嚴重濕煤條件下火電廠一次風煤粉流速、濃度測量技術應用分析

夏牡丹，梁龍飛，盧建旺

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

嚴重濕煤條件下火電廠一次風煤粉流速、濃度測量技術應用分析

夏牡丹1，梁龍飛2，盧建旺2

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

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

濕煤粉；靜電測量；全截面非接觸式；煤粉流速；煤粉濃度；精準測量

0 引言

目前，我國發電行業仍以火力發電為主導，火力發電則主要是以煤粉燃燒產生能量來實現發電。煤粉在爐膛內的燃燒狀態直接影響了火力發電的效率，在環保標準嚴格要求下，如何精細控制煤粉在爐內的燃燒狀態，精準測量一次風煤粉流速、濃度，改善燃煤電廠及工業燃煤鍋爐等大型燃燒源燃燒效率和排放水平,實現煤粉清潔高效利用是亟待解決的問題，是鍋爐燃燒優化控制的關鍵，也是鍋爐燃燒控制由粗放轉向精細的必由之路。

煤粉在電廠一次風管中的流動屬于典型的大尺度稀相氣固兩相流，其動力學特征非常復雜，針對不同的煤質成分其測量[1]也是不盡相同的，因此，準確、可靠的在線測量技術是公認的具有挑戰性的領域。英國、德國、波蘭、中國和澳大利亞許多研究人員致力于開發煤粉流動參數測量裝置，目前主要研究的傳感器技術包括靜電、電容、微波、超聲波、光學和核輻射等。另外，鍋爐運行過程中煤粉流速較大(20～30 m/s)，造成測量傳感器嚴重磨損，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、濃度測量的產品極少。

1 不同測量技術的對比

1.1 幾種測量技術的對比

傳統的測量方式包括光學、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，然后通過分析運動煤粉對這種能量的影響來獲得煤粉的運動參數。

光學式儀表通過光學元件獲得煤粉在管道內運動的圖像來計算煤粉的粒徑分布、流量和流速。但是在工業現場，這類儀器的光學窗口容易受到煤粉的污染(靜電吸附)，光學元件需要定期進行校準，維護量較大，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格低廉和安裝簡單的優點，但是它容易受到周圍環境噪聲的影響，而且當顆粒粒徑分布范圍變化的時候就可能出現很大的測量誤差，同時可能出現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場多噪聲的一次風管環境。

微波傳感器具有成本低、易于安裝和維護(探測窗口不需要是透明的)的優點，使它們在惡劣環境下的應用具有較好的前景。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 靜電測量技術的優勢

靜電式儀表通過感應運動煤粉產生的時變靜電場來測量煤粉的流速和流量[2]，不會向被測流體中注入任何形式的能量，具有本質安全的優點。此外，靜電式測量儀表還具有工作性能穩定、安裝方便和極低的維護量等特點，因此，英國貿工部2004年發布的《燃煤電廠多相流測量技術》報告中將其列為最有實際應用前景的一次風粉在線檢測方法之一。

此外，與傳統的侵入式測量相比，新型全截面、非接觸式靜電傳感煤粉流速、濃度在線監測技術是一種革命性的變化，二者具有本質上的區別。它屬于新型被動式測量技術，不需要向煤粉中注入任何能量，設備磨損問題可以良好解決，測量數據的可靠性和準確性極高。傳統與新型測量技術的特點對比如下。

1.2.1 技術優越性

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

新型全截面、非接觸式靜電傳感風粉在線監測技術采用陣列式靜電傳感相關法及空間濾波測量技術[3]，系統傳感器采用盤管狀設計，內壁與一次風管道完全吻合，可代替一段煤粉管道。感應電極鑲嵌在內壁中，使感應電極與煤粉隔絕，屬于安全的被動式測量，不受非測量因素的干擾，測量準確性和精度極高。

1.2.2 使用壽命

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

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，對煤粉流動沒有任何擾動，可正常使用的時間不低于10年。

1.2.3 測量可靠性與準確性

煤粉在煤粉管道中無序流動，由于侵入式測量傳感器自身的特點，無法準確捕捉和測量整個管道內煤粉的流動狀態，造成測量結果可靠性和準確性低，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方式無關，全截面的設計可準確捕捉、測量整個一次風管道內煤粉的流動狀態[4]；獨特的多路互相關設計使得測量數據非常精準，可靠性極高。精準的測量數據可為鍋爐運行調整提供可靠依據。

1.2.4 日常維護量

由于侵入式測量傳感器磨損嚴重，使用不久即需要更換，且測量數據誤差大，準確性不高，需經常維護，增加了電廠的維護量，后期投入費用較高。

新型全截面、非接觸式靜電傳感器幾乎不需要維護，更不需經常更換系統傳感器，后期投入費用很少。

2 靜電傳感測量技術的應用研究

國電常州電廠在一次風粉在線測量方面進行了探索，使用新的測量技術，在磨煤機出口溫度低、煤粉含水量大等惡劣的運行條件下，能夠克服煤粉濕度大對靜電測量造成的困難，實現了測量系統在復雜工況下的穩定工作，并獲得了較高的測量精度。

2.1 常規靜電傳感測量技術的應用

國電常州電廠#1機組安裝了基于靜電感應技術的全截面、接觸式煤粉流速濃度在線監測系統，實現了對各一次風管煤粉流速、濃度分布的在線測量。系統調試過程中，發現靜電傳感器感應到的靜電信號強度非常微弱。調試人員利用診斷工具對系統傳感器、信號處理單元等進行了詳細的測試，發現煤粉在傳感器內壁的積粉嚴重[5]，嚴重時會在內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的信號源被屏蔽，從而使傳感器不能得到穩定、可靠的靜電信號。

