周小鳳 賈志軍

摘 要：為實現火電廠中鍋爐安全、高效、低污染的燃燒，并降低CO排放濃度，設計了鍋爐燃燒煙氣CO在線監(jiān)測及應用系統(tǒng)。該系統(tǒng)應用先進的電化學傳感器技術，對鍋爐煙道區(qū)域的煙氣CO進行實時在線監(jiān)測，并將監(jiān)測數據傳送到機組DCS系統(tǒng)，根據CO的實時監(jiān)測曲線進行精細化燃燒調整與優(yōu)化控制。該系統(tǒng)已在電廠實際應用，效果較好。

關鍵詞：CO；在線監(jiān)測；氧量；優(yōu)化

Online monitoring and application system of CO Emitted by Boiler Combustion

Zhou Xiaofeng1 Jia Zhijun2

（1.Baotou Vocational & Technical College，Baotou，Inner Mongolia 014035;

2.Inner Mongolia Jingneng Kangbashi Thermal Power Co.，Ltd，Erdos，Inner Mongolia 017010;）

Abstract：In order to realize the safe，efficient and low pollution combustion of boilers in thermal power plants and reduce the concentration of CO emission，an online monitoring and application system of CO emitted by boiler combustion is designed.The system applies advanced electrochemical sensor technology to conduct real-time online monitoring of CO in the boiler flue，and transmits the monitoring data to the unit DCS system for fine combustion adjustment and optimization control.The system has been applied in power plants with good results.

Key words：CO;online monitoring;oxygen content;optimization

按照《內蒙古自治區(qū)國民經濟和社會發(fā)展第十四個五年規(guī)劃和2035年遠景目標綱要》的指導方針，立足能源資源優(yōu)勢，圍繞碳達峰、碳中和等目標，用高新技術和先進適用技術改造傳統(tǒng)產業(yè)和傳統(tǒng)企業(yè)，推動傳統(tǒng)產業(yè)高端化、智能化、綠色化。設計了鍋爐燃燒煙氣CO在線監(jiān)測及應用系統(tǒng)。

實現鍋爐安全、高效、低污染的燃燒是火電廠一直追求的重要目標，經過在北方多家火電廠和鋼廠調研，發(fā)現鍋爐運行時存在高負荷時水冷壁結焦、兩側汽溫偏差較大、再熱器減溫水量大、氧量測量不準等問題。鍋爐運行中控制的氧量測量不準，容易造成熱效率偏低、NOx濃度偏高。CO排放濃度升高和機械不完全燃燒損失增大，降低鍋爐熱效率。［1］

本項目能在線精確測量煙氣CO等氣體成分濃度，以實現基于CO在線監(jiān)測的精細化燃燒調整與優(yōu)化控制，在確保及時發(fā)現和糾正結焦結渣、高溫腐蝕等不良狀況提高鍋爐運行可靠性的同時提高鍋爐的效率、降低NOX排放濃度。在鍋爐現有運行條件下，在線測量煙氣CO和O2，根據鍋爐的負荷、煤種等參數實時可視化給出燃燒調整操作指導，優(yōu)化鍋爐燃燒配風配煤方式。

1 系統(tǒng)設計方案

CO 含量與飛灰可燃物、排煙熱損失等存在一定關系，利用煙氣CO 的在線監(jiān)測，可以使鍋爐在保證局部不缺氧的前提下保持較低的過量空氣系數下運行，提高鍋爐熱效率，同時避免因爐內缺氧造成的結渣和高溫腐蝕等，甚至及時發(fā)現爐內燃燒不均勻性。因此實現鍋爐尾部煙道煙氣中CO的實時監(jiān)測是鍋爐運行狀態(tài)和鍋爐熱效率的重要組成部分。［1］

煙氣CO在線監(jiān)測技術目前國內外市場上主要的技術路線包括催化燃燒法、非分散紅外吸收法和原位激光法。本次項目主要引進加拿大某公司先進的電化學傳感器技術，這種新型的電化學方法半固態(tài)電解質單一，不易受到其他氣體的干擾，因此測量精度高，漂移小，量程寬，適用于CO氣體在線監(jiān)測。

