基于微波法的煤粉濃度在線(xiàn)測(cè)量系統(tǒng)開(kāi)發(fā)與應(yīng)用

馬 祥 李清明 徐海超 肖先勇

（1.深圳東方鍋爐控制有限公司；2.重慶能源旗能公司）

火電廠(chǎng)鍋爐燃燒用煤粉由一次風(fēng)攜帶經(jīng)粉管進(jìn)入爐膛燃燒，各粉管之間煤粉濃度不均勻?qū)﹀仩t的燃燒有很大影響。 煤粉的不均勻分配，嚴(yán)重時(shí)引起燃燒中心偏斜，燃燒不穩(wěn)定，可導(dǎo)致?tīng)t膛局部結(jié)焦和水冷壁爆管，鍋爐效率降低，一次風(fēng)管堵粉等［1］。為解決上述問(wèn)題，對(duì)煤粉濃度進(jìn)行在線(xiàn)測(cè)量非常有必要。

國(guó)內(nèi)外對(duì)煤粉濃度的在線(xiàn)測(cè)量已有多年研究應(yīng)用，目前主要有以下幾種測(cè)量方法：熱平衡法［2］、靜 電 法［3，4］、超 聲 波 法［5］、電 容 法［6］及 微 波法［7，8］等。熱平衡法測(cè)量煤粉濃度要保證混合前后系統(tǒng)處于絕熱狀態(tài)，一旦條件不能保證就會(huì)影響測(cè)量結(jié)果，該方法易受煤質(zhì)、煤粉細(xì)度等因素的影響，準(zhǔn)確性比較差；靜電法是根據(jù)粉塵顆粒在管內(nèi)流動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的靜電感應(yīng)電量來(lái)確定煤粉濃度，影響該方法的因素較多，測(cè)量誤差大，且為相對(duì)測(cè)量；超聲波法利用超聲波在空氣中的傳播速度與空氣中的顆粒濃度存在相關(guān)性，通過(guò)延時(shí)差測(cè)得聲波傳播速度，再利用相關(guān)函數(shù)反推顆粒濃度，該方法在低速運(yùn)行階段靈敏度較弱，實(shí)時(shí)性也比較差；電容法利用管道中兩種不同介電常數(shù)的物質(zhì)組分及其分布發(fā)生變化時(shí)，會(huì)引起混合物等價(jià)介電常數(shù)的變化來(lái)測(cè)量煤粉濃度，該方法測(cè)量誤差較大，還面臨系統(tǒng)成本高的問(wèn)題；微波法利用微波在煤粉管道里面?zhèn)鬏敃r(shí)，煤電介質(zhì)負(fù)載的變化引起測(cè)量的微波諧振頻率發(fā)生改變來(lái)測(cè)量煤粉濃度值，該測(cè)量方法受影響的因素相對(duì)較少，測(cè)量精度較高，且屬于絕對(duì)測(cè)量。

筆者開(kāi)發(fā)的煤粉濃度在線(xiàn)測(cè)量系統(tǒng)采用微波諧振法， 該系統(tǒng)以煤粉管道內(nèi)的煤粉為研究對(duì)象， 通過(guò)測(cè)量煤粉管道空管的諧振頻率和帶粉的諧振頻率， 采用內(nèi)置的嵌入式算法對(duì)諧振頻率數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，輸出4～20 mA 煤粉濃度信號(hào)。

1 煤粉濃度測(cè)量系統(tǒng)開(kāi)發(fā)

系統(tǒng)MCU 采用具備強(qiáng)大處理能力的Cortex-M4，使得系統(tǒng)實(shí)時(shí)性能高，探頭結(jié)構(gòu)采用一體化設(shè)計(jì)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低。 天線(xiàn)采用陶瓷套管防護(hù)，耐磨性好。 采用微波諧振法實(shí)現(xiàn)煤粉濃度精準(zhǔn)測(cè)量。

1.1 測(cè)量原理

發(fā)射模塊將一定功率的微波信號(hào)通過(guò)天線(xiàn)發(fā)射進(jìn)入煤粉管道（圖1），管道相當(dāng)于波導(dǎo)管，微波信號(hào)通過(guò)波導(dǎo)管傳輸?shù)浇邮仗炀€(xiàn)。 接收功率幅值的極值所對(duì)應(yīng)的頻率稱(chēng)為諧振頻率。 當(dāng)煤粉管道內(nèi)的介質(zhì)濃度發(fā)生變化時(shí)，將引起煤粉管道內(nèi)場(chǎng)發(fā)生變化，從而引起煤粉管道內(nèi)測(cè)量諧振發(fā)生相應(yīng)變化，濃度越高，諧振頻率越低［9，10］。

