浅析火电厂锅炉飞灰含碳量测量技术与展望

浅析火电厂锅炉飞灰含碳量测量技术与展望

蔡宗霖

（京能山西漳山发电有限责任公司046021）

摘要：飞灰含碳量的是反映火电厂经济运行的重要指标，其高低直接影响着锅炉的效率。因此准确的监测飞灰含碳量有着非常重要的意义。本文对当前常见的多种物理测量方法做了相应的研究，指出了它们的优缺点。报告了近年来发展起来的飞灰含碳量软测量方法的现状，并分析了它们的技术特点。最后本文展望了测碳技术的新发展，对火电厂选择测碳方法与研究有一定的参考指导价值。

关键词：飞灰含碳量；测量方法；展望

引言

飞灰含碳量是火电厂重要监测的参数，其高低直接影响着锅炉的燃烧效率。当飞灰含碳量偏高，主要锅炉风煤配比不合理造成的，燃烧不完全，其直接结果导致发电成本升高，而且也增大了固体颗粒的排放，使粉煤灰的可利用价值降低，同时也对环境也造成严重的影响；飞灰含碳量偏低则说明空气过剩，将有大量的热能通过烟道排出，造成换热效果不够好，同时还会增加氮氧化物的排放【1】。对于实时准确监测飞灰含碳量，有利于操作人员随时调整运行方式，将飞灰含碳量控制在最佳范围，从而尽量提高燃烧程度，提高机组运行水平。但是影响飞灰含碳量的因素错综复杂，是一个高度的非线性结构体。目前国内外许多公司研发的在线测碳设备均已商品化。本文将介绍各种在线测碳设备的工作原理、特点。本文还会对近些年兴起的软测量技术给予一定介绍。对飞灰含碳量测量方法的选择与研究有一定的参考指导价值。

1飞灰含碳量的物理测量技术

1.1微波透射衰减法测量技术

利用未燃尽的碳对特定波长微波的吸收及对微波相位的影响来测量飞灰含碳量，这是微波透射衰减法测碳原理。目前在我国火电厂使用的产品主要有：深圳赛达力电力设备有限公司研发生产的MCM型微波飞灰测碳仪，测量精度还较为准确为0.5%左右，澳大利亚CSIRO矿产和工程公司开发的微波测碳仪，测量精度较为高，约在0.08%-0.28%之间，测量周期在三分钟之内。因其测量精度最高，测量速度最快。微波吸收法是目前研究得最多的。随着国内外的学者对该法研究的进一步深入，测碳精度和速度还会得到进一步的提高。

微波透射衰减法目前在我国电站得到了一定的推广，其优点是测量较为实时，且造价相比于其它方法较低。

但是从微波测量技术上分析，这类微波测碳仪主要存在以下几点弊端：第一，微波发生器输出信号功率稳定度不高，这是因为微波源本身易受电源电压、老化、环境温度的影响，如果这些因素有变化，它输出的信号功率也随之变化，这必然会反映在测量值中，造成测量误差加大。第二，微波信号源频率漂移的影响也不可忽略。天线盒四周的板壁对微波具有反射作用，致使在天线盒内形成了复杂的驻波场，当微波信号源的振荡频率变化时，天线盒内驻波场的波腹、波节位置就发生剧烈变化，从而使进入接收天线的微波能量也剧烈变化，会导致微波检波器输出电压有相当的变化。第三，堵灰现象也是时有发生。

1.2悬臂式失重法测量技术

悬臂式失重法测量技术（燃烧称重法）测碳原理同于电厂化学实验室测碳技术，即采集一定质量的飞灰（大约5g左右实验表明适当增加样品量可以提高测量精度），在高温灼烧炉中灼烧直至质量不在发生变化，两侧测得的质量差即为含碳量的比重。