2 系統(tǒng)組成

本項目通過在鍋爐省煤器出口兩側煙道上選址安裝煙氣CO在線監(jiān)測系統(tǒng)，對鍋爐煙道區(qū)域的煙氣CO進行實時監(jiān)測，并將監(jiān)測數據傳送到DCS，并以煙氣CO和O2含量作為關鍵參數指導爐內燃燒控制，通過調整風煤配比，達到優(yōu)化鍋爐燃燒狀態(tài)的目的。系統(tǒng)設計方案如圖1所示。

煙氣CO在線監(jiān)測系統(tǒng)由兩個CO傳感器構成，采用全球最先進的傳感器技術和雙傳感器結構設計。傳感器產生一個與CO濃度成正比的電信號，此電信號經系統(tǒng)分析處理轉換成ppm濃度，再被轉換成一個模擬信號輸出（4mA～20mA）。［2］

煙氣通過取樣系統(tǒng)，經過除塵、保溫、冷卻、除濕、除酸后，進入新型的電化學傳感器進行CO的濃度分析。CO電化學傳感器本身是一個密封的容器，由半固態(tài)電解質、金屬陽極和金屬陰極構成。樣氣擴散進入傳感器室，經由透氣膜進入電解槽，使在半固態(tài)電解質中被擴散吸收的CO氣體在規(guī)定的氧化電位下進行電位電解，根據耗用的電解電流求出CO氣體的濃度。［3］這種電化學CO監(jiān)測系統(tǒng)是一款取樣式氣體分析儀表，包括探頭單元、反吹單元和分析單元。探頭單元抽取鍋爐煙氣，通過取樣泵進入分析單元內的制冷器降溫除濕，該過程中產生的凝露由排凝蠕動泵以選定周期排出。樣氣釋放出的熱量通過分析單元外側的散熱器散發(fā)出去。［2］經過除濕冷卻，樣氣成為潔凈干燥的氣體，再經傳感器分析完畢后，廢氣通過分析單元底部的排氣口排出。［2］

該系統(tǒng)測量范圍廣，在低溫區(qū)間的測量精度高，能滿足鍋爐從啟動到滿負荷運行全過程工況的要求，CO在線監(jiān)測系統(tǒng)實現了機組全過程狀態(tài)下爐膛出口煙氣CO含量的在線連續(xù)監(jiān)測。當鍋爐出現偏燒的情況時，運行人員可以通過鍋爐左右兩側CO測量值的實時數據直觀迅速地發(fā)現問題，從而做出相應的調整，盡快消除鍋爐出口煙氣的殘余旋轉，消除兩側煙溫偏差，避免蒸汽溫度出現更大的偏差，從而使爐膛內部的燃燒工況處于良好的狀態(tài)。

3 軟件設計

傳統(tǒng)的氧量控制主要是由送風主控制器接受經由燃料量與風量函數f1（x） 計算得到的氧量設定值，形成穩(wěn)定燃燒所需要的基本送風氧量，通過氧量的手動偏置，經PID調節(jié)，并通過控制器的輸出調整送風擋板開度。由于傳統(tǒng)的氧量控制是建立在給定函數關系上的被動送風，并通過氧量及爐膛負壓修正風量。實際上，上述相應煤量下的送風是否最優(yōu)，無法通過在線手段進行檢測，尤其是當進入爐膛的煤質發(fā)生改變時，不合理的配風可能會威脅到鍋爐的穩(wěn)定運行。［4］

鑒于傳統(tǒng)風量控制策略的局限性，本項目建議在保留傳統(tǒng)風量控制系統(tǒng)的同時，引入基于CO燃燒控制帶的控制方式，并通過加法器并于氧量定值回路。如圖2所示。

