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[摘 要]电厂的最大运行成本来自煤炭消耗，精益化管理的重要目标是机组运行的高度灵活性、高效率、高可用性和低排放。如何控制运行成本，降低污染物排放，提高安全运行水平，成为我国电力企业的重要任务。微波法测量煤粉流量技术由于其非介入式测量和基本不受煤种、颗粒粒径、流场流型变化影响的特性，近年来技术研发获得突破，在国外电站锅炉上迅速得到工程化应用。
[关键词]节能 空燃比优化 微波测量法 氧量
中图分类号：TG155.1 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2016）06-0378-01
一、应用背景
随着资源的日益紧缺，生产成本高涨，低碳经济的发展，越来越多的中国企业必将超越原来的粗放式管理，进一步追求精益化管理，当前我国发电仍以燃煤电厂为主，燃煤电厂的煤耗占全国煤炭消耗总量的50%以上。电厂的最大运行成本来自煤炭消耗，精益化管理的重要目标是机组运行的高度灵活性、高效率、高可用性和低排放。如何控制运行成本，降低污染物排放，提高安全运行水平，成为我国电力企业的重要任务。
从我国电厂运行实践来看，电站锅炉运行管理仍有较大的提升空间，燃烧过程尚有大量未受控制的、未识别的变量严重影响电站高效环保安全运行。电站锅炉风粉系统的分配均衡调整一直是影响锅炉运行的重要因素，风粉系统分配失衡容易造成炉内火焰失衡、着火不稳定、局部火焰温度过高，进而影响锅炉效率和污染物排放水平。
电站锅炉煤粉管道内的煤粉流量计量、煤粉颗粒的速度和尺寸分布对锅炉燃烧影响很大，能够显著影响着火时间、燃烧热效率、未燃尽率和烟气排放，对于锅炉腐蚀和结焦也有影响。一次风管道内的气固颗粒两相流动长期以来缺乏准确可行的测量手段，缺乏能适应工程现场条件的、可靠的实时在线煤粉流量和粒度测量系统。
热平衡法、称重法等常规流量计量方法应用场合和响应快捷性受限，微波法、电容法、感应电势法、激光法、超声波法等现代测量技术正在研究发展中，其中微波法测量煤粉流量技术由于其非介入式测量和基本不受煤种、颗粒粒径、流场流型变化影响的特性，近年来技术研发获得突破，在国外电站锅炉上迅速得到工程化应用。
二、机组设备概况
阜阳华润电厂两台640MW超临界参数变压运行直流炉，单炉膛、一次再热、平衡通风、露天布置、固態排渣、全钢构架、全悬吊结构Π型锅炉。本锅炉四台双进双出钢球磨煤机，燃烧器采用三井巴布科克公司的低NOx轴向旋流煤粉燃烧器技术，燃烧方式采用前后墙对冲燃烧。前后墙布置4层，每层各有4只LNASB燃烧器，总共32只。在最上层煤粉燃烧器上方，前后墙各布置1层燃尽风喷口，每层布置7只，共14只燃尽风口。
三、电站锅炉总空燃比管理优化系统概况
电站锅炉总空燃比管理优化系统（Total AFRManagement），以锅炉煤粉流量与细度在线测量和风粉分配均衡调整技术为核心，能够实时监测锅炉燃烧系统的一次风管道煤粉/空气质量流量并进行平衡优化，对管内煤粉细度进行在线测量，结合智能检测与虚拟探测器技术，以及独有的在汽车发动机和空间科学技术中得到成功运用的建模方法，使每个燃烧器处在设定的最佳空燃比下运行，实现锅炉燃烧优化。
可达到的优化效果包括降低运行过氧量水平，降低锅炉飞灰含碳率，稳定燃烧工况，减少主蒸汽温度波动，减少减温水使用量，降低厂用电率，平衡汽水分离器两侧出口温度、主再热蒸汽两侧温度及锅炉内部燃烧工况，能够显著提高锅炉效率和安全性，有效支持降低燃烧过程产生的氮氧化物（NOx） 水平，为大型电站锅炉的安全高效环保运行提供解决方案，已在国外数十座燃煤电站得到成功应用。
