1、1通过控制烟气参数改善锅炉性能1. 简介锅炉及其附属设备的运行需要运行人员长时间经验的积累和直觉的判断，通过控制系统来控制锅炉运行参数，可靠的仪表和热工控制系统可以帮助运行人员保持设备在安全、可靠的状态下运行。但对于复杂的锅炉系统和多输入变量以及多输出目标参数，目前的 DCS 运行控制方式显然是不够完美的，需要通过全面的系统分析加以改善。风烟系统参与系统的能量交换和燃烧过程，对锅炉系统的经济性、可靠性和安全性影响很大。由于历史原因，烟气参数的监测和控制系统很不完善。本文就烟气参数的控制，改善锅炉总体性能进行了阐述。过程控制、性能诊断和状态监测是减少设备不稳定的关键技术，这些技术主要针对以下三个
2、需求。- 通过过程控制使机组安全和可靠运行;- 通过性能诊断有助于机组运行效率的优化；- 通过状态监测了阻止过程和设备状况的恶化；上述需求可能使用共同的数据，同时需要结合运行人员的智慧、知识和经验来共同完成。当然，如果在三者中能够找出共同的准则，那么运行人员的工作会变的容易许多，并且可以有很好的机会来实现其中的单个条件。在设备状况没有恶化的情况下，控制系统也能完成一定程度上的性能优化。由于不同的控制系统有自己设计的依据和条件，因为现有控制系统受原始设计的制约，不可能实现我们所期望的锅炉性能全面优化这一理想。只有通过对传统理念的突破，引进先进的技术、借助专业技术人员的经验才能达到这一目标。2.
3、烟气参数的监测和控制传统的锅炉运行是在设计的假定和过程控制下进行的。锅炉设计中涉及到烟气侧和蒸汽侧的能量平衡。在一个典型的火力发电厂中，在控制系统中包含着大量的蒸汽参数的监测仪表，而烟气侧的监测参数却寥寥无几。由于烟气侧为锅炉系统提供能量，因此控制烟气的参数对确保锅炉的可靠运行非常重要，然而大多数锅炉上却缺少这样的控制参数。燃料和空气混合，在燃烧器区产生燃烧，高温烟气通过炉膛出口流向尾部烟道。炉膛出口温度是设计人员考虑能量平衡时的一个重要技术参数。然而，过去由于技术手段的欠缺，我们无法连续在线监测该点的温度，只能依靠间接的办法对这2点的温度进行推算。推算出的结果失去了准确性和时效性。对炉膛出口
4、烟气温度（英文简称 FEGT）进行连续监测和控制，有着很重要的实际意义。这一特别控制点FEGT（炉膛出口温度） ，对锅炉的运行的安全性、可靠性、经济性以及降低污染物排放，延长锅炉使用寿命有着重要的作用和影响。通常，炉膛出口是对流区和辐射区的分界点，FEGT 是锅炉设计和运行的非常重要的边界参数。炉膛出口温度 FEGT 受以下运行参数影响- 过量空气系数；风量的影响- 炉膛热吸收率；炉膛换热面脏污程度- 磨煤机的投运情况；煤粉量和细度- 运行方式；燃烧器投运情况及燃烧器摆角；一次风温度，配风风速等- 低 NOx 运行；- 燃料；煤质（可燃基挥发份） ；水分和灰分- 煤粉与二次风的分配 - 给水温
5、度等等通过对 FEGT 这一关键参数的控制，锅炉专业人员可以更准确的掌握锅炉运行情况和有效的控制和改善锅炉的性能（包括经济性、安全性、可靠性、排放物等） ，如果 FEGT 偏离了设计值，可能产生如下情况：- 炉膛上部产生结焦、结渣和在水冷壁、过热器、省煤器、空气预热器处产生积灰；- 过热器和再热器部位的腐蚀加快；缩短重要部件寿命，增加维修费用；- 可能过热，发生过热器、再热器管的超温爆管或金属蠕变、失效；- 造成过热蒸汽或再热蒸汽温度偏差，增加减温水投用，热效率降低- 水平烟道酸性腐蚀- 严重时运行人员很难进行调整；- 排烟温度升高，排烟损失增大，热效率降低。FEGT 实时监测，可以帮助锅炉运
