侯典來

（國電菏澤發(fā)電有限公司，山東 菏澤 274032）

0 引言

燃燒工況的穩(wěn)定性、經(jīng)濟(jì)性與一次風(fēng)進(jìn)入爐膛的風(fēng)速、煤粉濃度高低和均勻性有關(guān)。對于四角布置的直流燃燒器，其風(fēng)量和煤粉分配的均勻性對鍋爐安全和經(jīng)濟(jì)性具有重要的意義。煤粉濃度過低或者斷粉將導(dǎo)致滅火，濃度過高引起堵管，給粉量不均勻和各管道內(nèi)的送風(fēng)量差異疊加，造成不同燃燒器出口的煤粉濃度嚴(yán)重不均勻，導(dǎo)致火焰沖墻，著火不穩(wěn)定，燃燒不充分，爐內(nèi)切圓偏斜，汽溫偏差，局部結(jié)焦、過熱，引起過熱器爆管等［1］。

采用經(jīng)典檢測方式的風(fēng)粉測量系統(tǒng)存在許多問題，主要是粉塵容易導(dǎo)致取壓管路堵塞，傳感元件磨損，需要經(jīng)常標(biāo)定校準(zhǔn)，維護(hù)量大［2］。靜電風(fēng)粉測量系統(tǒng)采用靜電感應(yīng)原理，對被測量管道內(nèi)的風(fēng)粉進(jìn)行直接測量，配合交相關(guān)數(shù)字處理算法，可以直接獲得被測管道內(nèi)風(fēng)粉的流速；通過采集電荷信號(hào)，可以獲得與煤粉濃度大小成正相關(guān)的信息，經(jīng)過標(biāo)定，可以得到煤粉相對濃度值，使用高耐磨材料制作靜電感應(yīng)元件，具有高精度、零維護(hù)、長壽命的特點(diǎn)，能夠很好地滿足不同工況下對風(fēng)粉流速、濃度的測量要求［3］。

靜電風(fēng)粉測量系統(tǒng)由靜電傳感器、屏蔽電纜、變送器、優(yōu)化控制柜內(nèi)的控制器、交換機(jī)等幾部分構(gòu)成，靜電傳感器有耐磨陶瓷防護(hù)型、特佛龍防護(hù)型、耐磨金屬探桿型和普通不銹鋼探桿型等多種形式，其中，耐磨陶瓷型傳感器可以適應(yīng)最嚴(yán)酷的磨損、腐蝕環(huán)境。

1 靜電法測量原理

在磨煤機(jī)研磨、擠壓煤粉顆粒及其氣力送粉過程中，煤粉顆粒和管壁、顆粒之間發(fā)生碰撞、摩擦和分離［4］，大量的緊密接觸和分離過程能夠使粉體具有相當(dāng)數(shù)量的電荷，帶電煤粉顆粒產(chǎn)生一定的靜電場，當(dāng)帶電煤粉顆粒通過金屬感應(yīng)探頭時(shí)，處于靜電場中的感應(yīng)探頭表面產(chǎn)生等量感應(yīng)電荷，大量帶電煤粉通過感應(yīng)探頭時(shí)，在感應(yīng)探頭上形成感應(yīng)電壓，與采樣電阻形成閉環(huán)電路時(shí)，形成感應(yīng)電流。

1.1 煤粉流速測量

圖1 煤粉流速測量

在煤粉管道的上下游，分別安裝煤粉流速靜電感應(yīng)傳感器探頭，如圖1（a），這2個(gè)探頭在煤粉管道內(nèi)互相平行，并且與管道絕緣，2個(gè)探頭之間的距離為L，當(dāng)煤粉流經(jīng)這2個(gè)傳感器探頭時(shí)，煤粉粒子所帶電荷在2處傳感器探頭上形成靜電感應(yīng)電信號(hào)x（t）和 y（t），這 2 個(gè)信號(hào)經(jīng)過變送器前置處理以后，進(jìn)行交相關(guān)運(yùn)算，得到遲延時(shí)間 τm，如圖 1（b），進(jìn)一步得到煤粉流速

1.2 煤粉濃度測量

在被測管道的橫截面上，安裝煤粉濃度靜電感應(yīng)傳感器，采用交流感應(yīng)測量技術(shù)，可以將管道內(nèi)煤粉所帶電荷信號(hào)檢測出來，輸出至變送器，并且轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)的電流信號(hào)或者電壓信號(hào)，煤粉濃度和測得的電流或者電壓信號(hào)呈線性關(guān)系［5］。

