對直吹式制粉系統(tǒng)一次風速微波測量技術(shù)的研究

何曉亮

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

對直吹式制粉系統(tǒng)一次風速微波測量技術(shù)的研究

何曉亮

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

目前，國內(nèi)許多電廠對風煤系統(tǒng)的風速缺乏合適的監(jiān)測手段，在系統(tǒng)調(diào)節(jié)時具有盲目性，降低了電廠運行的安全性和經(jīng)濟性。現(xiàn)利用微波衰減的測量方法監(jiān)測直吹式風煤系統(tǒng)，以煤粉管道內(nèi)流動的風煤兩相流作為測量對象，讓微波快速地穿越整個煤粉管道場，實現(xiàn)連續(xù)的在線測量，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；風速；微波；測量；技術(shù)

0 概 述

隨著國家對環(huán)境保護力度的增強，對氮氧化物的排放已被日益引起重視。國內(nèi)大容量電站鍋爐普遍采用直吹式制粉系統(tǒng)，煤粉由一次風攜帶，經(jīng)煤粉管直接進入爐膛燃燒。為了獲得較高的燃燒效率，并保持爐內(nèi)不結(jié)渣，同時還采用了分級燃燒技術(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不合理等問題，直接導致了鍋爐燃燒穩(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，主要是缺乏對制粉及燃燒系統(tǒng)有效的在線監(jiān)視手段，運行人員在進行燃燒調(diào)整時無據(jù)可依，使鍋爐偏離了優(yōu)化運行狀態(tài)。情況嚴重時，某些煤粉管道被堵塞，機組將被迫降負荷或停機，影響了機組的安全運行，并給電廠造成很大的經(jīng)濟損失。

1 存在的問題及影響

國內(nèi)多數(shù)鍋爐仍靠靜壓指示值或風門開度進行燃燒調(diào)整，這種調(diào)整方法具有一定盲目性，常造成機組的一次風風速偏離了設(shè)計值，經(jīng)實測，有些機組的一次風風速偏差值超過40%。

一次風風速不合理，可能引起諸多事故的發(fā)生。因此，鍋爐配風仍是電廠運行主要的監(jiān)控參數(shù)。當一次風風速過低時，通過空氣預熱器的風量將減少，導致鍋爐排煙溫度的升高，影響了機組運行的經(jīng)濟性；增強了二次風對一次風的卷吸能力，使大量冷的二次風過早地混入，拖延了燃煤的著火過程，有時甚至會引起鍋爐局部熄火，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，稍不注意就會引起堵管，不能向鍋爐繼續(xù)供給煤粉。一次風風速過低時，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，還會引起爐膛滅火、以及堵死鍋爐下部出灰口。一次風速過高時，易造成一次風與二次風混合的推遲，導致煤粉著火后缺氧，使飛灰和爐渣的含碳量增加，使爐膛結(jié)焦；還會加速鍋爐輸粉管道的磨損，降低設(shè)備的使用壽命。燃燒器出口風速過高，導致燃燒滯后，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，一次風風速過高時，勢必導致進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，會適當增加二次風的風量，這樣更易使煙氣的風速加快，增加排煙的熱損失，還會加劇系統(tǒng)設(shè)備的磨損，降低設(shè)備的使用壽命。

因此，在鍋爐的負荷范圍內(nèi)，需對一次風量進行精確的測量和控制。通過對一次風風速的有效控制，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，降低水冷壁的損壞程度。

2 測量原理

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

鍋爐輸粉管道中的風煤氣流是典型的兩相流體。對兩相流體，用相關(guān)法原理進行速度測量是比較好的方法。所謂相關(guān)法，就是當被測流體在管道內(nèi)作穩(wěn)態(tài)流動時。在上、下游的2個微波傳感器及變送器所拾取的隨機流動噪聲信號，可認為是符合各種狀態(tài)的2個樣本函數(shù)。同時，只要2個傳感器的間距布置合理，且2個傳感器及變送器的靜態(tài)性能一致，則可認為兩個隨機流動信號是相似的，具有相關(guān)性。兩者信號之間的相關(guān)時間，就是被測流體在測量間距內(nèi)流動的時間。因此，管道內(nèi)風速的非接觸式測量問題，就被轉(zhuǎn)化為隨機流動噪聲信號的拾取和相關(guān)函數(shù)的計算，確定了兩者信號的峰值時間，從而就解決了兩相流的測量問題。

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

用相關(guān)法進行風速測量的示意圖，如圖1所示。

圖1 相關(guān)法測速示意圖

該系統(tǒng)可用微波傳感器，獲取兩相流體的流動噪聲信號。4個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煤兩相流的噪聲信號。信號源向微波發(fā)射探頭輸送微波信號，相關(guān)器可對風煤兩相流的流動噪聲信號進行相關(guān)處理。

如圖1所示，當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，微波接收探頭就能收集該段混合物的濃度、溫度、風煤混合程度等相關(guān)因素的信號。因為在不同時刻、不同管段間的煤粉混合物的濃度、溫度、風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是隨機信號，即流動噪聲信號。但當探頭之間的間距L不超過某個值，對于同一段風煤混合物（如A段）分別流過探頭1、2和探頭3、4之間時，在探頭2、4上接受的信號在形式上應具有很強的相關(guān)性，但在時間上存在一個延時τ。即如果探頭2測到的信號為x（t），則在探頭4上測到的信號為y（t）=x（t-τ）。而延時τ就是流體流過距離L所用的時間。相關(guān)器將采入探頭2上的信號x（t）和探頭4上的信號y（t）=x（t -τ）。當信號數(shù)量足夠多時，相關(guān)器對數(shù)據(jù)進行相關(guān)處理后，就可得到延時τ。由L、τ，就可計算出流體的平均流動速度v，即：

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

3 測量系統(tǒng)的構(gòu)成

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

圖2 風煤的微波測量整體系統(tǒng)圖

在安裝風煤的微波測量探頭時，微波探頭應垂直于管壁，同方向上的微波探頭中心連線應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該互相垂直，但在實際安裝中不能保證絕對垂直，故兩個方向上的微波探頭在軸線夾角上的最大偏差為90°±3°。

4 檢測與運行

經(jīng)過間隔τ0時間后，由2個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，經(jīng)過τ0時間后，微波接收探頭4得到相似的信號。由于接收探頭上產(chǎn)生的信號與該段混合物的濃度、溫度、風煤混合程度等因素有關(guān)，所以，僅在設(shè)定的管道長度內(nèi)，才能接受到相似的信號，從而得到送粉管道的風速。

圖3 2個探頭的數(shù)據(jù)記錄

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

5 結(jié) 語

微波測量系統(tǒng)運行結(jié)果表明，該系統(tǒng)具有很好的測量效果，能夠?qū)崿F(xiàn)一次風風速的在線測量。據(jù)所測參數(shù)，操作人員可隨時調(diào)整系統(tǒng)的運行方式，將一次風風速控制在最佳范圍內(nèi)，從而優(yōu)化鍋爐的燃燒過程，提高機組的運行水平。對于電廠節(jié)能，提高經(jīng)濟效益具有現(xiàn)實意義。

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

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

［3］王文其.兩相流動［M］.北京：水利電力出版社，1989.

［4］李德忠，黃立新.鍋爐帶負荷不穩(wěn)定問題的試驗研究［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，工學碩士，工程師，畢業(yè)于東北電力大學能源與機械工程學院熱能工程專業(yè)，從事鍋爐能效檢測方面的工作。