严重湿煤条件下火电厂一次风煤粉流速、浓度测量技术应用分析

夏牡丹，梁龙飞，卢建旺

(1.南方电网珠海综合能源有限公司，广东 珠海 519000； 2.北京华清茵蓝科技有限公司，北京 100085)

严重湿煤条件下火电厂一次风煤粉流速、浓度测量技术应用分析

夏牡丹1，梁龙飞2，卢建旺2

(1.南方电网珠海综合能源有限公司，广东 珠海 519000； 2.北京华清茵蓝科技有限公司，北京 100085)

介绍了燃煤电厂一次风煤粉流速、浓度可靠测量技术的研究现状，对比了几种常用测量技术。分析表明，采用新型全截面、非接触式静电传感风粉在线监测技术，在严重湿煤条件下可以准确测量一次风煤粉的流速和浓度。

湿煤粉；静电测量；全截面非接触式；煤粉流速；煤粉浓度；精准测量

0 引言

目前，我国发电行业仍以火力发电为主导，火力发电则主要是以煤粉燃烧产生能量来实现发电。煤粉在炉膛内的燃烧状态直接影响了火力发电的效率，在环保标准严格要求下，如何精细控制煤粉在炉内的燃烧状态，精准测量一次风煤粉流速、浓度，改善燃煤电厂及工业燃煤锅炉等大型燃烧源燃烧效率和排放水平,实现煤粉清洁高效利用是亟待解决的问题，是锅炉燃烧优化控制的关键，也是锅炉燃烧控制由粗放转向精细的必由之路。

煤粉在电厂一次风管中的流动属于典型的大尺度稀相气固两相流，其动力学特征非常复杂，针对不同的煤质成分其测量[1]也是不尽相同的，因此，准确、可靠的在线测量技术是公认的具有挑战性的领域。英国、德国、波兰、中国和澳大利亚许多研究人员致力于开发煤粉流动参数测量装置，目前主要研究的传感器技术包括静电、电容、微波、超声波、光学和核辐射等。另外，锅炉运行过程中煤粉流速较大(20～30 m/s)，造成测量传感器严重磨损，且容易污染测量传感器或造成堵塞。因此，目前适用于煤粉速度、浓度测量的产品极少。

1 不同测量技术的对比

1.1 几种测量技术的对比

传统的测量方式包括光学、超声和微波法等，这些测量方式需要向流体注入某种形式的能量，然后通过分析运动煤粉对这种能量的影响来获得煤粉的运动参数。

光学式仪表通过光学元件获得煤粉在管道内运动的图像来计算煤粉的粒径分布、流量和流速。但是在工业现场，这类仪器的光学窗口容易受到煤粉的污染(静电吸附)，光学元件需要定期进行校准，维护量较大，因此不适于湿煤的在线测量。

超声波气固两相流仪表具有价格低廉和安装简单的优点，但是它容易受到周围环境噪声的影响，而且当颗粒粒径分布范围变化的时候就可能出现很大的测量误差，同时可能出现声波在高速气体中衰减过快和外界噪声过大等问题，因此也无法适用于现场多噪声的一次风管环境。

微波传感器具有成本低、易于安装和维护(探测窗口不需要是透明的)的优点，使它们在恶劣环境下的应用具有较好的前景。但微波传感器对煤粉水分含量非常敏感，而且其传感容量很大，微波传感器的空间分辨率很低，因此，此种方法不适于含水量较高的煤。

1.2 静电测量技术的优势

静电式仪表通过感应运动煤粉产生的时变静电场来测量煤粉的流速和流量[2]，不会向被测流体中注入任何形式的能量，具有本质安全的优点。此外，静电式测量仪表还具有工作性能稳定、安装方便和极低的维护量等特点，因此，英国贸工部2004年发布的《燃煤电厂多相流测量技术》报告中将其列为最有实际应用前景的一次风粉在线检测方法之一。

此外，与传统的侵入式测量相比，新型全截面、非接触式静电传感煤粉流速、浓度在线监测技术是一种革命性的变化，二者具有本质上的区别。它属于新型被动式测量技术，不需要向煤粉中注入任何能量，设备磨损问题可以良好解决，测量数据的可靠性和准确性极高。传统与新型测量技术的特点对比如下。

1.2.1 技术优越性

传统侵入式测量沿用多年前的技术，需将探针插入煤粉管道，探针成为煤粉流动的障碍，大大增加堵管的风险，且此种测量方式易受噪声、振动、电源等非测量因素的干扰，测量准确性和精度不高。

