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一種更為精確的燃燒效率評估&控制方法

介紹瞭國內火電廠在燃燒效率評估&控制方麵所普遍采用的基本方式以及計算方法。通過對具體情況的研究與分析，結合發達國傢的應用技術及相關經驗，從過程控制參數的角度介紹瞭一種更為簡單、精確、可操作性更強的燃燒效率評估&控制方法。

附錄：關於選購和操作燃燒效率檢測(監測)機器的幾點建議

去年以來，全國各地普遍出現瞭電力供應緊張的局麵。而在我國，火力發電量占總發電量的80%以上。國傢電力監管委員會主席柴松嶽在4月17日接受新華社記者專訪時做表示：當前我國電力高速增長，但電力發展中存在的高投入、低產出、高消耗等問題沒有得到根本解決。根據有關部門的統計，去年1至9月份中央電力企業銷售收入同比增長17.4%，成本費用增長18.5%，火電供電煤耗比國際先進水平高22.5%。
2003年6月，全國火力發電量1174.81億千瓦時。假定以此為平均值，則全年火力發電量將達到14097.72億千瓦時。2002年，全國平均供電煤耗比為344克/千瓦時。假定也以此為平均值，則2003年全國電煤消耗量將達到4.85億噸。也就是說，僅僅通過降低火電煤耗比一項，全國每年電煤的潛在節約量就可達到1.09億噸！幾乎可以抵消電力需求增長所帶來的電煤消耗。
從燃燒效率控制的角度來講，降低火電煤耗比的方法有二：一是從硬件入手，通過電廠設備的更新換代來提高燃燒效率。這種方法因為周期長、資金投入及工程量大而比較難以實現；二是從過程控制入手，在現有設備和技術條件的基礎上，通過對燃燒過程控制參數的精密監測與調節來優化燃燒過程、提高燃燒效率。相比之下，後者的優勢顯而易見。
由於工作原因，筆者在過去的五年裡曾先後走訪過遼寧、內蒙、北京、河北、天津、山東、安徽、江蘇、浙江、江西、廣西、廣州等地的一些電廠和電力試驗研究所等。結果發現幾乎所有相關單位都還在沿用“餘氧法”這一較為陳舊的燃燒效率評估&控制方法。
在“餘氧法”中，燃燒效率(E)的計算方法為(英國標準)：
公式1

由以上公式可以看出，決定燃燒效率的主要參數分別為排煙溫度、助燃空氣溫度以及煙氣中的餘氧含量。
在實際的發電系統中都安裝有熱交換器，利用煙氣餘熱對助燃空氣進行預熱。其目的就是降低排煙溫度、提高助燃空氣溫度，進而提高燃燒效率。關於這方麵的問題，我們暫不討論。下麵著重討論一下餘氧含量的問題
從理論上講，隻有當助燃空氣中的氧氣含量和燃料中碳的含量恰好匹配、煙氣中的二氧化碳含量達到最大值時，燃燒效率最高。此時的助燃空氣配給量稱為理論空氣。對於燃煤鍋爐而言，在理想狀態下，燃燒過程所排放出的煙氣中應該隻含有二氧化碳、水蒸氣以及來自助燃空氣的氮氣(N2)。換句話說，如果煙氣中含有氧氣(O2)，則表明助燃空氣過多，或者稱之為空氣過剩。當空氣嚴重過剩時，將造成煙氣排放量大幅度增加，在將大量熱量帶走並釋放到大氣中的同時，還造成爐膛溫度下降，大幅度地降低燃燒和發電效率；反之，如果空氣供給量不足，則助燃空氣中的氧不足以將燃料中所含有的碳全部轉化為二氧化碳，從而導致不完全燃燒，在降低燃燒效率、加重煙氣排放所造成的環境污染的同時還會影響鍋爐運轉的穩定性和安全性。
在實際燃燒過程中，助燃空氣配給量總是要大於理論空氣量；也就是說空氣過剩。過剩空氣系數就是一個用來描述實際助燃空氣配給量和理論空氣配給量之間的比率的概念。既然空氣過剩，那麼煙氣中就必然含有一定濃度的氧氣，即餘氧。通過測量餘氧含量，我們就可以根據公式2折算出過剩空氣系數。而過剩空氣系數也隨之成為控制燃燒效率的一個最重要的參數。
過剩空氣和燃燒效率的對應關系如下圖所示：


