600MW火力发电机组炉膛烟气温度测量优化

600MW火力发电机组炉膛烟气温度测量优化

张卫宝杨国春杨会敏刘冰洲王文占和占强

（内蒙古大唐国际锡林浩特发电有限责任公司内蒙古锡林浩特026000）

摘要：火电厂锅炉燃烧优化是火电厂安全、节能和减排的关键所在。新型的非接触式红外线炉膛温度计取代传统烟温探针，对炉膛出口烟温实时全过程监控，能够克服传统烟温探针仅能在锅炉启动时短时使用以及使用期间经常出现各种故障问题的现状。

关键词：红外；非接触；烟温探针

1.前言

烟温探针是目前火力发电厂用于测量烟气温度最常用的测量工具，采用接触式测温，但由于测量方式和测量原理的局限，仅能在锅炉启动时短时使用，还极易发生各种故障问题，使用红外线炉膛温度计测量炉膛烟气温度，可有效地解决烟气温度测量中的各种问题。

2.工程概况

2.1厂址概述

2.1.1锡林浩特市概况

锡林浩特市东靠赤峰市、通辽市和兴安盟；南望张家口、北京和承德地区；西连乌兰察布市；北与蒙古人民共和国相邻，现有人口17.7万，是我国重要的能源、畜牧业生产基地。煤电及畜牧业是区内主体经济。伴随着改革开放不断深入，区内经济结构发生了重大变化，以畜牧业、煤炭、石油、电力、稀有及有色金属、旅游业为经济发展框架，形成了门类比较齐全、布局较为合理的具有地方特色的民族工业体系。

2.1.2胜利煤田概况

胜利煤田位于内蒙古自治区锡林郭勒盟锡林浩特市西北部的胜利苏木境内，距锡林浩特市3km。整个煤田呈北东～南西条带状，走向长45km，平均宽7.6km，含煤面积342km2，地质储量为22442Mt，其中精查储量1941Mt，详查储量3546Mt，普查储量16955Mt。

大唐东二矿位于划定的胜利煤田大唐东二矿区，呈北东～南西走向不规则的四边形。

地理坐标：

东经：116°06′41″～116°12′38″；

北纬：44°02′97″～44°07′05″。

2.1.3厂址地理位置

大唐锡林浩特电厂位于锡林浩特市大唐东二矿工业广场规划区内，西至市区约15km，东靠煤矿工业广场排土场，北侧为煤干燥项目，厂址东南约1.2km为307省道，距锡林浩特500kV塔拉变10km，距锡林浩特市污水处理厂14km。

2.1.4厂址地形地貌

厂址位于阴山北部高原。厂址区域为冲洪积平原区，场地的边缘有侵蚀残丘存在。厂址地势呈东南高西北低，地形较平坦，地势开阔，微起伏，本期工程厂区海拔标高为1015.5m～1027.5m（1956年黄海高程系统，下同），相对高差12.0m；规划厂区海拔标高为1015.5m～1034.0m，相对高差18.5m。

厂址地表为草场覆盖，厂址用地已经列为建设用地。

2.1.5交通运输

铁路运输：大唐东二矿专用铁路通过锡（锡林浩特）桑（桑根达来）线与集（集宁）通（通辽）铁路相接，并以此与国家铁路网相连，铁路运输较为便利。

公路运输：公路以锡林浩特市为中心，西至赛汉塔拉有锡-赛公路（370km），南至张家口有锡-张公路（440km），东南至赤峰有锡-赤公路（499km），东北至霍林郭勒有锡-霍公路（450km），形成四通八达的公路交通网。电厂通过煤矿工业广场外部道路与307省道（锡赤公路段）相连，并通过307省道可通往锡林浩特市。

