一、概   述


      我国燃煤电厂普遍存在着燃煤与锅炉设计煤种不相符的现象,二者甚至相差很大,这不仅降低了锅炉燃烧效率,而且严重地影响了锅炉运行安全;同时,为了有效节约能源、降低成本,电厂常使用混配煤,混配煤的煤质是否达到设计煤质,决定着锅炉的燃烧效率和运行安全,因此煤质检测和用煤管理在燃煤电厂相当重要。我国火电厂煤质检测多采用传统的实验室分析的方法对煤样进行离线分析,由于采样、制样误差大,分析周期长,不能适应对发电用煤的质量检测要求,不能及时地根据煤质状况进行用煤管理和锅炉燃烧调整。据统计2001年电力系统仅在煤质上引起的经济损失就高达近5亿元。快速而准确地分析煤质,能有利于合理使用优质煤与劣质煤,改善锅炉受热面积灰结焦状况,提高锅炉出力;有利于延长生产设备寿命;有利于减少大气环境污染。


    我公司应用西安交大最新成果,研制开发了入炉煤煤质在线分析系统,通过双能γ透射法、微波测水技术、在线挥发份测量技术相结合的方式,系统采用模块化的设计方案,直接在输煤皮带上在线测量分析燃煤的灰分、水分、挥发分、热值等工业数据,其核心技术已达到国际先进水平。投用该系统,能实时在线提供入炉煤的煤质工业分析值,为锅炉运行人员调节风煤比、冷热风门、投油稳燃,提供科学可靠的数据;对煤炭资源的高效合理利用、降低能源消耗、减少设备事故、提高生产效益等都具有重要的意义。


系统还能适用在煤矿、洗煤厂、炼焦厂、钢铁厂、水泥厂等单位对煤灰份、发热量、水分的快速测量。


二、 系统功能

1、在线煤质成分工业分析

实时提供燃煤的水分、灰分、挥发份、固定碳、发热量。

2、棒图、趋势图实时数据显示

系统采用棒图、曲线趋势图显示各分析参数的实时数据以及历史数据。

3、原煤仓上煤及用煤的煤质和煤量管理

系统根据上煤皮带上的煤质,结合犁煤器和皮带称以及给煤机的信号,计算分析出原煤仓中的煤量和煤质。

4锅炉运行优化指导

1)指导锅炉安全经济运行

2)指导制粉系统优化运行

三、 系统特点

1、实时性好

系统直接测量皮带上的煤流,能够在线测量煤流的的灰分、水分、挥发份、固定碳、热值等工业分析值。

2、精准度高

系统直接对煤流进行非接触测量,避免了化学分析方法中的采样和制样误差,测量结果更加准确。

3、模块化设计易安装

系统由五个模块构成:灰分测量单元、水分测量单元、挥发份测量单元、控制和数据分析单元、终端人机交互单元,可以分开安装,整机调试,所有操作在人机交互单元完成。同时系统辐射通量非常小,无需庞大的防护设备,安装不用对厂房以及煤炭传输设备进行改造,安装调试过程不影响生产运行。

4、界面友好操作简单

系统软件采用标准的windows程序模式,实现系统功能可视化管理,人机界面友好,操作简单。

5、测量方法可靠准确

系统采用蒙卡模拟的方法进行测量设备的标定和数据修正,克服了标定煤种样品少的实际困难,使测量结果更加准确。

四、性能指标

1、测量精度(最大误差)

(1)水分测量范围:0%~30%

全 水 分(Mar% )                误差≤0.5%

固有水分(Mad%)                 误差≤0.5%

(2)灰份测量范围:0%~60%

低灰分煤                        误差≤0.5%

中灰分煤                        误差≤1.0%

高灰分煤                        误差≤2.0%

(3)可燃基挥发分(Vdaf%)          误差≤1%

(4)固定碳值                      误差≤1%

(5)低位热值 (Qnet ,ar KJ/kg)       误差≤450 KJ/Kg

2、电   源

额定电压: AC220V/50Hz

功    耗: 500W

接地电阻:  ≤4Ω

3、皮带规格

皮带宽度:800mm~2000mm

皮带速度:0~5m/s

皮带材质:无金属网格

4、物   料

煤层厚度:大于50mm,小于500mm

粒度:≤3mm,最佳使用条件

粒度:≤6mm,标准使用条件

粒度:≤50mm,一般使用条件

5、 防护性能

   系统用双γ源为密封源,仅有一个20毫米的出射口对准皮带射出一束直径20毫米的射线作为测量射线。外壁表面处辐射剂量当量率小于2.5 μSv/h,对工作人员无辐射影响。(国家标准GB 14052–93“安装在设备上的同位素仪表的辐射安全要求”规定工作人员可以允许2.5 μSv/h。)