圖1 傳感器內壁凝結煤泥照片

2.2 傳感器運行環境分析

經調查和分析，引起傳感器內壁出現結水現象的主要原因是存在磨煤機出口一次風溫度偏低(50 ℃左右)、煤質含水量偏大(全水分高于30%)、制粉系統蒸汽滅火裝置常年開啟、冬季環境氣溫低等惡劣運行工況。

2.2.1 磨煤機出口溫度偏低

通過采集電廠分散控制系統(DCS)數據，發現各磨煤機出口一次風溫度很低。A磨煤機出口一次風溫變化趨勢如圖2所示：其最低溫度僅為49 ℃左右，平均溫度52 ℃左右。其他磨煤機一次風溫度雖高一些，但均不超過65 ℃。磨煤機出口溫度低，表明熱一次風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數據的觀察，發現入爐煤的全水分達到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，這也會導致進入磨煤機研磨的煤粉含水量大幅增加。

2.2.3 制粉系統蒸汽滅火裝置常年開啟

由于國電常州電廠鍋爐燃燒煤質揮發分較高，為了避免發生一次風管煤粉自燃或爆炸現象的發生，制粉系統配置了蒸汽滅火裝置，運行人員根據燃燒煤種的變化常向管道中噴灑高溫水蒸氣，且部分裝置會發生蒸汽泄漏，大大增加了一次風管煤粉的濕度。

2.2.4 冬季環境溫度低

進入冬季，環境溫度較低，這會使傳感器的導熱增強，也有助于水蒸氣的凝結。

圖2 A磨煤機出口一次風溫變化趨勢

2.3 傳感器內壁結水導致感應信號變弱的機制

正常情況時，當帶電的煤粉顆粒經過靜電傳感器時，電極能夠感應到電荷，并在電極上形成微弱的靜電信號，靜電電荷會流向信號處理單元。但水膜出現在靜電傳感器內壁上時，就會將電極與接地環導通、電極與電極間相互導通，因接地環的電勢為零，電極上幾乎所有的靜電電荷都將流向大地，故此時系統將無法檢測到靜電信號。傳感器電極結構如圖3所示。

圖3 傳感器電極結構

另外，由于煤粉氣流中有各種礦物質，若礦物質溶解到傳感器的凝結水中，也會加劇電極間的導通特性。

本項目使用的靜電傳感器采用常規接觸式設計，靜電電極裸露在傳感器內壁上，使得電極與煤粉直接接觸。此類傳感器在煤粉干燥、濕度不大時較為適用。

3 技術路線

3.1 更換新型傳感器

為了解決嚴重濕煤條件下一次風粉測量遇到的技術難題，國電常州電廠隨后將現場常規測量傳感器更換為特殊設計的，基于全截面、非接觸式靜電傳感測量技術的傳感器，靜電電極嵌入到傳感器內壁，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壁凝結水而導至大地的問題。此種設計結構區別于常規環形傳感器的設計，可從根本上解決煤粉含水量高、濕度大對靜電感應信號的不良影響，保證感應信號不被屏蔽或導走。

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壁結水造成煤粉堆積，嘗試在傳感器安裝位置附近增加保溫設備(如圖4所示)，在一定程度上減少傳感器附近的熱量損失，對提高感應信號的質量有一定作用。

圖4 傳感器附近增加保溫設備

新型靜電傳感器陣列可以同時獲得多個測量結果，并通過數據融合算法得到可靠而準確的煤粉流動參數，使測量系統在多變和惡劣的電廠環境中仍保持良好的測量穩定性和可靠性。

系統運行結果顯示，更換特殊設計的靜電傳感器后，測量信號穩定、運行可靠、準確性高，系統運行界面如圖5、圖6所示。

圖5 系統B磨測量界面

圖6 系統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壁凝結水膜、煤粉黏附問題，適應于傳感器內壁黏附煤粉、煤槳，甚至煤泥的惡劣工作環境。

4 結論

本文對一次風煤粉流速、濃度測量技術進行了研究和對比，在煤粉濕度大等惡劣的生產工況下，基于新型全截面、非接觸式靜電傳感測量技術的傳感器，可實現電廠鍋爐煤粉流動狀態的精確監測，測量結果準確性和可靠性高，可為鍋爐運行調整提供有力支撐，從而改善鍋爐燃燒質量，提高鍋爐效率，增加機組運行的經濟性和安全性。

[1]劉定平.火電廠中一次風煤粉濃度測量技術分析[J].廣

東電力,2003,16(3):4-7，28.

[2]黃孝彬,錢相臣,閆勇,等.基于靜電感應和數據融合技術的鍋爐煤粉流速濃度在線監測系統[C]//中國能源學會.第2屆電站鍋爐優化運行與環保技術研討會論文集，2014：149-156.

[3]許傳龍,湯光華, 楊道業，等. 靜電感應空間濾波法測量固體顆粒速度[J].中國電機工程學報，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動特性分析[J].東南大學學報(自然科學版),2013,43(3):536-541.

[5]林多敏，蔡樹棠.煤粉啟動速度與粒徑及濕度的關系[J].應用數學和力學,1991,12(6):485-490.

(本文責編：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，從事火力發電廠熱工自動控制及節能技術方面的研究工作(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用工作(E-mail:lujianwang@163.com)。