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          一、概   述


                我國燃煤電廠普遍存在著燃煤與鍋爐設計煤種不相符的現象,二者甚至相差很大,這不僅降低了鍋爐燃燒效率,而且嚴重地影響了鍋爐運行安全;同時,為了有效節約能源、降低成本,電廠常使用混配煤,混配煤的煤質是否達到設計煤質,決定著鍋爐的燃燒效率和運行安全,因此煤質檢測和用煤管理在燃煤電廠相當重要。我國火電廠煤質檢測多采用傳統的實驗室分析的方法對煤樣進行離線分析,由于采樣、制樣誤差大,分析周期長,不能適應對發電用煤的質量檢測要求,不能及時地根據煤質狀況進行用煤管理和鍋爐燃燒調整。據統計2001年電力系統僅在煤質上引起的經濟損失就高達近5億元??焖俣鴾蚀_地分析煤質,能有利于合理使用優質煤與劣質煤,改善鍋爐受熱面積灰結焦狀況,提高鍋爐出力;有利于延長生產設備壽命;有利于減少大氣環境污染。


              我公司應用西安交大最新成果,研制開發了入爐煤煤質在線分析系統,通過雙能γ透射法、微波測水技術、在線揮發份測量技術相結合的方式,系統采用模塊化的設計方案,直接在輸煤皮帶上在線測量分析燃煤的灰分、水分、揮發分、熱值等工業數據,其核心技術已達到國際先進水平。投用該系統,能實時在線提供入爐煤的煤質工業分析值,為鍋爐運行人員調節風煤比、冷熱風門、投油穩燃,提供科學可靠的數據;對煤炭資源的高效合理利用、降低能源消耗、減少設備事故、提高生產效益等都具有重要的意義。


          系統還能適用在煤礦、洗煤廠、煉焦廠、鋼鐵廠、水泥廠等單位對煤灰份、發熱量、水分的快速測量。


          二、 系統功能

          1、在線煤質成分工業分析

          實時提供燃煤的水分、灰分、揮發份、固定碳、發熱量。

          2、棒圖、趨勢圖實時數據顯示

          系統采用棒圖、曲線趨勢圖顯示各分析參數的實時數據以及歷史數據。

          3、原煤倉上煤及用煤的煤質和煤量管理

          系統根據上煤皮帶上的煤質,結合犁煤器和皮帶稱以及給煤機的信號,計算分析出原煤倉中的煤量和煤質。

          4、鍋爐運行優化指導

          1)指導鍋爐安全經濟運行

          2)指導制粉系統優化運行

          三、 系統特點

          1、實時性好

          系統直接測量皮帶上的煤流,能夠在線測量煤流的的灰分、水分、揮發份、固定碳、熱值等工業分析值。

          2、精準度高

          系統直接對煤流進行非接觸測量,避免了化學分析方法中的采樣和制樣誤差,測量結果更加準確。

          3、模塊化設計易安裝

          系統由五個模塊構成:灰分測量單元、水分測量單元、揮發份測量單元、控制和數據分析單元、終端人機交互單元,可以分開安裝,整機調試,所有操作在人機交互單元完成。同時系統輻射通量非常小,無需龐大的防護設備,安裝不用對廠房以及煤炭傳輸設備進行改造,安裝調試過程不影響生產運行。

          4、界面友好操作簡單

          系統軟件采用標準的windows程序模式,實現系統功能可視化管理,人機界面友好,操作簡單。

          5、測量方法可靠準確

          系統采用蒙卡模擬的方法進行測量設備的標定和數據修正,克服了標定煤種樣品少的實際困難,使測量結果更加準確。

          四、性能指標

          1、測量精度(最大誤差)

          (1)水分測量范圍:0%~30%

          全 水 分(Mar% )                誤差≤0.5%

          固有水分(Mad%)                 誤差≤0.5%

          (2)灰份測量范圍:0%~60%

          低灰分煤                        誤差≤0.5%

          中灰分煤                        誤差≤1.0%

          高灰分煤                        誤差≤2.0%

          (3)可燃基揮發分(Vdaf%)          誤差≤1%

          (4)固定碳值                      誤差≤1%

          (5)低位熱值 (Qnet ,ar KJ/kg)       誤差≤450 KJ/Kg

          2、電   源

          額定電壓: AC220V/50Hz

          功    耗: 500W

          接地電阻:  ≤4Ω

          3、皮帶規格

          皮帶寬度:800mm~2000mm

          皮帶速度:0~5m/s

          皮帶材質:無金屬網格

          4、物   料

          煤層厚度:大于50mm,小于500mm

          粒度:≤3mm,最佳使用條件

          粒度:≤6mm,標準使用條件

          粒度:≤50mm,一般使用條件

          5、 防護性能

             系統用雙γ源為密封源,僅有一個20毫米的出射口對準皮帶射出一束直徑20毫米的射線作為測量射線。外壁表面處輻射劑量當量率小于2.5 μSv/h,對工作人員無輻射影響。(國家標準GB 14052–93“安裝在設備上的同位素儀表的輻射安全要求”規定工作人員可以允許2.5 μSv/h。)

