何曉亮

（赤峰市特種設(shè)備檢驗(yàn)所，內(nèi)蒙古自治區(qū)赤峰024000）

對(duì)直吹式制粉系統(tǒng)一次風(fēng)速微波測(cè)量技術(shù)的研究

何曉亮

（赤峰市特種設(shè)備檢驗(yàn)所，內(nèi)蒙古自治區(qū)赤峰024000）

目前，國(guó)內(nèi)許多電廠對(duì)風(fēng)煤系統(tǒng)的風(fēng)速缺乏合適的監(jiān)測(cè)手段，在系統(tǒng)調(diào)節(jié)時(shí)具有盲目性，降低了電廠運(yùn)行的安全性和經(jīng)濟(jì)性?，F(xiàn)利用微波衰減的測(cè)量方法監(jiān)測(cè)直吹式風(fēng)煤系統(tǒng)，以煤粉管道內(nèi)流動(dòng)的風(fēng)煤兩相流作為測(cè)量對(duì)象，讓微波快速地穿越整個(gè)煤粉管道場(chǎng)，實(shí)現(xiàn)連續(xù)的在線測(cè)量，從根本上解決了傳統(tǒng)產(chǎn)品存在的取樣代表性差、探頭堵塞等問題，提高了鍋爐的燃燒效率，降低了發(fā)電成本。

鍋爐；直吹式；制粉系統(tǒng)；煤粉；風(fēng)速；微波；測(cè)量；技術(shù)

0 概 述

隨著國(guó)家對(duì)環(huán)境保護(hù)力度的增強(qiáng)，對(duì)氮氧化物的排放已被日益引起重視。國(guó)內(nèi)大容量電站鍋爐普遍采用直吹式制粉系統(tǒng)，煤粉由一次風(fēng)攜帶，經(jīng)煤粉管直接進(jìn)入爐膛燃燒。為了獲得較高的燃燒效率，并保持爐內(nèi)不結(jié)渣，同時(shí)還采用了分級(jí)燃燒技術(shù)，可降低氮氧化物的排放濃度。但是，某些燃煤鍋爐不同程度地存在各燃燒器配風(fēng)不合理等問題，直接導(dǎo)致了鍋爐燃燒穩(wěn)定性差、排煙溫度高、爐膛結(jié)焦及灰渣含碳量偏高等現(xiàn)象的出現(xiàn)，無法優(yōu)化和調(diào)整爐內(nèi)燃燒狀態(tài)，沒能達(dá)到高效低污染的燃燒目的。這些現(xiàn)象的產(chǎn)生，主要是缺乏對(duì)制粉及燃燒系統(tǒng)有效的在線監(jiān)視手段，運(yùn)行人員在進(jìn)行燃燒調(diào)整時(shí)無據(jù)可依，使鍋爐偏離了優(yōu)化運(yùn)行狀態(tài)。情況嚴(yán)重時(shí)，某些煤粉管道被堵塞，機(jī)組將被迫降負(fù)荷或停機(jī)，影響了機(jī)組的安全運(yùn)行，并給電廠造成很大的經(jīng)濟(jì)損失。

1 存在的問題及影響

國(guó)內(nèi)多數(shù)鍋爐仍靠靜壓指示值或風(fēng)門開度進(jìn)行燃燒調(diào)整，這種調(diào)整方法具有一定盲目性，常造成機(jī)組的一次風(fēng)風(fēng)速偏離了設(shè)計(jì)值，經(jīng)實(shí)測(cè)，有些機(jī)組的一次風(fēng)風(fēng)速偏差值超過40%。

