電站鍋爐風(fēng)粉在線監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與研究

丁相鵬，李先興

（華能臨沂發(fā)電有限公司，山東 臨沂 276017）

結(jié)合國家統(tǒng)計(jì)局顯示的數(shù)據(jù)，我國于2022 年前兩個(gè)月共計(jì)12427.7 億kW·h 發(fā)電量，同比增長19.5%，且火力發(fā)電占據(jù)75.06%。為進(jìn)一步維持火力發(fā)電穩(wěn)定性，應(yīng)加強(qiáng)對(duì)電站鍋爐燃燒效果的有效優(yōu)化。風(fēng)粉在線監(jiān)測系統(tǒng)作為高質(zhì)量燃燒保障，應(yīng)順應(yīng)時(shí)代趨勢予以創(chuàng)新優(yōu)化，以期在系統(tǒng)助力下達(dá)成高效燃燒目標(biāo)。

1 電站鍋爐風(fēng)粉在線監(jiān)測系統(tǒng)的創(chuàng)新設(shè)計(jì)意義

1.1 突破傳統(tǒng)系統(tǒng)局限性

針對(duì)電站鍋爐風(fēng)粉在線監(jiān)測系統(tǒng)進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計(jì)，其實(shí)踐意義在于能夠有效突破傳統(tǒng)系統(tǒng)的應(yīng)用局限性。根據(jù)相關(guān)研究，傳統(tǒng)工況下運(yùn)用的在線監(jiān)測系統(tǒng)，實(shí)則是通過皮托管測量方式獲取監(jiān)測數(shù)據(jù)，側(cè)重于一次風(fēng)風(fēng)速測量，因其時(shí)常遭受煤粉堵塞以及設(shè)備損耗問題，導(dǎo)致系統(tǒng)反饋信息缺乏可靠性。而新系統(tǒng)的運(yùn)行剛好可以擴(kuò)增測量范圍，實(shí)現(xiàn)高精度測量，就此為現(xiàn)有電站鍋爐工況運(yùn)行創(chuàng)造有利條件。

1.2 增強(qiáng)優(yōu)化系統(tǒng)適應(yīng)性

傳統(tǒng)系統(tǒng)在其應(yīng)用期間，已經(jīng)無法適應(yīng)新時(shí)代電站鍋爐燃燒環(huán)境。隨著火力發(fā)電需求量的提高，依照傳統(tǒng)系統(tǒng)功能記錄在線監(jiān)測數(shù)據(jù)，很難體現(xiàn)系統(tǒng)的輔助價(jià)值。而創(chuàng)新設(shè)計(jì)后的新系統(tǒng)能夠進(jìn)一步增強(qiáng)系統(tǒng)的適應(yīng)性，使之積極應(yīng)對(duì)新工況運(yùn)行挑戰(zhàn)，便于在火電廠開展火力發(fā)電項(xiàng)目期間，能夠運(yùn)用高新技術(shù)改造傳統(tǒng)系統(tǒng)，彰顯時(shí)代創(chuàng)新特征。鑒于此，本文提出了風(fēng)粉在線監(jiān)測系統(tǒng)創(chuàng)新設(shè)計(jì)思路確有顯著的現(xiàn)實(shí)意義。

2 電站鍋爐風(fēng)粉在線監(jiān)測系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)原理

2.1 測量一次風(fēng)風(fēng)速與溫度

（1）測量一次風(fēng)風(fēng)速。電站鍋爐風(fēng)粉在線監(jiān)測系統(tǒng)在優(yōu)化設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，需要先行掌握設(shè)計(jì)原理，而后確定設(shè)計(jì)步驟。其中測量一次風(fēng)風(fēng)速在傳統(tǒng)系統(tǒng)中也屬于較為關(guān)鍵的測量事項(xiàng)。為了彌補(bǔ)傳統(tǒng)測量方法的缺陷，本文此次專門應(yīng)用傳感器技術(shù)，對(duì)風(fēng)粉實(shí)施非接觸式在線監(jiān)測。

具體采用可插入式探頭，對(duì)煤粉管道內(nèi)的風(fēng)粉流動(dòng)速度予以測量，繼而獲取測量結(jié)果。在一次風(fēng)風(fēng)速測量期間，理應(yīng)借助各項(xiàng)參數(shù)計(jì)算風(fēng)速，并將其與標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行對(duì)照，如果超出標(biāo)準(zhǔn)范圍，則需要調(diào)節(jié)一次風(fēng)風(fēng)速，以便滿足電站鍋爐燃燒需求。關(guān)于一次風(fēng)風(fēng)速（v）的計(jì)算可運(yùn)用下述公式：