 我们以每年300天,每天8小时的测量计算,在设备表面的年累集量仅为6mSv

(做一次医学胸透放射量是1~3mSv),我们在源装置上又加装了隔离罩,确保测量时由皮带和煤层所反射的射线不向四周辐射。

6、测量时间

测量周期:1分钟 (可设定测量周期:1分钟、2分钟、5分钟、10分钟。)

7、通信接口

支持通信协议: RS485 ;TCP/IP

8、工作环境

a) 温度:   -15℃~45℃;

b) 湿度:    5%~95%;

9使用寿命

   系统中使用的铯(137Cs使用年限为30年,镅(241Am使用年限上百年,结合系统其他电子仪器的工作性能情况,系统使用年限>10年。

五、测量原理

  1、灰分检测原理:

  煤的组成极为复杂,但根据其元素分析数据,煤可分为两部分,一是以碳为代表的低原子序数元素;一是以硅为代表的高原子序数元素。而煤灰主要由煤中高原子序数元素的氧化物组成(硫除外)。

    系统采用双能透射法测量灰分,即利用两种可放射不同能量射线的放射源来构成“双透射通道”,来进行测量。对低能射线,煤中各元素的质量衰减系数各不相同,随着原子序数的增大而增加;而对中能射线,煤中各种元素的质量衰减系数基本相等。

    第一透射通道:241Am放射源发出的γ射线能量较低(59.5kev),物质的原子序数越大,对241Am放射的γ射线的吸收越强(穿透煤流被探测器探测到的γ射线越少),而煤中灰分部分的平均原子序数比煤本身要大,因此,煤中的灰分含量越高,穿过煤的γ(241Am)射线越少,同时,灰分对241Am γ射线的衰减还与煤的密实度有关,不能单从低能γ(241Am)射线的衰减完全确定煤中灰分的含量。


射线穿透煤流后的强度可以表示为:

公式中u表示质量衰减系数;P表示在煤中的重量百分比含量;d表示煤的厚度;


下标c对应于煤;i对应于煤中第i种元素因此,采用了第二通道,第二透射通道:利用放射较高能量γ射线的放射源137Cs(661.7kev)来进行透射测量,因为煤本身和灰分对137Cs γ的质量衰减系数基本一样,因此,穿过煤后的137Cs γ信号就只与煤的密实度有关。因此,从中能量γ射线的强度变化可以反映出煤的密实度,以此可以修正煤的密实度变化引起的低能衰减的变化,而利用修正后的低能射线的衰减可求出煤中高原子序数元素的含量,从而计算出煤的灰分含量。

                                     

                                       γ射线穿透灰分吸收示意图



 

A=B0+B1×[(IAM/IOAM)/(ICS/I0CS)]
A——通过在线测灰仪测得的灰分值;

B0——进行灰分静态标定时,测得该函数直线在Y轴上的截距; 

B1——进行灰分静态标定时,测得该直线的斜率。
IAM、 I0AM 分别为带式输送机上有煤和无煤时放射性镅元素透过的强度;
ICS、I0CS分别为带式输送机上有煤和无煤时放射性铯元素透过的强度。

2、水分析原理:           

   物料含水量测量现在一般采用微波法,红外法,以及中子法三种测量方式。红外法使用红外线透射方式测量,由于红外线能量较小,一般使用在烟气含水量测量;由于中子放射源具有较强的辐射剂量同时中子对人体伤害较大,中子法不适合实际工业应用。微波法是现在物料含水量测量的主要方式,广泛运用在木材,烟草,粮食,以及矿物的含水量测量。煤炭的含水量测量基本都是用微波法测量。


