馮秀芳，鐘奕南，王曉夢

(1.中電投河南電力有限公司，河南鄭州450016;2.安徽平圩發(fā)電有限責任公司，安徽淮南232089; 3.南京中能瑞華電氣有限公司，江蘇南京210032)

一種基于超聲波測量技術的電站鍋爐煤粉濃度/速度在線測量系統(tǒng)及應用

馮秀芳1，鐘奕南2，王曉夢3

(1.中電投河南電力有限公司，河南鄭州450016;2.安徽平圩發(fā)電有限責任公司，安徽淮南232089; 3.南京中能瑞華電氣有限公司，江蘇南京210032)

介紹了一種基于超聲波聲速法原理的電站鍋爐煤粉濃度/速度在線測量系統(tǒng)，描述了系統(tǒng)的基本功能、構成及相應的測量機理，介紹了其系統(tǒng)的算法組成以及系統(tǒng)邏輯順序，并對其在電廠現(xiàn)場所測量的數(shù)據(jù)的準確性進行了詳細論證，還對其應用效果進行了初步闡述，對其應用前景進行了初步展望。

煤粉濃度;煤粉速度;超聲波聲速法

0 引言

電廠機組一次風粉管內(nèi)的煤粉濃度、煤粉流速是電廠鍋爐穩(wěn)定和經(jīng)濟運行的重要參數(shù)。合理而均衡的煤粉濃度、煤粉流速對于電廠機組的正常運行具有重要意義。研究表明，煤粉濃度、風速配比不均時會導致電廠機組鍋爐燃燒不穩(wěn)、火焰偏斜、中心切圓偏移、煙氣流動不均勻、飛灰含碳量高等問題，進而導致鍋爐效率下降，嚴重的甚至會引起爆管事故，導致鍋爐無法正常運行。

目前，國內(nèi)燃煤電廠幾乎都是由運行人員根據(jù)風機電流調節(jié)檔板開度、給粉機轉速及一次風靜壓等參數(shù)來組織和調整燃燒。但實際在機組啟動后，同一臺磨煤機不同的煤粉管道內(nèi)的煤粉濃度、一次風風速仍然可能會存在差別，很難達到完全一致。鍋爐煤粉濃度/速度在線測量系統(tǒng)是電站鍋爐風粉在線均衡系統(tǒng)的基礎和核心組成部分之一，其作為監(jiān)測系統(tǒng)單獨使用也能對鍋爐的安全、穩(wěn)定和經(jīng)濟運行起到積極的輔助作用。

本文介紹一種基于超聲波聲速法測量技術的電站鍋爐煤粉濃度/速度在線測量系統(tǒng)，與同類系統(tǒng)相比，該系統(tǒng)具有測量原理先進、測量精度高、適用工況范圍廣等多項優(yōu)點。

1 系統(tǒng)原理及架構

在電廠機組的磨煤機輸煤管道內(nèi)，煤粉顆粒在輸送時處于氣固兩相流狀態(tài)，相比于固液兩相流以及其他的單向流形式，磨煤機粉管內(nèi)的氣固兩相流狀態(tài)在時間上隨機變化，測量狀況非常復雜。

對于煤粉管道內(nèi)的煤粉濃度測量，目前，在氣固兩相流的試驗室研究的基礎上，前人也提出和總結了很多理論以及實踐測量方法。按照測量方式，可分為直接測量法和間接測量法兩大類。直接測量法是通過對兩相流固有參數(shù)的直接測量來實現(xiàn)測量濃度的目的，主要有壓差法、熱平衡法、文丘里管法等;間接測量法則是通過機械波，電磁波等激勵信號在兩相流中的信號變化來表征氣固兩相流的濃度變化，也就是濃度值，目前出現(xiàn)的比較多的有微波法［2］、光脈動法［3］、超聲波法［1，4］、電容法［5］、γ射線吸收法［6］等。