一次風(fēng)風(fēng)速不合理，可能引起諸多事故的發(fā)生。因此，鍋爐配風(fēng)仍是電廠運(yùn)行主要的監(jiān)控參數(shù)。當(dāng)一次風(fēng)風(fēng)速過低時(shí)，通過空氣預(yù)熱器的風(fēng)量將減少，導(dǎo)致鍋爐排煙溫度的升高，影響了機(jī)組運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性；增強(qiáng)了二次風(fēng)對(duì)一次風(fēng)的卷吸能力，使大量冷的二次風(fēng)過早地混入，拖延了燃煤的著火過程，有時(shí)甚至?xí)疱仩t局部熄火，降低了鍋爐效率；除影響煤粉的最佳濃度外，增加了輸粉管道中煤粉的沉積量，稍不注意就會(huì)引起堵管，不能向鍋爐繼續(xù)供給煤粉。一次風(fēng)風(fēng)速過低時(shí)，降低了燃燒器出口混合物的速度，大量的煤粉與主氣流分離，除了造成耗煤量增加之外，還會(huì)引起爐膛滅火、以及堵死鍋爐下部出灰口。一次風(fēng)速過高時(shí)，易造成一次風(fēng)與二次風(fēng)混合的推遲，導(dǎo)致煤粉著火后缺氧，使飛灰和爐渣的含碳量增加，使?fàn)t膛結(jié)焦；還會(huì)加速鍋爐輸粉管道的磨損，降低設(shè)備的使用壽命。燃燒器出口風(fēng)速過高，導(dǎo)致燃燒滯后，造成火焰中心偏斜，容易引起爐墻的局部結(jié)焦及爐膛尾部過熱器局部超溫爆管，燃盡困難，增加了爐灰中含碳量以及排煙溫度，降低了鍋爐效率。此外，一次風(fēng)風(fēng)速過高時(shí)，勢(shì)必導(dǎo)致進(jìn)入爐膛的煤粉量增加。為了保證燃燒完全，控制鍋爐飛灰含碳量，此時(shí)，會(huì)適當(dāng)增加二次風(fēng)的風(fēng)量，這樣更易使煙氣的風(fēng)速加快，增加排煙的熱損失，還會(huì)加劇系統(tǒng)設(shè)備的磨損，降低設(shè)備的使用壽命。

因此，在鍋爐的負(fù)荷范圍內(nèi)，需對(duì)一次風(fēng)量進(jìn)行精確的測(cè)量和控制。通過對(duì)一次風(fēng)風(fēng)速的有效控制，不僅能減少鍋爐NOx的生成，也有助于降低燃燒器的火焰溫度，控制并優(yōu)化燃燒所需的著火點(diǎn)，降低水冷壁的損壞程度。

2 測(cè)量原理

在直吹式制粉系統(tǒng)中，鍋爐輸粉管道內(nèi)流動(dòng)的是含煤粉的高速氣流。用傳統(tǒng)的差壓法測(cè)量風(fēng)速，不能解決前端測(cè)量元件的磨損和被堵塞的問題，采用微波衰減測(cè)量技術(shù)和相關(guān)法，可準(zhǔn)確測(cè)量直吹式制粉系統(tǒng)一次風(fēng)的風(fēng)速。使用特殊耐磨材料制作的測(cè)量探頭，可解決測(cè)量過程中前端測(cè)量元件的磨損和被堵塞問題，為直吹式制粉系統(tǒng)鍋爐，提供準(zhǔn)確可靠的監(jiān)測(cè)手段。

鍋爐輸粉管道中的風(fēng)煤氣流是典型的兩相流體。對(duì)兩相流體，用相關(guān)法原理進(jìn)行速度測(cè)量是比較好的方法。所謂相關(guān)法，就是當(dāng)被測(cè)流體在管道內(nèi)作穩(wěn)態(tài)流動(dòng)時(shí)。在上、下游的2個(gè)微波傳感器及變送器所拾取的隨機(jī)流動(dòng)噪聲信號(hào)，可認(rèn)為是符合各種狀態(tài)的2個(gè)樣本函數(shù)。同時(shí)，只要2個(gè)傳感器的間距布置合理，且2個(gè)傳感器及變送器的靜態(tài)性能一致，則可認(rèn)為兩個(gè)隨機(jī)流動(dòng)信號(hào)是相似的，具有相關(guān)性。兩者信號(hào)之間的相關(guān)時(shí)間，就是被測(cè)流體在測(cè)量間距內(nèi)流動(dòng)的時(shí)間。因此，管道內(nèi)風(fēng)速的非接觸式測(cè)量問題，就被轉(zhuǎn)化為隨機(jī)流動(dòng)噪聲信號(hào)的拾取和相關(guān)函數(shù)的計(jì)算，確定了兩者信號(hào)的峰值時(shí)間，從而就解決了兩相流的測(cè)量問題。