式中，ρ、△p、K 表示的是氣體密度、流量系數(shù)、輸出差壓。而ρ 可以利用公式（2）求值。

式中，p0、ρ0、t 代表本地大氣壓、空氣密度與風(fēng)粉混合溫度。經(jīng)過可插入式探頭對(duì)一次風(fēng)風(fēng)速的探測，能夠在動(dòng)能→壓力能的轉(zhuǎn)換過程中準(zhǔn)確測量一次風(fēng)風(fēng)速。

（2）測量溫度。在創(chuàng)新設(shè)計(jì)風(fēng)粉在線監(jiān)測系統(tǒng)期間，還要準(zhǔn)確測量溫度，此處所指代的溫度除了風(fēng)粉混合物溫度外，還包括煤粉溫度以及一次風(fēng)溫度，經(jīng)過對(duì)溫度指標(biāo)的有效控制，促使電站鍋爐處于穩(wěn)定的燃燒狀態(tài)。在此系統(tǒng)中關(guān)于溫度的測量可以借助熱電偶溫度探頭，該探頭能夠在溫度傳感器的輔助下順利獲取溫度指標(biāo)，之后如實(shí)將溫度測量結(jié)果反饋至系統(tǒng)界面，這樣方可將溫度參數(shù)調(diào)整到指定范圍內(nèi)。

2.2 測量煤粉濃度

新系統(tǒng)在優(yōu)化設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，還要注重對(duì)煤粉濃度的有效測量，經(jīng)過分析發(fā)現(xiàn)，煤粉濃度多與溫度參數(shù)有著較強(qiáng)的相關(guān)性，因此可以參照上述提及的三項(xiàng)溫度指標(biāo)獲取煤粉濃度（μ）。

在該公式內(nèi)，C 分別指代空氣、風(fēng)熱容，t1、t2、t3表示熱風(fēng)、煤粉以及混合溫度。煤粉濃度指標(biāo)的實(shí)時(shí)監(jiān)測，能夠?qū)崿F(xiàn)高效燃燒，一般高濃度標(biāo)準(zhǔn)下更易燃燒。至于負(fù)責(zé)監(jiān)測煤粉溫度指標(biāo)變化規(guī)律的測量裝置，需要調(diào)整好安裝位置。比如，可裝設(shè)于粉倉壁，多不高于60℃。而在裝設(shè)于風(fēng)箱壁時(shí)，要求溫度在160℃左右，便于在風(fēng)粉監(jiān)測中始終通過在線監(jiān)測系統(tǒng)將其控制在標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)。此外，在風(fēng)粉在線監(jiān)測系統(tǒng)運(yùn)行期間，還可以運(yùn)用溫度差實(shí)現(xiàn)熱能轉(zhuǎn)換，從而在溫度調(diào)節(jié)中建立溫度均衡的燃燒條件。

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2.3 測量煤粉空氣質(zhì)量比

在優(yōu)化設(shè)計(jì)風(fēng)粉在線監(jiān)測系統(tǒng)時(shí)，還要測量煤粉空氣質(zhì)量比（M），此項(xiàng)參數(shù)能夠通過下述公式求取。

對(duì)應(yīng)的I、v、d、t 表示傳感器所測電流、一次風(fēng)風(fēng)速、電站鍋爐一次風(fēng)管徑長、溫度。在對(duì)M 進(jìn)行測量時(shí)，傳感器最佳安裝點(diǎn)位是在煤粉管道處，此時(shí)，能夠經(jīng)過對(duì)電流信號(hào)的監(jiān)測與轉(zhuǎn)換確定運(yùn)行工況下電荷分布特征。與以往相比，此處使用的傳感器務(wù)必具備突出的抗磨性與耐高溫性，以便在不同工況條件下能夠保持理想化監(jiān)測動(dòng)態(tài)。

3 電站鍋爐風(fēng)粉在線監(jiān)測系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)要點(diǎn)

3.1 完善聲發(fā)射測量結(jié)構(gòu)