           我們以每年300天,每天8小時的測量計算,在設備表面的年累集量僅為6mSv

          (做一次醫學胸透放射量是1~3mSv),我們在源裝置上又加裝了隔離罩,確保測量時由皮帶和煤層所反射的射線不向四周輻射。

          6、測量時間

          測量周期:1分鐘 (可設定測量周期:1分鐘、2分鐘、5分鐘、10分鐘。)

          7、通信接口

          支持通信協議: RS485 ;TCP/IP

          8、工作環境

          a) 溫度:   -15℃~45℃;

          b) 濕度:    5%~95%;

          9、使用壽命

             系統中使用的銫(137Cs使用年限為30年,镅(241Am使用年限上百年,結合系統其他電子儀器的工作性能情況,系統使用年限>10年。

          五、測量原理

            1、灰分檢測原理:

            煤的組成極為復雜,但根據其元素分析數據,煤可分為兩部分,一是以碳為代表的低原子序數元素;一是以硅為代表的高原子序數元素。而煤灰主要由煤中高原子序數元素的氧化物組成(硫除外)。

              系統采用雙能透射法測量灰分,即利用兩種可放射不同能量射線的放射源來構成“雙透射通道”,來進行測量。對低能射線,煤中各元素的質量衰減系數各不相同,隨著原子序數的增大而增加;而對中能射線,煤中各種元素的質量衰減系數基本相等。

              第一透射通道:241Am放射源發出的γ射線能量較低(59.5kev),物質的原子序數越大,對241Am放射的γ射線的吸收越強(穿透煤流被探測器探測到的γ射線越少),而煤中灰分部分的平均原子序數比煤本身要大,因此,煤中的灰分含量越高,穿過煤的γ(241Am)射線越少,同時,灰分對241Am γ射線的衰減還與煤的密實度有關,不能單從低能γ(241Am)射線的衰減完全確定煤中灰分的含量。


          射線穿透煤流后的強度可以表示為:

          公式中u表示質量衰減系數;P表示在煤中的重量百分比含量;d表示煤的厚度;


          下標c對應于煤;i對應于煤中第i種元素因此,采用了第二通道,第二透射通道:利用放射較高能量γ射線的放射源137Cs(661.7kev)來進行透射測量,因為煤本身和灰分對137Cs γ的質量衰減系數基本一樣,因此,穿過煤后的137Cs γ信號就只與煤的密實度有關。因此,從中能量γ射線的強度變化可以反映出煤的密實度,以此可以修正煤的密實度變化引起的低能衰減的變化,而利用修正后的低能射線的衰減可求出煤中高原子序數元素的含量,從而計算出煤的灰分含量。

                                               

                                                 γ射線穿透灰分吸收示意圖



           

          A=B0+B1×[(IAM/IOAM)/(ICS/I0CS)]
          A——通過在線測灰儀測得的灰分值;

          B0——進行灰分靜態標定時,測得該函數直線在Y軸上的截距; 

          B1——進行灰分靜態標定時,測得該直線的斜率。
          IAM、 I0AM 分別為帶式輸送機上有煤和無煤時放射性镅元素透過的強度;
          ICS、I0CS分別為帶式輸送機上有煤和無煤時放射性銫元素透過的強度。

          2、水分析原理:           

             物料含水量測量現在一般采用微波法,紅外法,以及中子法三種測量方式。紅外法使用紅外線透射方式測量,由于紅外線能量較小,一般使用在煙氣含水量測量;由于中子放射源具有較強的輻射劑量同時中子對人體傷害較大,中子法不適合實際工業應用。微波法是現在物料含水量測量的主要方式,廣泛運用在木材,煙草,糧食,以及礦物的含水量測量。煤炭的含水量測量基本都是用微波法測量。


