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煤質(zhì)成分在線檢測裝置的應(yīng)用簡介論文
目前國內(nèi)火力發(fā)電機組燃煤煤質(zhì)變化非常大，各發(fā)電廠的燃煤中，統(tǒng)配煤約占60，其余40為自購煤，而電廠自購煤具有很大的隨意性，來煤煤種變化大、煤質(zhì)優(yōu)劣不齊，該種狀況短期內(nèi)難以發(fā)生轉(zhuǎn)變。
在煤質(zhì)多變的情況下，煤質(zhì)分析滯后，已嚴重影響到鍋爐的安全運行。火力發(fā)電廠現(xiàn)有煤質(zhì)分析基本為人工或機械取樣、人工制樣、人工化驗，送入鍋爐的煤質(zhì)數(shù)據(jù)只能在兩三天后才能得到，具有明顯的滯后性，對鍋爐安全運行及優(yōu)化調(diào)整來說已經(jīng)意義不大。在入廠煤結(jié)算時，人工取樣化驗的方法更是增加了時間成本，無法避免取樣誤差帶來的購煤風(fēng)險。
如何避免因煤質(zhì)原因造成鍋爐滅火事故、降低助燃用油、避免因鍋爐事故進而造成對電網(wǎng)的沖擊、如何快速了解入廠煤質(zhì)、降低采購風(fēng)險等，都是火力發(fā)電廠目前急需解決的重大問題。南京大陸中電科技股份有限公司開發(fā)的采用中子活化技術(shù)的MJA型煤質(zhì)成份在線檢測裝置，從根本上解決了上述難題。裝置能實現(xiàn)以下用途:
●能夠?qū)崿F(xiàn)全煤流在線煤質(zhì)檢測，在煤炭入爐前提供實時煤質(zhì)數(shù)據(jù)，指導(dǎo)鍋爐運行，避免事故，實現(xiàn)安全燃燒;
●在有條件的發(fā)電廠可以實現(xiàn)實時配煤，保證入爐煤質(zhì)穩(wěn)定，并符合機組負荷的要求;
●可以提供實時煤質(zhì)數(shù)據(jù)及未來數(shù)小時的煤質(zhì)變化趨勢預(yù)測，為運行人員實現(xiàn)優(yōu)化燃燒、實現(xiàn)經(jīng)濟運行提供數(shù)據(jù)支持;
●可以為鍋爐提供最經(jīng)濟燃用煤質(zhì)指導(dǎo)，從而幫助發(fā)電廠實現(xiàn)主動選煤、科學(xué)購煤。
隨著煤質(zhì)成分在線檢測裝置的推出，實時獲得輸煤皮帶上的燃煤煤質(zhì)成分成為了可能，使得鍋爐運行人員能夠及時了解當前所燃燒煤的元素成分和工業(yè)分析結(jié)果，可以變被動地調(diào)節(jié)燃燒系統(tǒng)為根據(jù)煤質(zhì)的工業(yè)特性及時主動地調(diào)節(jié)燃燒系統(tǒng)，盡可能減少煤的不完全燃燒熱損失。
下面結(jié)合公司首臺樣板工程——2003年在山東黃臺火力發(fā)電廠投入運行的MJA煤質(zhì)成分在線檢測裝置，進行簡要的介紹。
一、系統(tǒng)功能
(1)煤質(zhì)全元素、全指標、全方位實時檢測和顯示;
(2)鍋爐各層燃燒器入爐煤質(zhì)未來兩小時滾動預(yù)測和變化警示;
(3)鍋爐燃煤特性事故追憶和各班上煤、燃煤歷史數(shù)據(jù)統(tǒng)計及考核;
(4)上煤過程分爐、分倉計質(zhì)和計量顯示及考核;
(5)依據(jù)鍋爐燃煤實時計算鍋爐效率和為制粉系統(tǒng)提供指導(dǎo);
(6)對鍋爐燃煤進行實時煤質(zhì)特性診斷和為鍋爐提供燃燒優(yōu)化指導(dǎo);
(7)依據(jù)上煤過程的計質(zhì)、計量結(jié)果，為電廠實時配煤提供科學(xué)依據(jù);