   水的介电常数ε=75,煤的介电常数ε=5,水的正切损损耗角tgδS =0.15—1.2,煤的正切损耗角tgδ= 0.001—0.05,水对电磁波的衰减为31dB/ma (煤),而干煤对电磁波的衰减为≤0.01dB/ma(煤),可以看出水分的多少决定电磁波的衰减程度,其表达式:


                                          


(式中:P。为衰减功率;,f为工作功率;ε。为真空中的介电常数;εr,为水的介电常数;tgδ为水的正切损耗角。)

由于水的介电常数远大于煤,所以煤水混合体对电磁波传输的影响也主要取决于水。通过测量穿过煤流的微波变化,可以得到煤流中水分的含量。同时系统中带有密实度较正,可以使水分仪避免煤流上的高度和密度变化的影响。

3、挥发分的分析原理:                

燃煤的挥发份根据国家标准《GB212-91 煤的工业分析方法》测定:

(1)挥发分测定方法

    称取一定量的空气干燥煤样,放在带盖的瓷坩埚中,在900±10℃温度下,隔绝空气加热7min。以减少的质量占煤样质量的百分数,减去该煤样的水分含量(Mad)作为挥发产率。

(2)仪器、设备

(a)马弗炉:带有高温计和调温装置,能保持温度在900±10℃,并有足够的恒温区(900±5℃)。 马弗炉的恒温区应在关闭炉门下测定,并至少半年测定一次。高温计(包括毫伏计和热电偶)至少半年校正一次。

(b)分析天平:感量0.0001g。

(3)分析步骤

   称取粒度为0.2mm以下空气干燥煤样1±0.01g,精确至0.0002g。 将马弗炉预先加热至920℃左右。准确加热7min。从炉中取出坩埚,称量。

(4)分析结果的计算

空气干燥煤样的挥发分按下式计算:

                                             

式中:Vad——空气干燥煤样的挥发分产率,%;

m1——煤样加热后的质量,g

m——煤样的质量,g;Mad——空气干燥煤样的水分含量,%;

4、发热量的计算原理:

    系统在测量得到煤的灰分,挥发份以及水分等工业分析成分的含量之后,可以根据经验公式计算出燃煤的低位发热量。为了能利用工业分析结果比较精确地计算出各种煤的低位发热量,我们以长期积累的几百个煤矿的成千个煤样的工业分析结果和实测发热量为基础,通过图解统计和数理统计等方法,推导出了精确度较高,能满足工业生产需要的计算我国各种煤的低位发热量的经验公式,经过国内许多单位的试用经验表明,公式基本能满足工业生产的需要。

   计算燃煤低位发热量时,即每1%含量的非可燃物所减少的热量系随煤的种类而异,通常纯煤发热量高的煤,每1%含量的非可燃物所减低的热量也越多。经统计计算后发现,燃煤中,每1%含量的非可燃物所降低的热值约为78.5—91.5卡。此外,燃煤挥发份和氢含量成正比,故挥发份越高的煤,计算低位发热量时减去的热值也越多。按以上推理,再根据大量的实验数据为基础,我们推导出了计算燃煤分析基低位发热量的经验公式:

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

Qnet.ad——分析基低位发热量;

Vad——分析基挥发分(%);

Aad——分析基灰分(%);

Mad——分析基水分(%);

CRC——焦渣特征。

在实际应用中,针对不同的具体煤种,公式需要进行必要的修正。

六、系统组成

1、灰分分析单元

                       

                                   灰分分析单元系统图示

(1)单元工作流程

本单元采用双γ源透射法测量灰分值。当γ放射源发射的γ射线射到样品,经过样品吸收后,再射到探头,产生脉冲信号,经过放大器放大,送到信号处理箱体进行处理,变为数字信号后送到计算机由系统软件进行计算、显示结果。由于被测样品灰分含量不同,对于γ射线吸收程度不同,所以探测到的脉冲计数也不同,通过数学模型计算,就可以得出样品的灰分值。

 (2)单元组成

 放射源各一枚:本单元使用镅(241Am)与铯(137Cs)两种放射源。

 恒温探测器一套:使用NaI闪烁体探测器以及高压光电倍增管。

 信号处理箱一台:使用高速多通道能量分析系统进行γ射线能量和数量的分析。

 控制分析后台一套:根据γ射线能量和数量分析的结果进行计算,得到燃煤的灰分含量。

 

