CN104627684A - 一种在线防电站锅炉一次风管堵管的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种在线防电站锅炉一次风管堵管的方法，首先对各台磨煤机一次风风速及煤粉浓度进行调平，然后对磨煤机进行制粉系统试验，建立煤粉粒度数据库，再建立数学模型，根据实时采集的运行中的参数和煤粉粒度数据库，计算理论状态下的输送煤粉的最低流化速度，并根据实际运行工况对理论值进行修正，将修正后的最低流化风速与在线测量的一次风速进行比较，给出一次风速的指导意见。本发明提供的方法能够避免过高一次风速带来的煤粉着火推迟、一次风机电流过大、空预器漏风增大等弊端，实现了满足一次风管不堵管的情况下的节能降耗。

Description

一种在线防电站锅炉一次风管堵管的方法

技术领域

本发明涉及一种在线计算实时输送煤粉最低流化速度、防止电站锅炉一次风管堵管的方法，属于火力发电厂煤粉气力输送技术领域。

背景技术

目前的大型电站锅炉多采用煤炭作为燃料，煤炭通过给煤机进入磨煤机以后，进行煤粉的研制，再通过高温高压的一次风输送至锅炉进行燃烧。一次风的主要作用一是预热煤粉，加热蒸发掉部分煤粉内的水分；二是作为气力输送的载体，对煤粉进行输运。但是，由于种种原因，在一次风气力输送过程中，通常容易出现煤粉堵塞一次风管的现象，一旦出现堵管的现象，这会造成各根管道的煤粉进入炉膛不均衡的现象。对四角切圆燃烧方式的锅炉会造成切圆倾斜从而出现局部区域结焦和超温的现象，而对旋流对冲和W火焰燃烧方式的锅炉造成热偏差的现象，都对锅炉的安全性及经济性造成较大的负面影响。

电厂在实际运行中为了避免一次风管的堵塞，普遍采用的方法是提高一次风压及一次风管风速，以增强一次风的携带能力，但是该方法也有明显的缺点：

1、一次风压过高，会增加一次风机的出口压力，对于轴流风机来讲，则会降低风机的安全裕度；

2、一次风压提高，空预器漏风则会增加，一方面会降低锅炉效率；另外一方面则会增加引风机的出力压力；

3、一次风速提高，则会延长煤粉的着火距离，增加飞灰含碳率的可能性，降低锅炉效率；

4、一次风压提高，会增加一次风机及引风机的出力，提高厂用电率，进而提高发电煤耗。

通过上述分析不难发现，提高一次风压是在牺牲了机组经济性及安全裕度的情况下的不得已之举。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种在线防电站锅炉一次风管堵管的方法，通过计算当前管道内的最低安全一次风速，为运行提供指导参考，避免过高一次风速带来的负面影响。

为了解决上述技术问题，本发明的技术方案是提供一种在线防电站锅炉一次风管堵管的方法，其特征在于：该方法由以下6个步骤组成：

步骤1：对各台磨煤机一次风风速及煤粉浓度进行调平，调平后的一次风风速偏差小于5％，煤粉浓度偏差小于10％；

步骤2：对磨煤机进行制粉系统试验，分析影响煤粉粒度分布的因素，建立煤粉粒度数据库；

步骤3：建立数学模型，并根据数学模型得出输送煤粉的最低流化风速的计算公式；

垂直输送： $u_p=u_f-{[\frac{4}{3}(1+\frac{f_p}{D}\×\frac{{u_p}^2}{2g})\×\frac{({\mathrm{\ρ}}_p-{\mathrm{\ρ}}_f)d_p{\mathrm{g\α}}^{4.7}}{{\mathrm{\ρ}}_f{C}_d}]}^{0.5}$