2.2厂址气象和地理条件

2.2.1概述

本工程设计阶段水文气象报告执行规范：《电力工程水文技术规程》(DL/T5084-1998)。

2.2.2工程地质条件

从工程地质条件来看，地层条件简单，无不良地质作用，处于低烈度区，地下水埋深较大。从地貌单元来看，场地位于倾斜冲洪积平原区，场地的边缘有侵蚀残丘存在，根据区域资料，场地曾受剥蚀作用影响，使得场地土的前期固结压力大于现有土的自重应力，属超固结土。从地层的沉积年代来看，除地表有第四系全新统冲洪积的粉土、砂类土层外，主要为第四系上更新统湖积砂类土和第三系上新统泥岩及砂砾岩等老地层。因此，整个厂址区岩土工程条件良好。

电厂主要建筑物基础埋深为-5.00～-6.00m考虑，建筑物基础将置于Ⅲ层中Ⅲ2粉细砂上，Ⅲ2密实粉细砂地基承载力特征值为300～350kPa，承载力较高，沉降量较小，因此该层可作为主要建筑物的天然地基持力层；Ⅳ层硬塑粘土层和Ⅴ层砂砾层是良好的下卧层。

2.2.3场地地震效应

地震基本烈度：根据《中国地震动参数区划图》（GB18306-2001）和《建筑抗震设计规范》（GB500011-2001），场地地震动峰值加速度小于0.05g，地震动反应谱特征周期为0.35s，相当于地震基本烈度6度区，本工程按7度设防。

2.2.4区域水文条件

锡林河流域属草原性河流，每年有春夏两汛洪水，夏汛洪水一般发生在6～9月，由暴雨形成，由于该地区干旱少雨，且流域地形较缓，上游为天然草牧场，植被条件较好，因此夏汛洪水流量普遍不大。锡林河年平均流量0.61m3/s，年平均径流量1920×104m3。一年中汛期主要有春汛和夏汛两次，春汛主要由融雪融冰形成，夏汛主要由降雨形成。春汛最大洪峰流量为57.4m3/s，根据锡林浩特水文站实测资料统计，春汛最大洪峰流量57.4m3/s(1987年)，水深一般在0.50～1.00m之间。最大七日洪量为1560万m3(1987年)；夏汛最大洪峰流量为37.1m3/s(1992年)，最大七日洪量为612万m3(1998年)。洪水过程有单峰和多峰两种类型，以多峰洪水居多，春汛洪水历时15天左右，夏汛洪水历时相对短一些。每年1、2月份为断流期。本河段河水流量的多少取决于上游水库的控制及区间降水量的大小。本工程的厂址位于锡林浩特水库的下游河段，河道水源主要为水库下泄水。

2.2.5气象条件

锡林浩特地区属中温带半干旱大陆性气候。主要气象特征是寒冷、风大、干旱，具有冬寒、夏炎、温差大、无霜期短、冻土深、降雨量少、蒸发量大等特点。多年平均气温2.2℃，极端最高气温39.2℃，极端最低气温-42.4℃，多年平均降雨量286.1mm，多年平均蒸发量1805.1mm，多年平均气压901.6hPa。

50年一遇10m高10分钟平均最大风速采用：V2%=28.0m/s。

全年主导风向：SW（西南风）。

累年最大积雪深度为27cm，发生于1991年03月27日。

据1953～2000年实测资料统计，本地区土壤最大冻结深度为289cm，发生于1970年02月28日。

多年最长结冰日数273天，出现在1979年08月28日至19800年5月26日，统计年限为1979年至2003年。

其他有关数据如下：

累年最高气压92.60kPa(发生在2000年1月31日)

累年最低气压87.30kPa(发生在1990年7月8日)

年平均气压90.16kPa

累年极端最高气温39.2℃(发生于1999年7月28日)

累年极端最低气温-42.4℃(发生于1953年1月15日)

累年平均相对湿度58%

累年年最大降水量561.1mm(发生于1959年)

累年年最小降水量146.7mm(发生于1980年)

多年平均月最大降水量87.3mm(7月份)

多年平均月最小降雨量2.3mm(12月份)

累年年最大蒸发量2068.5mm(发生于1999年)

1520.9mm(发生于1959年)

