嚴(yán)重濕煤條件下火電廠一次風(fēng)煤粉流速、濃度測量技術(shù)應(yīng)用分析

夏牡丹，梁龍飛，盧建旺

(1.南方電網(wǎng)珠海綜合能源有限公司，廣東 珠海 519000； 2.北京華清茵藍(lán)科技有限公司，北京 100085)

嚴(yán)重濕煤條件下火電廠一次風(fēng)煤粉流速、濃度測量技術(shù)應(yīng)用分析

夏牡丹1，梁龍飛2，盧建旺2

(1.南方電網(wǎng)珠海綜合能源有限公司，廣東 珠海 519000； 2.北京華清茵藍(lán)科技有限公司，北京 100085)

介紹了燃煤電廠一次風(fēng)煤粉流速、濃度可靠測量技術(shù)的研究現(xiàn)狀，對比了幾種常用測量技術(shù)。分析表明，采用新型全截面、非接觸式靜電傳感風(fēng)粉在線監(jiān)測技術(shù)，在嚴(yán)重濕煤條件下可以準(zhǔn)確測量一次風(fēng)煤粉的流速和濃度。

濕煤粉；靜電測量；全截面非接觸式；煤粉流速；煤粉濃度；精準(zhǔn)測量

0 引言

目前，我國發(fā)電行業(yè)仍以火力發(fā)電為主導(dǎo)，火力發(fā)電則主要是以煤粉燃燒產(chǎn)生能量來實(shí)現(xiàn)發(fā)電。煤粉在爐膛內(nèi)的燃燒狀態(tài)直接影響了火力發(fā)電的效率，在環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)嚴(yán)格要求下，如何精細(xì)控制煤粉在爐內(nèi)的燃燒狀態(tài)，精準(zhǔn)測量一次風(fēng)煤粉流速、濃度，改善燃煤電廠及工業(yè)燃煤鍋爐等大型燃燒源燃燒效率和排放水平,實(shí)現(xiàn)煤粉清潔高效利用是亟待解決的問題，是鍋爐燃燒優(yōu)化控制的關(guān)鍵，也是鍋爐燃燒控制由粗放轉(zhuǎn)向精細(xì)的必由之路。

煤粉在電廠一次風(fēng)管中的流動(dòng)屬于典型的大尺度稀相氣固兩相流，其動(dòng)力學(xué)特征非常復(fù)雜，針對不同的煤質(zhì)成分其測量[1]也是不盡相同的，因此，準(zhǔn)確、可靠的在線測量技術(shù)是公認(rèn)的具有挑戰(zhàn)性的領(lǐng)域。英國、德國、波蘭、中國和澳大利亞許多研究人員致力于開發(fā)煤粉流動(dòng)參數(shù)測量裝置，目前主要研究的傳感器技術(shù)包括靜電、電容、微波、超聲波、光學(xué)和核輻射等。另外，鍋爐運(yùn)行過程中煤粉流速較大(20～30 m/s)，造成測量傳感器嚴(yán)重磨損，且容易污染測量傳感器或造成堵塞。因此，目前適用于煤粉速度、濃度測量的產(chǎn)品極少。

1 不同測量技術(shù)的對比

1.1 幾種測量技術(shù)的對比

傳統(tǒng)的測量方式包括光學(xué)、超聲和微波法等，這些測量方式需要向流體注入某種形式的能量，然后通過分析運(yùn)動(dòng)煤粉對這種能量的影響來獲得煤粉的運(yùn)動(dòng)參數(shù)。

光學(xué)式儀表通過光學(xué)元件獲得煤粉在管道內(nèi)運(yùn)動(dòng)的圖像來計(jì)算煤粉的粒徑分布、流量和流速。但是在工業(yè)現(xiàn)場，這類儀器的光學(xué)窗口容易受到煤粉的污染(靜電吸附)，光學(xué)元件需要定期進(jìn)行校準(zhǔn)，維護(hù)量較大，因此不適于濕煤的在線測量。