水平输送： $\frac{3}{4}\frac{C_d{\mathrm{\α}}^{-4.7}}{d_{p}g}\frac{{\mathrm{\ρ}}_p}{{\mathrm{\ρ}}_f}{(u_f-u_p)}^2={\left(\frac{4}{3}\frac{{\mathrm{gd}}_p}{{u_p}^2}\frac{{\mathrm{\ρ}}_p-{\mathrm{\ρ}}_f}{{\mathrm{\ρ}}_f}\right)\×\frac{{\mathrm{\α}}^{4.7}}{C_d})}^{0.5}+\left(\frac{f_p{u_p}^2}{2\mathrm{gD}}\right)$

中间量K： $K=d_p{\left[\frac{g{\mathrm{\ρ}}_f({\mathrm{\ρ}}_p-{\mathrm{\ρ}}_f)}{{\mathrm{\μ}}_f}\right]}^{\frac{1}{3}}$

当K＜3.3， $u_t=\frac{{{\mathrm{gd}}_p}^2({\mathrm{\ρ}}_p-{\mathrm{\ρ}}_f)}{18{\mathrm{\μ}}_f}$

当3.3＜K＜43.6， $u_t=\frac{0.153g^{0.71}{d_p}^{1.14}{({\mathrm{\ρ}}_p-{\mathrm{\ρ}}_f)}^{0.71}}{{{\mathrm{\ρ}}_f}^{0.29}{{\mathrm{\μ}}_f}^{0.43}}$

当K＞43.6， $u_t=1.75{\left[\frac{{\mathrm{gd}}_p({\mathrm{\ρ}}_p-{\mathrm{\ρ}}_f)}{{\mathrm{\ρ}}_f}\right]}^{\frac{1}{3}}$

$u_{\mathrm{fc}}={\left({(\frac{M_p}{0.221M_f}\×{\left(\frac{{\mathrm{\ρ}}_f}{{\mathrm{\ρ}}_p}\right)}^{0.55}\×{\left(\frac{u_t}{\mathrm{gD}}\right)}^{2.3}\mathrm{gD})}^{\frac{1}{3}}\mathrm{gD}\right)}^{\frac{1}{2}}$

上述公式中，u_p为煤粉颗粒速度，u_f为输送气流速度，ρ_f气流密度，ρ_p为煤粉密度，d_p为煤粉中位粒径，D为一次风管直径，α为煤粉浓度函数，C_d为煤粉颗粒曳力系数，f_p为煤粉颗粒摩擦系数，μ_f为气体粘度，u_t为输送煤粉的自由沉降速度，u_fc为输送煤粉的最低流化风速；

步骤4：根据步骤3中数学模型的需要，实时采集运行中的参数，并根据步骤2所建立的煤粉粒度数据库中对应运行工况的煤粉粒度，代入步骤3中的数学模型进行计算，得出理论状态下的最低流化风速；

步骤5：根据实际运行工况对理论状态下的最低流化风速进行修正；

步骤6：将修正后的最低流化风速u_fc与在线测量的当前实际一次风速u_f进行比较，给出一次风速的指导意见：如果u_f＜u_fc，则提高一次风速u_f，使u_f≥u_fc；如果u_f＞u_fc，则降低一次风速u_f，但降低后的u_f不能低于u_fc。

优选地，所述步骤1中，一次风风速调平是将磨煤机出口各缩孔或挡板先置于全开的位置，在模化风速工况下，同时测试一次风管内的风速，以最小风速为基准，对其他风速较大的一次风管逐步关闭调节，直至同台磨煤机风速偏差小于5％；一次风浓度调平是在锅炉热态条件下，通过同时在同一台磨煤机各一次风管内实行煤粉等速抽取，在抽取相同流量后对取样煤粉进行称量，再调节煤粉分配器，直至煤粉浓度偏差小于10％。

优选地，所述步骤2中，对磨煤机进行制粉系统试验包括：在各台磨煤机不同动态分离器转速或静态折向挡板、各台磨煤机不同风煤比、不同磨煤机出口温度、不同钢球配比改变的情况下，分析煤粉粒度分布的特性，并把这些数据建立数据库。