在設(shè)計(jì)電站鍋爐風(fēng)粉在線監(jiān)測系統(tǒng)期間，應(yīng)當(dāng)深入完善聲發(fā)射測量結(jié)構(gòu)。為了獲得準(zhǔn)確度更高的在線監(jiān)測數(shù)據(jù)，可以依靠聲音傳感器設(shè)置多通道聲發(fā)射裝置，以此擴(kuò)大在線監(jiān)測范圍，其中使用的聲發(fā)射裝置，涵蓋信號(hào)采集、聲發(fā)射信號(hào)發(fā)送以及監(jiān)控系統(tǒng)，經(jīng)過在線監(jiān)測系統(tǒng)的運(yùn)行，即可實(shí)現(xiàn)對(duì)電站鍋爐運(yùn)行工況的有力監(jiān)督。此外，系統(tǒng)中的聲發(fā)射單元還要與凈電荷監(jiān)測單元相結(jié)合。

通常情況下，在優(yōu)化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)時(shí)，應(yīng)側(cè)重于前端信號(hào)處理以及中央處理機(jī)柜兩部分的完善，其中針對(duì)聲發(fā)射信號(hào)與靜電荷信號(hào)，應(yīng)當(dāng)利用感應(yīng)元件，實(shí)現(xiàn)信號(hào)的有效采集，而后將其輸送至中央處理機(jī)柜。中央處理機(jī)柜是發(fā)揮信號(hào)接收與信號(hào)分析功能的結(jié)構(gòu)，并為其設(shè)置專用通訊連接裝置，以便在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)得以改善后，表現(xiàn)出系統(tǒng)功能特性。

同時(shí)，還要注重各種配件設(shè)施的合理安裝。其中該系統(tǒng)中常需要事先準(zhǔn)備好微弱信號(hào)帶以及高速信號(hào)采集器、溫度傳感器以及驅(qū)動(dòng)信號(hào)箱、工控機(jī)等，在驅(qū)動(dòng)信號(hào)箱參與下，經(jīng)由探頭釋放能量，便于在融合測量條件下順利采集信號(hào)，之后在工控機(jī)分析下確定當(dāng)前風(fēng)粉輸送渠道是否符合既定要求。為了達(dá)到非接觸式在線監(jiān)測標(biāo)準(zhǔn)，還可以聯(lián)合自潔清灰棒，自主清理殘留煤粉，減輕對(duì)傳統(tǒng)吹掃系統(tǒng)的負(fù)擔(dān)。

為驗(yàn)證創(chuàng)新設(shè)計(jì)的風(fēng)粉在線監(jiān)測系統(tǒng)的使用效果，還可以利用對(duì)比法，分析傳統(tǒng)稱重測量與融合測量標(biāo)準(zhǔn)下的誤差情況，顯然在每秒100g 流體流動(dòng)量的工況下，該結(jié)構(gòu)優(yōu)化后形成的在線監(jiān)測系統(tǒng)最大誤差為6%。而且在風(fēng)速達(dá)到4.9m/s、11.9m/s、25.9m/s 時(shí)，以該結(jié)構(gòu)改造而成的新系統(tǒng)對(duì)應(yīng)的相對(duì)誤差分別為9.5%、3.7%，2.1%，實(shí)測結(jié)果具有較強(qiáng)的可參照價(jià)值。因此，可以借鑒聲發(fā)射與靜電荷融合設(shè)計(jì)原理改造系統(tǒng)測量結(jié)構(gòu)，促使在新系統(tǒng)運(yùn)行期間，全方位掌握各項(xiàng)參數(shù)變化特征。

3.2 強(qiáng)化系統(tǒng)在線調(diào)試功能

（2）冷態(tài)標(biāo)定。除熱態(tài)外，還包含冷態(tài)，在應(yīng)用風(fēng)粉在線監(jiān)測系統(tǒng)之際，還要實(shí)現(xiàn)對(duì)冷態(tài)下參數(shù)的合理標(biāo)定。對(duì)于修正系數(shù)的統(tǒng)計(jì)分析，可以借助工況下標(biāo)定均值求取，便于在邊標(biāo)定與邊記錄過程中完成冷態(tài)標(biāo)定任務(wù)。