超聲波氣固兩相流儀表具有價(jià)格低廉和安裝簡單的優(yōu)點(diǎn)，但是它容易受到周圍環(huán)境噪聲的影響，而且當(dāng)顆粒粒徑分布范圍變化的時(shí)候就可能出現(xiàn)很大的測量誤差，同時(shí)可能出現(xiàn)聲波在高速氣體中衰減過快和外界噪聲過大等問題，因此也無法適用于現(xiàn)場多噪聲的一次風(fēng)管環(huán)境。

微波傳感器具有成本低、易于安裝和維護(hù)(探測窗口不需要是透明的)的優(yōu)點(diǎn)，使它們在惡劣環(huán)境下的應(yīng)用具有較好的前景。但微波傳感器對煤粉水分含量非常敏感，而且其傳感容量很大，微波傳感器的空間分辨率很低，因此，此種方法不適于含水量較高的煤。

1.2 靜電測量技術(shù)的優(yōu)勢

靜電式儀表通過感應(yīng)運(yùn)動(dòng)煤粉產(chǎn)生的時(shí)變靜電場來測量煤粉的流速和流量[2]，不會(huì)向被測流體中注入任何形式的能量，具有本質(zhì)安全的優(yōu)點(diǎn)。此外，靜電式測量儀表還具有工作性能穩(wěn)定、安裝方便和極低的維護(hù)量等特點(diǎn)，因此，英國貿(mào)工部2004年發(fā)布的《燃煤電廠多相流測量技術(shù)》報(bào)告中將其列為最有實(shí)際應(yīng)用前景的一次風(fēng)粉在線檢測方法之一。

此外，與傳統(tǒng)的侵入式測量相比，新型全截面、非接觸式靜電傳感煤粉流速、濃度在線監(jiān)測技術(shù)是一種革命性的變化，二者具有本質(zhì)上的區(qū)別。它屬于新型被動(dòng)式測量技術(shù)，不需要向煤粉中注入任何能量，設(shè)備磨損問題可以良好解決，測量數(shù)據(jù)的可靠性和準(zhǔn)確性極高。傳統(tǒng)與新型測量技術(shù)的特點(diǎn)對比如下。

1.2.1 技術(shù)優(yōu)越性

傳統(tǒng)侵入式測量沿用多年前的技術(shù)，需將探針插入煤粉管道，探針成為煤粉流動(dòng)的障礙，大大增加堵管的風(fēng)險(xiǎn)，且此種測量方式易受噪聲、振動(dòng)、電源等非測量因素的干擾，測量準(zhǔn)確性和精度不高。

新型全截面、非接觸式靜電傳感風(fēng)粉在線監(jiān)測技術(shù)采用陣列式靜電傳感相關(guān)法及空間濾波測量技術(shù)[3]，系統(tǒng)傳感器采用盤管狀設(shè)計(jì)，內(nèi)壁與一次風(fēng)管道完全吻合，可代替一段煤粉管道。感應(yīng)電極鑲嵌在內(nèi)壁中，使感應(yīng)電極與煤粉隔絕，屬于安全的被動(dòng)式測量，不受非測量因素的干擾，測量準(zhǔn)確性和精度極高。

1.2.2 使用壽命

傳統(tǒng)侵入式測量探針插入煤粉管道，直接受高速煤粉的沖刷，短時(shí)間內(nèi)即磨損失效，壽命較短，增加了日常維護(hù)和更換的工作量。

新型全截面、非接觸式靜電傳感器可完美代替一小段煤粉管道，與煤粉無摩擦碰撞，對煤粉流動(dòng)沒有任何擾動(dòng)，可正常使用的時(shí)間不低于10年。