6、行人员及时发现锅炉运行状态的变化，便于及时进行相应调整；并可以很快反映对运行状态进行调整的效果，给运行人员提供直观的快速的信息反馈。下面我们将对以下影响因素进行讨论。- 结渣和积灰控制；3- 吹灰控制；- 煤灰腐蚀控制；- 过热蒸气控制；- 低 NOX 燃烧。从设计角度看，锅炉燃烧的重要特征之一是其对结焦、积灰的特性控制。熔融的煤灰沉积在辐射受热面（如炉膛、辐射式过热器等）形成结焦。其过程是熔融的煤灰在烟气携带下撞击在水冷壁或换热器管壁上冷却凝固，随着数量和体积的增加，在受热面上形成挂焦。如果结焦发生在炉膛的中、下部，炉膛的出口烟温就会升高，结焦部位将逐步上移，会对炉膛的燃烧状况造成恶劣的影响
7、。正确的锅炉运行应控制好烟气的温度，保证固态的煤灰粒子远离炉壁，悬浮在烟气中，得到充分的冷却并进入水平烟道内。 结焦和积灰控制控制炉膛出口温度可能减少炉膛上部的结焦问题；控制 FEGT 的温度低于煤灰的熔融、软化温度，可以使干燥的煤灰不能粘附在换热管上，因此避免了结焦的发生。同时能明显的改善对流通道内的积灰问题；如果对流烟道的积灰得到减少，过热器和引风机的能耗将会降低，从而提高了热负荷，也能防止吹灰器的腐蚀。 吹灰煤灰的粘结和沉积阻碍了换热，也限制了烟气的流动。因此锅炉烟气侧换热管的清洁对于维持锅炉的正常运行是必须的。保证烟气的正常流动和换热器的正常工作，吹灰是清除煤灰的有效手段。为了使吹灰器
8、有效运行，应建立一套科学合理的管理方法。吹灰器投运的基本目的是为了最低限度的减少锅炉换热的损失，但吹灰器的使用也会损失热能和对换热器造成腐蚀，利用 FEGT 确定吹灰时机和吹扫方案会给运行人员很大帮助。 。FEGT 可以作为基本参数用以建立自动的吹灰程序或指导运行人员进行手动吹灰。如果 FEGT 超过了原始的设计值，表明炉膛换热面表面已经受到了污染，运行人员应进行炉膛吹灰；当 FEGT 达到或低于设计值后，应停止吹灰。过多的炉膛吹灰不仅浪费了能量，而且可能产生水冷壁附近吹灰器的冲刷腐蚀问题。 煤灰（液态）腐蚀的控制烟煤中含有大量的硫和碱金属，特别是当含硫量大于 3.5和氯含量大于 0.25时，
9、这些成分促使煤灰对过热器和再热器使用的合金钢具有很强的腐蚀性。当锅炉在偏高4的炉膛出口温度（直接反映水冷壁的清洁度）下运行时，具有上述灰成分的煤灰易造成灰腐蚀。对于高硫分的燃煤，维持 FEGT 低于煤灰熔融温度 100 度（华氏） ，使干燥的煤灰流过对流道，能减少煤灰对过热器的腐蚀。 过热蒸汽温度的控制对于四角切圆锅炉，通常用燃烧器上下的摆动来控制最终和主蒸汽温度。在中、低负荷情况下，燃烧器上摆，用以得到要求的主汽温度；在高负荷时，燃烧器下摆或水平可以增大燃料在炉内的停留时间，有利于完全燃烧。燃烧器的上摆可能使 FEGT升高，从而可能产生结渣和积灰问题。如果最后的主汽温度没有达到要求值，可以通
