本发明涉及炉内风粉分布监测技术领域，尤其涉及一种监测低NOx切向燃煤锅炉炉内风粉分布的方法。
背景技术：
随着环保要求的提高，火力发电厂对氮氧化物(NOx)排放的控制越来越严格；炉内低NOx燃烧技术与燃烧后NOx控制工艺相结合，是脱除烟气中氮氧化物最有效、最经济的方式；近年来，电厂锅炉进行了大规模的低NOx燃烧技术改造，并在锅炉尾部烟道安装了选择性催化还原(SCR：Selective Catalytic Reduction)设备来协同脱除烟气中的氮氧化物，目前，这种脱氮方式已成功将燃煤锅炉氮氧化物(NOx)排放量控制在50mg/m3以下。
随着低NOx煤粉燃烧技术大量的应用，该技术对锅炉运行方式和运行参数的影响日益突出。低NOx燃烧技术的核心方案是，从主燃烧区分离出一部分燃烧用空气，将这些空气在顶部的燃尽风喷嘴送入炉膛，实现煤粉的空气分级燃烧；空气分级改变了炉内煤粉的燃烧分布，因而改变了炉膛温度场和出口烟气温度，炉内受热面吸热量和煤粉颗粒燃尽度也随之发生变化；一些锅炉在完成低NOx燃烧技术改造后，由于炉内空气分级不合理，飞灰含碳量升高，蒸汽温度显著降低，难以达到设计值；而有些锅炉改造后，蒸汽温度升高，减温水量增大；由于再热汽系统的吸热量远小于过热汽系统，低NOx燃烧技术对再热汽温度的影响比过热汽更大，因此，对于炉内装有辐射式再热器的锅炉，低NOx燃烧技术对蒸汽温度的影响更加突出。
在设计上，低NOx煤粉燃烧技术将主燃烧区供给的空气量控制在理论空气量的75％左右，即保持主燃烧区过剩空气系数约为0.75，处于缺氧状态；因此，该区域内包含大量的、温度很高但燃烧处于停滞状态的未燃尽的煤粉颗粒，这些颗粒一旦获得氧气，能很快放出热量，这一特点对低NOx燃烧技术的运行特性有决定作用：风箱-炉膛差压波动对主燃烧区颗粒燃尽度会产生显著影响，风箱-炉膛差压的波动意味着主燃烧区供给空气量的波动，会引起该区域颗粒燃尽度和释放出热量的波动，炉内受热面吸热量也随之波动；这一特性在锅炉运行中的实际表现是，在改造成低NOx燃烧系统后，锅炉蒸汽温度的波动幅度明显增大；这是由低NOx燃烧技术在主燃烧区严重缺氧、对风箱-炉膛差压的波动较为敏感所决定的。
炉内主燃烧区空气供给量的波动不仅会引起汽温波动，使汽温控制难度增大，而且，前面所述的飞灰含碳量升高、蒸汽欠温或减温水量过大，也是由于炉内空气和煤粉的分布没有达到合理的设计要求所引起的。一般说来，炉内主燃烧区风煤配比过小，会导致飞灰可燃物增大，汽温升高；风煤配比过大，会引起NOx排放量超标，汽温降低；因此，对于低NOx煤粉燃烧系统，炉内风粉分布即各燃烧区过剩空气量的监测是至关重要的，它是保证低NOx燃烧系统合理地进行空气分级的有效手段，对锅炉运行优化和控制有较为重要的意义。
目前，对于采用直吹式制粉系统的切向燃烧锅炉，煤粉喷嘴供粉量的监测和调节是通过给煤机出力；而空气喷嘴数量众多，测量条件恶劣，这些喷嘴供给的空气量只是通过挡板进行调节，还没有实现对空气流量的测量，因此，运行人员无法获得炉内各燃烧区过剩空气系数的信息；在实际运行中，锅炉负荷和煤粉分配状态多变，运行人员对空气喷嘴流量的调整具有很大盲目性，这是一些低NOx煤粉燃烧系统因采用不合理的空气分级强度而引起锅炉运行参数异常的主要原因。
技术实现要素：
本发明的目的就是为了解决上述难题，提供了一种监测低NOx切向燃煤锅炉炉内风粉分布的方法，该方法能够给运行人员提供炉内各燃烧区过剩空气系数的信息，使他们能够确定主燃烧区的空气分级强度，特别适用于采用直吹式制粉系统的低NOx切向燃煤锅炉。
