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據(jù)調(diào)查顯示，火力發(fā)電是目前電力發(fā)展的主力軍，火電廠發(fā)電主要是依靠鍋爐燃燒，即燃料與氧的化學(xué)反應(yīng)?；痣姀S鍋爐燃燒過程中的燃燒效率控制極其重要，提高燃燒效率可保證鍋爐運行經(jīng)濟性與安全性，使火電廠資源利用最大化，提高產(chǎn)電率。同時，隨著國家綠色環(huán)保政策的逐漸推進，火電廠還需要在提高發(fā)電技術(shù)的方向上著重考慮發(fā)電過程中燃料的利用率及對不可再生能源的影響，簡而言之，就是降耗減排。因此，火電廠在提高燃料轉(zhuǎn)換電能效率的同時，也要做到減少自身的能耗，降低污染排放，提高火電廠的綜合競爭力，適應(yīng)和諧社會發(fā)展的需要。

一、火電廠面臨的問題

現(xiàn)代火電廠大容量鍋爐效率一般為90-94%，但由于當(dāng)前大多數(shù)火電廠對燃燒效率控制不精確，導(dǎo)致炭燃燒不完全，飛灰含炭量達10%-13%，鍋爐效率僅為85.3%-88.66%，極大的影響了鍋爐運行的安全性和經(jīng)濟性。此外，隨著環(huán)境污染的問題愈發(fā)嚴(yán)峻，以及火電廠超低排放改造的實施，環(huán)保部門提出了更為嚴(yán)厲的污染氣體排放標(biāo)準(zhǔn)，甚至關(guān)停了部分污染排放不達標(biāo)的生產(chǎn)企業(yè)，2018年環(huán)保稅的啟征，更加快了企業(yè)尋求技術(shù)革新、降低污染排放的步伐。因此，如何提高燃燒效率，將能源損耗及污染排放降到最低，是現(xiàn)代火電廠高質(zhì)量發(fā)展首要考慮的問題。

火電廠能耗分析

二、控制過量空氣系數(shù)是提高鍋爐效率的關(guān)鍵

提高鍋爐效率的目的是在滿足外界電負荷需要的蒸汽數(shù)量和合格的蒸汽品質(zhì)的基礎(chǔ)上，保證鍋爐安全、經(jīng)濟和環(huán)保運行。具體歸納為：

1、提高鍋爐運行經(jīng)濟性

1）通過運行優(yōu)化調(diào)整盡量減少各種損失，以提高鍋爐的效率；

2）優(yōu)化配煤方式提供鍋爐運行經(jīng)濟性；

3）保證鍋爐正常穩(wěn)定的汽壓、汽溫和蒸發(fā)量，減少再熱器減溫水的流量等，以提高整個機組熱效率；

4）主蒸汽溫度每降低10℃，影響發(fā)電煤耗約0.93g/kWh；再熱蒸汽溫度每降低10℃，影響發(fā)電煤耗約0.75g/kWh；

5）過熱器減溫水流量每增加10t/h，影響發(fā)電煤耗約0.08～0.12g/kWh；再熱器減溫水流量每增加10t/h，影響發(fā)電煤耗約0.52～0.63g/kWh。

2、提高鍋爐運行的安全性

1）提高鍋爐運行的穩(wěn)定性；

2）保證鍋爐燃燒完全火焰均勻充滿爐膛，防止鍋爐運行火焰偏斜；

3）減少水平煙道出口煙溫偏差；

4）減少水冷璧周圍產(chǎn)生還原性氣氛；

5）減少鍋爐結(jié)渣、防止燒損燃燒器；

6）保證水冷壁、過熱器、再熱器不超溫等。

想要提高鍋爐的熱效率，就要適當(dāng)減少鍋爐的熱損失，鍋爐的熱損失主要包括排煙熱損失、氣體不完全燃燒熱損失、固定不完全燃燒熱損失、鍋爐散熱損失和灰渣物理熱損失五種。而過量空氣系數(shù)是影響鍋爐熱損失的主要因素之一，也是鍋爐運行非常重要的燃燒技術(shù)經(jīng)濟指標(biāo)。

所謂過量空氣系數(shù)，即燃料燃燒時，實際空氣供給量與理論空氣需求量的比值。鍋爐排放標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的過量空氣系數(shù)與鍋爐類型和功率相關(guān)，具體規(guī)定為：對于燃煤鍋爐，功率小于等于45.5MW的，過量空氣系數(shù)采用1.8，功率大于45.5MW的，過量空氣系數(shù)采用1.4，對于燃氣或燃油鍋爐，過量空氣系數(shù)采用1.2。