10、过过剩空气量（过氧量）和燃烧器的摆动相结合来维持 FEGT 在允许极限值内。 低 NOX 燃烧锅炉安装低 NOX 燃烧器通常会导致火焰增长和未燃尽碳量的增加，存在二次燃烧的可能性，加剧了在对流烟道和省煤器发生结渣和煤灰沉积。缺氧燃烧被广泛的应用于低 NOX 燃烧中，由于炉膛区域的严重缺氧，形成还原性气氛，加剧了向火侧水冷壁管的腐蚀。燃料的燃烧焰炬加长或二次燃烧，使炉膛出口烟气温度 FEGT 升高，造成过热器和再热器管的超温过热。因此，运行人员的必须密切关注的工作是维持 FEGT在设计值限度内，否则，会给锅炉带来一系列的问题和隐患。3. 运用远红外线辐射测温系统测量炉膛出口温度对电厂锅炉来说，炉
11、膛出口温度 FEGT 是一个关键性的参数，应当在锅炉的启动和运行过程中进行在线监测。锅炉启动过程中，必须对 FEGT 进行监测，控制过热器壁温不超过允许值。很多电厂采用带有冷却装置的热电偶类的测量设备用以监测 FEGT，但当炉膛出口温度 FEGT 超过其所能承受的限度时必须将其收缩回来，以免被烧毁。过去以往的问题在于缺少在线测量高温烟气温度的仪器和技术。目前有一种高速抽气热电偶（HTV ）被应用于测量高温，但由于长度和重量的限制，这种仪器主要用于实验研究工作，不能实现在线测量。随着科学技术的飞速发展，一种发源于航天测控的远红外线温度测量技术已被应用于烟气温度的测量，这种特殊的探测器可以准确测量
12、燃烧进程中炉膛内产生的发热CO2 气体的辐射的特征光谱，并通过特别的窄带窗口（过滤器）滤掉其它辐射源发出的谱线，远红外探测器可以测定辐射源的密度（能量） 。因为远红外探测器仅仅对高温（发热）CO 2 气体气体辐射的特征谱线具有敏感性，因此其可以直接测试某一区域内5的 CO2 气体气体的温度。远红外辐射式高温测量仪是远距离非接触式测量装置，其可以安装在任何观察孔、检修口或穿过锅炉和墙面安装。具有保护性外壳（防护等级 IP）和具有空气或水冷却、吹扫、过滤的前处理管路相配合，非常适合应用于环境恶劣的测试环境。其安装使用极其简便，输出信号可以直接接入 DCS 系统。该仪器的测量炉膛内烟气的温度范围是摄
13、氏 120 度到 1750 度，完全可以满足燃煤锅炉的一般技术要求。如果用户有特殊的需求，该仪器可以设置更大的测量温度范围。典型的锅炉炉膛温度测量示意图 远红外线辐射测温仪灵敏探测器原理和应用远红外线辐射测温仪是一个对锅炉烟气温度具有敏感性的远红外线探测器。被加热的 CO2 气体气体处于原子被激励的状态，其特定的波长通过远红外线遥测的方法能够准确检测到，随着锅炉内温度的升高，在特定远红外光谱的远红外线的密度也随之增大。以碳为主要燃料成分的锅炉，燃烧过程都要产生 CO2 气体，所以 CO2 气体辐射光谱的测量适合于所有锅炉。在电站锅炉和民用锅炉的燃烧产物中发现典型的 10-12的CO2 气体浓度
14、，这一浓度达到了远红外线辐射测温仪检测温度的界限值。因为远红外线辐射测温仪将炉膛内的 CO2 气体做为半透明或不透明的介质来看待，在测温仪的视角锥范围内（30：1） ，当被观测调整得离温度传感元件最远时，气体分子的容量最大。由于窄带光谱过滤器是具有选择性的，因此对较热的气体比较冷的气体（较冷的气体离传感元件更近，因此其在测温仪视角范围内所包含的体积更小）更易被其感受到。6作为一个推论，远红外线辐射测温仪感受的是锅炉内炙热的烟气的远红外线辐射，并显示一个代表锅炉该位置温度的读数。这种测量方式具有响应时间快（响应时间约为100 毫秒）的特点，因而在测量燃烧的动态过程时，会出现温度数据的跳动。正常测