對于煤粉管道內(nèi)的一次風速測量，目前主流的測量方法按照使用的測量工具可分為皮托管法，文丘里管法以及均速管法等。但是由于一次風煤粉管的兩相流的復雜狀態(tài)，很容易出現(xiàn)堵管現(xiàn)象，而且管道內(nèi)的煤粉沖刷對于測量管的磨損也導致測量管不得不常常進行更換。

目前火電廠煤粉濃度/速度在線測量系統(tǒng)按測量原理主要分為三類，即靜電法，微波法以及本文所述的超聲波聲速法。

靜電法［7］主要原理是氣力輸送中，由于抖動，流動速度快等因素，固相顆粒相互之間，或者固體顆粒與氣力輸送管道之間會發(fā)生摩擦而產(chǎn)生一定的靜電現(xiàn)象。靜電現(xiàn)象與固相顆粒的大小、濃度以及管道的物理特性構成一定的函數(shù)關系。在實際使用過程中，靜電法的測量探頭必須插入粉管內(nèi)與煤粉直接接觸，長期使用會對測量探頭產(chǎn)生磨損問題，目前在國內(nèi)應用較少。

微波法［2］的主要原理是微波在測量管道內(nèi)傳輸時，會由于與測量顆粒的碰撞等因素發(fā)生衰減，其衰減的程度與測量顆粒的濃度構成一定的函數(shù)關系。微波法的具體測量方法為在測量管路內(nèi)接測量管，按照煤粉的流動方向布置微波發(fā)生器和接收器。目前國內(nèi)尚無微波法的直接生產(chǎn)廠家，華潤電力系統(tǒng)裝有一套進口的微波法測量系統(tǒng)。

1.1 系統(tǒng)原理

超聲波的聲速法煤粉濃度速度在線測量系統(tǒng)的測量原理分為兩個部分:一是濃度測量采用聲速法;二是速度測量采用時差法。

(1)測量系統(tǒng)濃度測量原理

根據(jù)均相模型，當聲波在氣固兩相流中傳播時，聲速可表述為壓力和密度的函數(shù):

作為歐·亨利代表作品之一的《警察和贊美詩》早已進入了研究者的視野。無論是小說的人物形象還是小說的作品主題，就連對其語言特色也早都有研究者進行過分析?？上У氖?，在其語言及相關問題的研究中，卻存在著以下諸多的局限性：

將其進一步推導展開，得到如下公式:

式中:X氣固密度比;γ為氣體的絕熱指數(shù);δ為固氣比熱比;R為氣體常數(shù);T溫度;β粉氣質量比;α為氣固兩相流聲速;α0為當?shù)芈曀佟?/p>

若將等距時的空氣中聲速傳播時間設為τ，將兩相流中的聲音傳播時間設置為τ0。則公式(3)可以表述為:

綜上，由公式(3)、(4)可知，兩相流中的固相濃度為聲速的函數(shù)，其數(shù)值大小與聲音在氣固兩相流中的傳播時間有關。

在電站鍋爐煤粉濃度/速度在線測量系統(tǒng)中，管道內(nèi)的煤粉濃度算法即以該公式為基礎，采集數(shù)據(jù)后在線測算得到磨煤機一次風粉管內(nèi)的超聲波傳播時間，即可推算得到管道內(nèi)的煤粉濃度。

(2)測量系統(tǒng)測風速原理

圖1 時差式超聲波風速測量原理

如圖1所示，聲波在流體中的傳播速度是其在靜止介質中的速度與流體速度的矢量合成，在管道上的超聲波探頭位置固定后，管道內(nèi)的一次風速為0和管道內(nèi)有風速相比，聲波的傳播時間會存在差值，而且聲波的傳播時間與管道內(nèi)的流體速度會成一定的函數(shù)關系。因此，通過測定超聲順流、逆流的傳播時間，就可以確定流體的流速。流體流速計算方法如下:

