張治鋒，黃金龍，王 皓，姚盼亮

（北京電力設(shè)備總廠有限公司，北京 120401）

近年來(lái)，隨著清潔能源裝機(jī)容量不斷增加，我國(guó)的環(huán)保指標(biāo)考核力度日益嚴(yán)格，發(fā)電廠的燃燒煤種經(jīng)常發(fā)生變化，火電機(jī)組運(yùn)行環(huán)境復(fù)雜多變。同時(shí)為了響應(yīng)國(guó)家碳達(dá)峰、碳中和的目標(biāo)，火力機(jī)組也在不斷地進(jìn)行優(yōu)化，迫切需要對(duì)燃煤電廠的燃燒進(jìn)行優(yōu)化，以提高燃燒效率，降低煙塵、NOx 和SO2的排放，并減少制粉系統(tǒng)的能耗[1]。在制粉系統(tǒng)端，磨煤機(jī)應(yīng)具有更寬的負(fù)荷調(diào)節(jié)范圍、更快的變負(fù)荷速率、更高的負(fù)荷調(diào)節(jié)精度和一次調(diào)頻能力，這就對(duì)控制系統(tǒng)提出了更高的要求。

送粉管道內(nèi)的煤粉濃度和細(xì)度是一個(gè)非常重要的參數(shù)，煤粉濃度的高低直接影響送風(fēng)管道內(nèi)風(fēng)粉的均勻性，煤粉濃度過(guò)高，流速過(guò)低就會(huì)導(dǎo)致送粉管道的煤粉堵塞；煤粉細(xì)度過(guò)高，鍋爐的燃燒不充分，燃燒效率降低[2]。國(guó)內(nèi)在對(duì)制粉系統(tǒng)的煤粉的監(jiān)測(cè)手段各不相同，長(zhǎng)期以來(lái)，對(duì)于直吹式制粉系統(tǒng)，國(guó)內(nèi)先后利用光學(xué)法、微波法、電容法、圖像法以及靜電法對(duì)煤粉的濃度進(jìn)行了監(jiān)測(cè)。本文主要對(duì)關(guān)于煤粉細(xì)度、濃度及流速的測(cè)量手段進(jìn)行了相應(yīng)的論述，以獲得更佳的指導(dǎo)工業(yè)生產(chǎn)的方法[3]。

1 煤粉在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)測(cè)量原理

在動(dòng)態(tài)狀態(tài)下，任何兩種不同的物質(zhì)將相互感應(yīng)產(chǎn)生信號(hào)。入爐煤在線檢測(cè)系統(tǒng)正是以被測(cè)介質(zhì)流經(jīng)監(jiān)測(cè)探頭時(shí)所產(chǎn)生的無(wú)源檢測(cè)感應(yīng)信號(hào)為基礎(chǔ)，進(jìn)行煤粉流各項(xiàng)參數(shù)的測(cè)量。

1.1 流速測(cè)量原理

流速的測(cè)量是由一對(duì)與管道垂直且相互平行的傳感器完成測(cè)量的，每對(duì)傳感器分為上游傳感器和下游傳感器，根據(jù)區(qū)間測(cè)速原理，可以準(zhǔn)確地計(jì)算出流速。

1.2 濃度測(cè)量原理

利用流速測(cè)量配置中的上、下游傳感器所感應(yīng)的擾動(dòng)量信號(hào)，與煤粉瞬時(shí)總量相關(guān)性的原理，除去同一時(shí)刻、同一測(cè)點(diǎn)的一次風(fēng)瞬時(shí)流速，計(jì)算如下式所示：

便可以準(zhǔn)確地測(cè)得一次風(fēng)管中煤粉的相對(duì)濃度值，經(jīng)總量標(biāo)定法現(xiàn)場(chǎng)標(biāo)定后得到煤粉濃度的絕對(duì)值。有了流速值、煤粉濃度值、管道面積，就可計(jì)算出煤粉的質(zhì)量流量，如果系統(tǒng)引入給煤機(jī)的煤量信號(hào)，可自動(dòng)算出各煤粉管道內(nèi)的煤粉質(zhì)量流量[4]。

1.3 煤粉細(xì)度測(cè)量原理

煤粉細(xì)度的測(cè)量是以流速測(cè)量配置中的上下游傳感器感應(yīng)信號(hào)為基礎(chǔ)，煤粉顆粒度不同，煤粉顆粒質(zhì)量就不同，當(dāng)粒度不同的煤粉顆粒流過(guò)傳感器探頭時(shí)，感應(yīng)信號(hào)的動(dòng)量特征就不同，反映在信號(hào)上表現(xiàn)為功率密度譜不同，通過(guò)高速數(shù)據(jù)采集帶有粒度特征的感應(yīng)信號(hào)，經(jīng)過(guò)數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)和快速功率密度譜分析數(shù)學(xué)模型，就可測(cè)量出穩(wěn)定的相對(duì)煤粉細(xì)度，連續(xù)測(cè)量可得到準(zhǔn)確的細(xì)度變化信息[5]。

