电站锅炉静电风粉测量系统及其应用

侯典来

（国电菏泽发电有限公司，山东 菏泽 274032）

0 引言

燃烧工况的稳定性、经济性与一次风进入炉膛的风速、煤粉浓度高低和均匀性有关。对于四角布置的直流燃烧器，其风量和煤粉分配的均匀性对锅炉安全和经济性具有重要的意义。煤粉浓度过低或者断粉将导致灭火，浓度过高引起堵管，给粉量不均匀和各管道内的送风量差异叠加，造成不同燃烧器出口的煤粉浓度严重不均匀，导致火焰冲墙，着火不稳定，燃烧不充分，炉内切圆偏斜，汽温偏差，局部结焦、过热，引起过热器爆管等［1］。

采用经典检测方式的风粉测量系统存在许多问题，主要是粉尘容易导致取压管路堵塞，传感元件磨损，需要经常标定校准，维护量大［2］。静电风粉测量系统采用静电感应原理，对被测量管道内的风粉进行直接测量，配合交相关数字处理算法，可以直接获得被测管道内风粉的流速；通过采集电荷信号，可以获得与煤粉浓度大小成正相关的信息，经过标定，可以得到煤粉相对浓度值，使用高耐磨材料制作静电感应元件，具有高精度、零维护、长寿命的特点，能够很好地满足不同工况下对风粉流速、浓度的测量要求［3］。

静电风粉测量系统由静电传感器、屏蔽电缆、变送器、优化控制柜内的控制器、交换机等几部分构成，静电传感器有耐磨陶瓷防护型、特佛龙防护型、耐磨金属探杆型和普通不锈钢探杆型等多种形式，其中，耐磨陶瓷型传感器可以适应最严酷的磨损、腐蚀环境。

1 静电法测量原理

在磨煤机研磨、挤压煤粉颗粒及其气力送粉过程中，煤粉颗粒和管壁、颗粒之间发生碰撞、摩擦和分离［4］，大量的紧密接触和分离过程能够使粉体具有相当数量的电荷，带电煤粉颗粒产生一定的静电场，当带电煤粉颗粒通过金属感应探头时，处于静电场中的感应探头表面产生等量感应电荷，大量带电煤粉通过感应探头时，在感应探头上形成感应电压，与采样电阻形成闭环电路时，形成感应电流。

1.1 煤粉流速测量

图1 煤粉流速测量

在煤粉管道的上下游，分别安装煤粉流速静电感应传感器探头，如图1（a），这2个探头在煤粉管道内互相平行，并且与管道绝缘，2个探头之间的距离为L，当煤粉流经这2个传感器探头时，煤粉粒子所带电荷在2处传感器探头上形成静电感应电信号x（t）和 y（t），这 2 个信号经过变送器前置处理以后，进行交相关运算，得到迟延时间 τm，如图 1（b），进一步得到煤粉流速

1.2 煤粉浓度测量

在被测管道的横截面上，安装煤粉浓度静电感应传感器，采用交流感应测量技术，可以将管道内煤粉所带电荷信号检测出来，输出至变送器，并且转换为标准的电流信号或者电压信号，煤粉浓度和测得的电流或者电压信号呈线性关系［5］。

式中：μ为煤粉浓度；U、I为感应电压和电流；k为浓度系数。

静电信号与煤粉浓度呈正相关性，通过数据处理以后，能够反映粉体浓度大小，该数据经过校准变换以后，得到煤粉浓度信号。

2 静电风粉测量系统方案

2.1 系统组成

以四角切圆燃烧锅炉配置3台磨煤机为例，共计24根一次风管，每根一次风管采用1台智能变送器、1组浓度静电传感器和1组流速静电传感器，系统组成如图2所示。

每台智能变送器将测量的浓度、流速信号通过RS-485双绞线至优化控制柜内的控制器，实现检测系统所有测点的棒图、实时曲线、历史曲线、参数设置等功能，通过交换机同DCS进行符合MODBUS协议的RS-485通信。

2.2 智能变送器信号连接

静电传感器采用快速安装设计，传感器信号传输电缆采用同轴屏蔽电缆，抗干扰能力强，在传感器侧和变送器侧，信号连接都采用TNC快速连接器形式。对于大管道的浓度测量，如本项目采用同一截面120°布置形式的3个浓度静电传感器设置，对于小管道的浓度测量，可以采用较少数量的静电传感器；对于流速的测量，则在管道的同一侧安装1组（2只）传感器探头，这1组传感器用来感应管道上、下游的静电信号，单台变送器信号连接如图3。