1.2 電站鍋爐煤粉濃度/速度在線測量系統(tǒng)組成

結合前文所述，在聲速法測濃度以及時間差法測風速原理的基礎上，即可根據(jù)實際情況搭建在線測量系統(tǒng)。系統(tǒng)組成:工控機、任意波形發(fā)生器、驅動信號放大器、溫度彩信模塊、調整信號彩信卡、微弱信號帶通放大器等。工控機完成整個系統(tǒng)的控制以及數(shù)據(jù)的運算，波形發(fā)生器負責發(fā)出激勵信號，驅動超聲波探頭發(fā)出超聲波，高速采集卡負責采集超聲波信號，信號驅動放大器完成信號的放大處理，再加上其他的輔助設備(溫度采集模塊)，即構造搭建而成電站鍋爐煤粉濃度速度在線監(jiān)測系統(tǒng)。系統(tǒng)運行時的邏輯順序設計如下:計算機控制波形發(fā)生器發(fā)出特制的信號到達信號放大器;信號放大后被發(fā)送到超聲波發(fā)射探頭;高速采集卡采集電信號并傳輸?shù)焦た貦C中;工控機處理信號。

煤粉濃度/速度在線測量系統(tǒng)的特點:測量原理先進，以有效的數(shù)學公式作為堅實的理論支撐;測量不受煤粉干燥程度、固相成分、粒度大小影響;一次風管內(nèi)無煤粉時也能測量速度，為鍋爐點火時送粉提供速度參考依據(jù);采用非接觸式測量，貫穿整個截面，有效解決傳感器的磨損問題和紊流帶來的測量誤差;采用管道式安裝方式，有效避免現(xiàn)場安裝單個傳感器帶來的安裝誤差，保證整個系統(tǒng)的測量精度;利用超聲波自清潔和壓縮空氣反吹掃兩種方式，雙重保障，有效解決傳感器積灰問題;超聲波采用調幅處理的高頻特征波驅動，使得數(shù)據(jù)相關性加強，具有更高的測量精度，測量誤差小。

2 數(shù)據(jù)準確性驗證

目前，電站鍋爐煤粉濃度/速度在線測量系統(tǒng)已在中電國際湖北大別山電廠、安徽平圩電廠、江蘇利港電廠、中電國際江蘇常熟電廠、國電陜西寶雞二電廠等多個電廠的多臺300及600MW機組上投入運行，其數(shù)據(jù)準確性在趨勢變化和允許誤差范圍都完全滿足電廠方的運行需求。

為檢測數(shù)據(jù)的真實性，現(xiàn)將江蘇省電科院在利港電廠所做的數(shù)據(jù)取樣測試結果與煤粉濃度/速度在線測量系統(tǒng)的測量數(shù)據(jù)進行比對說明結果見表1和表3。所測試對象為利港電廠4號機組，4號機組容量為300MW，機組上共4臺磨煤機，24根一次風粉管。測試時取每臺磨煤機的2個工況，即給煤量分別控制在35t/h和48t/h左右，通風量按正常風煤比控制，維持磨煤機出口風溫穩(wěn)定。各個磨煤機粉管測量值誤差絕對值均值見表2和表4。

表1 風粉質量比實測結果與顯示結果

表2 各個磨煤機粉管測量值誤差絕對值均值

從表1可以看出，實測風粉質量比與在線測量系統(tǒng)顯示值大部分數(shù)據(jù)比較吻合，個別一次風粉管存在一定偏差。而表2顯示出的誤差均值較小，均在5%以內(nèi)，表明數(shù)據(jù)的測量精度很高，滿足電廠的運行需求。

表3 煤粉速度實測結果與顯示結果

表4 各個磨煤機粉管測量值誤差絕對值均值

從表3可以看出，實測風速與在線測量系統(tǒng)顯示風速大部分數(shù)據(jù)比較吻合，個別一次風粉管存在一定偏差。而表4顯示出的誤差均值較小，均在5%以內(nèi)，表明數(shù)據(jù)的測量精度很高，滿足電廠的運行需求。