四、项目拟采用的技术和措施
针对华润阜阳电厂的设备和运行实际情况，定制了电站锅炉总空燃比TM管理优化的解决方案，形成成套设备齐全、闭环控制系统，自动调节燃煤蒸汽发电机的空气燃料比（空燃比）至预定义的设定值，确定至单独燃烧器的煤量和风量，计算各自的空气燃料比，并通过DCS开始调节二次风门位置，以达到并保持要求的空燃比。很好地控制单个燃烧器级空燃比设置，使得电厂运行人员可以减少过氧量水平，这样可提高效率、降低NOx排放。
（一）、EUcoalflow煤粉流量测量
EUcoalflow是一种基于微波技术的煤粉流量测量系统，使用非接触式的探头实时动态连续测量每根一次风管内的质量流量，从而为平衡管与管间的流量和调控燃烧器空燃比提供量化依据。
（二）锅炉总空燃比管理优化调整策略如下：
1. 对同层各燃烧器一次风管煤粉流量进行静态调整，根据ECF读数（煤粉流量的实时测量），调节磨煤机之后每根煤粉管道上的缩孔阀，同层各燃烧器的一次风煤粉流量尽可能配平。
2. 运行时，提供至每台燃烧器的一次风（PA）量和二次风（SA）量的实时测量。这样，连同煤粉流量，总空燃比管理系统计算每台燃烧器各自的空气燃料比。
3. 有了该信息，通过控制每一层和每一边的二次风挡板配平位置自动调整空气燃料比（AFR），每台燃烧器保持几乎恒定的空燃比。应用总空燃比管理与DCS系统之间的双向接口，进行该项调整。
4. 由EUcoalsizer（煤粉细度测量仪）周期性获得的煤粉细度信息能够通过总空燃比管理系统控制界面输入，用于对总空燃比管理优化调整策略进行细化调整。
5. 由于阜阳电厂使用的双进双出磨煤机，即便采用不同煤质的煤进行混烧，同层各燃烧器的煤粉大致是同质的，不同种类的煤粉混合以及煤质的变化不会影响总空燃比管理系统的运行和性能。但是，如果将煤粉种类信息提供到总空燃比管理用户界面，控制策略会被自动调整，这样，燃烧过程会获得更好的改善。
五、项目收益测算和监测方法
在生产方面，通过电厂负荷系数和单位功率可得到实际的发电量。如果EUcoalflow和EUcoalsizer系统得到最佳应用（内部的基础数据），可以使用2%有效性的改善来计算优化的年发电量。
财务分析从引入煤的实际成本、发电量、机会成本（损失的利润、设成发电成本的10%、每千瓦时煤的成本）开始。
根据燃料数据、参考数据和最优方法，通过使用电站锅炉总空燃比TM管理优化系统，我们可以计算或得到过氧量、蒸汽、未燃尽率、燃料和CO2的目标减少量。通过节省的结果，不仅可以得到百分比数值，还可得到计算出的kJ/kWh（热效率的改善），进而得到项目年度收益。通过项目实施，可实现煤耗降低不低于0.31%，未燃尽率降低不低于0.25%，氧量降低不低于0.25%，可用率提高不低于1%，年实现项目直接收益不低于606.7万元。
六、总结
总空燃比管理系统是成套的闭环控制系统，自动调节电站燃煤锅炉的空气燃料比（空燃比）至预定义的设定值。总空燃比决定至单独燃烧器的煤量和风量，计算各自的空气燃料比，并通过DCS开始调节二次风门位置，以达到并保持要求的空燃比。很好地控制空燃比设置，使得电厂运行人员可以减少过氧量水平，这样可提高效率、降低NOx排放。
炉燃烧器煤粉分配的平衡性、细度以及燃料/空气的比例能够显著的影响到锅炉热效率。这些参数能影响煤粉着火、燃烧效率、导致结焦，并影响排放，此外磨损和疲劳应力都能造成锅炉性能的严重下降。