隨著系統(tǒng)冷態(tài)標(biāo)定工作的開展，傳感器以及相關(guān)配件都將處于最佳運(yùn)行狀態(tài)。冷態(tài)標(biāo)定首先需要開啟風(fēng)粉在線監(jiān)測系統(tǒng)，啟動(dòng)一次風(fēng)機(jī)，直到風(fēng)力保持穩(wěn)態(tài)后才能予以標(biāo)定；其次，為防止標(biāo)定值失真，理應(yīng)進(jìn)行多達(dá)20 次的標(biāo)定操作；最后，在標(biāo)定后記錄風(fēng)速實(shí)測值，隨著系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)的有效優(yōu)化，促使該系統(tǒng)在電站鍋爐風(fēng)粉在線監(jiān)測場景中體現(xiàn)出強(qiáng)有力的應(yīng)用價(jià)值。

（3）輔助功能。在強(qiáng)化風(fēng)粉在線監(jiān)測系統(tǒng)功能時(shí)，應(yīng)當(dāng)注重輔助功能的優(yōu)化設(shè)計(jì)。事實(shí)上，該系統(tǒng)最主要的是在線監(jiān)測功能，要求運(yùn)行后系統(tǒng)可以對(duì)溫度、一次風(fēng)風(fēng)速以及煤粉濃度等諸多參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，并將其傳輸至管理中心，以便有關(guān)人員根據(jù)對(duì)在線監(jiān)測數(shù)據(jù)的分析給出正確決策，保障電站鍋爐處于高效安全運(yùn)行狀態(tài)下。另外，在對(duì)風(fēng)粉輸送量進(jìn)行監(jiān)測時(shí)，還要強(qiáng)化預(yù)警功能。

為避免電站鍋爐遭受安全事故，或是面臨低效運(yùn)行狀況，理應(yīng)開發(fā)預(yù)警功能，最常用的預(yù)警場景包括風(fēng)粉輸送中斷、一次風(fēng)管堵塞以及自主燃燒。比如，在電站鍋爐運(yùn)行中突然停止輸送煤粉或終止送風(fēng)，系統(tǒng)將響起預(yù)警指示燈，而響應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)以煤粉濃度顯示零為主，一旦煤粉濃度出現(xiàn)直降為零，表明此時(shí)可能遭受風(fēng)粉輸送中斷問題，引導(dǎo)有關(guān)人員填充煤粉，修復(fù)送風(fēng)裝置。至于堵塞狀況的預(yù)警依據(jù)是在一次風(fēng)風(fēng)速、溫度參數(shù)處于減小趨勢時(shí)，表示風(fēng)管流動(dòng)量下降。自主燃燒則由溫度在線監(jiān)測數(shù)據(jù)的驟升為標(biāo)準(zhǔn)。經(jīng)過對(duì)各項(xiàng)參數(shù)的精準(zhǔn)測量，可以判斷當(dāng)前運(yùn)行工況下是否需要啟動(dòng)預(yù)警功能，以免因長期未能關(guān)注到不良運(yùn)行狀況縮短電站鍋爐使用年限。

新設(shè)計(jì)的系統(tǒng)與傳統(tǒng)系統(tǒng)最明顯的區(qū)別還體現(xiàn)在自我調(diào)節(jié)功能上，在尚未出現(xiàn)預(yù)警信息前，可以利用自我調(diào)節(jié)功能微調(diào)送風(fēng)量、一次風(fēng)風(fēng)速等參數(shù)，使之基本上保持在穩(wěn)態(tài)范疇，節(jié)省人工維護(hù)負(fù)擔(dān)。特別是在自我調(diào)節(jié)給粉量時(shí)，在煤粉輸送不達(dá)標(biāo)時(shí)，將適當(dāng)以降溫方式保持煤粉濃度平衡，防止在風(fēng)粉輸送量減小時(shí)繼續(xù)保持高溫燃燒，繼而產(chǎn)生燒焦后果。而且為了體現(xiàn)新系統(tǒng)的便捷操作特征，還要增設(shè)數(shù)據(jù)管理打印功能，能在該功能啟動(dòng)后自行打印在線監(jiān)測數(shù)據(jù)，甚至可以對(duì)既往數(shù)據(jù)進(jìn)行翻閱查找，從而起到階段性管理的作用。

因新系統(tǒng)在實(shí)時(shí)監(jiān)測風(fēng)粉參數(shù)變化范圍時(shí)，所采用的是非接觸式監(jiān)測方式。所以，在設(shè)計(jì)系統(tǒng)功能時(shí)，也要在結(jié)束后在模擬演示中記錄各項(xiàng)功能的達(dá)標(biāo)率。只要每項(xiàng)功能都能達(dá)到預(yù)期效果，就能證實(shí)此系統(tǒng)在電站鍋爐實(shí)際應(yīng)用場景中具備推廣價(jià)值，而且在多次模擬以及實(shí)踐應(yīng)用期間，需要不斷秉承著優(yōu)化設(shè)計(jì)原則進(jìn)行升級(jí)改造，保障系統(tǒng)運(yùn)行質(zhì)量的前提下，也能為電站鍋爐運(yùn)行安全以及經(jīng)濟(jì)性的提升提供保障。

