基于FES的火焰溫度與氣相堿金屬濃度在線監測

易仕強,戴 斌,陳軍華,王浩帆,姚 斌,婁 春

(1.云南華電鎮雄發電有限公司,云南 鎮雄 657200;2.華電電力科學研究院有限公司,浙江 杭州 310030;3.華中科技大學 煤燃燒國家重點實驗室,湖北 武漢 430074)

煤燃燒過程中釋放的氣相堿金屬(鈉、鉀等)在燃燒遇到溫度較低的受熱面發生凝結,導致受熱面上的大量飛灰黏附[1],其也會與其他無機元素形成低溫共融體,使飛灰熔融溫度降低[2-3]。氣相堿金屬在燃煤鍋爐中的沾污、結渣問題有重要影響。而爐內火焰溫度對氣相堿金屬析出有重要影響[4]。在線監測爐內溫度與氣相堿金屬濃度,有益于防止結渣,燃燒調整,優化運行。

目前,基于光學的非接觸式測溫在火焰溫度與氣相堿金屬濃度測量中得到了較為廣泛的應用。這種方法不需要直接接觸火焰,可以完成對燃燒的實時在線監測,主要包括主動式與被動式[5]。主動式需要外加激光,而被動式通過收集、分析火焰的自發射輻射測量溫度與氣相堿金屬濃度,結構簡單,成本低廉,適合工業現場應用。劉建浩等通過分析火焰圖像,在線監測了玻璃熔窯內的火焰溫度變化[6]。婁春等使用熱輻射成像技術反演燃煤鍋爐內燃燒三維溫度場,實現對燃煤鍋爐溫度的在線監測[7]。通過光譜設備獲得火焰自發射光譜(Flame Emission Spectroscopy, 簡稱FES)同時測量火焰溫度與氣相堿金屬濃度的方法在實驗室[8-11]與工業現場[12-14]都得到了廣泛的應用?；贔ES的爐內火焰與氣相堿金屬在線監測技術已成為對大型工業爐膛燃燒診斷的重要發展方向[15]。

本文使用自主開發的基于FES的在線火焰溫度與氣相堿金屬濃度在線監測系統,監測W火焰鍋爐爐內溫度與堿金屬濃度水平。能夠快速準確地測量被測燃燒火焰的溫度和氣相堿金屬鈉濃度,并實時顯示溫度和氣相堿金屬鈉濃度的變化,基于氣相堿金屬濃度對該鍋爐進行了初步的結渣傾向分析。

1 測量原理

光譜儀經過黑體爐標定獲得絕對光譜強度隨波長的變化[16],絕對光譜強度與光譜儀曝光時間無關,測量出的光譜強度包括了燃燒產生的熱輻射強度與火焰中氣相堿金屬釋放出的光譜強度,可用下式表示:

Im=IAlkali+Ic

(1)

式中:Im為光譜儀獲得的絕對光譜強度;IAlkali為氣相堿金屬釋放出的光譜強度;Ic為熱輻射光譜強度。熱輻射光譜強度可被普朗克定律的近似描述為

Ic(λ)=ελC1/(e-C2/(XT)-1)/λ5/π

(2)

式中:T為溫度,℃;ελ為對應波長下的發射率,在可見光與近紅外波段,溫度可以通過多波長法計算[17-18]:

(3)

式中:λ與λ+Δλ分別表示兩個間隔較小的波長;I(λ)與I(λ+Δλ)分別表示兩個波長對應光譜強度。堿金屬濃度通過堿金屬的原子光譜發射譜線確定?；鹧鏈囟鹊纳?氣相堿金屬濃度升高均會引起氣相堿金屬的光譜輻射強度的升高,本文經過類似文獻[13]的標定實驗過程,獲得氣相堿金屬的光譜輻射強度與濃度、溫度的定量關系。

2 爐內溫度與堿金屬濃度的在線監測

2.1 溫度與堿金屬濃度在線監測裝置

實驗在600 MW的W火焰鍋爐上開展,兩套堿金屬濃度與溫度在線監測系統被分別安裝在17.5 m標高的右墻前測點與左墻后測點。鍋爐的額定蒸發量為1 900 t/h,燃用煤種主要為東源煤。系統的主要組成部分以及各系統的連接示意圖如圖1所示。

圖1 系統組成圖

系統主要由數據采集模塊、就地控制模塊和電子間模塊組成。數據采集模塊包括兩套光譜探頭設備,每套設備由連接裝置和光譜信號采集裝置組成。連接裝置的主要作用是將光譜探頭固定在鍋爐壁面,并保持光譜探頭的穩定,連接裝置通過法蘭連接。安裝在現場的數據采集探頭如圖2所示。所采用的光譜設備的光譜監測范圍為300～1 000 nm,平均光譜分辨率為0.7 nm,光譜采樣的時間間隔為1 s。使用0.2 MPa的儀用氣對光譜探頭進行持續吹掃與冷卻,以保障內部電子元件的正常工作。