2 應(yīng)用技術(shù)

煤塊在磨煤機(jī)中被研磨成煤粉顆粒的過(guò)程中，以及煤粉在氣力輸送過(guò)程中，大量的緊密接觸和分離的過(guò)程，能夠使粉體帶上相當(dāng)數(shù)量的電荷[6]。而帶電煤粉顆粒會(huì)產(chǎn)生一定的靜電場(chǎng)，當(dāng)帶電煤粉顆粒通過(guò)金屬感應(yīng)探頭時(shí)，處于靜電場(chǎng)中的感應(yīng)探頭表面產(chǎn)生等量感應(yīng)電荷，大量帶電煤粉流過(guò)感應(yīng)探頭時(shí)，在感應(yīng)探頭上形成感應(yīng)電壓，當(dāng)與采樣電阻形成閉環(huán)電路時(shí)就可形成感應(yīng)電流。靜電感應(yīng)示意圖，如圖1所示。

圖1 靜電感應(yīng)示意圖

在煤粉管道中的上下游分別安裝靜電感應(yīng)傳感器探針，這兩個(gè)探針在煤粉管道內(nèi)相互平行，且與管道絕緣，兩個(gè)探針之間的距離為L(zhǎng)。當(dāng)煤粉流經(jīng)這兩個(gè)傳感器探針時(shí)，煤粉粒子所帶電荷在兩處傳感器探針上形成靜電感應(yīng)電信號(hào)x（t）和y（t）。這兩個(gè)信號(hào)經(jīng)過(guò)變送器前置處理后進(jìn)行交相關(guān)運(yùn)算得到延遲時(shí)間τm，從而得到煤粉的流速Vc=L/τm。運(yùn)算示意如圖2所示。

圖2 煤粉流速測(cè)量示意圖

在被測(cè)管道安裝若干個(gè)靜電感應(yīng)傳感器，采用交流感應(yīng)測(cè)量技術(shù)可以將管道內(nèi)的粉體所帶電荷信號(hào)檢測(cè)出來(lái)，這些靜電信號(hào)與粉體的濃度呈正相關(guān)性，通過(guò)數(shù)據(jù)處理后能夠反映粉體的濃度大小[7]。

通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)，前后兩個(gè)傳感器探頭的相關(guān)性特征譜線與粉體的粒徑存在一定相關(guān)性，通過(guò)計(jì)算分析可以獲得粉體的細(xì)度。

3 監(jiān)測(cè)技術(shù)實(shí)施

一臺(tái)機(jī)組配置6臺(tái)磨煤機(jī)，24根一次風(fēng)管道，檢測(cè)信號(hào)為風(fēng)粉速度、濃度和細(xì)度，共計(jì)72個(gè)被測(cè)信號(hào)，每臺(tái)機(jī)組獨(dú)立構(gòu)成一個(gè)測(cè)量系統(tǒng)。

3.1 現(xiàn)場(chǎng)配置

每個(gè)一次風(fēng)管采用一個(gè)智能信號(hào)處理器、一組電荷感應(yīng)傳感器探頭構(gòu)成。每個(gè)智能信號(hào)處理器將測(cè)量得到的濃度、速度、細(xì)度工程量信號(hào)通過(guò)RS-485雙絞線送給主控計(jì)算機(jī)。一臺(tái)機(jī)組總共需要24個(gè)智能信號(hào)處理器，同時(shí)掛接到RS-485總線網(wǎng)絡(luò)上，主控計(jì)算機(jī)接收來(lái)自現(xiàn)場(chǎng)智能信號(hào)處理器的通信信號(hào)，并在主控計(jì)算機(jī)上實(shí)現(xiàn)檢測(cè)系統(tǒng)所有測(cè)點(diǎn)的棒圖、實(shí)時(shí)曲線、歷史曲線、參數(shù)設(shè)置等功能[8]。主控計(jì)算機(jī)也可以同電廠DCS 進(jìn)行符合MODBUS 協(xié)議的RS-485通信，將測(cè)量數(shù)據(jù)同時(shí)發(fā)送給電廠。

電荷感應(yīng)傳感器安裝在被測(cè)管道之上，智能信號(hào)處理器布置在測(cè)點(diǎn)附近的現(xiàn)場(chǎng)，主控計(jì)算機(jī)布置在電子間或者工程師站內(nèi)。傳感器與智能信號(hào)處理器之間采用同軸電纜連接，智能信號(hào)處理器相互之間采用屏蔽雙絞線連接，最后一個(gè)智能信號(hào)處理器與主控計(jì)算機(jī)之間采用屏蔽雙絞線連接。

3.2 煤粉細(xì)度控制的調(diào)節(jié)