從上表可以看出，該電站鍋爐煤粉濃度/速度在線測量系統(tǒng)所測數(shù)據(jù)比較準確，數(shù)據(jù)偏差較低，很好的表征出了濃度變化以及一次風速變化。

3 結語

電站鍋爐煤粉濃度/速度在線測量系統(tǒng)，基于超聲波聲速法及時差法原理分別測量計算一次風粉管內(nèi)的煤粉濃度和管道內(nèi)的一次風風速，并在項目實際應用和電科院測試數(shù)據(jù)的對比中，數(shù)據(jù)準確性較好，測量誤差低。該系統(tǒng)已經(jīng)在國內(nèi)多家電廠投入運行，使用穩(wěn)定可靠。該系統(tǒng)是電站鍋爐風粉在線均衡系統(tǒng)的基礎和核心組成部分之一，同時其作為監(jiān)測系統(tǒng)單獨使用也能對電站鍋爐的安全、穩(wěn)定和經(jīng)濟運行起到積極的輔助作用，系統(tǒng)具有良好的應用效益和廣闊的市場前景。

［1］喬榛.超聲法一次風流速和煤粉濃度在線測量研究［D］.南京:南京理工大學.2013.

［2］于洋，孫香.微波法原油含水率測量［J］.儀表技術與傳感器，2011(12):93－95.

［3］蔡小舒，李俊峰，歐陽新，等.光脈動法煤粉實時在線監(jiān)測技術進展［J］.華北電力大學學報，2003(6):38－42.

［4］Zheng Y，Liu Q.Review of techniques for the mass flow rate measurement of pneumatically conveyed solids［J］.Measurement.，2011，44(4):589－604.

［5］Millen M J，Sowerby B D，Coghill P J，et al.Plant tests of an online multiple－pipe pulverised coal mass flow measuring system［J］.Flow Measurement and Instrumentation，2000，11(3):153－158.

［6］段泉圣.氣力輸送管道中煤粉濃度及相分布測量方法研究［D］.北京:華北電力大學，2009.

［7］謝利成.氣固兩相流的靜電測量法研究［D］.南京:東南大學，2010.

［8］師二廣.氣力輸送管道中煤粉濃度測量方法研究［D］.北京:華北電力大學，2010.

［9］楊興森，尹靜，白玉，等.乏氣送粉鍋爐一次風煤粉濃度的測量方法與應用［J］.中國電力，2003，36(4):53－55.

［10］尹靜，楊興森.能量分析與一次風煤粉濃度測量［J］.熱能動力工程，2003，18(5):523－525.

［11］徐璋.大型四角切向燃燒鍋爐風粉均衡在線系統(tǒng)的研究［D］.杭州:浙江大學，2000.

Onsite application research on online measurement system of concentrationand velocity of pulverized coal in coal－fired power plant

It introduced the application research on online measurement system of concentration and velocity of pulverized coal based on the method of ultrasonic velocity in coal－fired power plant.Through the system the power plant can online measure the concentration and velocity of pulverized coalaccurately，and the result of online measurement can provide strong basis for better boiler operation to improve the boiler efficiency and safety，and reduce the emissions.The paperalso described theprinciple，the function，and the system composition of the system，and described the operation mechanism of the system as well.Comparing with the onsite testing data of Electric Power Research Institute，the measurement of thesystem were accurate，stable and reliable.

concentration of the pulverized coal;the velocity of the pulverized coal;ultrasonicvelocity method

X701.2

B

:1674－8069(2015)06－053－04

2015-06-24;

2015-08-21

馮秀芳(1973-)，女，河南獲嘉人，高級工程師，從事發(fā)電廠生產(chǎn)管理和基建管理方面的工作。E－mail:1875518458@ qq.com

科技部、財政部科技型中小企業(yè)技術創(chuàng)新項目(14C26213201096);江蘇省科技廳科技型企業(yè)技術創(chuàng)新項目(BC2013032)