             水的介電常數ε=75,煤的介電常數ε=5,水的正切損損耗角tgδS =0.15—1.2,煤的正切損耗角tgδ= 0.001—0.05,水對電磁波的衰減為31dB/ma (煤),而干煤對電磁波的衰減為≤0.01dB/ma(煤),可以看出水分的多少決定電磁波的衰減程度,其表達式:


                                                    


          (式中:P。為衰減功率;,f為工作功率;ε。為真空中的介電常數;εr,為水的介電常數;tgδ為水的正切損耗角。)

          由于水的介電常數遠大于煤,所以煤水混合體對電磁波傳輸的影響也主要取決于水。通過測量穿過煤流的微波變化,可以得到煤流中水分的含量。同時系統中帶有密實度較正,可以使水分儀避免煤流上的高度和密度變化的影響。

          3、揮發分的分析原理:                

          燃煤的揮發份根據國家標準《GB212-91 煤的工業分析方法》測定:

          (1)揮發分測定方法

              稱取一定量的空氣干燥煤樣,放在帶蓋的瓷坩堝中,在900±10℃溫度下,隔絕空氣加熱7min。以減少的質量占煤樣質量的百分數,減去該煤樣的水分含量(Mad)作為揮發產率。

          (2)儀器、設備

          (a)馬弗爐:帶有高溫計和調溫裝置,能保持溫度在900±10℃,并有足夠的恒溫區(900±5℃)。 馬弗爐的恒溫區應在關閉爐門下測定,并至少半年測定一次。高溫計(包括毫伏計和熱電偶)至少半年校正一次。

          (b)分析天平:感量0.0001g。

          (3)分析步驟

             稱取粒度為0.2mm以下空氣干燥煤樣1±0.01g,精確至0.0002g。 將馬弗爐預先加熱至920℃左右。準確加熱7min。從爐中取出坩堝,稱量。

          (4)分析結果的計算

          空氣干燥煤樣的揮發分按下式計算:

                                                       

          式中:Vad——空氣干燥煤樣的揮發分產率,%;

          m1——煤樣加熱后的質量,g

          m——煤樣的質量,g;Mad——空氣干燥煤樣的水分含量,%;

          4、發熱量的計算原理:

              系統在測量得到煤的灰分,揮發份以及水分等工業分析成分的含量之后,可以根據經驗公式計算出燃煤的低位發熱量。為了能利用工業分析結果比較精確地計算出各種煤的低位發熱量,我們以長期積累的幾百個煤礦的成千個煤樣的工業分析結果和實測發熱量為基礎,通過圖解統計和數理統計等方法,推導出了精確度較高,能滿足工業生產需要的計算我國各種煤的低位發熱量的經驗公式,經過國內許多單位的試用經驗表明,公式基本能滿足工業生產的需要。

             計算燃煤低位發熱量時,即每1%含量的非可燃物所減少的熱量系隨煤的種類而異,通常純煤發熱量高的煤,每1%含量的非可燃物所減低的熱量也越多。經統計計算后發現,燃煤中,每1%含量的非可燃物所降低的熱值約為78.5—91.5卡。此外,燃煤揮發份和氫含量成正比,故揮發份越高的煤,計算低位發熱量時減去的熱值也越多。按以上推理,再根據大量的實驗數據為基礎,我們推導出了計算燃煤分析基低位發熱量的經驗公式:

          Qnet.ad=8575.63-17.63Vad-94.64Aad-167.89Mad+41.52CRC 卡/克

          Qnet.ad——分析基低位發熱量;

          Vad——分析基揮發分(%);

          Aad——分析基灰分(%);

          Mad——分析基水分(%);

          CRC——焦渣特征。

          在實際應用中,針對不同的具體煤種,公式需要進行必要的修正。

          六、系統組成

          1、灰分分析單元

                                 

                                             灰分分析單元系統圖示

          (1)單元工作流程

          本單元采用雙γ源透射法測量灰分值。當γ放射源發射的γ射線射到樣品,經過樣品吸收后,再射到探頭,產生脈沖信號,經過放大器放大,送到信號處理箱體進行處理,變為數字信號后送到計算機由系統軟件進行計算、顯示結果。由于被測樣品灰分含量不同,對于γ射線吸收程度不同,所以探測到的脈沖計數也不同,通過數學模型計算,就可以得出樣品的灰分值。

           (2)單元組成

           放射源各一枚:本單元使用镅(241Am)與銫(137Cs)兩種放射源。

           恒溫探測器一套:使用NaI閃爍體探測器以及高壓光電倍增管。

           信號處理箱一臺:使用高速多通道能量分析系統進行γ射線能量和數量的分析。

           控制分析后臺一套:根據γ射線能量和數量分析的結果進行計算,得到燃煤的灰分含量。

           

