電站鍋爐靜電風粉測量系統(tǒng)及其應用

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

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

靜電風粉測量系統(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、交換機等幾部分構成，靜電傳感器有耐磨陶瓷防護型、特佛龍防護型、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最嚴酷的磨損、腐蝕環(huán)境。

1 靜電法測量原理

在磨煤機研磨、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數(shù)量的電荷，帶電煤粉顆粒產(chǎn)生一定的靜電場，當帶電煤粉顆粒通過金屬感應探頭時，處于靜電場中的感應探頭表面產(chǎn)生等量感應電荷，大量帶電煤粉通過感應探頭時，在感應探頭上形成感應電壓，與采樣電阻形成閉環(huán)電路時，形成感應電流。

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傳感器探頭，如圖1（a），這2個探頭在煤粉管道內(nèi)互相平行，并且與管道絕緣，2個探頭之間的距離為L，當煤粉流經(jīng)這2個傳感器探頭時，煤粉粒子所帶電荷在2處傳感器探頭上形成靜電感應電信號x（t）和 y（t），這 2 個信號經(jīng)過變送器前置處理以后，進行交相關運算，得到遲延時間 τm，如圖 1（b），進一步得到煤粉流速

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傳感器，采用交流感應測量技術，可以將管道內(nèi)煤粉所帶電荷信號檢測出來，輸出至變送器，并且轉換為標準的電流信號或者電壓信號，煤粉濃度和測得的電流或者電壓信號呈線性關系［5］。

式中：μ為煤粉濃度；U、I為感應電壓和電流；k為濃度系數(shù)。

靜電信號與煤粉濃度呈正相關性，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)過校準變換以后，得到煤粉濃度信號。

2 靜電風粉測量系統(tǒng)方案

2.1 系統(tǒng)組成

以四角切圓燃燒鍋爐配置3臺磨煤機為例，共計24根一次風管，每根一次風管采用1臺智能變送器、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。

每臺智能變送器將測量的濃度、流速信號通過RS-485雙絞線至優(yōu)化控制柜內(nèi)的控制器，實現(xiàn)檢測系統(tǒng)所有測點的棒圖、實時曲線、歷史曲線、參數(shù)設置等功能，通過交換機同DCS進行符合MODBUS協(xié)議的RS-485通信。

2.2 智能變送器信號連接

靜電傳感器采用快速安裝設計，傳感器信號傳輸電纜采用同軸屏蔽電纜，抗干擾能力強，在傳感器側和變送器側，信號連接都采用TNC快速連接器形式。對于大管道的濃度測量，如本項目采用同一截面120°布置形式的3個濃度靜電傳感器設置，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，則在管道的同一側安裝1組（2只）傳感器探頭，這1組傳感器用來感應管道上、下游的靜電信號，單臺變送器信號連接如圖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，負載電阻小于500Ω，分別代表流速和濃度，流速信號范圍5～50 m／s，測量精度 2%，濃度信號范圍 0～2 kg／m3，測量精度5%。

3 煤粉流速在線測量系統(tǒng)標定

3.1 煤粉流速測試

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

標定時需要壓縮氣源，對部分煤粉管道進行標定測試，標定儀器采用經(jīng)典S型皮托管，通過差壓原理計算風粉流速，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個位置點，皮托管的取樣嘴在這4個位置點進行差壓測量，標定計算公式

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

數(shù)據(jù)獲取過程如下，標定試驗時，儀表流速從DCS上讀取標定期間的平均讀數(shù)，標定流速為管道內(nèi)的平均流速，采用4個點的差壓均方根計算。

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

表1 測試標定數(shù)據(jù)

3.2 數(shù)據(jù)分析

前期標定時，皮托管在測量過程中存在堵粉的情況，因此，在管道內(nèi)停留時間越長，測量差壓越小。后期標定時，皮托管上加了反吹掃，堵粉情況明顯改善，用機械式指針差壓表測量數(shù)據(jù)變動小，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)進行修正，設定修正系數(shù)為0.94，修正后的偏差較小。

4 結語

儀表測量流速標定數(shù)據(jù)存在一個系統(tǒng)偏差，經(jīng)過設定統(tǒng)一修正系數(shù)修正以后，儀表測量值與標定值基本一致，調(diào)整磨煤機平衡閥試驗結果顯示儀表測量流速跟隨平衡閥變化，并且趨勢基本一致，設備測量粉速的流速測量精度已經(jīng)達到±5%的測量要求，測量的最大誤差為4.43%，測量設備準確可靠，滿足實際生產(chǎn)運行情況。

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

［1］李濟英，毛巍，初文成.均衡燃燒控制技術在火力發(fā)電機組上的應用［J］.山東電力技術，2001（S1）：147-151.

［2］侯典來.模擬量控制技術及其應用［M］.北京：中國電力出版社，2009.

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

［4］南京工學院，西安交通大學熱能動力教研室.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.靜電傳感技術在燃煤電站煤粉測量中的應用［J］.鍋爐技術，2008，39（1）：32-37.

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