2、水分分析单元

                                                                           

                                                                                         水分分析单元系统图示

(1)单元工作流程

微波发射天线发射出2704-3376MHz的微波,透射过煤流后,由微波接受天线接收,经过数据采集卡采集后传输给控制箱,由控制箱内分析系统结合微波反馈校正信号以及密度校正信号进行分析,得到燃煤的水分含量。

(2)单元组成

   微波发射天线一套:发射2704-3376MHz的微波。

   微波接收天线一套:接受透射后的微波。

   密度校正系统一套:提供煤流的密实度信号。

   数据采集卡一套:采集透射后微波信号、微波反馈矫正信号以及煤流的密实度信号。

   控制箱一台:分析透射后微波信号、微波反馈矫正信号以及煤流的密实度信号;计算燃煤水分含量。

3、挥发份分析单元

 

                                                                     

                                                                                                挥发份分析单元系统图示

 

(1)单元工作流程

单元安装在一次风管道上,通过自动采样机构采集一次风中的煤粉样品,输送到测量柜中进行样品分析,得到挥发份和内水含量。

(2)单元组成

  自动采样机构一套:均匀采集一次风管道中的煤粉样品

  测量柜一台:按照国家标准对样品进行内水和挥发份含量的自动分析

  控制和分析后台一套:采集内水和挥发份信号,并传输给系统终端

(4)控制及数据分析

该部分采集现场工况信号,根据现场工况,启停个分析单元的工作。采集各分析单元得到的工业分析参量并进行初步分析和存储。

(5)终端分析和显示系统

                                                                    

                                                                                                            系统结构示图

    该部分采集分析各单元的分析数据以及现场工况数据,建立煤质分析数据库以及电厂燃料信息系统,通过电厂的现有的信息平台发布信息、

七、系统扩展(入场煤煤质检测系统)

    系统可扩展(或独立)为汽车、火车输运的入场煤煤质检测系统。增加入场煤自动采样装置,对入场煤进行自动采样、缩分、制样,然后煤样自动传输至煤质分析装置进行煤质检测,为入场煤评价提供依据。

                                                                            

 

 

 八、安装说明

 低放射性和模块设计使系统安装相对比较简单,不需要进行大规模的现场改造工程,系统重量相对比较轻,安装所需的人力少且安装时间较短。

(1)系统安装

在输煤皮带上架设、加固测量传感器外部框架;安装上下两组微波天线、放射源以及γ探测器于外部框架上,使它们位于输送皮带中央;系统连线。

(2)电气供应

装置要求AC220V/2A/500W的电源供应。信号可以4~20mA电流形式输出,客户可以比较方便的获取这种电流信号。同时信号将传输到装置的系统终端,系统终端将利用该信号得到其他的在线工业分析值。信号输出周期可调,例如:1分钟,5分钟,10分钟等。

(3)使用维护

该系统稳定性非常好,完成调试后,它可以长期提供精确的煤质成分分析。系统进行了防水和防灰尘设计,可以在输煤现场恶劣环境下正常工作。工作期间可以做到无人值守。

九、工程周期

 供货周期为3个月,现场安装、调试以及服务周期为1个月。

 

十、操作说明

1、开启数据采集和分析的电脑,屏幕将显示:“入炉煤煤质在线分析装置”快捷方式,连击后启动系统后台程序:

2、开启数据发布服务器电脑,启动startup.exe程序,进入系统:

                                                    

 

 进入系统后,操作可根据提示进行,

                                                 

 3、详细的操作说明请参看“系统软件使用说明书”。




十一、经济效益

煤质对电厂的影响是多方面的,综合表现为对发电成本和基建投资的影响。据电力专家测算,烟煤发热量由18.81MJ/kg降至12.54MJ/kg 时,电厂的总投资约增加22%,供电煤耗约增加24%,厂自用电率约增加33%,锅炉的热效率约下降4.5%,最终导致供电成本提高66%。

例:

 

                                                        

 

 

 