优选地，所述步骤4中，采集的运行中的参数包括：磨煤机运行状态参数、锅炉运行状态参数和风机运行状态参数。

优选地，所述步骤5中的修正包括：煤质的修正、磨煤机料位的修正、磨煤机出口温度的修正、煤粉粒度的修正、煤粉浓度均匀性的修正和计算裕度的修正。

本发明针对一次风管的走向，建立数学模型，再根据不同磨煤机的制粉特性，建立煤粉粒度的数据库，结合电厂在线的温度数据、给煤量数据、一次风量数据，计算出实时的煤粉浓度及煤粉细度下输送煤粉所需要的临界流化速度，该速度再与一次风管内的实时风速进行比较判定，进而指导运行人员对一次风速进行调节。避免过高一次风速带来的煤粉着火推迟、一次风机电流过大、空预器漏风增大等弊端，实现满足一次风管不堵管的情况下节能降耗。

相比现有技术，本发明具有如下有益效果：

1、通过具体数值的对比来判断当前一次风管运行风速是否安全，简单明了；

2、能够避免一次风速过高，进而降低一次风机的出口压力，对于轴流风机来讲，则会增加风机的安全裕度；

3、能够避免一次风速过高，降低空预器的漏风，一方面会提高锅炉效率，另外一方面则会减小引风机的出力压力；

4、能够避免一次风速过高，则会有利于煤粉的着火，提高燃烧效率，降低飞灰含碳率，提高锅炉效率；

5、能够避免一次风速过高，则会降低一次风机及引风机的出力，减少厂用电率，进而降低发电煤耗。

附图说明

图1为本发明提供的在线防电站锅炉一次风管堵管的方法流程图；

图2为制粉系统布置示意图。

具体实施方式

为使本发明更明显易懂，兹以一优选实施例，并配合附图作详细说明如下。

图1为本发明提供的在线防电站锅炉一次风管堵管的方法流程图，本实施例选择某电厂300MW机组四角切圆燃烧方式的锅炉，配5台HP863中速磨煤机，采用正压直吹式制粉系统，如图2所示。磨煤机出口安装格栅式煤粉分配器。

所述的在线防电站锅炉一次风管堵管的方法包括以下步骤：

步骤1：四角切圆锅炉每台磨煤机引出4根一次风管，对这4根一次风管在冷态下进行一次风风速调平，调平方法：将4根一次风管的可调节缩孔全部置于全开状态，在模化风速工况下，同时测试一次风管内的风速，以最小风速为基准，逐渐关小其他风速较大的一次风管，直至同台磨煤机4根一次风管风速偏差小于5％为止。

再在热态工况下，对这4根一次风管进行一次风浓度调平，调平方法：对4根一次风管进行煤粉等速取样，并称量单位时间内的取样重量。煤粉重量小的管道适当开大浓相挡板，重量大的管道适当关小浓相挡板，直至同台磨煤机4根一次风管煤粉浓度偏差小于10％为止。

通过一次风管风速和煤粉浓度的调平，能够有效均分煤粉到各一次风管，避免因为管路阻力不均导致一次风风速及煤粉浓度的较大偏斜，造成风速较小或煤粉量较大的管路出现堵管的现象。

步骤2：对磨煤机进行试验。通过试验掌握HP863磨煤机的制粉特性，对主要影响煤粉粒度分布的因素进行试验，如表1所示，包括：

1)分离器折向门挡板开度试验

固定磨煤机出口温度不变，不同粗粉分离器折向门挡板开度、不同磨煤机通风量变化对煤粉粒度分布的影响。

2)分离器出口温度试验

固定的粗粉分离器折向门挡板开度下，不同分离器出口温度、不同磨煤机通风量对煤粉粒度分布的影响。

3)磨煤机风煤比试验

固定的粗粉分离器折向门挡板开度下、分离器出口温度不变，不同风煤比的变化试验，得出煤粉粒度分布的特性。

4)加载系统压力变化

固定的粗粉分离器折向门挡板开度下、分离器出口温度不变，不同磨出力和加载压力下，得出煤粉粒度分布的特性。

表1 磨煤机制粉特性试验工况表

通过对表1的试验，掌握磨煤机在不同运行状态下的煤粉粒度分布(如大于R200、R150～R125、R125～R90、R90～R75、R75～R50及小于R50的比例)特性，并把这些数据建立数据库。