1.2.3 測量可靠性與準(zhǔn)確性

煤粉在煤粉管道中無序流動(dòng)，由于侵入式測量傳感器自身的特點(diǎn)，無法準(zhǔn)確捕捉和測量整個(gè)管道內(nèi)煤粉的流動(dòng)狀態(tài)，造成測量結(jié)果可靠性和準(zhǔn)確性低，誤差較大。

新型全截面、非接觸式靜電傳感器測量與煤粉流動(dòng)方式無關(guān)，全截面的設(shè)計(jì)可準(zhǔn)確捕捉、測量整個(gè)一次風(fēng)管道內(nèi)煤粉的流動(dòng)狀態(tài)[4]；獨(dú)特的多路互相關(guān)設(shè)計(jì)使得測量數(shù)據(jù)非常精準(zhǔn)，可靠性極高。精準(zhǔn)的測量數(shù)據(jù)可為鍋爐運(yùn)行調(diào)整提供可靠依據(jù)。

1.2.4 日常維護(hù)量

由于侵入式測量傳感器磨損嚴(yán)重，使用不久即需要更換，且測量數(shù)據(jù)誤差大，準(zhǔn)確性不高，需經(jīng)常維護(hù)，增加了電廠的維護(hù)量，后期投入費(fèi)用較高。

新型全截面、非接觸式靜電傳感器幾乎不需要維護(hù)，更不需經(jīng)常更換系統(tǒng)傳感器，后期投入費(fèi)用很少。

2 靜電傳感測量技術(shù)的應(yīng)用研究

國電常州電廠在一次風(fēng)粉在線測量方面進(jìn)行了探索，使用新的測量技術(shù)，在磨煤機(jī)出口溫度低、煤粉含水量大等惡劣的運(yùn)行條件下，能夠克服煤粉濕度大對靜電測量造成的困難，實(shí)現(xiàn)了測量系統(tǒng)在復(fù)雜工況下的穩(wěn)定工作，并獲得了較高的測量精度。

2.1 常規(guī)靜電傳感測量技術(shù)的應(yīng)用

國電常州電廠#1機(jī)組安裝了基于靜電感應(yīng)技術(shù)的全截面、接觸式煤粉流速濃度在線監(jiān)測系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了對各一次風(fēng)管煤粉流速、濃度分布的在線測量。系統(tǒng)調(diào)試過程中，發(fā)現(xiàn)靜電傳感器感應(yīng)到的靜電信號強(qiáng)度非常微弱。調(diào)試人員利用診斷工具對系統(tǒng)傳感器、信號處理單元等進(jìn)行了詳細(xì)的測試，發(fā)現(xiàn)煤粉在傳感器內(nèi)壁的積粉嚴(yán)重[5]，嚴(yán)重時(shí)會(huì)在內(nèi)壁形成一層厚厚的煤漿(如圖1所示)，大量潮濕煤粉堆積使得傳感器所感應(yīng)的信號源被屏蔽，從而使傳感器不能得到穩(wěn)定、可靠的靜電信號。

圖1 傳感器內(nèi)壁凝結(jié)煤泥照片

2.2 傳感器運(yùn)行環(huán)境分析

經(jīng)調(diào)查和分析，引起傳感器內(nèi)壁出現(xiàn)結(jié)水現(xiàn)象的主要原因是存在磨煤機(jī)出口一次風(fēng)溫度偏低(50 ℃左右)、煤質(zhì)含水量偏大(全水分高于30%)、制粉系統(tǒng)蒸汽滅火裝置常年開啟、冬季環(huán)境氣溫低等惡劣運(yùn)行工況。

2.2.1 磨煤機(jī)出口溫度偏低

通過采集電廠分散控制系統(tǒng)(DCS)數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)各磨煤機(jī)出口一次風(fēng)溫度很低。A磨煤機(jī)出口一次風(fēng)溫變化趨勢如圖2所示：其最低溫度僅為49 ℃左右，平均溫度52 ℃左右。其他磨煤機(jī)一次風(fēng)溫度雖高一些，但均不超過65 ℃。磨煤機(jī)出口溫度低，表明熱一次風(fēng)對煤粉的干燥能力不夠。