式中：μ為煤粉濃度；U、I為感應(yīng)電壓和電流；k為濃度系數(shù)。

靜電信號(hào)與煤粉濃度呈正相關(guān)性，通過數(shù)據(jù)處理以后，能夠反映粉體濃度大小，該數(shù)據(jù)經(jīng)過校準(zhǔn)變換以后，得到煤粉濃度信號(hào)。

2 靜電風(fēng)粉測量系統(tǒng)方案

2.1 系統(tǒng)組成

以四角切圓燃燒鍋爐配置3臺(tái)磨煤機(jī)為例，共計(jì)24根一次風(fēng)管，每根一次風(fēng)管采用1臺(tái)智能變送器、1組濃度靜電傳感器和1組流速靜電傳感器，系統(tǒng)組成如圖2所示。

每臺(tái)智能變送器將測量的濃度、流速信號(hào)通過RS-485雙絞線至優(yōu)化控制柜內(nèi)的控制器，實(shí)現(xiàn)檢測系統(tǒng)所有測點(diǎn)的棒圖、實(shí)時(shí)曲線、歷史曲線、參數(shù)設(shè)置等功能，通過交換機(jī)同DCS進(jìn)行符合MODBUS協(xié)議的RS-485通信。

2.2 智能變送器信號(hào)連接

靜電傳感器采用快速安裝設(shè)計(jì)，傳感器信號(hào)傳輸電纜采用同軸屏蔽電纜，抗干擾能力強(qiáng)，在傳感器側(cè)和變送器側(cè)，信號(hào)連接都采用TNC快速連接器形式。對于大管道的濃度測量，如本項(xiàng)目采用同一截面120°布置形式的3個(gè)濃度靜電傳感器設(shè)置，對于小管道的濃度測量，可以采用較少數(shù)量的靜電傳感器；對于流速的測量，則在管道的同一側(cè)安裝1組（2只）傳感器探頭，這1組傳感器用來感應(yīng)管道上、下游的靜電信號(hào)，單臺(tái)變送器信號(hào)連接如圖3。

圖2 煤粉流速濃度在線測量系統(tǒng)組成

圖3 智能變送器信號(hào)連接

智能變送器電源為24V DC，MODBUS RS-485通信接口，2路隔離4～20 mA DC模擬輸出端，負(fù)載電阻小于500Ω，分別代表流速和濃度，流速信號(hào)范圍5～50 m／s，測量精度 2%，濃度信號(hào)范圍 0～2 kg／m3，測量精度5%。

3 煤粉流速在線測量系統(tǒng)標(biāo)定

3.1 煤粉流速測試

煤粉流速在線測量系統(tǒng)采用靜電感應(yīng)檢測原理，在每根煤粉管道上安裝插入式靜電感應(yīng)傳感器［6］，通過交相關(guān)算法，實(shí)現(xiàn)對煤粉流速的在線測量；驗(yàn)證煤粉流速測量的準(zhǔn)確性，提供流速的修正系數(shù)，同時(shí)，通過改變磨煤機(jī)的調(diào)節(jié)平衡閥開度，檢驗(yàn)裝置測量的跟隨性。

標(biāo)定時(shí)需要壓縮氣源，對部分煤粉管道進(jìn)行標(biāo)定測試，標(biāo)定儀器采用經(jīng)典S型皮托管，通過差壓原理計(jì)算風(fēng)粉流速，差壓測量采用指針式差壓表，差壓表量程0～1 kPa，溫度測量采用熱電偶。

標(biāo)定儀器接口為現(xiàn)場煤粉管道上無塵密封管座，S型皮托管通過無塵密封管座插入到待測煤粉管道中，根據(jù)等截面取樣原理，在管道的橫截面直徑方向上取4個(gè)位置點(diǎn)，皮托管的取樣嘴在這4個(gè)位置點(diǎn)進(jìn)行差壓測量，標(biāo)定計(jì)算公式

式中：系數(shù) K=0.84；t為煤粉攝氏溫度；ΔP1～ΔP4為皮托管4點(diǎn)差壓；ΔP為4點(diǎn)差壓的均方根；V為流速。

數(shù)據(jù)獲取過程如下，標(biāo)定試驗(yàn)時(shí)，儀表流速從DCS上讀取標(biāo)定期間的平均讀數(shù)，標(biāo)定流速為管道內(nèi)的平均流速，采用4個(gè)點(diǎn)的差壓均方根計(jì)算。