(8)為DCS及MIS提供實時煤質(zhì)數(shù)據(jù)，使機組現(xiàn)有優(yōu)化模塊趨于完善等。
二、系統(tǒng)原理和結(jié)構(gòu)
1.MJA裝置的測量原理
煤質(zhì)成分在線檢測分析裝置采用中子發(fā)生器，利用中子感生瞬發(fā)γ射線分析技術(shù)，將熱中子俘獲反應(yīng)和快中子非彈散射反應(yīng)相結(jié)合，通過分析γ射線特征能量來識別核素種類，通過分析γ特征射線來確定煤中各種元素的含量，從而實現(xiàn)煤質(zhì)全元素成分的在線分析。原理圖如圖1。
2.MJA裝置的部件
系統(tǒng)構(gòu)成圖如圖2。整個系統(tǒng)主要由安裝在輸煤皮帶上的測量單元、防護單元、水份測量單元、限高單元以及系統(tǒng)控制柜和測量控制柜等組成。系統(tǒng)通過采集來自DCS及輸煤集控的信號，實現(xiàn)相關(guān)的燃燒優(yōu)化指導(dǎo)功能。
電子間中有兩個電子柜，其中A電子柜為控制單元，B電子柜為數(shù)據(jù)處理單元。通過電子柜A的屏幕中可以了解系統(tǒng)測量的各種情況，以及通過對軟件的操作對系統(tǒng)進行主要的控制動作(如開始測量，停止測量等)，同時整個系統(tǒng)電源供應(yīng)也由它提供。電子柜B中主要包括測量組件的控制以及數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)等。電子柜A和B有電源供應(yīng)以及信號通信的聯(lián)系。
測量組件安裝在輸煤皮帶上，皮帶從測量通道中穿過，為了強化安全，通道兩端添加了延伸防護體(圖3)。測量組件與電子柜B有兩條電纜相連，這兩條電纜的大致功能是為中子管和探測器提供電源，傳輸探測器信號以及控制指令。
微波水分測量儀安裝在測量組件的下游，從功能上分有兩個部分組成，即微波水分測量和煤流的質(zhì)量密度校正。水分儀的主要功能為直接測量煤流中的外水份。
三、軟件界面
1.煤質(zhì)全元素、全指標、全方位實時檢測和顯示
元素:系統(tǒng)能在線檢測煤炭中的12種元素成份。包括碳(C)、氫(H)、氧(0)、氮(N)、硫(S)、鋁(A1)、硅(Si)、鐵(Fe)、鈣(Ca)、鈦(Ti)、鈉(Na)、鉀(K)等。
指標:能在線分析煤炭中的工業(yè)分析指標、灰成份及特種指標。包括水分(Mar、Mad)、灰分(Aad)、揮發(fā)份(Vad)、固定碳(Fcad)、發(fā)熱量(Qnet，ad)等工業(yè)分析指標，能提供多種"基"的變換;包括SiO2、Fe2O3、Al203、TiO2、CaO、Na2O、K20等灰成份分析;包括煤的著火溫度(Td)、著火穩(wěn)定性指數(shù)(Rw)、燃燼特性指數(shù)(Rj）、灰成分綜合指數(shù)(Rz)、灰軟化溫度(t2)等特種指標。
全方位:能夠?qū)斆浩幍娜毫鬟M行實時檢測，能夠?qū)δッ簷C入口處煤質(zhì)進行實時判定，能夠?qū)﹀仩t每層燃燒器噴口處煤質(zhì)及鍋爐的經(jīng)濟性能進行實時診斷。
2.鍋爐各層燃燒器入爐煤質(zhì)未來兩小時滾動預(yù)測和變化警示
同層燃燒器煤質(zhì)顯示:系統(tǒng)能夠?qū)﹀仩t當前投用的不同層燃燒器噴口處煤質(zhì)進行分析診斷。
未來兩小時煤質(zhì)滾動預(yù)測:系統(tǒng)能夠?qū)ξ磥韮尚r不同燃燒器噴口的煤質(zhì)實時滾動預(yù)測。
變化警示:畫面同時顯示某一煤質(zhì)指標的建議安全運行范圍，具有越限報警功能，為運行人員提供了運行調(diào)整的依據(jù)。