在實際描述中，有些鍋爐的功率以t/h計，它與MW的換算關(guān)系為：0.7MW=1t/h，比如45.5MW的鍋爐相當(dāng)于65t/h的鍋爐。鍋爐的過量空氣系數(shù)越高，表明該鍋爐的燃燒效率越低，因此燃煤鍋爐的系數(shù)比燃油燃氣鍋爐要高，而小的燃煤鍋爐的系數(shù)比大的燃煤鍋爐要高。過量空氣系數(shù)越高，也意味著氧可以越高，對于65t/h以上的鍋爐，其煙氣理論氧含量為6%，而65t/h以下的鍋爐，理論氧含量為9.3%。

過量空氣系數(shù)過高或過低都不利于燃燒：過量空氣系數(shù)大，表示爐內(nèi)供風(fēng)過多，不僅降低爐溫，惡化燃燒，且使煙氣量增加，從而引起鍋爐排煙熱損失增加，鍋爐效率降低，同時也使風(fēng)機的電耗以及火電廠用電率和供電煤耗增加；過量空氣系數(shù)太小則會增加氣體不完全燃燒熱損失和固體不完全燃燒熱損失，能源利用無法實現(xiàn)最大化。最好的辦法是：在盡可能保證燃料得到充足O2而完全燃燒的前提下，過量空氣系數(shù)越低，燃燒越經(jīng)濟。

表1.某典型電廠鍋爐過量空氣系數(shù)對效率

要保證燃料燃燒正常，就要把過量空氣系數(shù)控制在合適的范圍之內(nèi)。通常采用分析煙氣中CO、O2和CO2的含量來判斷過量空氣系數(shù)的大小。一般采用燃燒效率分析儀抽取煙道氣體實時分析其氣體成分，并計算得到過量空氣系數(shù)，或采用在線煙氣分析儀連續(xù)在線監(jiān)測煙道氣中CO、O2和CO2的含量，折算過量空氣系數(shù)。燃燒效率分析儀或在線煙氣分析儀中氣體傳感器根據(jù)測量原理不同可分為電化學(xué)和紅外兩種。

電化學(xué)傳感器由于結(jié)構(gòu)簡單，體積小巧等優(yōu)點，大多數(shù)燃燒效率分析儀采用該原理的傳感器，分別測量CO和O2，計算得到CO2，空氣過剩系數(shù)等其他熱工參數(shù)。但在實際使用過程中，由于不同爐體的煙道壓力不同，經(jīng)常導(dǎo)致分析儀的取樣流量不同或波動，電化學(xué)傳感器易受到采樣流量的影響，從而降低了測試精度。其次由于煙道排放氣體中還存在SO2、NOx等其他氣體，會對CO測量產(chǎn)生交叉干擾的影響。此外，電化學(xué)傳感器在排放氣體濃度較高時還容易出現(xiàn)“中毒”現(xiàn)象，導(dǎo)致傳感器完全失效。

相較于電化學(xué)傳感器，紅外傳感器具有抗干擾性好、不受取樣流量影響、壽命長等優(yōu)點，且紅外傳感器可同時實現(xiàn)CO、CO2測量，需要時還可擴展SO2、NOx等氣體的測量，為燃料燃燒控制提供更多的參考依據(jù)。同時紅外傳感器還具有靈敏度高，精度高，量程范圍廣等優(yōu)點，這些特點均有利于實現(xiàn)空氣過量系數(shù)的準(zhǔn)確計算。如燃燒效率分析儀Gasboard-3400P與在線煙氣分析儀Gasboard-3000，均采用紅外氣體分析技術(shù)，并結(jié)合長壽命電化學(xué)傳感器技術(shù)，可同時測量煙道氣體中CO、CO2、O2含量，并拓展測量SO2、NOx等氣體含量。

Gasboard-3400P除可同時測量多種氣體含量外，還可自動計算過量空氣系數(shù)，但由于該產(chǎn)品便攜化設(shè)計，故不太適用于鍋爐燃燒工藝過程的連續(xù)在線監(jiān)測，而Gasboard-3000可滿足。燃燒效率分析儀與在線煙氣分析儀已經(jīng)成為提高火電廠燃燒效率不可缺少的重要設(shè)備，正確使用并通過它合理調(diào)控裝置熱工操作參數(shù)，將實現(xiàn)減少助燃空氣量和排風(fēng)量，節(jié)省通風(fēng)機動力費用；減少煙氣中過量空氣帶走的熱量損失，及過量燃燒供給量，實現(xiàn)節(jié)能降耗；減少NOX、SO2等污染物的排放；延長燃燒裝置使用壽命等目的。

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三、超低排放成為火電廠質(zhì)量發(fā)展的重要課題

超低排放是指火電廠燃煤鍋爐在發(fā)電運行、末端治理等過程中，采用多種污染物高效協(xié)同脫除集成系統(tǒng)技術(shù)使其大氣污染物排放濃度達到天然氣燃氣輪機組標(biāo)準(zhǔn)的排放限值，即煙塵不超過5mg/m、二氧化硫不超過35mg/m、氮氧化物不超過50mg/m，比《火電廠大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB13223-2011)中規(guī)定的燃煤鍋爐重點地區(qū)特別排放限值分別下降75%、30%和50%，由浙能集團在2011年首次提出，是燃煤發(fā)電機組清潔生產(chǎn)水平的新標(biāo)桿。