15、量时，一般取某个时段测量结果的平均值。例如对 10 秒的数据（共计 100 个读数）进行平均，则会产生一个代表由上游流过测温仪的受热流体的稳定的温度读数，并可将处理过的数据绘制在一条时间的关系曲线上。通过分析温度时间变化趋势曲线和相关运行参数，可以判断诸如炉膛受热面污染、煤质突变、燃烧状态等锅炉运行状况。远红外线辐射测温仪探测器通过程序设定可以直接测量一定区域内平均或最高温度。远红外线辐射测温仪可以测量流过炉膛和对流烟道内的烟气温度，但直接观测火球时，由于 CO2 气体高度集中在表面，远红外线辐射测温仪只能检测火球表面的温度。由于烟气流过对流烟道的温度不均匀性，烟气平均温度对于过热器、再热器特
16、别有用。因此对于垂直烟气流动通道,远红外线辐射测温仪测量得到的烟气温度是平均值。与HVT 等测量仪器只能给出某一点的烟气温度相比，测量得到的平均温度是非常有用的。显然，平均温度读数是探测器在测试过程中最高值与最低值的算术平均值，最高温度读数是一段测量时间内储存的温度最高值。当探测器检测到一个比现在温度更高的温度值时，将更新存储数据和显示，并开始一个新的记录时间段；如果一直没有检测到更高的温度值，探测器将维持数据，直到这一时间记录段的结束。 远红外线辐射测温仪对锅炉控制系统的指导功能远红外线辐射测温仪的探测器测量烟气温度的精度为测量值的 1%，对于锅炉系统而言，重要的是监测炉膛温度和变化趋势。1
17、0 度左右的测量误差，已经完全可以满足在线监测的需要。平均温度和最高温度设置 100s（或由用户选择）内读取的数值，反应时间可以临时设置为 160s。远红外线辐射测温仪最高值数据 10s 读取一次，将其转换为 420mA 信号，输入到 DCS 系统内。在 DCS 内进行有关数据滤波，输出平滑曲线或平均值曲线。平滑曲线：将采集数据经过平滑处理后输出模拟量。平均值曲线：用户可以将一定采集周期的数据按不同的数据单位进行平均处理，输出相应的模拟量。7实时采集温度值与时间的关系曲线处理后的输出信号如图一所示，图示了实时温度采集结果和用于控制的平滑曲线。平滑曲线关系可以用于锅炉启动过程、吹灰器控制、过热器
18、超温或其它功能（如SNCR）中自动控制值的设定。通过上面介绍的内容，我们知道，锅炉炉膛出口烟气温度作为基础数据与电厂 DCS系统有关信号相结合，可以实现对锅炉系统安全、经济运行起到指导作用。 远红外线辐射测温仪的典型应用 锅炉启动过程控制此系统可以用于监测锅炉启动过程中烟气温度。电站锅炉一般装有可伸缩的测温探测器。远红外线辐射测温仪锅炉灵敏探测器可以替代传统的可伸缩测温探测器，并可以进行锅炉启动和运行阶段的烟气温度监测，远红外线辐射测温仪系统造价低、使用方便、维护简单。 燃烧优化控制出口断面左/右温度偏差较大时，调整送风，降低左/右烟气温度偏差。 检修优化本系统的输出可作为电厂状态检修系统的输