多年逐月平均风速3.4m/s

多年逐月最大风速4.4m/s(4月份)

多年平均大风持续时间64天，最长一次大风持续时间101天。

多年最大风速23.0m/s(风向为WSW，出现于2002年3月20日)

多年平均沙尘暴出现天数6天(最多出现天数为11天)

多年平均雷暴出现天数37天(最多出现天数为49天)

2.3项目简介

本期工程安装2×660MW超超临界燃煤空冷汽轮发电机组，同步安装SCR脱硝装置。规划容量按4×660MW燃煤机组考虑，并预留扩建条件。机组主机采用直接空冷、辅机间接空冷技术，并同步建设烟气脱硫、脱硝设施。锅炉、汽轮机和发电机均由东方电气股份有限公司设计、制造和供货。

3.方案比选

3.1配置锅炉炉膛温度（场）测量系统的必要性

火电厂锅炉燃烧优化是火电厂安全、节能和减排的关键所在。长期来没有一种可靠和准确的测量炉膛温度（场）的手段，使优化燃烧失去直接监控和判别的依据。炉膛温度（场）测量的重要性表现为：

1）监控炉膛出口温度

防止出口温度过高导致过热器结焦和管壁超温；

防止启动时出口温度升高太快和烧坏处于无蒸汽流过的再热器管（干烧）；

监控出口温度判别水冷壁吸热情况优化吹灰控制；

控制不同负荷下的合理炉膛出口温度，合理分配辐射热和对流热的比例，减少过热器和再热器的喷水量，提高回热效率。

2）矫正燃烧不均衡

及时发现和矫正两侧烟温、汽温的偏差；

防止烟气偏向一侧导致该侧水冷壁磨损、结焦；

防止燃烧偏斜导致汽包水位两侧严重偏差，发生重大事故（据调查，燃烧偏斜有时可导致汽包水位左右侧实际偏差达100-200mm）；

防止局部过热而流渣。

3）提高燃烧效率

优化风煤比，将过量空气系数降低至合理范围内；

均衡各侧（角）燃烧器的风量分配；

控制火焰中心高度，使煤粉在炉膛内充分燃尽，又确保合理的热量分配；

为优化燃烧控制系统提供更直接判据，使优化系统更具可操作性。

4）降低污染物排放

防止出现局部火焰过热，降低NOx生成（当局部火焰温度达到1482℃时，NOx生成将成指数级增加）；

对于配置有脱硝装置的锅炉，由于烟气中NOx含量降低，可大大降低脱硝装置运行费用。

3.2传统炉膛温度测量装置的缺点

目前300MW及以上机组的锅炉均配供有价格昂贵的测量炉膛出口烟气温度的伸缩式温度计，但由于探针深入炉膛很长，笨重、易变形卡涩，故障率高，因此，许多电厂实际上已停用。探针受耐温限制，一般仅在锅炉启动时伸入炉膛测量出口烟气温度，当烟温达到一定值时，必须马上退出炉膛，因此，其允许使用温度范围和作用也有限。此外，由于受炉墙、焦渣和飞灰等辐射影响，误差大。

3.3结构对比

机械式烟温探针一般包括：支撑梁、驱动电机、探针、热电偶测温元件、行程开关、辅助托架、控制柜等。零部件多，重量达上百公斤。

红外烟温探针一般包括：红外测量探头，吹扫器、微处理器等。质量轻便，一般只有十公斤左右。

3.4测量原理对比

机械式烟温探针是一种将热电偶送入炉膛或烟道监测烟气温度的一种机电设备，热电偶固定在探针的头部，通过机械推进装置推动设备，在炉膛或烟道中移动，测量不同点的温度，热电偶将测得的温度通过传输线路，送到显示仪表盘上，同时位置转换器将热电偶在炉膛内的位置也上传到仪表盘，可实现就地和远方操作。主要用于锅炉启动期间，监视炉膛出口处的烟气温度，防止再热器管子烧坏，也可以作为辅助工具，测量炉膛低负荷运行时的烟气温度，