    上图是美国对一座1000 MW燃煤电厂因燃煤变劣对发电成本影响的评估。评估时假设机组负荷系数为65%,热耗基准值为l0 550 kJ/(kW·h),燃煤发热量为27. 91 MJ/kg,煤灰分10%,水分5%,碳77%,煤价为35USD/t。由上图看出,当煤灰分增加10%,水分增加5%,发热量下降巧%时,将使热耗增加而损失446万USD/a,相当于可用率降低5%。

 

使用本系统后,将会在以下几个方面产生巨大效益




提高锅炉运行效率实现锅炉经济性运行

    系统根据本装置测量的锅炉每层燃烧器喷口处煤质情况(热值,灰成分等)对入炉煤的着火温度、着火稳定性指数、燃烬特性指数及灰成份综合指数进行诊断,系统通过进度显示的方式告诉运行人员如煤质的着火难易程度、火焰稳定性、燃烬特性及煤的结渣倾向等,系统同时提供如锅炉效率等机组经济性能诊断。运行人员能够根据当前锅炉的燃烧煤质情况及时对运行参数作出优化调整。根据初步统计,投运本系统后能使锅炉本体的效率提高约为0.3%,经济效益约为50万元。

电厂制粉系统由于煤质的变化较大损耗较大,每年的设备维护和系统电耗约为300万元,投运本系统后,系统根据制粉系统当前煤质情况,提供相应的运行建议,包括水份对磨煤机出力的影响评价、灰份对磨煤机出力的影响评价、建议磨煤机出口温度、建议经济煤粉细度等,可以通过运行的调整减少设备的折旧,提高设备的使用率;根据煤质情况制定的制粉系统优化指导降低了制粉系统电耗和设备的维护量,全年效益约为20万元。

 提高锅炉运行安全性

     减少因为煤质原因导致的锅炉非计划停机,减少发电损失。电厂的入炉煤源复杂,煤质变化较大,特别是现在煤炭供应紧张,煤炭的质量很难得到保证。系统能够对未来燃烧器喷口的煤质实时滚动预测。系统可以提前警告运行人员做好运行调整准备,便于负荷调整,避免锅炉灭火、结焦等现象的发生,提高锅炉运行的安全性。电厂因为煤质原因导致非计划停机,全年直接效益约为50万元。

 提高燃料的利用率。

     当前,国内煤炭供应比较紧张,电厂煤源比较多,煤质差异较大,这种情况会引起锅炉燃烧状态的不稳定。为此,许多厂家根据煤质情况,对燃料进行配比掺烧。运用本系统后,可以精确实时地提供煤质各种指标信息,使燃料的掺烧混配更加合理,效果更加明显。使用该系统后,一台300MW机组,每年预计节约费用约为50万。

以黄埔电厂为例,据令家计算,配煤掺烧可使灰渣含碳量降低6%一10%,锅炉热效率可提高4%左右,平均节煤5%以上.黄埔电厂一年耗煤量以200万t计,以原煤到厂价300元/t,每年至少可节煤10万t,减少购煤费3000万元.其经济效益是巨大的.

    再以十里泉电厂(两台30万千瓦机组)为例 ,实践表明,电厂煤粉锅炉采用动力煤掺烧后,由于供煤质量稳定且符合设计要求,可提高锅炉热效率,使煤充分燃烧。采用动力煤掺烧后,锅炉出力足、效率高。根据国内外统计,一般可较烧不符合设计煤种的煤,锅炉提高效率5%左右。如按5%计算,则每年节煤15万吨,折人民币6000万元,将创造较好的经济效益。动力煤掺烧的最大经济效益可以充分利用当地低热值煤资源,节约燃料运输费用。因为劣质煤价格十分低廉,该厂用煤的发热量(Qnet, ar)为20. 90MJ/kg左右,使用单一煤种时的进价约450元/吨,而用配煤时的价格仅430元/吨,降低20元/吨左右,使用动力配煤,煤价降低,年创效益1000万元。(以上价格为2004年价格)

 减轻了司炉工以及燃料运行人员的劳动强度。

    投运本系统后,司炉工可以根据系统提供的燃料信息系统实时监测煤质动态,在锅炉工况出现变化时,无需燃料部门反复提供燃料信息,能够做到及时了解燃料动态的同时,减轻了燃料运行人员的劳动强度。

   因此,投运本系统后节能效果明显,预计电厂年收益150万元以上,投资回报率高,效益明显。


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