为实现上述目的，本发明的具体方案如下：
一种监测低NOx切向燃煤锅炉炉内风粉分布的方法，包括：
(1)在锅炉冷态未点火条件下，对二次风挡板进行阻力特性试验，得到二次风挡板和炉膛的阻力系数；
根据上述得到的阻力系数以及锅炉热态运行时监测的二次风箱-炉膛出口差压、二次风压力和温度参数，计算热态运行时的二次风喷嘴的风速；
(2)采集锅炉热态运行时的二次风压力和温度，计算二次风密度；根据所述二次风密度、二次风喷嘴的风速和二次风喷嘴的面积，得到各个二次风喷嘴的空气流量；
(3)测量磨煤机的给煤流量和空气流量，将所述给煤流量和空气流量均匀分配到该磨煤机所对应的每一个煤粉喷嘴；
(4)以煤粉喷嘴位置为分界，将炉膛分为若干燃烧区段；根据各个二次风喷嘴和煤粉喷嘴在炉膛内的位置，以及流过这些喷嘴的空气流量和煤粉流量，计算进入炉内各燃烧区段的空气流量和煤流量；
(5)取入炉煤样，根据入炉煤样的工业成分，计算单位入炉煤燃烧所需要的理论空气量；
(6)根据炉膛某燃烧区段内空气流量和煤流量的计算值，并结合入炉煤燃烧所需要的理论空气量，得到该燃烧区段的过量空气系数，它表示了炉膛该燃烧区段的风粉分布状态。
进一步地，所述步骤(2)中计算二次风密度的方法具体为：
根据理想气体的压力、密度与温度的关系式，结合当地大气压力、二次风压力以及二次风温度，计算二次风密度。
进一步地，所述步骤(2)中计算二次风喷嘴的空气流量的方法为：
二次风喷嘴的空气流量与该喷嘴的面积、二次风密度和该喷嘴的风速的乘积成正比；根据二次风密度、二次风喷嘴的风速和二次风喷嘴的面积，得到二次风喷嘴的空气流量。
进一步地，所述步骤(3)中，每一个煤粉喷嘴所分配到的给煤流量为：磨煤机的给煤流量与该磨煤机所对应的煤粉喷嘴数量的比值；
每一个煤粉喷嘴所分配到的空气流量为：磨煤机的空气流量与该磨煤机所对应的煤粉喷嘴数量的比值。
进一步地，所述步骤(4)中，将炉膛下部煤粉喷嘴和空气喷嘴组成的主燃烧区和炉膛上部的分离燃尽风燃烧区分别作为独立的燃烧区段。
进一步地，所述步骤(4)中，进入炉内某燃烧区段的空气流量的计算方法为：对该燃烧区中所有运行磨煤机的煤粉喷嘴的空气流量的累加和与该燃烧区中所有二次风喷嘴的空气流量的累加和求和；
进入炉内某燃烧区段的煤流量的计算方法为：该燃烧区中所有运行磨煤机的煤流量的累加和。
进一步地，所述步骤(6)中，计算燃烧区段的过量空气系数的方法为：
进入该燃烧区段的空气流量之和与进入该燃烧区的煤流量所需的理论空气量的比值。
本发明的有益效果：
本发明方法能够给运行人员提供炉内各燃烧区的风粉分布信息，使运行人员随时对锅炉配风进行调整，达到合理的空气分级的目的，满足氮氧化物的排放要求，同时，减少低NOx燃烧系统对锅炉其它运行参数的影响。
附图说明
图1为某低NOx切向燃煤锅炉的炉膛、受热面、空气喷嘴、燃料喷嘴、二次风挡板的布置、燃烧器喷嘴面积以及炉内燃烧区的划分；
图2是根据二次风挡板特性试验得到的挡板阻力系数与开度的关系曲线；
图3是炉内空气流量和给煤流量分布的柱形图；
图4是过剩空气系数随炉膛高度的变化。
具体实施方式：
下面结合附图对本发明进行详细说明：
本发明公开了一种监测低NOx切向燃煤锅炉炉膛内风粉分布的方法，首先是在锅炉未点火的冷态条件下，对二次风挡板进行阻力特性试验，得到挡板和炉膛的阻力特性；然后测试锅炉的热态运行数据，计算炉内不同燃烧区段的过剩空气系数，得到炉内风粉分布状态。
本发明方法具体包括以下步骤：