3.鍋爐燃煤煤質(zhì)特性事故追憶和各班上煤、燃煤歷史數(shù)據(jù)統(tǒng)計及考核
事故追憶:能夠?qū)κ鹿势陂g鍋爐不同層燃燒器燃煤數(shù)據(jù)進行歷史記錄，便于鍋爐事故追憶。
數(shù)據(jù)統(tǒng)計及考核:系統(tǒng)能夠?qū)﹄姀S7、8號爐的三班上煤過程進行數(shù)據(jù)統(tǒng)計，便于管理考核。為了方便運行人員及時了解過去一段時間的鍋爐上煤情況，我們利用每次上煤結(jié)束算得的煤質(zhì)加權(quán)平均值，結(jié)合每次上煤的總煤重，在每個班次結(jié)束時計算出班次的加權(quán)平均煤質(zhì)數(shù)據(jù)，以及在一天結(jié)束時(第二天凌晨一點時)計算出當日的加權(quán)平均煤質(zhì)數(shù)據(jù)，形成EXCEL報表文件，便于管理考核。
4.實現(xiàn)上煤過程分爐、分倉計質(zhì)和計量顯示及考核
分爐及分倉:系統(tǒng)通過對皮帶狀態(tài)信號、犁煤器狀態(tài)信號的判斷，實現(xiàn)上煤過程的分爐及分倉判斷。系統(tǒng)畫面實時顯示上煤鍋爐及煤倉名稱，這部分為鍋爐燃燒器煤質(zhì)預(yù)測提供了判斷依據(jù)。
計質(zhì)及計量:系統(tǒng)通過對皮帶秤及給煤機信號的計算處理，實現(xiàn)了對已經(jīng)過MJA測量的煤進行煤質(zhì)及煤量的計質(zhì)及計量，便于考核管理。系統(tǒng)畫面通過色彩實時顯示原煤倉主要煤質(zhì)指標的變化，為制粉系統(tǒng)及鍋爐燃燒提供運行調(diào)整依據(jù)。
5.依據(jù)鍋爐燃煤實時計算鍋爐效率和為制粉系統(tǒng)提供指導(dǎo)
實時計算鍋爐效率:系統(tǒng)根據(jù)鍋爐當前燃燒煤質(zhì)，對鍋爐效率進行實時計算，包括鍋爐的燃燒損失計算。
為制粉系統(tǒng)提供指導(dǎo):根據(jù)制粉系統(tǒng)當前煤質(zhì)情況，系統(tǒng)提供相應(yīng)的運行建議，包括水份、灰份對磨煤機出力的影響評價、建議磨煤機出口溫度和經(jīng)濟煤粉細度等。
6.對鍋爐燃煤進行實時煤質(zhì)特性診斷和為鍋爐提供燃燒優(yōu)化指導(dǎo)
實時煤質(zhì)特性診斷：根據(jù)鍋爐每層燃燒器噴口處煤質(zhì)，對入爐煤的著火溫度、著火穩(wěn)定性指數(shù)、燃燼特性指數(shù)及灰成份綜合指數(shù)進行診斷，界面通過進度顯示的方式告訴運行人員煤質(zhì)的著火難易程度、火焰穩(wěn)定性、燃燼特性及煤的結(jié)渣傾向等。同時，系統(tǒng)提供鍋爐效率等機組經(jīng)濟性能診斷。運行人員能夠根據(jù)當前鍋爐的燃燒煤質(zhì)情況及時對運行參數(shù)作出優(yōu)化調(diào)整。
燃燒優(yōu)化指導(dǎo):依據(jù)煤質(zhì)鍋爐耦合模型，為運行人員提供燃燒優(yōu)化指導(dǎo)。該模塊的原理是通過對大量鍋爐燃煤及鍋爐主要運行參數(shù)的分析，運用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分析技術(shù)，對機組主要運行指標與選定煤質(zhì)指標進行相關(guān)性分析，確定不同煤質(zhì)指標對機組主要運行參數(shù)的影響模型，提出實現(xiàn)優(yōu)化目標(機組主要運行指標)的相關(guān)建議操作，提供操作改變后的系統(tǒng)主要運行指標預(yù)測值。