圖1 微波在管道中的傳播

1.2 微波發(fā)射探頭開(kāi)發(fā)

微波發(fā)射探頭主要由鎖相環(huán)模塊、電源模塊和自動(dòng)功率控制模塊三大部分組成，其硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖2 所示。

圖2 微波發(fā)射探頭系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖

溫度補(bǔ)償晶振產(chǎn)生高精度的基準(zhǔn)頻率輸入頻率合成器，通過(guò)頻率控制芯片控制頻率合成器分頻數(shù)， 然后頻率合成器輸出一定頻率的電磁波。 在發(fā)射信號(hào)到達(dá)天線(xiàn)之前，被雙向耦合器采樣，然后傳輸?shù)焦β蕶z波器，在這里將它轉(zhuǎn)換為直流電壓。 處理器MCU 通過(guò)ADC 采樣將直流電壓轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)。MCU 采樣到測(cè)量功率測(cè)量值后，就可根據(jù)測(cè)量的輸出功率與設(shè)定的輸出功率之間的關(guān)系做出動(dòng)態(tài)調(diào)整。 如果檢測(cè)功率與輸出功率有差異，MCU 就輸出相應(yīng)的電壓去調(diào)整可變?cè)鲆娣糯笃鳎╒GA）的增益使得輸出功率向設(shè)定功率方向變化，一旦測(cè)量的輸出功率與要求的輸出功率之間達(dá)到平衡，RF 功率管理環(huán)路將達(dá)到穩(wěn)態(tài)，也就是說(shuō)發(fā)射一體化模塊輸出了穩(wěn)定功率的電磁波。 然后，MCU 將根據(jù)設(shè)定掃頻頻段控制頻率合成器開(kāi)始掃頻輸出微波信號(hào)。

發(fā)射探頭的核心是頻率合成器，要求能夠以高的頻率分辨率來(lái)實(shí)現(xiàn)較小極值點(diǎn)的誤差；需要帶寬內(nèi)快速鎖定，減少掃頻時(shí)間，提高系統(tǒng)實(shí)時(shí)性；另外快速鎖定意味著，環(huán)路濾波的帶寬變寬，環(huán)路散雜增大，鎖相環(huán)的相位噪聲也會(huì)變大。 系統(tǒng)采用的頻率合成器的分辨率較高（100 Hz）。 設(shè)計(jì)出無(wú)源三階環(huán)路濾波器， 環(huán)路帶寬為40 kHz、鑒相頻率為20 MHz 時(shí)，實(shí)測(cè)電路相位噪聲小于-70 dBc/Hz（1 kHz）。同時(shí)高環(huán)路帶寬能保證帶寬內(nèi)快速鎖定，實(shí)現(xiàn)跳頻時(shí)間小于0.5 ms，提高了系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性。

1.3 微波接收探頭開(kāi)發(fā)

微波接收探頭由4 個(gè)單元組成： 濾波及放大、功率檢波、信號(hào)輸出和電源模塊，其硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖3 所示。

圖3 微波接收探頭系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

如圖3 所示，天線(xiàn)接收到的電磁波經(jīng)過(guò)帶通濾波器衰減主信號(hào)頻率之外的電磁波后，通過(guò)放大器進(jìn)行功率放大，輸入檢波器，檢波器將它轉(zhuǎn)換為直流電壓，MCU 高速采樣該直流信號(hào)， 經(jīng)過(guò)數(shù)字濾波轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)。MCU 接收到掃頻信號(hào)后根據(jù)算法計(jì)算出諧振頻率，根據(jù)空管諧振頻率與帶粉時(shí)諧振頻率之差建立輸出電流與煤粉濃度值數(shù)學(xué)模型，輸出4～20 mA 的電流煤粉濃度信號(hào)至DCS。

微波接收探頭放大器采用高性能的低噪聲放大器，其噪聲系數(shù)僅為0.8，將天線(xiàn)接收到的微弱信號(hào)放大后輸出高信噪比的信號(hào)。 另外，微波器件易受溫度影響， 系統(tǒng)對(duì)溫漂進(jìn)行溫度補(bǔ)償，再次提高了檢波的準(zhǔn)確度。