2.2.2 入爐煤水分偏高

通過對入爐煤全水分?jǐn)?shù)據(jù)的觀察，發(fā)現(xiàn)入爐煤的全水分達(dá)到30%左右，說明煤中的水分較高。此外，國電常州電廠煤場為露天存放方式，這也會(huì)導(dǎo)致進(jìn)入磨煤機(jī)研磨的煤粉含水量大幅增加。

2.2.3 制粉系統(tǒng)蒸汽滅火裝置常年開啟

由于國電常州電廠鍋爐燃燒煤質(zhì)揮發(fā)分較高，為了避免發(fā)生一次風(fēng)管煤粉自燃或爆炸現(xiàn)象的發(fā)生，制粉系統(tǒng)配置了蒸汽滅火裝置，運(yùn)行人員根據(jù)燃燒煤種的變化常向管道中噴灑高溫水蒸氣，且部分裝置會(huì)發(fā)生蒸汽泄漏，大大增加了一次風(fēng)管煤粉的濕度。

2.2.4 冬季環(huán)境溫度低

進(jìn)入冬季，環(huán)境溫度較低，這會(huì)使傳感器的導(dǎo)熱增強(qiáng)，也有助于水蒸氣的凝結(jié)。

圖2 A磨煤機(jī)出口一次風(fēng)溫變化趨勢

2.3 傳感器內(nèi)壁結(jié)水導(dǎo)致感應(yīng)信號變?nèi)醯臋C(jī)制

正常情況時(shí)，當(dāng)帶電的煤粉顆粒經(jīng)過靜電傳感器時(shí)，電極能夠感應(yīng)到電荷，并在電極上形成微弱的靜電信號，靜電電荷會(huì)流向信號處理單元。但水膜出現(xiàn)在靜電傳感器內(nèi)壁上時(shí)，就會(huì)將電極與接地環(huán)導(dǎo)通、電極與電極間相互導(dǎo)通，因接地環(huán)的電勢為零，電極上幾乎所有的靜電電荷都將流向大地，故此時(shí)系統(tǒng)將無法檢測到靜電信號。傳感器電極結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 傳感器電極結(jié)構(gòu)

另外，由于煤粉氣流中有各種礦物質(zhì)，若礦物質(zhì)溶解到傳感器的凝結(jié)水中，也會(huì)加劇電極間的導(dǎo)通特性。

本項(xiàng)目使用的靜電傳感器采用常規(guī)接觸式設(shè)計(jì)，靜電電極裸露在傳感器內(nèi)壁上，使得電極與煤粉直接接觸。此類傳感器在煤粉干燥、濕度不大時(shí)較為適用。

3 技術(shù)路線

3.1 更換新型傳感器

為了解決嚴(yán)重濕煤條件下一次風(fēng)粉測量遇到的技術(shù)難題，國電常州電廠隨后將現(xiàn)場常規(guī)測量傳感器更換為特殊設(shè)計(jì)的，基于全截面、非接觸式靜電傳感測量技術(shù)的傳感器，靜電電極嵌入到傳感器內(nèi)壁，通過絕緣層使電極與潮濕的煤粉完全隔離，避免了靜電信號由于內(nèi)壁凝結(jié)水而導(dǎo)至大地的問題。此種設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)區(qū)別于常規(guī)環(huán)形傳感器的設(shè)計(jì)，可從根本上解決煤粉含水量高、濕度大對靜電感應(yīng)信號的不良影響，保證感應(yīng)信號不被屏蔽或?qū)ё摺?/p>

3.2 傳感器安裝位置附近增加保溫

為了避免或減少傳感器內(nèi)壁結(jié)水造成煤粉堆積，嘗試在傳感器安裝位置附近增加保溫設(shè)備(如圖4所示)，在一定程度上減少傳感器附近的熱量損失，對提高感應(yīng)信號的質(zhì)量有一定作用。