(1)在锅炉冷态未点火条件下，对二次风挡板进行阻力特性试验，得到二次风挡板和炉膛的阻力系数；根据上述得到的阻力系数以及锅炉热态运行时监测的二次风箱-炉膛出口差压、二次风压力和温度参数，计算热态运行时的二次风喷嘴的风速；
该步骤的具体方法可以采用中国专利《锅炉二次风挡板特性试验数据的处理方法》(申请号：201510493413.2)提供的步骤，对试验数据进行处理，绘制阻力系数—挡板开度的关系曲线，得到炉膛及各二次风挡板的阻力系数；并根据测得的阻力系数以及热态运行时采集到的风箱-炉膛差压、风门开度和二次风温度等参数，计算锅炉实际运行状态下各个二次风喷嘴的风速；
(2)根据锅炉热态运行时二次风压力和温度，计算二次风密度；根据二次风密度、喷嘴风速和面积，得到各个二次风喷嘴的空气流量；
计算二次风密度和二次风喷嘴空气流量的具体方法为：
ρ2＝0.003483(p0+p)/(273.15+t2) (1)
ρ2为二次风密度(kg/m3)，p0为当地大气压力，(Pa)，p为二次风压力，(Pa)，t2为二次风温度，(℃)。
为第i个二次风喷嘴的空气流量，(t/h)，为该喷嘴的面积，(m2)，ρ2为二次风密度，(kg/m3)，为步骤(1)中确定的第i个喷嘴的风速，(m/s)。
(3)测量磨煤机的给煤流量和空气流量，将这些煤流量和空气流量均匀分配到该磨煤机所对应的煤粉喷嘴；
运行的磨煤机所对应的单只煤粉喷嘴的空气流量和煤流量的确定方法为：
为第j台磨煤机的单只煤粉喷嘴的煤流量，(t/h)，为第j台磨煤机給煤流量，(t/h)，n为该磨煤机所对应的煤粉喷嘴数量，为第j磨煤机对应的单只煤粉喷嘴的空气流量，(t/h)，为第j磨煤机的空气流量，(t/h)。
(4)以煤粉喷嘴位置为分界，将炉膛分为若干区段；根据各个二次风喷嘴和煤粉喷嘴在炉膛内的位置，以及流过这些喷嘴的空气和煤粉流量，计算进入炉内各燃烧区段的空气流量和煤流量；
低NOx切向燃煤锅炉炉内的燃烧区通常分为炉膛下部煤粉喷嘴和空气喷嘴组成的主燃烧区，以及炉膛上部的分离燃尽风(SOFA)燃烧区，运行中，这两个燃烧区应保持合理的过剩空气系数，实现煤粉的空气分级燃烧，以保证较低的NOx排放量、较高的颗粒燃尽度以及良好的汽温调节特性。
主燃烧区过量空气系数是低NOx燃烧系统空气分级强弱的重要标志，运行人员通过调整二次风挡板开度或磨煤机的给煤流量，可以将主燃烧区过量空气系数维持在合理的数据。因此，本发明中将主燃烧区和分离燃尽风区分别作为独立区段。
进入某燃烧区的空气流量和煤流量的计算方法为：
MF为进入该燃烧区的煤流量之和，(t/h)，MA为进入该燃烧区段的空气流量之和，(t/h)，表示对该燃烧区中所有运行磨煤机的煤粉喷嘴的空气流量求和，表示对该燃烧区中所有二次风喷嘴的空气流量进行求和。
(5)取入炉煤样，送电厂燃料化验室化验，得到入炉煤的工业成分，据此计算1千克入炉煤燃烧所需要的理论空气量(kg/kg)；
一般情况下，煤燃烧所需要的理论空气量是根据煤的元素成分计算，目前，多数电厂煤化验室无法进行煤元素成分的测试，为快速确定理论空气量，本发明提供了根据煤的工业成分计算理论空气量的方法，具体为：
m0为入炉煤燃烧所需要的理论空气量，(kg/kg)，FCad为入炉煤的空气干燥基固定碳含量(％)，Vad为入炉煤的空气干燥基挥发分含量，(％)，Aad为入炉煤的空气干燥基灰分含量，(％)，Mar为入炉煤的收到基水分含量，(％)。
(6)根据炉膛某燃烧区段空气流量和煤流量的计算值，并结合煤燃烧的理论空气量，得到该区段的过量空气系数，它表示了炉内该区域的风粉分布状态。
炉内某燃烧区过剩空气系数的具体计算方法为：