红外烟温探针传感器通过检测热的CO2气体来测温。煤在锅炉内燃烧时，所产生的烟气的成分主要包括二氧化碳（CO2）、一氧化碳（CO）、水蒸汽（H2O）、二氧化硫（SO2）、氮气（N2）、氮氧化物（NOx）、粉尘等等。成分复杂加之存在大气干扰和吸收，为了能准确测量烟气的温度，选择窄带红外光谱成为必然。CO2气体是煤燃烧后的产物，红外线炉膛温度计采用带有特殊设计的红外滤色镜的薄膜热电堆，经预先调整后，除CO2气体特殊红外光谱外，其他波长的红外能量都被滤除。

传感器“视”视场范围内的CO2气体为透明介质，红外遥感处于分子级受激态的热的CO2气体，当炉膛温度升高时，CO2气体在红外光谱段的激励也随之增加，传感器输出到带有数字显示表或4-20mA电流回路后，温度读数也相应上升。

3.5红外烟温探针的作用

3.5.1能够实现锅炉烟温实时在线监测系统

若干个传感器沿着烟气通道分别放置，借助计算机软件可获得整体锅炉温度平衡情况，能够实时监测锅炉出口烟气温度，这些数据经过处理可用于监视和控制锅炉性能。

3.5.2吹灰控制

实时的温度数据被传送到控制室，运行人员可利用这些数据制定自动吹灰方案，包括吹灰时间、顺序和频率，也可用于提示运行人员何时应开始手动吹灰操作。例如，当过路出口烟气温度超过原设计值时，这表明炉膛“脏”了，应该开始炉膛吹扫。而当锅炉出口烟气温度已经下降到低于原设计值时，吹扫应停止。过度的吹扫不仅浪费能源，而且还会增加水冷壁的吹灰腐蚀问题。监测炉膛出口烟气温度，对照蒸汽出口温度变化，可判断吹灰器的工作效果。可编制一个软件用以记录吹扫时间和烟气温度的历史数据。

3.5.3飞灰（液相）腐蚀控制

由于所有的煤都含有硫磺和碱金属，燃烧后产生的飞灰（液相）具有腐蚀性，特别是硫和氯含量超过3.5%和0.25%的煤。研究发现，飞灰干燥时硫酸盐的腐蚀性很小，而当半熔化时它能腐蚀过热器和再热器管所用的大多数合金钢。锅炉在高的炉膛出口烟温下运行，将使水冷壁因积灰而腐蚀加剧，这是水冷壁须保持清洁的直接原因。将锅炉出口烟气温度保持在低于灰软化温度最小值以下，确保进入对流烟道的干灰不会粘附在蒸汽管壁上，能减少高硫煤燃烧时对过热器潜在的煤灰腐蚀。

3.5.4防结焦

在点火初期结焦防止办法是当床温达到投煤温度时，应立即投煤，待燃烧稳定后停油，包括在事故处理过程中及时停油，使煤、油混燃时间缩短。传统测温设备响应时间较长，会延长这一混燃时间。红外线炉膛温度计信号输出响应时间为100毫秒，可大大缩短煤、油混燃时间，从而防止结焦现象的产生。并且达到降低投油量，节约生产成本的目的。

4.结论与建议

红外炉膛烟气温度测量装置能够取代机械式烟温探针，不仅在锅炉启动时，并且能在整个锅炉运行期间实现炉膛烟气温度在线实时测量，从而对锅炉的燃烧优化及监事提供了条件，虽然初期投资有所增加，但在长期运行在带来的效益是完全有理由让我们选择红外烟气温度测量装置。

参考文献

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[2]杨详良安连锁孙鑫强基于人工神经网络的电站锅炉积灰实时监测系统[J]动力工程学报，2010，30（3）2062209.

[3]沙占友 智能化集成温度传感器原理与应用 [M]北京：机械工业出版社 2002。

作者简介

和占强，（1985-），男，工程师，内蒙古大唐锡林浩特发电有限责任公司工程设备部热控。