 1，标准差为0.007 2，k2均值为0.151 3，标准差为0.008 5，离散系数约为5%，精度可满足工业计算要求。

式(5)中质量流量ma的计算方法为：空气温度(41±4) ℃，空气密度1.124 kg/m3，一次风管内径135 mm，平均气速25 m/s，空气质量流量0.402 kg/s(或1 447 kg/h)，代入式(5)得到

ms1=0.404 6ΔP1-8 310

(6)

ms2=0.441 8ΔP2-9 564

(7)

式中，ms1、ms2分别为供料锁气阀1、2的供料量，kg/s；ΔP1、ΔP2分别为供料系统1、2的一次风总阻力，Pa。

根据式(6)和式(7)，可得到锅炉总供料量mss为

mss=0.404 6ΔP1+0.441 8ΔP2-17 874

(8)

2.4 炉膛压力

根据理想气体状态方程

PV=nRT

(9)

其中，P为压力，Pa；V为体积，m3；n为气体摩尔数；R为常数；T为温度，K。其他参数不变、供料量增加时，若燃料燃尽率无明显下降，则煤粉放热量增加，炉膛温度T升高，由于炉膛体积V和助燃风量n均不变，因此炉膛压力P升高。要得到供料量-炉膛压力绝对值的关系，需要确定与热态相同二次风量、三次风量、引风机频率等相同工况下的冷态炉膛压力空白值。由于锅炉长期处于运行状态，缺少可供参照的冷态数据，因此难以分析供料量-炉膛压力的关系，仅可通过热态炉膛压力和一次风总压的波动，推断炉膛压力波动-供料波动的关系。

选取93组取样时间为300 s、频率1 Hz的数据，每组数据取样时锅炉各设备参数保持不变，根据式(8)计算瞬时供料量，结果如图5所示。

图5 供料量标准差-炉膛压力标准差Fig.5 standard deviation of feed quantity-standarddeviation of furnace pressure

图6 配风量/供料量波动-炉膛压力波动Fig.6 Distribution air volume/feed volume fluctuation-furnace pressure fluctuation

2.5 烟气氧含量

氧含量和供料量、二次风量、三次风量、煤粉燃尽率等参数关联较大，与炉膛压力不同，锅炉氧含量有固定的空白值，即空气中的氧含量0.21。因此可使用烟气氧含量推断供料量和供料波动，耗氧量的计算公式为

Q(O2)=(A1+A2+A3)[0.21-w(O2)]

(10)

式中，Q(O2)为锅炉耗氧量，Nm3/h；A1、A2、A3为总一次风量、总二次风量、总三次风量，Nm3/h；w(O2)为氧含量。

图7 耗氧-供料/配风Fig.7 oxygen consumption-feed/air distribution

在较长时间跨度上，该锅炉同样供料量下的耗氧量有较大变化，主要是由于该锅炉煤粉为2种热值相差较大的煤粉掺混而成，说明2种煤粉的掺混比例控制可能较差，导致成品煤粉的热值/元素组成存在较大波动。

3 结 论

1)中间仓进料阀关闭时，可通过中间仓称重数据进行线性回归，以高准确度计算供料器300 s周期内的平均供料量。但受限于称重传感器的分辨率及局部干扰数据，中间仓称重无法用于瞬时供料量或供料波动。

2)采用供料锁气阀转速计算供料量，需假设锁气阀凹槽填充率和填充密度为定值，锁气阀低转速下供料曲线符合该假设。但随着锁气阀转速增加，有效进料/出料时间的缩短和出口压力的提高，使供料量随转速的增长率以二次曲线边际递减，且不同锁气阀的供料量递减规律存在个体差异。