火电厂煤粉浓度监测装置的设计与研究

万增利

(榆林学院能源工程学院)

火电厂煤粉浓度监测装置的设计与研究

万增利

(榆林学院能源工程学院)

基于微波法在线测量煤粉浓度的原理，设计火电厂煤粉浓度监测装置。在某电厂现场搭建实验平台进行数据检测，将该装置测得的煤粉浓度与取样筛分得到的煤粉浓度进行比较，二者吻合度极高，并且所测煤粉浓度误差被控制在5%以内。

浓度监测装置 火电厂 煤粉 微波衰减法

煤粉浓度的检测和监测可直观反映锅炉燃烧效果，提高机组运行效率，并对节能减排、燃烧优化等起到重要作用。学者们在电厂煤粉浓度测量的研究中取得了一定的成果，比如：美国以激光同位素的研究为主，德国的激光法也取得了一定的进步；南京理工大学提出了阻力压差法，东南大学一直以热平衡法为研究重点，华北电力大学的研究成果则是超声波法，还有一些科研单位研究的光学脉动法和电容法。阻力压差法选用垂直上升管段作为测试段，通过测量该管段的阻力压降和风粉流速计算煤粉浓度；由于风粉混合过程中的压损、管道中颗粒群的悬浮提升压损和管道阻力都会影响测量结果，所以该方法的测量精度较低[3，4]。热平衡法根据一次风气流与煤粉颗粒混合前后的温度变化，利用热平衡方程计算煤粉浓度，该方法要求混合前后系统处于绝热状态、混合后混合物的温度均匀一致并在一定范围内，煤粉的比热不受其成分变化的影响，一旦相关条件不能保证就会影响测量结果[5，6]。光学脉动法利用光纤探头把光束引入测量区，测得运动颗粒对光的感应信号，再将该信号经光电转换与模数转换后进行计算分析，最终得到微粒的浓度值；由于该方法采用的仪器价格高、校核难且操作不易，在电厂推广应用困难很大[7～9]。因此，开发能够准确测量且安装方便的煤粉浓度测量装置成为亟待解决的问题。笔者提出采用微波法测量电厂煤粉浓度，将所设计的监测装置通过法兰在电厂搭建实验平台进行相关数据的检测和监测。

1 测量原理

在管道内传播的微波振幅衰减规律呈指数形式，衰减常数是衡量其衰减速度的物理量。微波频率f、管道内的介电常数ε和磁导率μ决定衰减常数α。α随着ε和μ的增大而增大。当ε和μ一定时，合适的f可使得α最大。当煤粉气流流经管道时引起ε和μ变化。ε和μ随着煤粉浓度n增大而增大，此时α也逐渐增大，微波的衰减速度也就越大。因此，要想得到ε、μ和n，只需测量一定频率微波在固定间距上的衰减就可以得到α的值[10,11]。

微波探头(发射微波、接收微波信号)的安装如图1所示。信号源E0有两个作用：一是作为管道内的激励微波信号；二是送到信号处理器作为参考信号。用微波信号探头从管道中检测到衰减后的微波信号E。将E0和E同时输入信号处理单元处理，按照相关公式即可得到α、ε、μ和n的值。

图1 煤粉浓度测量原理

微波沿管道方向传播时，管道内的电场强度E的计算式为：

E=E0e-(α+β)r

(1)

式中r——微波传播距离；

β——相位常数。

2 现场安装

在吉林某电厂现场搭建实验平台。从给煤机出来的煤粉经4个一次风煤粉管道输送到锅炉。每个一次风管道的半径R为0.3m，在每个一次风管道的内部安装微波发射探头和接收探头(采用开孔嵌入法水平安装)，并且探头嵌入部分为探头总长度的2/3。整个测量区的长度L为0.5m。

本装置中采用微波激励源对微波探头传感器进行激励，信号接收采用接收探头传感器。微波信号经仪器箱内的AD7606芯片采集后，用相关公式计算转换为电压信号，最后传至上位机分析处理。

3 实验结果

本装置采用数据采集卡采集数据，数据采集卡的采样频率100kHz，采样精度16位，在电厂分别监测给煤量为30、40t/h的一次风管道煤粉浓度。每次采集数据时间为10min，所采集的原始数据曲线如图2所示。

图2 原始数据曲线

可以看出，即使是给煤量相同也不能保证每个一次风管道内的煤粉量相同，因此需要逐个测量并汇总，进而求出煤粉浓度。

表1为在不同给煤量下1～4#一次风管道所采集的电压值。

表1 不同给煤量下的风管采集电压值 mV

当给煤量为30、40t/h，通过前面的公式推导可以得出煤粉浓度。通过与电厂取样测得的煤粉浓度进行比较，煤粉浓度测试值与实际值的比较结果如图3所示。

图3 煤粉浓度测量值与实际值的对比

可以看出，该装置测得的煤粉浓度与电厂取样法测得结果吻合度很好。同时在增大给煤量后，也能直观地看到监测的煤粉浓度变大。

4 结束语

通过在吉林某电厂一次风管道内安装火电厂煤粉浓度监测装置，并进行煤粉浓度的现场监测，将该装置测得的数据和电厂实际取样得到的数据进行比对，表明该装置可以真实反映一次风管内煤粉浓度的变化趋势，并且浓度测量误差小于5%。通过监测数据实时改变煤粉参数，合理调节风粉比例，即可保证锅炉内的煤粉充分燃烧，提高电厂的经济效益。

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DesignandResearchonMonitoringDeviceforCoalPowderConcentrationinThermalPowerPlant

WAN Zeng-li
(CollegeofEnergyEngineering,YulinUniversity)

Through having the microwave method based to on-line measure coal powder concentration, a coal powder concentration monitoring device was designed. Building an experimental platform at a thermal power plant to carry out data detection and comparing the coal powder concentration detected with the data sampled prove their high goodness of fit and the error of coal powder concentration is kept within 5%.

concentration monitoring device, thermal power plant, coal powder, microwave attenuation method

TH83;TM621.2

A

1000-3932(2017)09-0887-03

2017-04-01，

2017-05-31)

万增利(1988-)，助理实验师，从事火电厂节能减排及检测技术的研究，wanzeng1i0403@126.com。