新型全截面、非接触式静电传感风粉在线监测技术采用阵列式静电传感相关法及空间滤波测量技术[3]，系统传感器采用盘管状设计，内壁与一次风管道完全吻合，可代替一段煤粉管道。感应电极镶嵌在内壁中，使感应电极与煤粉隔绝，属于安全的被动式测量，不受非测量因素的干扰，测量准确性和精度极高。

1.2.2 使用寿命

传统侵入式测量探针插入煤粉管道，直接受高速煤粉的冲刷，短时间内即磨损失效，寿命较短，增加了日常维护和更换的工作量。

新型全截面、非接触式静电传感器可完美代替一小段煤粉管道，与煤粉无摩擦碰撞，对煤粉流动没有任何扰动，可正常使用的时间不低于10年。

1.2.3 测量可靠性与准确性

煤粉在煤粉管道中无序流动，由于侵入式测量传感器自身的特点，无法准确捕捉和测量整个管道内煤粉的流动状态，造成测量结果可靠性和准确性低，误差较大。

新型全截面、非接触式静电传感器测量与煤粉流动方式无关，全截面的设计可准确捕捉、测量整个一次风管道内煤粉的流动状态[4]；独特的多路互相关设计使得测量数据非常精准，可靠性极高。精准的测量数据可为锅炉运行调整提供可靠依据。

1.2.4 日常维护量

由于侵入式测量传感器磨损严重，使用不久即需要更换，且测量数据误差大，准确性不高，需经常维护，增加了电厂的维护量，后期投入费用较高。

新型全截面、非接触式静电传感器几乎不需要维护，更不需经常更换系统传感器，后期投入费用很少。

2 静电传感测量技术的应用研究

国电常州电厂在一次风粉在线测量方面进行了探索，使用新的测量技术，在磨煤机出口温度低、煤粉含水量大等恶劣的运行条件下，能够克服煤粉湿度大对静电测量造成的困难，实现了测量系统在复杂工况下的稳定工作，并获得了较高的测量精度。

2.1 常规静电传感测量技术的应用

国电常州电厂#1机组安装了基于静电感应技术的全截面、接触式煤粉流速浓度在线监测系统，实现了对各一次风管煤粉流速、浓度分布的在线测量。系统调试过程中，发现静电传感器感应到的静电信号强度非常微弱。调试人员利用诊断工具对系统传感器、信号处理单元等进行了详细的测试，发现煤粉在传感器内壁的积粉严重[5]，严重时会在内壁形成一层厚厚的煤浆(如图1所示)，大量潮湿煤粉堆积使得传感器所感应的信号源被屏蔽，从而使传感器不能得到稳定、可靠的静电信号。

图1 传感器内壁凝结煤泥照片

2.2 传感器运行环境分析

经调查和分析，引起传感器内壁出现结水现象的主要原因是存在磨煤机出口一次风温度偏低(50 ℃左右)、煤质含水量偏大(全水分高于30%)、制粉系统蒸汽灭火装置常年开启、冬季环境气温低等恶劣运行工况。

2.2.1 磨煤机出口温度偏低

通过采集电厂分散控制系统(DCS)数据，发现各磨煤机出口一次风温度很低。A磨煤机出口一次风温变化趋势如图2所示：其最低温度仅为49 ℃左右，平均温度52 ℃左右。其他磨煤机一次风温度虽高一些，但均不超过65 ℃。磨煤机出口温度低，表明热一次风对煤粉的干燥能力不够。

2.2.2 入炉煤水分偏高

通过对入炉煤全水分数据的观察，发现入炉煤的全水分达到30%左右，说明煤中的水分较高。此外，国电常州电厂煤场为露天存放方式，这也会导致进入磨煤机研磨的煤粉含水量大幅增加。

2.2.3 制粉系统蒸汽灭火装置常年开启

由于国电常州电厂锅炉燃烧煤质挥发分较高，为了避免发生一次风管煤粉自燃或爆炸现象的发生，制粉系统配置了蒸汽灭火装置，运行人员根据燃烧煤种的变化常向管道中喷洒高温水蒸气，且部分装置会发生蒸汽泄漏，大大增加了一次风管煤粉的湿度。