19、入数据，为判断过热器和再热器屏管的预期寿命提供数据。8 吹灰器控制实时 FEGT 数据传送到控制室，运行人员可以根据 FEGT 值进行吹灰器投停的自动控制（包括吹灰时间、吹灰顺序设置） 。它也可以用于提醒运行人员进行手动吹灰操作。例如：如果炉膛出口温度 FEGT 超过了原始设计值，这表明炉膛表面沾污严重，运行人员应该进行炉膛的吹扫；当 FEGT 低于原始设计值后，应该停止炉膛吹扫。过多的进行炉膛吹扫不仅造成能源的浪费，也可能造成水冷壁处吹灰器的腐蚀问题。通过监测炉膛出口温度 FEGT 与主蒸汽温度，可以指导吹灰器的正确使用。 结焦/积灰控制与过/再热器保护炉膛出口温度 FEGT 应该低于煤灰的
20、软化（熔融）温度，减少结焦和积灰。FEGT超过设计值，会造成运行环境的改变和吊屏的超温。运行人员可以通过吹灰，改变过剩空气量，改变燃烧器的组合方式和摆角，改变火焰长度和其它的方法进行调整，也可以采用其作为基础数据，设计自动控制系统对这些操作方式进行优化组合。例如，当烟温上升到（ST-100）时，投入炉膛吹灰器，增加炉膛吸热份额，降低烟气温度，同时也对水平烟道区域的吹灰器即时投入，减少水冷壁和水平烟道管束的结焦。 低 NOX 燃烧应用通过将该系统的烟气温度设置在特定的温度窗口，控制选择性还原系统喷入尿素或氨来最大限度的减少 NOX 的生成。 在循环硫化床锅炉上的应用该系统可以用于硫化床锅炉的烟气
21、温度监测，从而决定在合适的温度下将石灰颗粒喷入到烟气中，用于脱硫和常规运行控制。 锅炉性能监测可以沿烟气的流程安装多个探测器，通过软件来实现全锅炉的温度平衡监测，用于锅炉性能的优化和控制。 四角切圆锅炉火焰中心的控制可以在炉膛的四角安装两个或更多的探测器来判断炉膛火焰的状况，通过调整改变锅炉偏烧的问题。 废物焚烧炉上的应用该系统可以用来监测烟气温度，使有毒废物保持在窗口温度进行焚烧，减少二恶英的污染，远红外线辐射测温仪能确认符合 NIST 标准。9 监测碳黑温度余热锅炉的烟气温度对于操作和有效的利用能量非常重要。过高的温度可能产生过多的废气和碳黑粒子，粘污在过热器和再热器处，阻碍了热量的传递。
22、经典控制理论指导下的热工控制系统，只关注逻辑控制单元的输入和输出。在分散和有限变量的控制模式下，无法实现锅炉系统的运行优化控制。现代控制理论提出了过程控制观点，需要对锅炉系统的过程进行深入的了解和有效的控制。维持锅炉的合理运行需要正确的烟气侧参数的控制，然而现在大多数锅炉缺少合适的烟气侧控制参数。燃料和空气混合，在炉内产生剧烈的燃烧，锅炉的一次风温和排烟温度通常作为风烟系统的输入和输出温度参数。本文引入的炉膛出口温度监测，增加了用于逻辑控制的过程参数。从传统的一次风温、排烟温度的两点逻辑控制方式提升为为燃烧器、炉膛出口温度 FEGT、排烟温度三点逻辑控制方式。实测炉膛出口烟温作为控制逻辑回馈参
23、数具有实时准确等优势，在燃烧控制、性能优化等方面均有实际意义。FEGT这个关键点位于燃烧流程的中间位置，它的正常运行数据、瞬间变化和变化趋势等等，都可以用于判断炉内燃烧状况、氮氧化物排放、受热面污染以及过热器、再热器运行工况的重要依据。远红外线辐射测温仪系统提供了 4001700 摄氏度的烟气温度测量范围，可以实现炉膛出口温度 FEGT 的在线监测，为锅炉系统进一步优化提供关键参数并拓展了空间。此套系统在国外已被成功的应用于 400 多家电厂；国内已有青岛、大同、潍坊等电厂安装应用.为电力企业的管理者所关注的锅炉系统的安全、稳定、经济运行提供了一个有效的技术手段。 现代大容量锅炉的过热器和再热