          2、水分分析單元

                                                                                     

                                                                                                   水分分析單元系統圖示

          (1)單元工作流程

          微波發射天線發射出2704-3376MHz的微波,透射過煤流后,由微波接受天線接收,經過數據采集卡采集后傳輸給控制箱,由控制箱內分析系統結合微波反饋校正信號以及密度校正信號進行分析,得到燃煤的水分含量。

          (2)單元組成

             微波發射天線一套:發射2704-3376MHz的微波。

             微波接收天線一套:接受透射后的微波。

             密度校正系統一套:提供煤流的密實度信號。

             數據采集卡一套:采集透射后微波信號、微波反饋矯正信號以及煤流的密實度信號。

             控制箱一臺:分析透射后微波信號、微波反饋矯正信號以及煤流的密實度信號;計算燃煤水分含量。

          3、揮發份分析單元

           

                                                                               

                                                                                                          揮發份分析單元系統圖示

           

          (1)單元工作流程

          單元安裝在一次風管道上,通過自動采樣機構采集一次風中的煤粉樣品,輸送到測量柜中進行樣品分析,得到揮發份和內水含量。

          (2)單元組成

            自動采樣機構一套:均勻采集一次風管道中的煤粉樣品

            測量柜一臺:按照國家標準對樣品進行內水和揮發份含量的自動分析

            控制和分析后臺一套:采集內水和揮發份信號,并傳輸給系統終端

          (4)控制及數據分析

          該部分采集現場工況信號,根據現場工況,啟停個分析單元的工作。采集各分析單元得到的工業分析參量并進行初步分析和存儲。

          (5)終端分析和顯示系統

                                                                              

                                                                                                                      系統結構示圖

              該部分采集分析各單元的分析數據以及現場工況數據,建立煤質分析數據庫以及電廠燃料信息系統,通過電廠的現有的信息平臺發布信息、

          七、系統擴展(入場煤煤質檢測系統)

              系統可擴展(或獨立)為汽車、火車輸運的入場煤煤質檢測系統。增加入場煤自動采樣裝置,對入場煤進行自動采樣、縮分、制樣,然后煤樣自動傳輸至煤質分析裝置進行煤質檢測,為入場煤評價提供依據。

                                                                                      

           

           

           八、安裝說明

           低放射性和模塊設計使系統安裝相對比較簡單,不需要進行大規模的現場改造工程,系統重量相對比較輕,安裝所需的人力少且安裝時間較短。

          (1)系統安裝

          在輸煤皮帶上架設、加固測量傳感器外部框架;安裝上下兩組微波天線、放射源以及γ探測器于外部框架上,使它們位于輸送皮帶中央;系統連線。

          (2)電氣供應

          裝置要求AC220V/2A/500W的電源供應。信號可以4~20mA電流形式輸出,客戶可以比較方便的獲取這種電流信號。同時信號將傳輸到裝置的系統終端,系統終端將利用該信號得到其他的在線工業分析值。信號輸出周期可調,例如:1分鐘,5分鐘,10分鐘等。

          (3)使用維護

          該系統穩定性非常好,完成調試后,它可以長期提供精確的煤質成分分析。系統進行了防水和防灰塵設計,可以在輸煤現場惡劣環境下正常工作。工作期間可以做到無人值守。

          九、工程周期

           供貨周期為3個月,現場安裝、調試以及服務周期為1個月。

           

          十、操作說明

          1、開啟數據采集和分析的電腦,屏幕將顯示:“入爐煤煤質在線分析裝置”快捷方式,連擊后啟動系統后臺程序:

          2、開啟數據發布服務器電腦,啟動startup.exe程序,進入系統:

                                                              

           

           進入系統后,操作可根據提示進行,

                                                           

           3、詳細的操作說明請參看“系統軟件使用說明書”。




          十一、經濟效益

          煤質對電廠的影響是多方面的,綜合表現為對發電成本和基建投資的影響。據電力專家測算,煙煤發熱量由18.81MJ/kg降至12.54MJ/kg 時,電廠的總投資約增加22%,供電煤耗約增加24%,廠自用電率約增加33%,鍋爐的熱效率約下降4.5%,最終導致供電成本提高66%。

          例:

           

                                                                  

           

           

           