選取圖 2 中 B13、B23、B24、C14 與 C23 5 根煤粉管道做煤粉標(biāo)定試驗(yàn)，并且在不同平衡閥開度的條件下，對C14與C23的2個(gè)煤粉管道進(jìn)行標(biāo)定試驗(yàn)，在平衡閥全開的條件下，B13、B23、B24，以及 C14與C23測試標(biāo)定數(shù)據(jù)以及在平衡閥不同開度的條件下，對C14和C23煤粉管道進(jìn)行流速標(biāo)定測試數(shù)據(jù)如表1。

表1 測試標(biāo)定數(shù)據(jù)

3.2 數(shù)據(jù)分析

前期標(biāo)定時(shí)，皮托管在測量過程中存在堵粉的情況，因此，在管道內(nèi)停留時(shí)間越長，測量差壓越小。后期標(biāo)定時(shí)，皮托管上加了反吹掃，堵粉情況明顯改善，用機(jī)械式指針差壓表測量數(shù)據(jù)變動(dòng)小，讀數(shù)相對穩(wěn)定。

本次儀表讀數(shù)普遍比皮托管測量的流速要高［7］，其原因是測量裝置檢測的是部分管道的流速，而且靜電探頭普遍安裝在水平管道的上部，上面的煤粉流速較高，而S型皮托管測量的是整個(gè)管道的平均流速，另外，皮托管的差壓系數(shù)K值也可能有偏差，不過該偏差基本都是正偏差，可以通過儀表內(nèi)部的流速系數(shù)進(jìn)行修正，設(shè)定修正系數(shù)為0.94，修正后的偏差較小。

4 結(jié)語

儀表測量流速標(biāo)定數(shù)據(jù)存在一個(gè)系統(tǒng)偏差，經(jīng)過設(shè)定統(tǒng)一修正系數(shù)修正以后，儀表測量值與標(biāo)定值基本一致，調(diào)整磨煤機(jī)平衡閥試驗(yàn)結(jié)果顯示儀表測量流速跟隨平衡閥變化，并且趨勢基本一致，設(shè)備測量粉速的流速測量精度已經(jīng)達(dá)到±5%的測量要求，測量的最大誤差為4.43%，測量設(shè)備準(zhǔn)確可靠，滿足實(shí)際生產(chǎn)運(yùn)行情況。

靜電法風(fēng)粉在線監(jiān)測信號(hào)作為磨煤機(jī)風(fēng)粉控制反饋信號(hào)，控制均衡燃燒平衡閥的開度，作為燃燒控制系統(tǒng)的預(yù)判參數(shù)，根據(jù)系統(tǒng)檢測信號(hào)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)制粉系統(tǒng)堵粉、斷粉和分配不均勻問題，使設(shè)備保持良好運(yùn)行狀態(tài)，提高機(jī)組安全經(jīng)濟(jì)性，通過合理配風(fēng)，減少氮氧化物的排放。

［1］李濟(jì)英，毛巍，初文成.均衡燃燒控制技術(shù)在火力發(fā)電機(jī)組上的應(yīng)用［J］.山東電力技術(shù)，2001（S1）：147-151.

［2］侯典來.模擬量控制技術(shù)及其應(yīng)用［M］.北京：中國電力出版社，2009.

［3］姚秀娟.1 000 MW鍋爐風(fēng)粉在線監(jiān)測系統(tǒng)的技術(shù)改造［J］.華電技術(shù)，2014，36（5）：58-60.

［4］南京工學(xué)院，西安交通大學(xué)熱能動(dòng)力教研室.電廠鍋爐原理［M］.北京：水利電力出版社，1982.

［5］黃靖寧，沙威，陳瓏，等.鍋爐燃燒系統(tǒng)監(jiān)測裝置測量方法分析與應(yīng)用［J］.中國電力，2009，42（1）：76-79.

［6］許傳龍，宋志英，王式民，等.靜電傳感技術(shù)在燃煤電站煤粉測量中的應(yīng)用［J］.鍋爐技術(shù)，2008，39（1）：32-37.

［7］尹靜，楊興森，王家新，等.一次風(fēng)煤粉濃度的測量方法［J］.山東電力技術(shù)，2002 （6）：3-5.