7.依據(jù)上煤過程的計質(zhì)、計量結(jié)果，為電廠實時配煤提供科學(xué)依據(jù)
依據(jù)煤質(zhì)測量結(jié)果，根據(jù)鍋爐設(shè)計煤種及實時運行經(jīng)驗，為配煤過程提供直接指導(dǎo)，告訴上煤運行人員哪些主要煤質(zhì)指標需要調(diào)整，根據(jù)當前煤質(zhì)，提出具體的配制比例及重量，通過程控系統(tǒng)優(yōu)化配煤過程。
8.為DCS及MIS提供實時煤質(zhì)數(shù)據(jù)，使機組現(xiàn)有優(yōu)化模塊趨于完善由于DCS或MIS系統(tǒng)采用了鍋爐燃煤的實時數(shù)據(jù)，使機組現(xiàn)有的實時性能診斷、實時成本計算等功能趨于完善。
四、經(jīng)濟性分析
1.指導(dǎo)優(yōu)化燃燒
(1)安全性效益
a)非計劃停機
據(jù)統(tǒng)計，在鍋爐每年發(fā)生的非計劃停機中，至少有一次是因為煤質(zhì)突然變化造成的。在發(fā)生非計劃停機后，會產(chǎn)生如下幾項損失:
點火用油損失:冷態(tài)點火用油約100噸，熱態(tài)點火用油約45噸，按每年平均70噸、每噸5000元計算，需要花費35萬元/年;
少發(fā)電損失:按冷態(tài)啟動12小時、熱態(tài)2小時、每KWh電力0.2元計算，兩臺300MW機組每年要損失24～144萬元;
電網(wǎng)罰款:發(fā)生非計劃停機后，可能會遭到電網(wǎng)的罰款，按每年0～5萬元計算。
上述三項合計可節(jié)約費用59～184萬元/年。
b)維護燃燒過程安全
煤質(zhì)發(fā)生突然變化時，如果燃燒調(diào)整不及時可能會導(dǎo)致爐管高溫腐蝕以及結(jié)焦等事故。按照兩臺300MW機組每臺每年因結(jié)焦和高溫腐蝕分別造成100萬元損失、而安裝MJA裝置后可以減少25損失計算，每年共可以節(jié)約費用100萬元。
(2)經(jīng)濟性效益
a)提高鍋爐效率
通過及時根據(jù)煤質(zhì)情況調(diào)整燃燒，可以提高鍋爐效率。按照兩臺300MW機組鍋爐效率提高0.4計算，每年可以創(chuàng)造105～160萬元的效益。
b)減少制粉系統(tǒng)電耗及制粉系統(tǒng)維護費用按兩臺300MW機組制粉系統(tǒng)平均降低電耗1.25kWh/t計算，每年可節(jié)約費用30～40萬元。按全年維護費用130萬元、安裝MJA裝置后可以減少30計算，共可以節(jié)約費用39萬元/年。
2.指導(dǎo)上煤和配煤
通過實時檢測上煤煤質(zhì)數(shù)據(jù)，可以實現(xiàn)反饋控制或者指導(dǎo)高效摻燒優(yōu)質(zhì)煤和劣質(zhì)煤。按全部燃用優(yōu)質(zhì)煤與優(yōu)質(zhì)煤和劣質(zhì)煤各50摻燒、普通優(yōu)質(zhì)煤與劣質(zhì)煤價格相差35元/噸、兩臺300MW機組每臺日耗煤量800噸計算，每年可以節(jié)省費用100～1000萬元。
五、總結(jié)
隨著工業(yè)的不斷發(fā)展，煤炭能源已日趨緊張，燃煤用戶愈加注重煤炭的質(zhì)量成分及燃燒效率，煤質(zhì)成分在線檢測裝置亦被越來越多的用煤大戶關(guān)注并采用。該裝置的啟用將會給企業(yè)和社會帶來巨大的經(jīng)濟效益和社會效益。
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