电站锅炉总空燃比TM管理优化系统的有效使用，可以监督磨煤机的运行状态，能立即从流量的变化中发现问题，监视每根管路内流量的稳定平衡，对机组配风进行连续的动态调整，能够全面地掌握煤粉流量的状态，从而优化燃烧过程，过氧量和未燃尽率都能得到改进，显著的提高热效率并降低排放。除了能增加非常可观的直接经济效益外，装置还能提高机组的可维护性，可用性，帮助锅炉燃烧系统处于最佳状态，实现提高效率、降低NOx等污染物排放水平的目的。
[关键词]节能 空燃比优化 微波测量法 氧量
中图分类号：TG155.1 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2016）06-0378-01
一、应用背景
随着资源的日益紧缺，生产成本高涨，低碳经济的发展，越来越多的中国企业必将超越原来的粗放式管理，进一步追求精益化管理，当前我国发电仍以燃煤电厂为主，燃煤电厂的煤耗占全国煤炭消耗总量的50%以上。电厂的最大运行成本来自煤炭消耗，精益化管理的重要目标是机组运行的高度灵活性、高效率、高可用性和低排放。如何控制运行成本，降低污染物排放，提高安全运行水平，成为我国电力企业的重要任务。
从我国电厂运行实践来看，电站锅炉运行管理仍有较大的提升空间，燃烧过程尚有大量未受控制的、未识别的变量严重影响电站高效环保安全运行。电站锅炉风粉系统的分配均衡调整一直是影响锅炉运行的重要因素，风粉系统分配失衡容易造成炉内火焰失衡、着火不稳定、局部火焰温度过高，进而影响锅炉效率和污染物排放水平。
电站锅炉煤粉管道内的煤粉流量计量、煤粉颗粒的速度和尺寸分布对锅炉燃烧影响很大，能够显著影响着火时间、燃烧热效率、未燃尽率和烟气排放，对于锅炉腐蚀和结焦也有影响。一次风管道内的气固颗粒两相流动长期以来缺乏准确可行的测量手段，缺乏能适应工程现场条件的、可靠的实时在线煤粉流量和粒度测量系统。
热平衡法、称重法等常规流量计量方法应用场合和响应快捷性受限，微波法、电容法、感应电势法、激光法、超声波法等现代测量技术正在研究发展中，其中微波法测量煤粉流量技术由于其非介入式测量和基本不受煤种、颗粒粒径、流场流型变化影响的特性，近年来技术研发获得突破，在国外电站锅炉上迅速得到工程化应用。
二、机组设备概况
阜阳华润电厂两台640MW超临界参数变压运行直流炉，单炉膛、一次再热、平衡通风、露天布置、固態排渣、全钢构架、全悬吊结构Π型锅炉。本锅炉四台双进双出钢球磨煤机，燃烧器采用三井巴布科克公司的低NOx轴向旋流煤粉燃烧器技术，燃烧方式采用前后墙对冲燃烧。前后墙布置4层，每层各有4只LNASB燃烧器，总共32只。在最上层煤粉燃烧器上方，前后墙各布置1层燃尽风喷口，每层布置7只，共14只燃尽风口。
三、电站锅炉总空燃比管理优化系统概况
电站锅炉总空燃比管理优化系统（Total AFRManagement），以锅炉煤粉流量与细度在线测量和风粉分配均衡调整技术为核心，能够实时监测锅炉燃烧系统的一次风管道煤粉/空气质量流量并进行平衡优化，对管内煤粉细度进行在线测量，结合智能检测与虚拟探测器技术，以及独有的在汽车发动机和空间科学技术中得到成功运用的建模方法，使每个燃烧器处在设定的最佳空燃比下运行，实现锅炉燃烧优化。
可达到的优化效果包括降低运行过氧量水平，降低锅炉飞灰含碳率，稳定燃烧工况，减少主蒸汽温度波动，减少减温水使用量，降低厂用电率，平衡汽水分离器两侧出口温度、主再热蒸汽两侧温度及锅炉内部燃烧工况，能够显著提高锅炉效率和安全性，有效支持降低燃烧过程产生的氮氧化物（NOx） 水平，为大型电站锅炉的安全高效环保运行提供解决方案，已在国外数十座燃煤电站得到成功应用。
四、项目拟采用的技术和措施
