乐东电厂：基于炉膛火焰中碱金属在线监测锅炉结焦防控与节能技术研究应用

项目案例简介：

基于炉膛火焰中碱金属在线监测锅炉结焦防控与节能技术能够实现燃煤中碱金属含量的在线监测，做出锅炉粘污结渣预报，从而针对性进行优化调整，源头治理，很好的控制锅炉沾污结渣，解决因沾污结焦引起的排烟温度升高问题，实现电厂锅炉燃用高碱煤长周期、安全稳定、经济运行。

案例专题：2023综合能源服务暨数智化转型创新优秀项目案例汇编

选送单位：国家能源集团乐东发电有限公司

项目案例背景

乐东公司燃料主要以神华煤及印尼煤为主，但由于煤中碱金属（K、Na为主）含量相对偏高，灰熔点偏低，易结焦。同时在超低排放改造后，锅炉主燃烧区的还原性气体浓度过高，加剧了煤灰熔点的降低，从而使得碱金属含量偏高引起灰熔点降低的问题被放大，制约着煤的高效利用。此外，结焦引起排烟温度升高，锅炉能耗增加，也对机组的安全运行造成影响。既然燃煤中碱金属的含量是煤灰熔点高低的关键因素，如果我们能够有效地在线监测燃煤中碱金属的含量，做出锅炉粘污结渣预报，从而针对性给出调整措施，源头治理，就可以很好的控制锅炉沾污结渣，同时有效地降低炉膛出口排烟温度，实现节能降耗。因此，开展基于炉膛火焰中碱金属在线监测锅炉结焦防控与节能技术研究应用十分必要。

碱金属特征谱线的辐射强度与碱金属的浓度有关，基于原子发射光谱定量分析和火焰热辐射的精确计算，建立起碱金属特征谱线强度与碱金属浓度之间的定量关系，实现火焰中的碱金属进行定量测量。结合乐东电厂锅炉运行的实际情况，通过研究燃烧温度、燃料特性、配风等对碱金属释放的影响规律，建立碱金属释放的动力学模型，以在线监测的碱金属浓度大小来预测、分析、评估锅炉燃用高碱煤时受热面的状态。从而针对性做出相关调整，如吹灰优化，配煤策略调整等。从而实现控制锅炉沾污结焦的关口前移，实施“状态”控焦，即依据在线监测的碱金属浓度大小，来分析炉膛结焦的可能发展趋势，提前进行干预调整，来控制或缓解沾污结焦，区别于以往的锅炉“事后控制”，即锅炉出现结焦，引起汽温、烟温、壁温等参数恶化后，才进行针对性的事后调整。

主要创新点概述

（1）实现煤燃烧锅炉内温度及气相Na、K的在线监测，构建“火眼金睛”

根据原子发射光谱技术中碱金属发射谱线强度与温度、气相碱金属浓度的模型，从光谱中计算出火焰温度、气相Na、K浓度，并开发一套适用于煤燃烧锅炉内光谱分析的在线监测软件；实现煤燃烧锅炉内温度及气相Na、K的在线监测。

（2）多因素、多边界条件融合计算，搭建Na、K元素释放的动力学模型

煤燃烧锅炉内气相Na、K在线监测系统安装在燃烧煤的电站锅炉上，实现炉内气相Na、K浓度的在线监测，并将该检测结果输出至机组DCS系统内，供运行人员参考。针对机组在各种运行工况下气相Na、K的在线监测结果，综合考虑燃烧温度、燃料特性、配风、结渣情况、炉内CO浓度等因素对气相Na、K动态释放过程的影响，分析这些因素、边界条件对气相Na、K释放的影响规律，建立煤燃烧锅炉内气相Na、K元素释放的动力学模型。

（3）以碱金属在线监测为基础，多数据耦合构建锅炉结渣预报系统

根据煤燃烧锅炉内气相Na、K释放规律及动力学模型，结合烟气区的结渣形貌、成分分析，研究燃烧区气相Na、K释放对烟气区结渣增长速率的影响规律，建立煤燃烧锅炉结渣的预测模型，并提出通过燃烧优化调整方法，预防或缓解煤燃烧锅炉的结渣问题。使得运行人员在线调整有据可循，而不是“盲调”，真正实现结渣预防。同时可针对性的提出吹灰时间和次数，避免常规化的定期吹灰，造成吹灰蒸汽浪费和降低锅炉四管安全寿命。