2 工程應(yīng)用

筆者開(kāi)發(fā)的基于微波法的煤粉濃度在線(xiàn)測(cè)量系統(tǒng)在330 MW 亞臨界W 形火焰鍋爐上開(kāi)展了應(yīng)用，該鍋爐采用直吹式制粉系統(tǒng)，4 臺(tái)磨共計(jì)24 根煤粉管道。將煤粉濃度測(cè)量裝置安裝在標(biāo)高為20 000 mm 剛性平臺(tái)附近的垂直煤粉管上，以B 磨為例其測(cè)點(diǎn)布置如圖4 所示， 單管探頭安裝如圖5 所示。

圖4 煤粉濃度測(cè)量系統(tǒng)測(cè)點(diǎn)布置圖

圖5 單管探頭安裝圖

探頭安裝的最佳位置在煤粉管道的垂直段，并且保證接收探頭下游有大于3D的直管段（D為煤粉管道當(dāng)量直徑），探頭上游有大于4D的直管段，探頭之間的距離為650 mm。

為驗(yàn)證系統(tǒng)測(cè)量的準(zhǔn)確性并得到測(cè)量誤差，在多個(gè)工況下采用等速取樣裝置對(duì)B1 管道煤粉濃度進(jìn)行測(cè)量，相同工況下用煤粉濃度測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行煤粉濃度測(cè)量， 每個(gè)工況均進(jìn)行多次測(cè)量。測(cè)量結(jié)果表明煤粉濃度測(cè)量系統(tǒng)快速反映了煤粉管道內(nèi)煤粉濃度的趨勢(shì)變化，每個(gè)工況下采用煤粉濃度測(cè)量系統(tǒng)測(cè)量的多次濃度值均落在等速取樣裝置多次測(cè)量濃度值范圍內(nèi)，計(jì)算出每個(gè)工況下兩種裝置測(cè)量的平均濃度值，其數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)如圖6 所示，煤粉濃度測(cè)量系統(tǒng)相對(duì)于等速取樣裝置的測(cè)量誤差如圖7 所示。

圖6 多工況煤粉測(cè)量濃度

圖7 多工況煤粉濃度測(cè)量誤差

由圖6、7 可知，煤粉濃度在線(xiàn)測(cè)量系統(tǒng)測(cè)量精度高，不同工況運(yùn)行其測(cè)量誤差均小于5%。 電廠(chǎng)運(yùn)行人員參考粉管濃度測(cè)量值， 對(duì)鍋爐24 根煤粉管道進(jìn)行調(diào)平試驗(yàn)，圖8 為粉管調(diào)平前后爐膛截面溫度場(chǎng)畫(huà)面。

圖8 粉管調(diào)平前后爐膛截面溫度場(chǎng)

如圖8 所示，煤粉濃度在線(xiàn)測(cè)量系統(tǒng)對(duì)爐膛燃燒調(diào)整起到了重要參考作用，將爐膛截面的火焰由原來(lái)的偏斜燃燒調(diào)整為均勻燃燒，實(shí)現(xiàn)了鍋爐爐內(nèi)熱負(fù)荷平均分布，避免了爐膛的燃燒不均出現(xiàn)部分區(qū)域氧量不足而結(jié)焦的現(xiàn)象，降低了水冷壁爆管風(fēng)險(xiǎn)，提高了鍋爐熱效率，保證了機(jī)組長(zhǎng)周期安全穩(wěn)定運(yùn)行。

3 結(jié)束語(yǔ)

開(kāi)發(fā)的基于微波法的在線(xiàn)煤粉濃度測(cè)量系統(tǒng)測(cè)量精度高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、耐磨性好、抗干擾能力強(qiáng)，可實(shí)時(shí)測(cè)量每根煤粉管道內(nèi)的煤粉濃度。 通過(guò)對(duì)煤粉管道的濃度測(cè)量，可快速得到管道間的煤粉濃度，為運(yùn)行人員調(diào)整提供依據(jù)，有利于爐膛穩(wěn)定燃燒，對(duì)提高鍋爐效率有很大幫助。 同時(shí)，通過(guò)精準(zhǔn)控制燃燒，可實(shí)現(xiàn)火力發(fā)電機(jī)組進(jìn)一步節(jié)能減排，應(yīng)用前景廣闊。