在這里氧量調節(jié)器的設定值是鍋爐在不同負荷下最高燃燒效率確定的最佳含氧量，是經過一個折線函數f1（x）得到，保證鍋爐經濟燃燒。對CO調節(jié)器而言，實際燃燒過程中CO含量的最佳燃燒控制帶為100～200ppm，可以將CO設定值設置為最佳燃燒控制帶的一個值。在這里需要設置死區(qū)，只有當CO含量高于100ppm時，才啟動CO調節(jié)器，這是因為當CO含量低于100ppm，過?？諝庀禂递^大，CO變化過于緩慢，不適合作為控制信號。

通過對機組進行燃燒調整試驗，確定該機組的CO最佳燃燒控制帶區(qū)域，并檢驗在各負荷工況下，改進型總風量控制系統(tǒng)投運的效果。

4 監(jiān)控界面

項目實現了鍋爐機組全過程狀態(tài)下爐膛出口煙氣CO含量的在線連續(xù)監(jiān)測，通過監(jiān)測CO數值可以分析原設計燃燒器特性及配風方式，分析如何優(yōu)化配風降低鍋爐污染物排放，提出改進建議。通過監(jiān)測CO數值運行氧量的調整應保證過熱蒸汽、再熱蒸汽溫度在正常范圍內，鍋爐受熱面無超溫，且爐內無嚴重結渣現象。在此原則下，運行氧量應根據鍋爐燃燒優(yōu)化調整試驗結果確定的最佳運行氧量曲線進行控制。［5］

圖3是某廠鍋爐爐機組負荷從300MW到175MW鍋爐出口CO在線監(jiān)測系統(tǒng)曲線圖。圖4是鍋爐機組負荷從175MW到300MW鍋爐出口CO在線監(jiān)測系統(tǒng)曲線圖。

從上述CO監(jiān)測曲線圖可以看出，機組鍋爐出口煙氣CO在線監(jiān)測裝置能夠實現在線實時測量CO含量，對運行人員判斷爐內燃燒工況起到很好的輔助作用，對控制爐膛結焦，減輕鍋爐兩側煙溫偏差和優(yōu)化吹灰均有幫助。通過實時運行CO檢測，可判斷爐內燃燒情況，以便及時進行調整，正常運行控制CO含量在100ppm以內，最大不超過200ppm，防止鍋爐水冷壁發(fā)生高溫腐蝕。

5 結束語

鍋爐安裝了煙氣CO在線監(jiān)測及應用系統(tǒng)后，將煙氣CO排放值控制在要求范圍內，避免CO超標而導致的爐效下降。能避免因火焰中心偏斜造成水冷壁高溫腐蝕和結渣的風險。能保證正常的燃燒工況，減小煙溫偏差，降低由此而帶來的低負荷運行條件下容易出現的氣溫偏差大而引起的受熱面管壁超溫和爆管。采用CO+O2控制燃燒，鍋爐可控制在相對較低的氧量下運行，因此可降低NOX的排放濃度。將煙氣中的CO控制在合理的范圍，降低因爐內局部混合不好所造成的飛灰含碳量，同時將總風量控制在合理的范圍之內，降低鍋爐排煙熱損失和風機電耗，能減少供電煤耗。提高了鍋爐的安全性、環(huán)保性、經濟性和運行效率。

參考文獻：

［1］孫亦鵬，曹紅加，張清峰.電廠煙氣CO檢測技術的應用［J］.電站系統(tǒng)工程，2012，28（6）：41-43.

［2］張效源，沈迎，孫凱等.基于CO 在線監(jiān)測的鍋爐燃燒狀態(tài)診斷與調整［J］.新型工業(yè)化，2020，10（7）：155-158.

［3］英正飛.淺談煙氣CO裝置在650MW機組中的應用［C］//2017年電站熱工自動化技術交流會，西安：中國電機工程學會，2017：81-83.

［4］丁書恒.在線煤質辨識系統(tǒng)用于鍋爐燃燒實時調節(jié)指導探索［J］.大科技，2014（35）：43-45.

［5］國家能源局.DL/T 1052-2016-2016.電力節(jié)能技術監(jiān)督導則［S］.

（責任編輯 郭曉勇）