步骤3：建立数学模型

根据气固两相连续性方程、动量守恒方程建立气固两相流动数学模型。气固两相的流体存在三种情况：即垂直输送、水平输送、带有倾角的向上输送。建立数学模型时，带有倾角的输送可分解成为垂直输送与水平输送，因此，实际的数学模型，只要能够满足垂直气流输送与水平气流输送的要求即可。

计算实际的煤粉颗粒速度：

垂直输送： $u_p=u_f-{[\frac{4}{3}(1+\frac{f_p}{D}\×\frac{{u_p}^2}{2g})\×\frac{({\mathrm{\ρ}}_p-{\mathrm{\ρ}}_f)d_p{\mathrm{g\α}}^{4.7}}{{\mathrm{\ρ}}_f{C}_d}]}^{0.5}$

水平输送： $\frac{3}{4}\frac{C_d{\mathrm{\α}}^{-4.7}}{d_{p}g}\frac{{\mathrm{\ρ}}_p}{{\mathrm{\ρ}}_f}{(u_f-u_p)}^2={\left(\frac{4}{3}\frac{{\mathrm{gd}}_p}{{u_p}^2}\frac{{\mathrm{\ρ}}_p-{\mathrm{\ρ}}_f}{{\mathrm{\ρ}}_f}\right)\×\frac{{\mathrm{\α}}^{4.7}}{C_d})}^{0.5}+\left(\frac{f_p{u_p}^2}{2\mathrm{gD}}\right)$

中间量K： $K=d_p{\left[\frac{g{\mathrm{\ρ}}_f({\mathrm{\ρ}}_p-{\mathrm{\ρ}}_f)}{{\mathrm{\μ}}_f}\right]}^{\frac{1}{3}}$

计算输送煤粉的最低流化风速u_fc：

当K＜3.3， $u_t=\frac{{{\mathrm{gd}}_p}^2({\mathrm{\ρ}}_p-{\mathrm{\ρ}}_f)}{18{\mathrm{\μ}}_f}$

当3.3＜K＜43.6， $u_t=\frac{0.153g^{0.71}{d_p}^{1.14}{({\mathrm{\ρ}}_p-{\mathrm{\ρ}}_f)}^{0.71}}{{{\mathrm{\ρ}}_f}^{0.29}{{\mathrm{\μ}}_f}^{0.43}}$

当K＞43.6， $u_t=1.75{\left[\frac{{\mathrm{gd}}_p({\mathrm{\ρ}}_p-{\mathrm{\ρ}}_f)}{{\mathrm{\ρ}}_f}\right]}^{\frac{1}{3}}$

$u_{\mathrm{fc}}={\left({(\frac{M_p}{0.221M_f}\×{\left(\frac{{\mathrm{\ρ}}_f}{{\mathrm{\ρ}}_p}\right)}^{0.55}\×{\left(\frac{u_t}{\mathrm{gD}}\right)}^{2.3}\mathrm{gD})}^{\frac{1}{3}}\mathrm{gD}\right)}^{\frac{1}{2}}$

上述公式中，u_p为煤粉颗粒速度，u_f为输送气流速度，ρ_f气流密度，ρ_p为煤粉密度，d_p为煤粉中位粒径，D为一次风管直径，α为煤粉浓度函数，C_d为煤粉颗粒曳力系数，f_p为煤粉颗粒摩擦系数，μ_f为气体粘度，u_t为输送煤粉的自由沉降速度，u_fc为输送煤粉的最低流化风速；

