火電廠煤粉濃度監測裝置的設計與研究

萬增利

(榆林學院能源工程學院)

火電廠煤粉濃度監測裝置的設計與研究

萬增利

(榆林學院能源工程學院)

基于微波法在線測量煤粉濃度的原理，設計火電廠煤粉濃度監測裝置。在某電廠現場搭建實驗平臺進行數據檢測，將該裝置測得的煤粉濃度與取樣篩分得到的煤粉濃度進行比較，二者吻合度極高，并且所測煤粉濃度誤差被控制在5%以內。

濃度監測裝置 火電廠 煤粉 微波衰減法

煤粉濃度的檢測和監測可直觀反映鍋爐燃燒效果，提高機組運行效率，并對節能減排、燃燒優化等起到重要作用。學者們在電廠煤粉濃度測量的研究中取得了一定的成果，比如：美國以激光同位素的研究為主，德國的激光法也取得了一定的進步；南京理工大學提出了阻力壓差法，東南大學一直以熱平衡法為研究重點，華北電力大學的研究成果則是超聲波法，還有一些科研單位研究的光學脈動法和電容法。阻力壓差法選用垂直上升管段作為測試段，通過測量該管段的阻力壓降和風粉流速計算煤粉濃度；由于風粉混合過程中的壓損、管道中顆粒群的懸浮提升壓損和管道阻力都會影響測量結果，所以該方法的測量精度較低[3，4]。熱平衡法根據一次風氣流與煤粉顆粒混合前后的溫度變化，利用熱平衡方程計算煤粉濃度，該方法要求混合前后系統處于絕熱狀態、混合后混合物的溫度均勻一致并在一定范圍內，煤粉的比熱不受其成分變化的影響，一旦相關條件不能保證就會影響測量結果[5，6]。光學脈動法利用光纖探頭把光束引入測量區，測得運動顆粒對光的感應信號，再將該信號經光電轉換與模數轉換后進行計算分析，最終得到微粒的濃度值；由于該方法采用的儀器價格高、校核難且操作不易，在電廠推廣應用困難很大[7～9]。因此，開發能夠準確測量且安裝方便的煤粉濃度測量裝置成為亟待解決的問題。筆者提出采用微波法測量電廠煤粉濃度，將所設計的監測裝置通過法蘭在電廠搭建實驗平臺進行相關數據的檢測和監測。

1 測量原理

在管道內傳播的微波振幅衰減規律呈指數形式，衰減常數是衡量其衰減速度的物理量。微波頻率f、管道內的介電常數ε和磁導率μ決定衰減常數α。α隨著ε和μ的增大而增大。當ε和μ一定時，合適的f可使得α最大。當煤粉氣流流經管道時引起ε和μ變化。ε和μ隨著煤粉濃度n增大而增大，此時α也逐漸增大，微波的衰減速度也就越大。因此，要想得到ε、μ和n，只需測量一定頻率微波在固定間距上的衰減就可以得到α的值[10,11]。

微波探頭(發射微波、接收微波信號)的安裝如圖1所示。信號源E0有兩個作用：一是作為管道內的激勵微波信號；二是送到信號處理器作為參考信號。用微波信號探頭從管道中檢測到衰減后的微波信號E。將E0和E同時輸入信號處理單元處理，按照相關公式即可得到α、ε、μ和n的值。

圖1 煤粉濃度測量原理

微波沿管道方向傳播時，管道內的電場強度E的計算式為：

E=E0e-(α+β)r

(1)

式中r——微波傳播距離；

β——相位常數。

2 現場安裝

在吉林某電廠現場搭建實驗平臺。從給煤機出來的煤粉經4個一次風煤粉管道輸送到鍋爐。每個一次風管道的半徑R為0.3m，在每個一次風管道的內部安裝微波發射探頭和接收探頭(采用開孔嵌入法水平安裝)，并且探頭嵌入部分為探頭總長度的2/3。整個測量區的長度L為0.5m。

本裝置中采用微波激勵源對微波探頭傳感器進行激勵，信號接收采用接收探頭傳感器。微波信號經儀器箱內的AD7606芯片采集后，用相關公式計算轉換為電壓信號，最后傳至上位機分析處理。

3 實驗結果

本裝置采用數據采集卡采集數據，數據采集卡的采樣頻率100kHz，采樣精度16位，在電廠分別監測給煤量為30、40t/h的一次風管道煤粉濃度。每次采集數據時間為10min，所采集的原始數據曲線如圖2所示。

圖2 原始數據曲線

可以看出，即使是給煤量相同也不能保證每個一次風管道內的煤粉量相同，因此需要逐個測量并匯總，進而求出煤粉濃度。

表1為在不同給煤量下1～4#一次風管道所采集的電壓值。

表1 不同給煤量下的風管采集電壓值 mV

當給煤量為30、40t/h，通過前面的公式推導可以得出煤粉濃度。通過與電廠取樣測得的煤粉濃度進行比較，煤粉濃度測試值與實際值的比較結果如圖3所示。

圖3 煤粉濃度測量值與實際值的對比

可以看出，該裝置測得的煤粉濃度與電廠取樣法測得結果吻合度很好。同時在增大給煤量后，也能直觀地看到監測的煤粉濃度變大。

4 結束語

通過在吉林某電廠一次風管道內安裝火電廠煤粉濃度監測裝置，并進行煤粉濃度的現場監測，將該裝置測得的數據和電廠實際取樣得到的數據進行比對，表明該裝置可以真實反映一次風管內煤粉濃度的變化趨勢，并且濃度測量誤差小于5%。通過監測數據實時改變煤粉參數，合理調節風粉比例，即可保證鍋爐內的煤粉充分燃燒，提高電廠的經濟效益。

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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)

萬增利(1988-)，助理實驗師，從事火電廠節能減排及檢測技術的研究，wanzeng1i0403@126.com。