3.3 實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)精細(xì)調(diào)平設(shè)計(jì)

根據(jù)對(duì)傳統(tǒng)風(fēng)粉在線監(jiān)測系統(tǒng)運(yùn)行效果的調(diào)查，能夠發(fā)現(xiàn)傳統(tǒng)系統(tǒng)多存在誤差大、可調(diào)節(jié)性薄弱的局限性。而在新系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，可以充分參照在線監(jiān)測數(shù)據(jù)改善電站鍋爐運(yùn)行環(huán)境，促進(jìn)配風(fēng)、煤粉輸送的協(xié)調(diào)操作。在改進(jìn)傳統(tǒng)系統(tǒng)階段，應(yīng)有效實(shí)現(xiàn)精細(xì)調(diào)平設(shè)計(jì)，既要提升風(fēng)粉輸送合理性，又要嚴(yán)控風(fēng)粉配比。

優(yōu)化設(shè)計(jì)期間，可以選擇在一次風(fēng)管上裝設(shè)靜電傳感器，以靜電監(jiān)測形式調(diào)節(jié)一次風(fēng)風(fēng)速等參數(shù)范圍。應(yīng)用該傳感器改造系統(tǒng)，一是為了增強(qiáng)系統(tǒng)運(yùn)行可靠性，因靜電傳感器使用后，盡管處于較為復(fù)雜的運(yùn)行工況下，也能夠展現(xiàn)持穩(wěn)性測量作用，以免因復(fù)雜工況限制系統(tǒng)應(yīng)用范圍；二是此種融合精細(xì)調(diào)平設(shè)計(jì)思想的系統(tǒng)，鮮少需要花費(fèi)人力進(jìn)行維護(hù)，且在被煤粉包裹狀態(tài)下，依然能夠獲取流動(dòng)參數(shù)，并且因靜電本身來源于煤粉，并不用外在連接相關(guān)靜電釋放裝置，無論從可操作性還是節(jié)能性上，都具有可行性。

關(guān)于精細(xì)調(diào)平模塊的優(yōu)化設(shè)計(jì)，要求將煤粉濃度以及煤粉流速視為重點(diǎn)調(diào)平參數(shù)。前者在精細(xì)調(diào)平過程中，可以利用煤粉濃度測量差值分析是否存在濃度波動(dòng)明顯情況，一旦差值較大，則依靠精細(xì)調(diào)平模塊控制煤粉濃度，使之處于可控狀態(tài)。后者以流動(dòng)阻力壓差為主，隨著對(duì)流速指標(biāo)的有效調(diào)平，促使電站鍋爐燃燒器內(nèi)部燃燒的煤粉等介質(zhì)保持協(xié)調(diào)分布形態(tài)。此外，在風(fēng)粉在線監(jiān)測系統(tǒng)運(yùn)行中，還要對(duì)送風(fēng)量加以調(diào)平，保證煤粉量、送風(fēng)量處于最佳比例內(nèi)，這樣一來，方可在完善的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與功能模塊下優(yōu)化系統(tǒng)運(yùn)行質(zhì)量。

4 結(jié)語

綜上所述，電站鍋爐風(fēng)粉在線監(jiān)測系統(tǒng)要想在運(yùn)行期間取得顯著成效，為電站鍋爐燃燒效率與燃燒質(zhì)量的改善給予保障，理應(yīng)從聲發(fā)射測量結(jié)構(gòu)、在線調(diào)試功能、精細(xì)調(diào)平設(shè)計(jì)三個(gè)方面著手，便于優(yōu)化后系統(tǒng)在一次風(fēng)風(fēng)速、溫度、煤粉濃度、煤粉空氣質(zhì)量比測量環(huán)節(jié)發(fā)揮精準(zhǔn)測量作用，準(zhǔn)確呈現(xiàn)測量數(shù)據(jù)。未來也要不斷引進(jìn)新測量技術(shù)改造在線監(jiān)測系統(tǒng)，提高電站鍋爐的安全運(yùn)行水準(zhǔn)。