基于互相關函數法的一次風速在線測量系統的研究與開發

王傳生 古朝平 韓建彬 李少芝

摘要

在我國，發電方式主要是以煤炭為主的火力發電方式，隨著國家經濟的快速發展，對火力發電節能環保的要求越來越高。一次配風均勻合理對于實現鍋爐燃燒優化，提高燃燒效率，降低NOx排放有十分重要的作用。因此，準確、實時、可靠地測量一次風速對燃煤鍋爐節能優化十分重要。本文采用互相關函數法，通過分析一定距離內煤粉顆粒所帶電荷量，對一次風速進行測量，測量結果更加準確。本設計可廣泛的使用于火力發電廠燃煤機組一次風的風速電廠脫硫、脫硝風速的測量，以及水泥廠、煉鋼等行業氣力輸送氣固兩相流流速的測量。

【關鍵詞】一次風速 燃煤鍋爐 互相關函數法在線監測 燃燒優化

目前，我國電廠的發電方式主要是以燃煤為主的火力發電方式，然而隨著國家經濟的快速發展，一方面，人們對于電力的需求量在不斷增加;另一方面，國家對于節能減排的要求越來越高，對火力發電也提出了更高的要求。電廠機組粉管內的一次風速是電廠鍋爐穩定和經濟運行的重要參數，合理而均衡的煤粉濃度和一次風速對于電廠機組的正常運行具有重要意義。

鍋爐的系統結構、運行參數的龐大和復雜，運行環境惡劣，鍋爐燃燒工況的好壞在很大程度上決定著鍋爐設備和整個發電廠運行的經濟、安全性以及NOx生成量。因此，設計并開發一次風速的在線測量儀器實現燃燒工況在線監測，為燃燒過程的優化運行提供操作指導，對于，提高鍋爐燃燒效率，降低生產成本，減少氮氧化物、SO₂等污染物的排放有十分重要的作用。

1 研究現狀

電站鍋爐燃燒系統中，一次風風管屬于中小管徑、高流速、氣固兩相混合、測量所需直管段較短的風道，測量方式都是基于傳統常規動壓測量裝置的基礎進行測量，主要包括以下幾種方式：

1.1 靜壓測量方法

根據安裝在每個燃燒器一次風管及風箱上的靜壓測點指示調平各層風速，即假設在位置勢能不變，全壓相等的前提條件下，動壓等于全壓減去靜壓，只要通過測量靜壓就能得出動壓。此方法的優點是系統簡單、直觀。但是其缺點是由于風道系統結構上的差異，無法實現與設計風速值的定量比對，只知道風速相等，但無法知道風速的具體大小。

1.2 皮托管速度測量方法

此方法利用皮托管迎向流體的端口測量流體全壓，皮托管垂直于流體流動方向的端口用來測量流體靜壓，從而能得到氣體在流動過程中產生的壓差，然后根據連續方程、能量守恒方程式和氣體狀態方程得出管道中流體的流速。此方法的優點是設計簡單，缺點是容易堵塞，影響精度。

1.3 勻速管速度測量方法

勻速管是一種安裝在管道內測量平均流速的非標準測量裝置，按不同的取壓方式有笛型管、雙笛型管、阿紐巴管測速管等。此方法要求一次風管道的直管段夠長，測量截面前最少應有6～7倍的測量管道直徑，測量截面后應有2～3倍的測量管道直徑，否則精度無法保證。

2 檢測系統設計原理

通過分析一次風速現有檢測方法和研究現狀，本裝置采用電荷互相關函數法對一次風速進行檢測，其原理為：煤粉顆粒在管道內輸送過程中由于相互之間的摩擦產生靜電荷，通過電荷傳感器可以檢測出煤粉顆粒所帶電荷量的數值。在煤粉輸送管道內，水平管道距離為L，分別放置兩個電荷傳感器P₁，P₂，兩電荷傳感器與管道平行，如圖1所示。

煤粉傳送時，首先經過電荷傳感器P₁，得到煤粉顆粒所帶電荷量曲線1，然后煤粉顆粒經過電荷傳感器P₂，得到煤粉顆粒所帶電荷量曲線2，如圖2所示。通過互相關函數分析，得到經過兩電荷傳感器的時間，進而通過計算得出一次風速的大小。

當顆粒通過管道時，靜電傳感器產生的信號通過濾波放大電路，得到的模擬量通過A/D轉換，將采集到的模擬量轉換為數字量并傳送至單片機。單片機兩路信號進行互相關分析，最后得到固相顆粒的速度參數，并通過RS485總線傳送至DCS系統。其靜電傳感器測量系統結構框圖如圖3所示。

3 現場應用

本裝置設計完成后，在馬鋼熱電總廠投入示范運行，在完成現場設備施工和安裝后，對系統的進行調試和試運行，并根據要求對檢測結果進行比對，比對結果如表1所示。

根據要求，采用S型畢托管分別測量標定孔處的管道壓力，每個標定孔處測量4次壓力值，得到管道壓力值ΔP分別為：

根據公式：

其中K表示S型畢托管系數，值為0.84，t表示管道內溫度，現場溫度儀器顯示管道內溫度為60℃，絕對溫度值273，空氣密度值為1.293kg/m³，則得到理論一次風速度值為：

因此，由表2數據可知，理論計算值在儀器測量值的范圍內，測量值準確、可靠，符合設計要求。

4 結論

本設計利用互相關函數分析法，通過分析固定距離的兩個電荷傳感器所帶電荷量，通過分析相關電荷量之間的曲線，得到兩者的時間差，通過計算得出一次風速大小。實現了一次風速的實時、在線測量，測量結果準確、可靠。設備投入運行后，現場運行人員根據在線監測裝置檢測到的數據和其他信息，為燃燒過程的優化運行提供操作指導，從而提高鍋爐的燃燒效率，達到提高燃燒運行效率和節能降耗的目的。

參考文獻

[1]喬棒.超聲法一次風流速和煤粉濃度在線測量研究[D].南京理工大學，2013.

[2]朱勇軍.300MW燃煤發電機組一次風速改造[J].自動化與儀器儀表，2005，6：77-78.

[3]黎國強.淺析風粉在線監測系統在DCS上的實現和應用[J].華中電力，2004（02）：27-28+31.

[4]王海蘭，于國光，閻建東.乏氣送粉系統一次風速在線測量技術研究[J].節能技術，2004，3：57-59.

[5]孫麗娟，汪小澄，李志剛.火電廠一次風速監測系統的研究與開發[J].電力系統自動化，2002，Vol26.24：60-66.

[6]王冬娜.電站鍋爐一次風速智能監測儀表的設計[D].大連海事大學，2008.

[7]張嶺旭，朱志軍.數字相關法測時差的工程實現[J].航天電子對抗，2006，22（06）：42-43.

[8]郭改枝，鐵勇，俞宗佐.雙路音頻采集系統及相關算法在漏水探測技術中的應用[J].內蒙古大學學報（自然科學版），200，39：674-675.

[9]鄒吳.超聲波流量測量新技術[J].工業儀表與自動化裝置，1995，3：62-64.

[10]李寧.熱風送粉鍋爐的風速與煤粉濃度測量技術在火電廠的應用[J].江西電力，2003（01）：15-19.

[11]郭文生，楊春平，郭振強.鍋爐一次風速在線監測[J].華東電力，2002，9：59.