应用情况及可推广前景简述

系统投运已超过一年，设备运转良好，能够根据碱金属在线监测浓度变化及时发现煤质的变化并给出结焦预警提示，提升锅炉安全运行水平。下一步计划掺烧不同煤种，进一优化结焦预测报警模型，增强报警系统对不同煤种的适应性。积极参与国家能源集团相关科技活动，与其它火电厂进行技术交流，借此推广应用至国家能源集团其他同类型火电企业。

经济效益及社会效益情况

(1)经济效益

炉膛火焰中碱金属在线监测锅炉结渣预报系统从2022年上线试运行以来，产生了客观的效益，具有较高的推广价值：

1）减少锅炉超温次数约25%，降低蒸汽吹灰器的投运频次，提高锅炉四管的安全性能。（因过度吹损导致的泄露，机组被迫调停检修，检修费用及启机费用约40万元）；

2）减少因大面积掉焦引起捞渣机异常停运重要缺陷及异常发生率，降低约30%。（捞渣机异常导致降负荷，损失的电量费用约40万元）；

3）缓解锅炉燃烧器喷口因结焦烧损问题，延长设备使用寿命，降低设备采购支出。（实现结焦预测，吹灰、配煤、燃烧干预等，使得燃烧器喷口因结焦烧损的换新率降低20%，节省4只燃烧器设备更换机施工费用约50万元）；

4）锅炉结焦问题缓解后，有效降低排烟温度约2~3℃，锅炉效率提高约0.13个百分点，年节约标煤约766吨，节省燃料采购费用约114.95万元。

初步估算所产生或者增加的经济效益约为244.95万元。

(2)社会效益

研究成果有效的缓解或解决电站锅炉在燃用高碱煤（如神华煤、印尼煤、新疆煤等）时锅炉易结焦，排烟温度高等问题。有利解决因受热面结焦导致的排烟热损失大，锅炉能耗高等节能问题。较好的降低了因严重结焦导致的锅炉非停事件发生概率，大幅提高安全生产水平。因节约标煤而减少1909.6吨CO2排放，减少57.45吨SO2排放，减少28.7吨NOx排放。项目研究结果可为系统内其他电厂提供借鉴经验。总体来说，项目实施不仅具有很大的经济收益，也具有较好的社会效益，为助力“碳达峰、碳中和”贡献力量，也为绿色中国及节能环保事业添砖加瓦。

项目案例获专利及奖励情况

（1）发明专利--一种燃烧过程中碱金属释放特性动态分析装置及分析方法；（实质审查中）

（2）发明专利--一种高碱煤锅炉中气相碱金属浓度预测方法；（实质审查中）

（3）中文核心期刊《热力发电》论文：“耦合炉内气相碱金属检测的结渣预报系统研究”。

（4）中文核心期刊《热力发电》论文：“燃烧过程中碱金属原位测量技术综述”。

选送单位简介

国家能源集团乐东发电有限公司成立于2012年5月8日，是海南省“十二五”重点项目，项目建设2×350MW超临界燃煤发电机组，总投资36.8亿元，是国家能源集团在祖国最南端的唯一火电项目。两台机组分别于2015年7月和10月投入商业运营，其中1号机组自开工建设至并网发电历时仅372天，创造了同类型机组建设最快的记录。项目配套建设1个7万吨煤炭泊位，采用海水淡化处理技术提供全厂淡水。DCS控制、等离子点火、布袋除尘、湿式电除尘、脱硫脱硝、海水淡化等系统均采用集团自主产权设备设施，是海南省第一家实现超低排放的发电企业。2018年实施环保协同提标改造后，环保指标一直处于世界领先水平，烟尘、SO2、NOx排放浓度分别小于1、10、10mg/Nm3，消除烟囱湿烟羽，实现脱硫废水零排放，达到世界先进水平；灰渣、石膏等固体废物实现100%利用，颗粒物及噪声等无组织排放均达标，成为世界最清洁环保的燃煤火电厂。先后荣获集团公司“五星级企业”、中国投资协会2017年度国家优质投资项目奖、海南省第六届精神文明单位、海南省首批健康企业等荣誉称号，1、2号机组相继分别获得南方电网“金牌机组”和全国可靠性对标标杆机组称号。截至2023年2月底，累计发电271.35亿千瓦时，实现利润8.46亿元。