表2.相關(guān)大氣污染物排放濃度限值表

針對新的排放標(biāo)準(zhǔn)，原來適用于高濃度煙氣監(jiān)測的技術(shù)已經(jīng)很難準(zhǔn)確測量超低排放條件下SO2和NO濃度，這對現(xiàn)有煙氣濃度監(jiān)測技術(shù)提出了很大的挑戰(zhàn)。目前正在進行的超低排放改造正是執(zhí)行了上述煙氣排放標(biāo)準(zhǔn)，大量的工程應(yīng)用以及實驗反復(fù)測試表明，目前超凈排放環(huán)境下CEMS，均不能保證現(xiàn)有CEMS在“超低排放”條件下準(zhǔn)確測量。原因主要包括：1）采樣管路吸附，待測氣體損失。2）待測氣體溶于水，造成氣體損失，管路腐蝕。

3）分析儀表量程大，造成儀表精度低，誤差大。

任何一種監(jiān)測技術(shù)的量程、精度都有其適應(yīng)性，而非通過軟件任意修改量程就可滿足現(xiàn)場運行要求。所以性能良好CEMS系統(tǒng)除了需要配備合適的預(yù)處理系統(tǒng)，氣體分析儀本身的性能也是十分關(guān)鍵的，針對超低排放煙氣中SO2、NO濃度低、煙氣濕度大和溫度低的特點，目前市面上推出了一種基于紫外差分吸收光譜氣體分析技術(shù)的超低量程煙氣分析儀，如銳意自控Gasboard-3000UV，采用獨特算法，可同時測量煙氣中SO2、NO、O2含量，其中煙氣中氣態(tài)水對SO2、NO測量基本無影響，煙氣中采樣流量對SO2、NO、O2測量基本無影響，多組分測量氣體間無交叉干擾，抗干擾能力強，測量精度高，檢測下限達0.1mg/m，滿足國家環(huán)保超低排放要求。此外，儀器光機系統(tǒng)經(jīng)過高信噪比、高穩(wěn)定性設(shè)計，提高了儀器穩(wěn)定性。

超低量程紫外煙氣分析儀Gasboard-3000U

目前紫外煙氣分析儀在煙氣監(jiān)測中的應(yīng)用方式有兩種：

1、直接測量式CEMS

直接測量式CEMS是將煙道作為一個開放的吸收池，對氣體進行實時連續(xù)的直接測量，不需要預(yù)處理系統(tǒng)，安裝方便，維護量小，在一定范圍內(nèi)不受煙道內(nèi)煙塵和水霧的影響，但當(dāng)煙塵或水霧較高時此方法就無效了，易耗品較貴，維護需要專業(yè)人士，特別是當(dāng)保護儀表風(fēng)失效時設(shè)備極易被煙道氣體污染導(dǎo)致數(shù)據(jù)的失效，而且現(xiàn)場不容易做對標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)的比對實驗。

2、完全抽取式CEMS

完全抽取式CEMS使用的紫外煙氣分析儀是將光學(xué)平臺置于保護箱里，在測量氣體前需要對被測氣體進行預(yù)處理，由于加入了預(yù)處理系統(tǒng)安裝較為繁瑣，維護量較大。但易耗品比較便宜，測量光路不易被污染，維護人員不需要特別專業(yè)，適用范圍較廣，容易實現(xiàn)現(xiàn)場的標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)比對實驗。

由于目前相關(guān)的國家標(biāo)準(zhǔn)在計算氣體污染物排放時均使用的是以干基為基礎(chǔ)的計算，而直接測量式得出的是以濕基為基礎(chǔ)的濃度；直接測量式現(xiàn)場CEMS的標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)比對性實驗比較麻煩，不利于設(shè)備的驗收；國內(nèi)煙道工況的實際情況是比較復(fù)雜的，在環(huán)境惡劣的情況下直接測量法往往無法使用正常，而且由于干擾因素較多計算也比較麻煩導(dǎo)致測量精度下降；直接測量式維護需要比較專業(yè)的工作人員，會給企業(yè)帶來許多負擔(dān)。因此完全抽取式CEMS，如固定污染源煙氣排放連續(xù)監(jiān)測系統(tǒng)Gasboard-9050，將是未來超低排放監(jiān)測市場的應(yīng)用趨勢。

四、結(jié)語

隨著國家綠色環(huán)保理念的逐漸深入，降耗減排要求的日趨嚴(yán)格，火電廠必須依靠先進的科學(xué)技術(shù)，綠色的管理方式，利用氣體分析儀為提高鍋爐效率、降低能源消耗，減少污染排放提供可靠的數(shù)據(jù)支撐。才能增強自身綜合競爭力，適應(yīng)和諧社會發(fā)展的需要。