α＝MA/(MF×m0) (8)
α为炉内某区段的过剩空气系数，(/)。
实施例一：
实施对象是一台电厂锅炉，图1是该锅炉炉膛、受热面、空气喷嘴、燃料喷嘴的布置、面积以及炉内燃烧区的划分；该锅炉是一台亚临界、一次再热、控制循环汽包炉，单炉膛、倒U型露天布置，炉膛上部设有墙式再热器、全大屏和后屏过热器；锅炉采用正压直吹式制粉系统，配有5台RP923中速磨煤机，每套制粉系统向同层4只燃烧器供粉，因此，式(3)和式(4)中的n＝4，该炉共有5层煤粉喷嘴，从下至上依次记为A、B、C、D、E，其中A层煤粉喷嘴内还装有等离子点火器，空气和燃料喷嘴采用四角切向布置。
2013年，完成了低NOx燃烧系统改造，增加了4层分离燃尽风(Separated Overfire Air，简称SOFA))喷嘴，改造后的空气喷嘴共19层，每层4只，共76只空气喷嘴，这19层空气喷嘴分别是：①4SOFA喷嘴，共4层，分别为SOFA1、SOFA2、SOFA3和SOFA4；②层二次风喷嘴：共4层，分别是CD、DE和EE层二次风以及EE紧凑燃尽风；③油枪二次风喷嘴：共2层，分别是AB、BC层油枪二次风；④煤粉喷嘴的周界风喷嘴：共5层，分别是A周界风、B周界风、C周界风、D周界风、E周界风，⑤贴壁风喷嘴：共3层，分别是DE、EE和FF层贴壁风；⑥最底层AA二次风。这些喷嘴的面积见图1。
这些二次风的流量由15个二次风挡板xAA、xA、xAB、xB、xBC、xC、xCD、xD、xDE、xE、xEE、xSOFA1、xSOFA2、xSOFA3、xSOFA4来控制，这些挡板的布置见图1。以煤粉喷嘴为边界，分离燃尽风和主燃烧区分别作为独立燃烧区，将炉膛分为7个燃烧区段，见图1，各区段中的过剩空气系数分别表示为αA、αB、αC、αD、αE、αMZ、αSOFA，其中，αMZ和αSOFA分别表示主燃烧区和燃尽风区的过剩空气系数。
在锅炉未点火的冷态条件下，对二次风挡板进行阻力特性试验，试验过程中，维持二次风箱到炉膛出口的压降为500Pa，分别在二次风挡板开度100％、75％、50％、25％、0％时，测量炉膛四角的19层二次风喷嘴的风速；采用中国专利《锅炉二次风挡板特性试验数据的处理方法》(申请号：201510493413.2)提供的方法和步骤，得到SOFA二次风、贴壁和周界二次风、AA层二次风、层二次风以及油枪二次风等各种空气喷嘴的阻力系数见图2，炉膛的阻力系数ζL＝1.699。
在机组负荷为300MW的某运行状态下，二次风箱-炉膛出口差压ΔP＝1001.3Pa，二次风压力p＝971Pa，二次风温度t2＝304.3℃,二次风挡板开度见表1，根据图2给出的二次风挡板阻力系数曲线，得到二次风挡板的阻力系数见表1；采用中国专利《锅炉二次风挡板特性试验数据的处理方法》(申请号：201510493413.2)提供的方法和步骤，得到图1中各二次风空气喷嘴的风速见表1；为调整再热汽温度或炉膛出口烟气温度偏差，这种切向布置的空气和煤粉喷嘴一般都能够上下或左右摆动，因此，喷嘴和风箱之间留有空隙，这些空隙构成了空气从风箱流向炉膛的通道，这些空气的流动客观上起到了对喷嘴的冷却作用，因此称为冷却风；这些冷却风通道可以当作空气喷嘴处理，但它是沿着整组燃烧器喷嘴高度方向均匀分布，且无挡板调节，总处于常开状态；对于该对象锅炉，冷却风喷嘴总面积为1.81m2，冷却风风速的确定方法与空气喷嘴相同，各种空气喷嘴和冷却风风速的计算结果见表1中右数第2列。
表1