利用相關(guān)法測(cè)量風(fēng)速的原理是：采用微波傳感器獲取兩相流體的流動(dòng)噪聲信號(hào)，經(jīng)相關(guān)處理后，求得離散相的平均風(fēng)速。

用相關(guān)法進(jìn)行風(fēng)速測(cè)量的示意圖，如圖1所示。

圖1 相關(guān)法測(cè)速示意圖

該系統(tǒng)可用微波傳感器，獲取兩相流體的流動(dòng)噪聲信號(hào)。4個(gè)微波傳感器探頭組合成兩組，微波探頭1、2作為上游傳感器，微波探頭3、4作為下游傳感器。微波探頭1、3作為微波發(fā)射探頭，用于在鍋爐輸粉管道中激勵(lì)微波，微波探頭2、4作為微波接收探頭，用于獲取鍋爐送粉管道中風(fēng)煤兩相流的噪聲信號(hào)。信號(hào)源向微波發(fā)射探頭輸送微波信號(hào)，相關(guān)器可對(duì)風(fēng)煤兩相流的流動(dòng)噪聲信號(hào)進(jìn)行相關(guān)處理。

如圖1所示，當(dāng)某段煤粉混合物流過微波探頭1、2和微波探頭3、4之間時(shí)，微波接收探頭就能收集該段混合物的濃度、溫度、風(fēng)煤混合程度等相關(guān)因素的信號(hào)。因?yàn)樵诓煌瑫r(shí)刻、不同管段間的煤粉混合物的濃度、溫度、風(fēng)煤混合程度等因素不可能完全相同，所以接收探頭接收到的信號(hào)是隨機(jī)信號(hào)，即流動(dòng)噪聲信號(hào)。但當(dāng)探頭之間的間距L不超過某個(gè)值，對(duì)于同一段風(fēng)煤混合物（如A段）分別流過探頭1、2和探頭3、4之間時(shí)，在探頭2、4上接受的信號(hào)在形式上應(yīng)具有很強(qiáng)的相關(guān)性，但在時(shí)間上存在一個(gè)延時(shí)τ。即如果探頭2測(cè)到的信號(hào)為x（t），則在探頭4上測(cè)到的信號(hào)為y（t）=x（t-τ）。而延時(shí)τ就是流體流過距離L所用的時(shí)間。相關(guān)器將采入探頭2上的信號(hào)x（t）和探頭4上的信號(hào)y（t）=x（t -τ）。當(dāng)信號(hào)數(shù)量足夠多時(shí)，相關(guān)器對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)處理后，就可得到延時(shí)τ。由L、τ，就可計(jì)算出流體的平均流動(dòng)速度v，即：

只要L選擇合理，就能保證平均流動(dòng)速度v的計(jì)算精度。用這種方法求得的速度，只與L、τ有關(guān)。

3 測(cè)量系統(tǒng)的構(gòu)成

風(fēng)煤的微波測(cè)量系統(tǒng)，如圖2所示。兩組微波探頭按要求安裝在管道上，微波信號(hào)通過兩組微波探頭被送入信號(hào)處理單元，信號(hào)經(jīng)過處理，送入相關(guān)性處理運(yùn)算單元，經(jīng)過相關(guān)器識(shí)別出相關(guān)的微波信號(hào)，然后再經(jīng)過運(yùn)算，得出速度信號(hào)，直接將信號(hào)送到集控室的監(jiān)測(cè)界面。另一組探頭輸出的煤粉濃度信號(hào)，也被送入集控室的監(jiān)測(cè)界面。

圖2 風(fēng)煤的微波測(cè)量整體系統(tǒng)圖

在安裝風(fēng)煤的微波測(cè)量探頭時(shí)，微波探頭應(yīng)垂直于管壁，同方向上的微波探頭中心連線應(yīng)與輸粉管道的軸線平行。為防止兩組微波互相干擾，兩組探頭在理論上應(yīng)該互相垂直，但在實(shí)際安裝中不能保證絕對(duì)垂直，故兩個(gè)方向上的微波探頭在軸線夾角上的最大偏差為90°±3°。