圖4 傳感器附近增加保溫設(shè)備

新型靜電傳感器陣列可以同時(shí)獲得多個(gè)測量結(jié)果，并通過數(shù)據(jù)融合算法得到可靠而準(zhǔn)確的煤粉流動(dòng)參數(shù)，使測量系統(tǒng)在多變和惡劣的電廠環(huán)境中仍保持良好的測量穩(wěn)定性和可靠性。

系統(tǒng)運(yùn)行結(jié)果顯示，更換特殊設(shè)計(jì)的靜電傳感器后，測量信號穩(wěn)定、運(yùn)行可靠、準(zhǔn)確性高，系統(tǒng)運(yùn)行界面如圖5、圖6所示。

圖5 系統(tǒng)B磨測量界面

圖6 系統(tǒng)E磨測量界面

全截面、非接觸式靜電傳感器可有效解決由于煤粉濕度大造成的傳感器內(nèi)壁凝結(jié)水膜、煤粉黏附問題，適應(yīng)于傳感器內(nèi)壁黏附煤粉、煤槳，甚至煤泥的惡劣工作環(huán)境。

4 結(jié)論

本文對一次風(fēng)煤粉流速、濃度測量技術(shù)進(jìn)行了研究和對比，在煤粉濕度大等惡劣的生產(chǎn)工況下，基于新型全截面、非接觸式靜電傳感測量技術(shù)的傳感器，可實(shí)現(xiàn)電廠鍋爐煤粉流動(dòng)狀態(tài)的精確監(jiān)測，測量結(jié)果準(zhǔn)確性和可靠性高，可為鍋爐運(yùn)行調(diào)整提供有力支撐，從而改善鍋爐燃燒質(zhì)量，提高鍋爐效率，增加機(jī)組運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性和安全性。

[1]劉定平.火電廠中一次風(fēng)煤粉濃度測量技術(shù)分析[J].廣

東電力,2003,16(3):4-7，28.

[2]黃孝彬,錢相臣,閆勇,等.基于靜電感應(yīng)和數(shù)據(jù)融合技術(shù)的鍋爐煤粉流速濃度在線監(jiān)測系統(tǒng)[C]//中國能源學(xué)會(huì).第2屆電站鍋爐優(yōu)化運(yùn)行與環(huán)保技術(shù)研討會(huì)論文集，2014：149-156.

[3]許傳龍,湯光華, 楊道業(yè)，等. 靜電感應(yīng)空間濾波法測量固體顆粒速度[J].中國電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2007, 27(26):84-89.

[4]付飛飛,許傳龍,王式民,等. 基于陣列式靜電傳感器的密相氣力輸送煤粉顆粒運(yùn)動(dòng)特性分析[J].東南大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2013,43(3):536-541.

[5]林多敏，蔡樹棠.煤粉啟動(dòng)速度與粒徑及濕度的關(guān)系[J].應(yīng)用數(shù)學(xué)和力學(xué),1991,12(6):485-490.

(本文責(zé)編：白銀雷)

2016-07-26；

2016-10-18

TK 31

B

1674-1951(2017)01-0034-04

夏牡丹(1975—)，女，浙江寧海人，工程師，從事火力發(fā)電廠熱工自動(dòng)控制及節(jié)能技術(shù)方面的研究工作(E-mail:xiamd@csg.cn)。

梁龍飛(1989—)，男，河北藁城人，工程師，工學(xué)碩士，從事氣固兩相流測量以及鍋爐均衡燃燒方面的研究和應(yīng)用工作(E-mail:18510047440@163.com)。

盧建旺(1990—)，男，河北滄縣人，助理工程師，從事氣固兩相流測量以及鍋爐均衡燃燒方面的研究和應(yīng)用工作(E-mail:lujianwang@163.com)。