图2 煤粉流速浓度在线测量系统组成

图3 智能变送器信号连接

智能变送器电源为24V DC，MODBUS RS-485通信接口，2路隔离4～20 mA DC模拟输出端，负载电阻小于500Ω，分别代表流速和浓度，流速信号范围5～50 m／s，测量精度 2%，浓度信号范围 0～2 kg／m3，测量精度5%。

3 煤粉流速在线测量系统标定

3.1 煤粉流速测试

煤粉流速在线测量系统采用静电感应检测原理，在每根煤粉管道上安装插入式静电感应传感器［6］，通过交相关算法，实现对煤粉流速的在线测量；验证煤粉流速测量的准确性，提供流速的修正系数，同时，通过改变磨煤机的调节平衡阀开度，检验装置测量的跟随性。

标定时需要压缩气源，对部分煤粉管道进行标定测试，标定仪器采用经典S型皮托管，通过差压原理计算风粉流速，差压测量采用指针式差压表，差压表量程0～1 kPa，温度测量采用热电偶。

标定仪器接口为现场煤粉管道上无尘密封管座，S型皮托管通过无尘密封管座插入到待测煤粉管道中，根据等截面取样原理，在管道的横截面直径方向上取4个位置点，皮托管的取样嘴在这4个位置点进行差压测量，标定计算公式

式中：系数 K=0.84；t为煤粉摄氏温度；ΔP1～ΔP4为皮托管4点差压；ΔP为4点差压的均方根；V为流速。

数据获取过程如下，标定试验时，仪表流速从DCS上读取标定期间的平均读数，标定流速为管道内的平均流速，采用4个点的差压均方根计算。

选取图 2 中 B13、B23、B24、C14 与 C23 5 根煤粉管道做煤粉标定试验，并且在不同平衡阀开度的条件下，对C14与C23的2个煤粉管道进行标定试验，在平衡阀全开的条件下，B13、B23、B24，以及 C14与C23测试标定数据以及在平衡阀不同开度的条件下，对C14和C23煤粉管道进行流速标定测试数据如表1。

表1 测试标定数据

3.2 数据分析

前期标定时，皮托管在测量过程中存在堵粉的情况，因此，在管道内停留时间越长，测量差压越小。后期标定时，皮托管上加了反吹扫，堵粉情况明显改善，用机械式指针差压表测量数据变动小，读数相对稳定。

本次仪表读数普遍比皮托管测量的流速要高［7］，其原因是测量装置检测的是部分管道的流速，而且静电探头普遍安装在水平管道的上部，上面的煤粉流速较高，而S型皮托管测量的是整个管道的平均流速，另外，皮托管的差压系数K值也可能有偏差，不过该偏差基本都是正偏差，可以通过仪表内部的流速系数进行修正，设定修正系数为0.94，修正后的偏差较小。

4 结语

仪表测量流速标定数据存在一个系统偏差，经过设定统一修正系数修正以后，仪表测量值与标定值基本一致，调整磨煤机平衡阀试验结果显示仪表测量流速跟随平衡阀变化，并且趋势基本一致，设备测量粉速的流速测量精度已经达到±5%的测量要求，测量的最大误差为4.43%，测量设备准确可靠，满足实际生产运行情况。

静电法风粉在线监测信号作为磨煤机风粉控制反馈信号，控制均衡燃烧平衡阀的开度，作为燃烧控制系统的预判参数，根据系统检测信号，及时发现制粉系统堵粉、断粉和分配不均匀问题，使设备保持良好运行状态，提高机组安全经济性，通过合理配风，减少氮氧化物的排放。

［1］李济英，毛巍，初文成.均衡燃烧控制技术在火力发电机组上的应用［J］.山东电力技术，2001（S1）：147-151.

［2］侯典来.模拟量控制技术及其应用［M］.北京：中国电力出版社，2009.

［3］姚秀娟.1 000 MW锅炉风粉在线监测系统的技术改造［J］.华电技术，2014，36（5）：58-60.

［4］南京工学院，西安交通大学热能动力教研室.电厂锅炉原理［M］.北京：水利电力出版社，1982.

［5］黄靖宁，沙威，陈珑，等.锅炉燃烧系统监测装置测量方法分析与应用［J］.中国电力，2009，42（1）：76-79.

［6］许传龙，宋志英，王式民，等.静电传感技术在燃煤电站煤粉测量中的应用［J］.锅炉技术，2008，39（1）：32-37.

［7］尹静，杨兴森，王家新，等.一次风煤粉浓度的测量方法［J］.山东电力技术，2002 （6）：3-5.