4 檢測(cè)與運(yùn)行

經(jīng)過間隔τ0時(shí)間后，由2個(gè)下游微波接收探頭得到的曲線，如圖3所示。從圖3可知，微波探頭2接收的信號(hào)，經(jīng)過τ0時(shí)間后，微波接收探頭4得到相似的信號(hào)。由于接收探頭上產(chǎn)生的信號(hào)與該段混合物的濃度、溫度、風(fēng)煤混合程度等因素有關(guān)，所以，僅在設(shè)定的管道長(zhǎng)度內(nèi)，才能接受到相似的信號(hào)，從而得到送粉管道的風(fēng)速。

圖3 2個(gè)探頭的數(shù)據(jù)記錄

利用微波特性測(cè)量送粉管道風(fēng)速，對(duì)被測(cè)流體的流動(dòng)產(chǎn)生的影響很小，甚至不產(chǎn)生阻礙作用或附加流動(dòng)阻力，無疑是最適合用于多相流的測(cè)量方法。經(jīng)過多次試驗(yàn)，利用微波傳感器獲取兩相流體的流動(dòng)噪聲信號(hào)，這種間接測(cè)量方法的重復(fù)性好，檢測(cè)設(shè)備的運(yùn)行非常穩(wěn)定。此外，微波測(cè)量方法克服了傳統(tǒng)風(fēng)速測(cè)量探頭易磨損或堵塞等缺陷。

5 結(jié) 語

微波測(cè)量系統(tǒng)運(yùn)行結(jié)果表明，該系統(tǒng)具有很好的測(cè)量效果，能夠?qū)崿F(xiàn)一次風(fēng)風(fēng)速的在線測(cè)量。據(jù)所測(cè)參數(shù)，操作人員可隨時(shí)調(diào)整系統(tǒng)的運(yùn)行方式，將一次風(fēng)風(fēng)速控制在最佳范圍內(nèi)，從而優(yōu)化鍋爐的燃燒過程，提高機(jī)組的運(yùn)行水平。對(duì)于電廠節(jié)能，提高經(jīng)濟(jì)效益具有現(xiàn)實(shí)意義。

［1］郭文生，楊春平，郭振強(qiáng).鍋爐一次風(fēng)風(fēng)速在線監(jiān)測(cè)［J］.華東電力，2002，18（9）：59-60.

［2］李鎮(zhèn)遠(yuǎn)，張倫編著.微波衰減測(cè)量［M］.北京：人民郵電出版社，1981.

［3］王文其.兩相流動(dòng)［M］.北京：水利電力出版社，1989.

［4］李德忠，黃立新.鍋爐帶負(fù)荷不穩(wěn)定問題的試驗(yàn)研究［J］.電站系統(tǒng)工程，2007，23（4）：55-57.

Research on Microwave Measurement Technology of Primary Air Velocity in Direct-fired System

HE Xiao-liang
（Chifeng Special Equipment Inspection Institute，Chifeng 024000，Inner Mongolia，China）

Nowadays，the great majority of domestic power plants lack reasonable monitoring measures for the air velocity，which results in blind system adjustment and reduced security and economy of power plant operation.This paper presented direct-fired air-coal monitoring system based on energy attenuation of microwave，the measured object is flowing air-coal two-phase current in pulverized-coal pipeline，the microwave rapidly crossed the whole pulverized-coal pipeline field，continuous on-line measurement has been realized.This system fundamentally overcomes a lot of deficiencies of the traditional products such as poor representativeness of the sample，blocked probe and so on.This system would increase boiler efficiency and reduce power generation cost.

boiler；direct-fired；pulverizing system；pulverized coal；air velocity；microwave；measurement；technology

TK284.3

：A

1672-0210（2015）01-0032-03

2014-10-31

何曉亮（1980-），男，工學(xué)碩士，工程師，畢業(yè)于東北電力大學(xué)能源與機(jī)械工程學(xué)院熱能工程專業(yè)，從事鍋爐能效檢測(cè)方面的工作。