選取風(fēng)粉在線測(cè)量裝置采集的四根粉管連續(xù)5min（時(shí)間可調(diào)整）內(nèi)的煤粉細(xì)度（R90）的平均值作為分離器轉(zhuǎn)速調(diào)整指令，根據(jù)實(shí)際使用的細(xì)度范圍R90=15%～20%作為控制目標(biāo)，如采集平均細(xì)度小于最低值，則降低分離器轉(zhuǎn)速；如采集平均細(xì)度大于最高值，則提高分離器轉(zhuǎn)速。使煤粉細(xì)度始終保持在合理區(qū)間，平均細(xì)度的采集時(shí)間間隔設(shè)置為10 min。具體如下。

旋轉(zhuǎn)分離器單獨(dú)控制可在磨煤機(jī)運(yùn)行前啟動(dòng)，也可以在磨煤機(jī)運(yùn)行后啟動(dòng)。在磨煤機(jī)與旋轉(zhuǎn)分離器正常運(yùn)轉(zhuǎn)后，進(jìn)行風(fēng)粉在線測(cè)量系統(tǒng)煤粉細(xì)度數(shù)據(jù)標(biāo)定，更準(zhǔn)確地反映煤粉實(shí)際狀態(tài)。在各轉(zhuǎn)速信號(hào)標(biāo)定完成以后便可進(jìn)行旋轉(zhuǎn)分離器轉(zhuǎn)速自動(dòng)控制。旋轉(zhuǎn)分離器初始運(yùn)行頻率建議為20 Hz，對(duì)應(yīng)分離器轉(zhuǎn)速約為66 r/min。為保證制粉系統(tǒng)安全運(yùn)行，旋轉(zhuǎn)分離器最高頻率限定在30 Hz，對(duì)應(yīng)分離器轉(zhuǎn)速約為96 r/min.

（1）風(fēng)粉在線測(cè)量系統(tǒng)首次采集煤粉細(xì)度數(shù)據(jù)，如測(cè)量細(xì)度值在R90=15%～20%區(qū)間，則轉(zhuǎn)速保持現(xiàn)有狀態(tài)不做調(diào)整；如測(cè)量平均細(xì)度值R90≥25%，則提高分離器變頻器頻率2～5 Hz（可根據(jù)實(shí)際需要調(diào)整）。

（2）分離器調(diào)整后10min，風(fēng)粉在線測(cè)量系統(tǒng)采集的煤粉細(xì)度數(shù)據(jù)繼續(xù)與目標(biāo)范圍比對(duì)，如測(cè)量細(xì)度值在R90=15%～20%區(qū)間內(nèi)，則轉(zhuǎn)速保持現(xiàn)有狀態(tài)不做調(diào)整；如測(cè)量平均細(xì)度值在R90=20%～25%范圍，則提高分離器變頻器頻率2 Hz。以后每間隔10min 測(cè)量一次細(xì)度，與目標(biāo)細(xì)度區(qū)間進(jìn)行比對(duì)，直至測(cè)量細(xì)度值進(jìn)入目標(biāo)細(xì)度區(qū)間內(nèi)，停止調(diào)整工作。

（3）如測(cè)量細(xì)度值在R90=15%～20%區(qū)間，則轉(zhuǎn)速保持現(xiàn)有狀態(tài)不做調(diào)整；如測(cè)量平均細(xì)度值R90≤10%，則降低分離器變頻器頻率5 Hz。

（4）分離器調(diào)整后10min，風(fēng)粉在線測(cè)量系統(tǒng)采集的煤粉細(xì)度數(shù)據(jù)繼續(xù)與目標(biāo)范圍比對(duì)，如測(cè)量細(xì)度值在R90=15%～20%區(qū)間內(nèi)，則轉(zhuǎn)速保持現(xiàn)有狀態(tài)不做調(diào)整；如測(cè)量平均細(xì)度值R90=10%～15%范圍，則降低分離器變頻器頻率2 Hz。以后每間隔10min 測(cè)量一次細(xì)度，與目標(biāo)細(xì)度區(qū)間進(jìn)行比對(duì)，直至測(cè)量細(xì)度值進(jìn)入目標(biāo)細(xì)度區(qū)間內(nèi)，停止分離器調(diào)整工作。

4 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)優(yōu)化實(shí)施，煤粉監(jiān)測(cè)系統(tǒng)能夠改善日常的工業(yè)生產(chǎn)，可以對(duì)煤粉管道中煤粉細(xì)度、濃度以及速度等參數(shù)進(jìn)行在線測(cè)量，評(píng)估磨煤機(jī)和機(jī)組的運(yùn)行狀況。煤粉濃度和風(fēng)速的測(cè)量可以實(shí)時(shí)掌握各個(gè)煤粉管道的通風(fēng)通粉情況，避免因風(fēng)速過(guò)低導(dǎo)致煤粉管的堵塞。煤粉細(xì)度作為影響鍋爐燃燒的重要因素之一，磨煤機(jī)能夠?qū)崟r(shí)根據(jù)煤質(zhì)情況調(diào)整分離器的轉(zhuǎn)速以改變煤粉的細(xì)度，此舉能夠較好地提高鍋爐的燃燒效率，是未來(lái)火電廠制粉系統(tǒng)靈活性改造的趨勢(shì)。