其计算公式如下：

式中：Wc——所测灰样含碳量质量分数，%；m1——坩埚的质量，g；m2——灼烧前灰样加坩埚的质量，g；m3——灼烧后灰样加坩埚的质量，g；

不同于实验室测量的地方在于其整个过程都由一个全自动的机器人构成，中间升降工位是一个可旋转的机械手，其它工位包含取灰、加热、称量及排灰。

悬臂式失重法测碳原理经典，数据较为准确。但测量速度难以提高。其主要问题是在锅炉低负荷运行时候，旋风筒分离装置取灰较为困难，很难取到化验所需要的灰样克数。且整个就地控制部分都安装在锅炉尾部的烟道部分，现场环境较为复杂，对设备的使用年限有所考验。

2飞灰含碳量的软测量技术

2.1数值计算方法的研究

华中科技大学唐良广建立了对实际锅炉的煤粉燃尽率与飞灰含碳量预测的一维计算方法，把煤的燃烧特性与锅炉的结构特性相结合，对锅炉提出煤性与炉性相结合的计算方法。

在实际调整中，燃烧器区取一值，其余的取另一值，相差性与数学模型相结合用于实际锅炉的计算，并且通过实际锅炉已知工况的实验结果修正计算程序中某些不易确定的输入参数，然后运用计算程序就可以预测其他未知工况。当机组需要更换新煤种或掺烧新煤种时，也可以用预测方法对煤种的适应性做出预测以决定取舍。该预测方法能够体现煤种的差异，以及锅炉燃烧器及炉膛的结构参数，两者结合，能够做出比较准确的预测锅炉燃尽率与炉膛出口飞灰含碳量。很好地解决了“煤性”与“炉性”的结合问题，具有很大的工程实用性。

2.2基于智能算法预测的研究

东北大学李智等借助于正交试验设计，对某台200MW机组燃煤锅炉飞灰含碳量特性进行了多工况热态测试研究，获得了各工况较为典型的数据样本，采用基于LM算法的BP神经网络，建立了飞灰含碳量软测量模型，通过仿真研究，证明了软测量模型在预测飞灰含碳量的正确性和有效性。

浙江大学的王春林，周昊等人应用支持向量机算法建立了大型四角切圆燃烧锅炉飞灰含碳量特性的模型，并利用飞灰含碳量的热态实炉试验的数据对模型进行了校验，通过对支持向量机学习算法中参数的选择进行了探讨，获得了较为理想的学习参数。结果证明支持向量机与其它数学建模方法相比具有泛化能力好，计算速度快等优点，是锅炉飞灰含碳量特性建模的有效工具。由于支持向量机相比于其他算法，从理论上保证了模型的泛化能力，具有更加可靠的推广性，计算速度更快，更适合于在线建模，如果结合全局寻优算法，可以在燃用任何煤种条件下寻找出最优的操作参数，实现在线指导优化运行，获得高的燃烧经济效益，实际应用前景广阔。

3新测量技术的展望及原理

就地方法虽然测量将为准确，但因电子设备常年工作在较为复杂的锅炉尾部烟道部分，对其寿命会有较大影响。随着智能算法的发展，相信在不久的将来，一种基于智能算法和就地的测量装置将会得到热可。通过采集和积累大量的实测飞灰含碳量历史数据及其相关运行参数在上位机训练，最终生成较为准确的网络预测器。形成的网络控制器预测和就地物理测量装置实测的控制模式，就地测量装置和上位机不仅有通讯电缆相连，而且增设一个类似继电器的开关元件，由上位机控制就地的启停。软硬件控制策略能够逐渐减少机械系统的动作频率，能够避开现场一些电磁干扰，不仅能够解决实时的问题，同时为延长整个系统的使用寿命提供了一种方法。展望下图所示：

图1新在线测量技术原理图

结束语

飞灰含碳量在线监测是火电厂节能减排的重要监测手段之一，其高低直接影响锅炉的经济运行。但是由于影响锅炉飞灰含碳量的因素众多复杂，在线较为准确的、快速的测量相对较为困难。本文对当前常见的多种物理测量方法做了相应的研究，指出了它们的优缺点。报告了近年来发展起来的飞灰含碳量软测量方法的现状，并分析了它们的技术特点。最后本文展望了测碳技术的新发展，即一种基于智能算法和就地测碳装置相结合的技术。对电站选择测碳方法与研究有一定的参考指导价值。