24、器系统的吸热量与炉膛出口烟温、受热面的布置和烟室尺寸等因素有关。目前电厂在用的大型燃煤锅炉，运行时的炉膛出口烟温（FEGT）决定了过热器和再热器各级受热面的进口烟温，它对各级受热面的吸热量和汽温影响很大。例如，上锅厂一台 420 吨超高压中间再热锅炉（50415 型） ，炉膛出口烟温变化+/-3 摄氏度，过热蒸汽温度同向变化约 +/-1 摄氏度。调整炉膛出口烟温的方法很多，例如在某发电厂的上锅 420 吨超高压中间再热锅炉进行试验测试，该炉炉膛出口烟温实际测量的数值比设计计算值低 86 摄氏度，造成过热蒸汽温度比设计值 540摄氏度低 2030 摄氏度。经过分析研究采用燃烧器喷嘴向上摆动 18
25、 度，炉膛出口烟温升高 61.9 摄氏度，过热蒸汽温度升高约 20 摄氏度，额定输出蒸汽温度恢复正常。炉膛出口温度提高，各级受热面吸热量增加，吸热量增加是因传热系数增大所致。10某发电厂 420 吨（SG50415A 型）锅炉燃烧低位发热值 19155 22255KJ/Kg 的烟煤，利用燃烧器向上摆动，将火球中心提高 1.5 米，炉膛出口烟温大约可以提高 36.338.2摄氏度，温压升高 13.234.5 摄氏度, 传热量增加 6.368.25。一般而言，摆动式燃烧器可以上下摆动 2030 度，炉膛出口的烟气温度可相应变化 110140 摄氏度，蒸汽温度可以调节 1020 摄氏度。因为烟气温度
26、的变化直接作用在整个过热器和再热器的所有受热面上，因此蒸汽温度对烟温的变化反应灵敏，延迟很小。对于大容量煤粉锅炉，炉膛出口烟温设计计算值为平均值。例如，美国燃烧工程公司设计制造的某型 60MW 锅炉的炉膛宽度为 17.1 米，深度 14.9 米，高度 55.8 米。用抽气式热电偶温测量炉膛出口截面上的温度共 56 个点，其平均值为 1222 摄氏度，最大的偏差为+/-83 摄氏度。对于远红外烟气测温仪，由于它测到的是瞄准部位的混合烟气温度平均值，如果测点选择正确，可以代表炉膛出口的烟气温度（本结论业已经过现场实际测试验证） 。该温度平均值对于监测和改善锅炉运行状况具有指导意义。 锅炉设计、运行
27、过程中，炉膛出口温度是一个很重要的参数，同时影响炉膛出口烟气温度的因素又很多，必须在线实时对其进行监测、分析和控制，才能够保证锅炉运行的经济性、安全性和氮氧化物的合理排放。 我公司在美国知名锅炉专家的指导下，在国内率先开展这项工作。摸索出了炉膛测温的技术要领和经验。目前引进的美国炉膛测温仪Boiler-Temp 已有山东、山西、河北、云南等地的多家电厂安装使用，取得良好的使用效果。改变传统理念实现燃烧优化重型工业企业大多采用煤做为动力源或工业原料。由于煤价的上涨，造成了生产成本的增加。迫使企业的管理者重新关注是否能够突破传统技术的束缚，寻求新的节能技术。我公司在锅炉燃烧和总体性能优化提出了创新理念和独到的技术方案。目前已在电力系统锅炉燃烧优化方面取得很好的效果.传统热力设备在设计过程中,在燃烧区和热量交换方面需要借助传统热力学和微分方程作出很多假定和相应的计算。传统的设计方式给系统留有过大的安全裕度和冗余空间，随着计算机管理、新材料和仪器、监测手段、