2.2.4 冬季环境温度低

进入冬季，环境温度较低，这会使传感器的导热增强，也有助于水蒸气的凝结。

图2 A磨煤机出口一次风温变化趋势

2.3 传感器内壁结水导致感应信号变弱的机制

正常情况时，当带电的煤粉颗粒经过静电传感器时，电极能够感应到电荷，并在电极上形成微弱的静电信号，静电电荷会流向信号处理单元。但水膜出现在静电传感器内壁上时，就会将电极与接地环导通、电极与电极间相互导通，因接地环的电势为零，电极上几乎所有的静电电荷都将流向大地，故此时系统将无法检测到静电信号。传感器电极结构如图3所示。

图3 传感器电极结构

另外，由于煤粉气流中有各种矿物质，若矿物质溶解到传感器的凝结水中，也会加剧电极间的导通特性。

本项目使用的静电传感器采用常规接触式设计，静电电极裸露在传感器内壁上，使得电极与煤粉直接接触。此类传感器在煤粉干燥、湿度不大时较为适用。

3 技术路线

3.1 更换新型传感器

为了解决严重湿煤条件下一次风粉测量遇到的技术难题，国电常州电厂随后将现场常规测量传感器更换为特殊设计的，基于全截面、非接触式静电传感测量技术的传感器，静电电极嵌入到传感器内壁，通过绝缘层使电极与潮湿的煤粉完全隔离，避免了静电信号由于内壁凝结水而导至大地的问题。此种设计结构区别于常规环形传感器的设计，可从根本上解决煤粉含水量高、湿度大对静电感应信号的不良影响，保证感应信号不被屏蔽或导走。

3.2 传感器安装位置附近增加保温

为了避免或减少传感器内壁结水造成煤粉堆积，尝试在传感器安装位置附近增加保温设备(如图4所示)，在一定程度上减少传感器附近的热量损失，对提高感应信号的质量有一定作用。

图4 传感器附近增加保温设备

新型静电传感器阵列可以同时获得多个测量结果，并通过数据融合算法得到可靠而准确的煤粉流动参数，使测量系统在多变和恶劣的电厂环境中仍保持良好的测量稳定性和可靠性。

系统运行结果显示，更换特殊设计的静电传感器后，测量信号稳定、运行可靠、准确性高，系统运行界面如图5、图6所示。

图5 系统B磨测量界面

图6 系统E磨测量界面

全截面、非接触式静电传感器可有效解决由于煤粉湿度大造成的传感器内壁凝结水膜、煤粉黏附问题，适应于传感器内壁黏附煤粉、煤桨，甚至煤泥的恶劣工作环境。

4 结论

本文对一次风煤粉流速、浓度测量技术进行了研究和对比，在煤粉湿度大等恶劣的生产工况下，基于新型全截面、非接触式静电传感测量技术的传感器，可实现电厂锅炉煤粉流动状态的精确监测，测量结果准确性和可靠性高，可为锅炉运行调整提供有力支撑，从而改善锅炉燃烧质量，提高锅炉效率，增加机组运行的经济性和安全性。

[1]刘定平.火电厂中一次风煤粉浓度测量技术分析[J].广

东电力,2003,16(3):4-7，28.

[2]黄孝彬,钱相臣,闫勇,等.基于静电感应和数据融合技术的锅炉煤粉流速浓度在线监测系统[C]//中国能源学会.第2届电站锅炉优化运行与环保技术研讨会论文集，2014：149-156.

[3]许传龙,汤光华, 杨道业，等. 静电感应空间滤波法测量固体颗粒速度[J].中国电机工程学报，2007, 27(26):84-89.

[4]付飞飞,许传龙,王式民,等. 基于阵列式静电传感器的密相气力输送煤粉颗粒运动特性分析[J].东南大学学报(自然科学版),2013,43(3):536-541.

[5]林多敏，蔡树棠.煤粉启动速度与粒径及湿度的关系[J].应用数学和力学,1991,12(6):485-490.

(本文责编：白银雷)

2016-07-26；

2016-10-18

TK 31

B

1674-1951(2017)01-0034-04

夏牡丹(1975—)，女，浙江宁海人，工程师，从事火力发电厂热工自动控制及节能技术方面的研究工作(E-mail:xiamd@csg.cn)。

梁龙飞(1989—)，男，河北藁城人，工程师，工学硕士，从事气固两相流测量以及锅炉均衡燃烧方面的研究和应用工作(E-mail:18510047440@163.com)。

卢建旺(1990—)，男，河北沧县人，助理工程师，从事气固两相流测量以及锅炉均衡燃烧方面的研究和应用工作(E-mail:lujianwang@163.com)。