              上圖是美國對一座1000 MW燃煤電廠因燃煤變劣對發電成本影響的評估。評估時假設機組負荷系數為65%,熱耗基準值為l0 550 kJ/(kW·h),燃煤發熱量為27. 91 MJ/kg,煤灰分10%,水分5%,碳77%,煤價為35USD/t。由上圖看出,當煤灰分增加10%,水分增加5%,發熱量下降巧%時,將使熱耗增加而損失446萬USD/a,相當于可用率降低5%。

           

          使用本系統后,將會在以下幾個方面產生巨大效益




          提高鍋爐運行效率實現鍋爐經濟性運行

              系統根據本裝置測量的鍋爐每層燃燒器噴口處煤質情況(熱值,灰成分等)對入爐煤的著火溫度、著火穩定性指數、燃燼特性指數及灰成份綜合指數進行診斷,系統通過進度顯示的方式告訴運行人員如煤質的著火難易程度、火焰穩定性、燃燼特性及煤的結渣傾向等,系統同時提供如鍋爐效率等機組經濟性能診斷。運行人員能夠根據當前鍋爐的燃燒煤質情況及時對運行參數作出優化調整。根據初步統計,投運本系統后能使鍋爐本體的效率提高約為0.3%,經濟效益約為50萬元。

          電廠制粉系統由于煤質的變化較大損耗較大,每年的設備維護和系統電耗約為300萬元,投運本系統后,系統根據制粉系統當前煤質情況,提供相應的運行建議,包括水份對磨煤機出力的影響評價、灰份對磨煤機出力的影響評價、建議磨煤機出口溫度、建議經濟煤粉細度等,可以通過運行的調整減少設備的折舊,提高設備的使用率;根據煤質情況制定的制粉系統優化指導降低了制粉系統電耗和設備的維護量,全年效益約為20萬元。

           提高鍋爐運行安全性

               減少因為煤質原因導致的鍋爐非計劃停機,減少發電損失。電廠的入爐煤源復雜,煤質變化較大,特別是現在煤炭供應緊張,煤炭的質量很難得到保證。系統能夠對未來燃燒器噴口的煤質實時滾動預測。系統可以提前警告運行人員做好運行調整準備,便于負荷調整,避免鍋爐滅火、結焦等現象的發生,提高鍋爐運行的安全性。電廠因為煤質原因導致非計劃停機,全年直接效益約為50萬元。

           提高燃料的利用率。

               當前,國內煤炭供應比較緊張,電廠煤源比較多,煤質差異較大,這種情況會引起鍋爐燃燒狀態的不穩定。為此,許多廠家根據煤質情況,對燃料進行配比摻燒。運用本系統后,可以精確實時地提供煤質各種指標信息,使燃料的摻燒混配更加合理,效果更加明顯。使用該系統后,一臺300MW機組,每年預計節約費用約為50萬。

          以黃埔電廠為例,據令家計算,配煤摻燒可使灰渣含碳量降低6%一10%,鍋爐熱效率可提高4%左右,平均節煤5%以上.黃埔電廠一年耗煤量以200萬t計,以原煤到廠價300元/t,每年至少可節煤10萬t,減少購煤費3000萬元.其經濟效益是巨大的.

              再以十里泉電廠(兩臺30萬千瓦機組)為例 ,實踐表明,電廠煤粉鍋爐采用動力煤摻燒后,由于供煤質量穩定且符合設計要求,可提高鍋爐熱效率,使煤充分燃燒。采用動力煤摻燒后,鍋爐出力足、效率高。根據國內外統計,一般可較燒不符合設計煤種的煤,鍋爐提高效率5%左右。如按5%計算,則每年節煤15萬噸,折人民幣6000萬元,將創造較好的經濟效益。動力煤摻燒的最大經濟效益可以充分利用當地低熱值煤資源,節約燃料運輸費用。因為劣質煤價格十分低廉,該廠用煤的發熱量(Qnet, ar)為20. 90MJ/kg左右,使用單一煤種時的進價約450元/噸,而用配煤時的價格僅430元/噸,降低20元/噸左右,使用動力配煤,煤價降低,年創效益1000萬元。(以上價格為2004年價格)

           減輕了司爐工以及燃料運行人員的勞動強度。

              投運本系統后,司爐工可以根據系統提供的燃料信息系統實時監測煤質動態,在鍋爐工況出現變化時,無需燃料部門反復提供燃料信息,能夠做到及時了解燃料動態的同時,減輕了燃料運行人員的勞動強度。

             因此,投運本系統后節能效果明顯,預計電廠年收益150萬元以上,投資回報率高,效益明顯。


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