圖2 數據采集探頭

光譜采集裝置是模塊的核心,包括光譜儀、準直透鏡與光纖,主要作用是采集爐內火焰輻射光譜信號,并實時將光譜信號轉換為網絡信號并通過網線輸出至就地控制模塊。就地控制模塊收集兩路信號,整合并傳輸至電子間模塊,電子間模塊的計算機對信號進行處理并計算,將計算結果通過4～20 mA的電流信號值傳輸到集散控制系統(distributed control system,簡稱 DCS)中,達到在線監測的目的。

計算機安裝了自主開發的在線監測軟件。軟件采用C++語言開發,圖3展示了系統軟件界面。其功能包括:①控制系統的啟停,顯示系統的測量狀態;②給出當前溫度與堿金屬濃度,并繪制在線測量的溫度與堿金屬濃度隨時間變化的曲線;③傳輸信號與保存歷史數據。

圖3 軟件界面圖

2.2 溫度與堿金屬濃度在線監測結果分析

溫度與堿金屬濃度在線監測系統已在工業現場連續穩定運行一個月。圖4給出了兩個測點在此期間某24 h內的測量結果與機組負荷、給煤量與總風量的變化。

圖4 溫度與氣相堿金屬濃度48 h監測數據

根據圖4結果,右墻前測點溫度在1 380～1 470 ℃,氣相堿金屬濃度在2.7～3.5 mg/m3;左墻后測點溫度在1 360～1 460 ℃,氣相堿金屬溫度在2.0～3.1 mg/m3。距離兩個測點最近的給煤機的平均給煤量分別標注在對應的圖中。對比機組運行數據來看,氣相堿金屬濃度與溫度隨著機組運行數據的變化有著明顯的相關性。隨著給煤量的增加,入爐燃料中的總堿金屬量增加,爐內的氣相堿金屬濃度整體升高。另外,氣相堿金屬濃度與溫度的變化趨勢完全吻合,爐內溫度的升高,使得煤粉中的堿金屬更快地釋放,同時爐內煤灰中堿金屬元素也隨著溫度升高大量釋放到氣相中,導致了氣相堿金屬濃度的升高。

由機組參數曲線可得,在在線監測進行的24 h內,機組在360～480 MW劇烈變化。從整體來看,兩個測點的溫度與氣相堿金屬濃度均隨著負荷變化而變化,但是右墻前測點的波動范圍明顯小于左墻后測點的波動范圍,這可能是由于右墻前測點附近的給煤量更多,其受到的機組運行過程中的擾動更少,整體的波動更少。對比在機組負荷穩定情況下,兩個測點的氣相堿金屬平均水平,可以發現右墻前測點的堿金屬一直處于較高的水平,而左墻后測點的波動較大。在24 h內負荷穩定的時段內,右墻前測點的溫度與氣相堿金屬濃度基本穩定。相較于左墻后測點,右墻前測點的氣相堿金屬濃度更高,右墻前測點可能的結渣傾向更高。

在線監測開展過程中,整體上,鍋爐存在兩次的變負荷調整,分別對應第15 000 s左右負荷從440 MW降低至360 MW,第40 000 s開始負荷開始升高,直至480 MW。分析兩次變負荷過程,第一次變負荷過程中,右墻前測點與左墻后測點的溫度與氣相堿金屬濃度均隨著機組運行參數的下降而下降,但左墻后測點的波動明顯更強。結合兩個測點的平均給煤量來看,右墻前測點的平均給煤量更高,其受到的運行期間的干擾更少,波動更小。第二次變負荷過程較復雜,總體來看,兩個測點的堿金屬濃度均升高,可以由此判斷,高負荷下的結渣傾向更高。

在兩個變負荷階段內,結合在負荷變化時刻,在線監測的溫度和氣相堿金屬濃度的變化與機組參數具有跟隨性,說明本系統能夠對爐內燃燒變化具有高靈敏度和實時響應。綜合現場情況,氣相堿金屬濃度較高的右墻前測點的結渣情況更嚴重,表明對氣相堿金屬的在線監測對沾污結渣的預報、防控,和鍋爐燃燒調整具有重要意義。

3 結 論

本文基于FES開發了燃煤鍋爐內溫度與氣相堿金屬濃度在線監測系統,將其應用在W火焰鍋爐中。選擇了兩個測點,系統可以穩定運行,采樣間隔時間為1 s。本文分析了某2日的溫度、氣相堿金屬濃度隨著機組參數的變化關系,并根據氣相堿金屬濃度結果對W火焰鍋爐的結渣趨勢進行了初步預測,為運行人員提供參考。結果表明,兩個測點的溫度與氣相堿金屬濃度隨著機組運行數據的變化有著明顯的相關性。由于右墻前測點的給煤量較高,受到鍋爐運行過程中的干擾較小,溫度與氣相堿金屬濃度波動范圍較小,但氣相堿金屬濃度始終維持在較高的水平。對該鍋爐的結渣傾向預測結果是:負荷越高,燃燒器的局部給煤量越高,氣相堿金屬濃度越高,結渣的傾向也越高。