步骤4：根据步骤3所建立的数学模型，要计算最低流化速度，直接或间接需要以下已知量：

给煤量、一次风量、一次风温度、磨煤机电流、入口风压、磨煤机投运方式等、锅炉负荷、过量空气系数、烟气成分等，上述参数通过DCS系统实时采集读取；

煤粉粒度通过磨煤机的主要运行参数，读取步骤2所建立数据库中对应运行工况的煤粉粒度，代入数学模型进行计算，得出理论状态下的最低流化速度。

步骤5：步骤4所计算得到的是理论状态下的最低流化速度。但是，实际运行状况会更加复杂，因此，在原有基础上需要进行修正，修正包括以下内容：

(1)煤质的修正(水分、硬度不同)。因为煤质水分和硬度的不同往往对煤粉粒度有一定影响，需要修正；

(2)磨煤机料位的修正。料位稳定的情况下，磨煤机的出粉量等于给煤量，但当料位发生变化时，一次风管内的煤粉浓度会临时发生变化，计算时需要考虑磨煤机料位的修正；

(3)磨煤机出口温度的修正。磨煤机出口温度测点一般在磨煤机出口，而一次风管管路沿程较长，随着管路延伸管内的温度会略有不同，造成的空气粘度也会发生变化，需要根据实际管路布置进行修正；

(4)煤粉粒度的修正。在建立煤粉粒度数据库中，往往把煤粉当成是球形的颗粒，事实上，研磨后的煤粉颗粒形状与煤质关系较大，需要通过煤质对煤粉的当量直径进行修正；

(5)煤粉浓度均匀性修正；在高速气力输送中，往往认为气固两相流相对均匀，但在水平管路上，可能会出现上稀下浓的颗粒分布状态，这需要通过试验进行修正；

(6)计算裕度的修正。理论上讲，最低流化速度是一个临界值，考虑到安全性，必须设置裕度系数，进行修正。

得出上述修正系数后，对理论最低流化速度进行修正计算，得出修正后的最低流化风速。

步骤6：将步骤5计算出的修正后的最低流化风速显示在DCS表盘上，与实时测量一次风速计算出的煤粉颗粒速度相比较，能够直观反映出当前风速用于气力输送煤粉尚有多少裕量，能够较为直观地指导运行人员进行调整。

具体为：通过上述计算得出当前磨煤机运行状态下输运煤粉的最低流化风速u_fc，并显示在DCS表盘上，并与当前实测一次风管风速u_f进行比较，如果u_f＜u_fc，就需要提高一次风速u_f，使u_f≥u_fc；如果u_f＞u_fc，则可以根据实际运行需要，降低一次风速u_f，但不能低于u_fc。只要u_f≥u_fc就可以防止堵管。

Claims (5)

1.一种在线防电站锅炉一次风管堵管的方法，其特征在于：该方法由以下6个步骤组成：

步骤1：对各台磨煤机一次风风速及煤粉浓度进行调平，调平后的一次风风速偏差小于5％，煤粉浓度偏差小于10％；

步骤2：对磨煤机进行制粉系统试验，分析影响煤粉粒度分布的因素，建立煤粉粒度数据库；

步骤3：建立数学模型，并根据数学模型得出输送煤粉的最低流化风速的计算公式；

垂直输送： $u_p=u_f-[\frac{4}{3}(1+\frac{f_p}{D}\×\frac{{u_p}^2}{2g})\×\frac{({\mathrm{\ρ}}_p-{\mathrm{\ρ}}_f)d_{p}g{\mathrm{\α}}^{4.7}}{{\mathrm{\ρ}}_f{C}_d}{]}^{0.5}$

水平输送： $\frac{3}{4}\frac{C_d{\mathrm{\α}}^{-4.7}}{d_{p}g}\frac{{\mathrm{\ρ}}_p}{{\mathrm{\ρ}}_f}{(u_f-u_p)}^2=\left(\frac{4}{3}\frac{{\mathrm{gd}}_p}{{u_p}^2}\frac{{\mathrm{\ρ}}_p-{\mathrm{\ρ}}_f}{{\mathrm{\ρ}}_f}\right)\×\frac{{\mathrm{\α}}^{4.7}}{C_d}{)}^{0.5}+\left(\frac{f_p{u_p}^2}{2\mathrm{gD}}\right)$

中间量K： $K=d_p{\left[\frac{g{\mathrm{\ρ}}_f({\mathrm{\ρ}}_p-{\mathrm{\ρ}}_f)}{{\mathrm{\μ}}_f}\right]}^{\frac{1}{3}}$