從以上介紹中可以看到，在排煙溫度一定的情況下，煙氣中的O2實測濃度(餘氧含量)幾乎成為燃燒效率評估&控制的唯一參數。
然而，對於一套具體的燃燒系統而言，爐膛溫度、鍋爐負荷、燃料/空氣混合均勻程度、燃料的化學成分及其在燃燒室內的停留時間等參數都是變量，而這些變量又對最佳過剩空氣系數有著決定性的影響。因此，確定最佳過剩空氣系數實際上是一項相當復雜而且可操作性較差的任務。也正是由於這個原因，我國的絕大部分火力發電廠在實際操作中都是采用經驗值控制法，即通過監測煙氣中的氧氣(O2)實測濃度(餘氧含量)將過剩空氣系數控制在某一經驗值上下，很難實現對燃燒效率的精確控制。另一方麵，當運行於較高的氧氣設定點時，雖然燃料浪費非常嚴重，但是鍋爐運行狀態將會比較平穩，安全性較高；而且當鍋爐運行於最佳氧氣設定點時，不但在測量與控制方麵要求更為嚴格，而且一旦控制出現偏差，尤其是氧氣設定點偏低時，將會對鍋爐運行的穩定性產生影響，嚴重時甚至導致熄火。由於管理體制、技術水平等多方麵的原因，幾乎所有國有電廠都更傾向於采用前者。
對於燃煤電廠，效率計算公式2中的K1=0.63，K2=18.6，K3=3.0。假定Ts(排煙溫度)為120℃，Ta(助燃空氣溫度)為60℃，則該公式將演變為：

假定鍋爐運行在最佳效率狀態下時的煙氣含氧量為5%，則當含氧量超標2%時(國產氧化鋯的長期穩定性實際上往往還達不到±2%)，鍋爐的燃燒效率就將降低0.38%。以2003年全國電煤4.85億噸的消耗量計算，0.38%就意味著184.3萬噸！在全球范圍內的能源危機日益加重、燃料供應日趨緊張的今天，這種浪費是多麼的觸目驚心！
針對“餘氧法”在操作上難度較大、無法對燃燒效率進行精確控制的缺點，歐、美等國在長期理論研究和科學試驗的基礎上總結出瞭一套全新的燃燒效率監測&控制方法。該方法可以從圖2到解釋。

從圖中我們可以看出，為瞭使系統保持在最佳燃燒狀態，當負荷發生變化時，氧氣設定點(即過剩空氣系數)亦必須隨之發生變化。而正如前麵所說的那樣，確定某一穩定狀態下的氧氣設定點尚且是一項非常困難的任務，更遑論麵對一個動態的系統？
但是，如果仔細研究一下圖2，我們就會發現：與氧氣設定點不同，無論鍋爐的運行狀態如何變化，當系統處於最佳燃燒狀態時，煙氣中的一氧化碳(CO)含量將始終保持在某一范圍內。這一相對固定的范圍稱為一氧化碳控制帶。對於燃煤鍋爐而言，這一濃度范圍介於50~300ppm之間。
為什麼會出現這樣的情況呢？人們可能禁不住要問：當燃燒過程中有一氧化碳產生時，不是表明空氣供給量不足，出現瞭不完全燃燒現象嗎？這種情況下怎麼能說系統處於最佳燃燒狀態呢？
實際上，理論空氣的計算是基於一種非常理想的燃燒狀態。在實際的燃燒系統中，由於受到燃料與助燃空氣混合均勻程度、燃料在爐膛內部的停留(燃燒)時間和燃燒溫度的影響，即使在助燃空氣的配給量恰到好處的情況下，燃燒過程仍然會產生一定濃度的一氧化碳。從燃燒效率控制的角度上講，如果煙氣中檢測不到一氧化碳，則表明燃燒過程實際上已經處於空氣嚴重過剩狀態。而由於前述原因，國內的大部分火力發電廠正是運行在這一狀態下。可以說，這正是我國火電供電煤耗比遠遠高於國際先進水平的主要原因之一。
也就是說，隻要把煙氣中的一氧化碳(CO)含量控制在某一最佳范圍內，就可以保證系統始終處於最佳燃燒狀態而無需考慮其它因素。顯而易見，較之‘餘氧法’，‘一氧化碳(CO)控制法’可以大大簡化操作流程、提高控制精度，從而顯著改善燃燒狀態，提高燃煤的利用率，為企業帶來極高的經濟和環保效益。

附錄：關於選購和操作燃燒效率檢測(監測)機器的幾點建議
選購：燃燒效率檢測(監測)機器在歐、美等發達國傢已經有很長的發展歷史，產品本身已經非常成熟。而國產的此類設備都是在近幾年才陸續開發出來的，其核心部件---傳感器幾乎全部依賴進口。由於以上原因，盡管兩者在性能參數方麵可以說是在伯仲之間，但後者在適用性、穩定性以及耐用性方麵確實存在著不足之處。其優點是價格便宜，通常隻有進口設備的2/3左右。
操作：由於制造水平上的差異，進口設備在操作上幾乎沒有什麼特別的要求，也很少受工作條件如溫度、濕度等的影響，總體故障率也較低，通常每3個月標定一次即可。國產設備較易受到溫濕度等工作條件的影響，穩定性較差。建議適當縮短標定周期，如每月標定一次。
還應該註意的是，歐美各國所采用的效率計算公式各不相同，因而對同一測量對象往往也會等到不同的測量結果。使用時必須首先掌握相關的專業知識，不可盲目對比。