利用测得的二次风压力p＝971Pa，二次风温度t2＝304.3℃，根据式(1)计算得到二次风密度ρ2＝0.62kg/m3；根据二次风密度、图1中给出的空气喷嘴面积以及表1中的空气喷嘴风速，采用式(2)计算各喷嘴的空气流量，结果见表1中右数第1列；由于每层包含4只同样的喷嘴，该列给出的是同层4只喷嘴的流量之和。
锅炉在运行中共投用A、B、C、E四台磨煤机，利用运行监测仪表，测量这四台磨煤机的给煤量分别为空气流量分别为根据式(3)和式(4)，计算每只煤粉喷嘴中的給煤流量和空气流量式中n＝4；在表1中右数第1列中给出的是每层煤粉喷嘴的煤流量和空气流量，它们是同层4只喷嘴的流量之和，即由于一台磨煤机只向同层4只喷嘴供粉，因此，同层4只喷嘴的流量之和就是进入磨煤机的空气流量和給煤流量
将该锅炉炉膛分为图1所示的7个燃烧区，这些燃烧区中的平均过剩空气系数分别表示为αA、αB、αC、αD、αE、αMZ、αSOFA；燃烧区的划分原则是以煤粉喷嘴为分界，主燃烧区和燃尽风区分别作为独立的区段；各区段所包含的煤粉喷嘴和空气喷嘴见图1；根据炉内喷嘴位置，以及表1给出的各个喷嘴流量，根据式(5)和式(6)计算进入每个区段总的空气流量和煤流量，其中冷却风流量均匀分配到整组燃烧器喷嘴所在的垂直高度上；对各个燃烧区中的喷嘴流量进行累积，得到上述7个燃烧区的空气流量和煤粉流量见表2。
表2
取原煤样送化学实验室化验煤的工业成分，结果为：空气干燥基水分Mad＝2.72％，空气干燥基挥发分Vad＝29.85％，空气干燥基灰分Aad＝23.64％，收到基水分分Mar＝11.60％；根据式(7)计算1千克入炉煤燃烧所需要的理论空气量m0＝6.925(kg/kg)。
根据表2中进入某燃烧区的空气流量MA和煤流量MF，以及煤的理论空气量m0，利用式(8)计算该区段的过量空气系数，结果见表2中的右数第1列。
为便于运行人员的监测，沿炉膛高度的空气流量和煤流量的分布绘制成柱形图，图3是根据计算结果绘制的风粉分布柱形图，它更直观地显示了炉内风粉分布。
炉内过剩空气系数更能准确地反映炉内风粉分布状况，图4是根据计算结果绘制的过剩空气系数随炉膛高度的变化，其中主燃烧区的过剩空气系数为0.73，分离燃尽风出口的过剩空气系数为1.08。
根据监测结果，运行人员可以调整炉内空气流量和给煤流量的分布，例如，运行人员想要减弱主燃烧区空气分级的强度，将该区的过剩空气系数提高到0.75，他们保持入炉煤质和磨煤机的给煤流量不变，开大主燃烧区空气喷嘴的挡板开度，将炉内二次风空气喷嘴的挡板开度和风箱-炉膛出口差压调整到如下状态：
风箱-炉膛出口差压ΔP＝960Pa；
二次风压力p＝928Pa；
二次风温度t2＝304.0℃；
图1中各二次风挡板开度分别为：
xSOFA4＝100％
xSOFA3＝100％
xSOFA2＝100％
xSOFA1＝100％
xEE＝30％
xE＝100％
xDE＝30％
xD＝0％
xCD＝30％
xC＝100％
xBC＝30％
xB＝100％
xAB＝30％
xA＝100％
xAA＝50％
采用上述方法，监测到各燃烧区的过剩空气系数分别为：
A煤粉燃烧器以下的燃烧区，αA＝0.75
B煤粉燃烧器以下的燃烧区，αB＝0.68
C煤粉燃烧器以下的燃烧区，αC＝0.67
D煤粉燃烧器以下的燃烧区，αD＝0.74
E煤粉燃烧器以下的燃烧区，αE＝0.71
主燃烧区出口，αMZ＝0.75
分离燃尽风区出口，αSOFA＝1.12。
上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。