针对华润阜阳电厂的设备和运行实际情况，定制了电站锅炉总空燃比TM管理优化的解决方案，形成成套设备齐全、闭环控制系统，自动调节燃煤蒸汽发电机的空气燃料比（空燃比）至预定义的设定值，确定至单独燃烧器的煤量和风量，计算各自的空气燃料比，并通过DCS开始调节二次风门位置，以达到并保持要求的空燃比。很好地控制单个燃烧器级空燃比设置，使得电厂运行人员可以减少过氧量水平，这样可提高效率、降低NOx排放。
（一）、EUcoalflow煤粉流量测量
EUcoalflow是一种基于微波技术的煤粉流量测量系统，使用非接触式的探头实时动态连续测量每根一次风管内的质量流量，从而为平衡管与管间的流量和调控燃烧器空燃比提供量化依据。
（二）锅炉总空燃比管理优化调整策略如下：
1. 对同层各燃烧器一次风管煤粉流量进行静态调整，根据ECF读数（煤粉流量的实时测量），调节磨煤机之后每根煤粉管道上的缩孔阀，同层各燃烧器的一次风煤粉流量尽可能配平。
2. 运行时，提供至每台燃烧器的一次风（PA）量和二次风（SA）量的实时测量。这样，连同煤粉流量，总空燃比管理系统计算每台燃烧器各自的空气燃料比。
3. 有了该信息，通过控制每一层和每一边的二次风挡板配平位置自动调整空气燃料比（AFR），每台燃烧器保持几乎恒定的空燃比。应用总空燃比管理与DCS系统之间的双向接口，进行该项调整。
4. 由EUcoalsizer（煤粉细度测量仪）周期性获得的煤粉细度信息能够通过总空燃比管理系统控制界面输入，用于对总空燃比管理优化调整策略进行细化调整。
5. 由于阜阳电厂使用的双进双出磨煤机，即便采用不同煤质的煤进行混烧，同层各燃烧器的煤粉大致是同质的，不同种类的煤粉混合以及煤质的变化不会影响总空燃比管理系统的运行和性能。但是，如果将煤粉种类信息提供到总空燃比管理用户界面，控制策略会被自动调整，这样，燃烧过程会获得更好的改善。
五、项目收益测算和监测方法
在生产方面，通过电厂负荷系数和单位功率可得到实际的发电量。如果EUcoalflow和EUcoalsizer系统得到最佳应用（内部的基础数据），可以使用2%有效性的改善来计算优化的年发电量。
财务分析从引入煤的实际成本、发电量、机会成本（损失的利润、设成发电成本的10%、每千瓦时煤的成本）开始。
根据燃料数据、参考数据和最优方法，通过使用电站锅炉总空燃比TM管理优化系统，我们可以计算或得到过氧量、蒸汽、未燃尽率、燃料和CO2的目标减少量。通过节省的结果，不仅可以得到百分比数值，还可得到计算出的kJ/kWh（热效率的改善），进而得到项目年度收益。通过项目实施，可实现煤耗降低不低于0.31%，未燃尽率降低不低于0.25%，氧量降低不低于0.25%，可用率提高不低于1%，年实现项目直接收益不低于606.7万元。
六、总结
总空燃比管理系统是成套的闭环控制系统，自动调节电站燃煤锅炉的空气燃料比（空燃比）至预定义的设定值。总空燃比决定至单独燃烧器的煤量和风量，计算各自的空气燃料比，并通过DCS开始调节二次风门位置，以达到并保持要求的空燃比。很好地控制空燃比设置，使得电厂运行人员可以减少过氧量水平，这样可提高效率、降低NOx排放。
炉燃烧器煤粉分配的平衡性、细度以及燃料/空气的比例能够显著的影响到锅炉热效率。这些参数能影响煤粉着火、燃烧效率、导致结焦，并影响排放，此外磨损和疲劳应力都能造成锅炉性能的严重下降。
电站锅炉总空燃比TM管理优化系统的有效使用，可以监督磨煤机的运行状态，能立即从流量的变化中发现问题，监视每根管路内流量的稳定平衡，对机组配风进行连续的动态调整，能够全面地掌握煤粉流量的状态，从而优化燃烧过程，过氧量和未燃尽率都能得到改进，显著的提高热效率并降低排放。除了能增加非常可观的直接经济效益外，装置还能提高机组的可维护性，可用性，帮助锅炉燃烧系统处于最佳状态，实现提高效率、降低NOx等污染物排放水平的目的。