当K＜3.3， $u_t=\frac{{{\mathrm{gd}}_p}^2({\mathrm{\ρ}}_p-{\mathrm{\ρ}}_f)}{18{\mathrm{\μ}}_f}$

当3.3＜K＜43.6， $u_t=\frac{0.153g^{0.71}{d_p}^{1.14}{({\mathrm{\ρ}}_p-{\mathrm{\ρ}}_f)}^{0.71}}{{{\mathrm{\ρ}}_f}^{0.29}{{\mathrm{\μ}}_f}^{0.43}}$

当K＞43.6， $u_t=1.75[\frac{{\mathrm{gd}}_p({\mathrm{\ρ}}_p-{\mathrm{\ρ}}_f)}{{\mathrm{\ρ}}_f}{]}^{\frac{1}{3}}$

$u_{\mathrm{fc}}={\left({(\frac{M_p}{0.221M_f}\×{\left(\frac{{\mathrm{\ρ}}_f}{{\mathrm{\ρ}}_p}\right)}^{0.55}\×{\left(\frac{u_t}{\mathrm{gD}}\right)}^{2.3}\mathrm{gD})}^{\frac{1}{3}}\mathrm{gD}\right)}^{\frac{1}{2}}$

上述公式中，u_p为煤粉颗粒速度，u_f为输送气流速度，ρ_f气流密度，ρ_p为煤粉密度，d_p为煤粉中位粒径，D为一次风管直径，α为煤粉浓度函数，C_d为煤粉颗粒曳力系数，f_p为煤粉颗粒摩擦系数，μ_f为气体粘度，u_t为输送煤粉的自由沉降速度，u_fc为输送煤粉的最低流化风速；

步骤4：根据步骤3中数学模型的需要，实时采集运行中的参数，并根据步骤2所建立的煤粉粒度数据库中对应运行工况的煤粉粒度，代入步骤3中的数学模型进行计算，得出理论状态下的最低流化风速；

步骤5：根据实际运行工况对理论状态下的最低流化风速进行修正；

步骤6：将修正后的最低流化风速u_fc与在线测量的当前实际一次风速u_f进行比较，给出一次风速的指导意见：如果u_f＜u_fc，则提高一次风速u_f，使u_f≥u_fc；如果u_f＞u_fc，则降低一次风速u_f，但降低后的u_f不能低于u_fc。

2.如权利要求1所述的一种在线防电站锅炉一次风管堵管的方法，其特征在于：所述步骤1中，一次风风速调平是将磨煤机出口各缩孔或挡板先置于全开的位置，在模化风速工况下，同时测试一次风管内的风速，以最小风速为基准，对其他风速较大的一次风管逐步关闭调节，直至同台磨煤机风速偏差小于5％；一次风浓度调平是在锅炉热态条件下，通过同时在同一台磨煤机各一次风管内实行煤粉等速抽取，在抽取相同流量后对取样煤粉进行称量，再调节煤粉分配器，直至煤粉浓度偏差小于10％。

3.如权利要求1所述的一种在线防电站锅炉一次风管堵管的方法，其特征在于：所述步骤2中，对磨煤机进行制粉系统试验包括：在各台磨煤机不同动态分离器转速或静态折向挡板、各台磨煤机不同风煤比、不同磨煤机出口温度、不同钢球配比改变的情况下，分析煤粉粒度分布的特性，并把这些数据建立数据库。

4.如权利要求1所述的一种在线防电站锅炉一次风管堵管的方法，其特征在于：所述步骤4中，采集的运行中的参数包括：磨煤机运行状态参数、锅炉运行状态参数和风机运行状态参数。

5.如权利要求1所述的一种在线防电站锅炉一次风管堵管的方法，其特征在于：所述步骤5中的修正包括：煤质的修正、磨煤机料位的修正、磨煤机出口温度的修正、煤粉粒度的修正、煤粉浓度均匀性的修正和计算裕度的修正。