電廠風粉在線監測裝置的應用分析

（鄭州電力高等專科學校，河南 鄭州 450000）

一次風進入爐膛的速度和所含煤粉的濃度以及各個煤粉燃燒器的風粉均勻性直接影響到爐內燃燒工況的穩定和鍋爐的燃燒效率。在實際運行過程中，鍋爐常處于配風不均的狀況下，嚴重時會引起爐膛內火焰中心偏離，煤粉燃燒不穩定，從而導致爐膛局部結焦及水冷壁或過熱器爆管，降低鍋爐效率，并且各風管配風不均，風煤比失調，也可能導致一次風管堵管或噴口著火距離過近甚至在一次風管內燃燒等事故的發生[1]。因此，通過風粉在線監測裝置的設計，運行人員可以根據測量數據合理調節給粉量，控制燃燒器著火點、煤粉燃盡程度，也可以監視一次風管道是否堵塞和自燃，調整鍋爐各個燃燒器的風煤配比和風速，調整鍋爐的燃燒平衡，從而有效地提高鍋爐燃燒的安全性能和經濟性能。

1 電廠概述

某電廠裝機容量為2×600MW，采用的是東方鍋爐（集團）股份有限公司生產的型號為DG-1900/25.4-II1 超臨界變壓直流爐、單爐膛、內螺紋螺旋管圈水冷壁、一次中間再熱、平衡通風、半露天島式布置、固態排渣、全鋼構架懸吊結構Π 型鍋爐，燃燒器分布為前后墻對沖燃燒形式，前、后墻各布置3 層HT－NR3 燃燒器，每層4 只，共24只。單臺機組有6 臺磨煤機，一次風管數量為24 根。

2 初步方案

以某電廠為例，在每臺爐24 根一次風管上加裝風粉風速和風粉混合物的濃度測點，共計48 個測點，所有測量信號經過裝置工控主機運算后通過一個RS485 接口以通信方式進入機組DCS 系統，或采用獨立工控機在主控室組成一個風粉監測系統畫面，通過大屏幕顯示數字量和棒狀圖形式顯示各風管實時的一次風風速和煤粉濃度。

2.1 傳感器測點選擇

傳感器應該安裝于一次風管道的直管段，探頭前方直管段要求在4 倍管道直徑以上，探頭后面直管段在1 個管道直徑以上。

2.2 靜電傳感器安裝

首先在管壁上開孔，開孔直徑為38 mm，在每個管道上共計開設5 個孔，然后將探頭底座焊接在開好孔的管壁上，使探頭管座軸線與被測煤粉管道軸線垂直，最后將傳感器插入管座，用螺母固定好。

所有靜電傳感器探頭以法蘭方式與管座相連，傳感器探針伸入一次風管內。

2.3 信號調理機箱安裝

信號調理機箱安裝在送粉管附近的工作平臺上，機箱采用掛壁式安裝，機箱支架直接焊接在鋼板上或固定在鋼架，機箱采用底部進線方式。

2.4 主機柜安裝

主機柜安裝在電子間，底部進線。

3 一次風流速和煤粉濃度的測量原理及特點

風粉在線監測裝置關鍵在于一次風風速和煤粉濃度的測量。

3.1 一次風風速的測量

在煤的破碎和輸送過程中，煤粉顆粒相互碰撞、摩擦和分離，煤粉顆粒具有一定的電荷量，產生一定的電荷場。當通過安裝在一次風管道直管段內的靜電感應探頭時，靜電傳感器表面會產生等量的感應電荷，傳感器附近大量帶電煤粉的運動會產生感應電流。

當風粉混合物在管道中穩態流動時，上、下游速度傳感器檢測到的隨機流量信號可以看作是符合各狀態遍歷隨機過程的樣本函數。同時，只要2 個速度傳感器之間的距離合理，2 個傳感器的靜態性能相同，就可以認為2 個隨機流量信號是相似的，并且具有相關性，它們之間的相關時間是測量距離（S）處被測流體的流動時間（t）。通過計算相關函數，可以測量出管道內風粉兩相流的平均速度（V=S/t）。用這種方法求得的速度只與S、t 有關，無需標定。

3.2 煤粉濃度的測量

在線熱力學方法是目前研究較多的測量方法。根據測量得到的溫度、壓力和壓差等參數，在一定假設的基礎上根據能量守恒定律、連續性方程和動量定律建立相應的數學模型，經過數據處理，得到管道中的煤粉質量分數，進而反映煤粉的濃度。假設條件如下[2]。1）管道內的氣粉混合物為稀相流。2）煤粉顆粒在管道中分布得更加均勻，測量時可以得到所有煤粉顆粒的速度、溫度、壓力等平均特性。3）煤粉在一次風中的流動處于強湍流狀態，煤粉顆粒形狀均為大小相同的球形。4）煤粉顆粒在氣粉兩相流中的運動被認為是一種特殊的流體，在管道中運動具有摩擦阻力和局部阻力，由此引起的壓力損失利用通用公式計算。5）在確定純氣流的壓力損失時，忽略了固體物質的體積，計算單相氣流的壓力損失。6）忽略了一次風管內風粉混合物的熱損失和壓縮性。

風粉混合物的總能量近似被認為是空氣和煤粉混合物的動能和靜壓能的總和。由于存在局部阻力損失和沿程阻力損失，一次風和煤粉混合前后的總能量是不相同的。在一定溫度條件下，兩者混合比的差異必然導致氣固兩相流體在混合前后的靜壓能的差異。因此，只要測量混合前一次風的速度和靜壓能以及混合后風粉混合物的速度和靜壓能，就可以通過求解熱力學偏微分方程組得到相應的煤粉質量分數。

4 預算費用

根據系統要完成的功能，在每個一次風管加裝煤粉的濃度、煤粉的流速測點，并配備測量系統，單臺機組配置見表1。

表1 風粉在線監測裝置在單臺機組中的配置

按照上面改造要求，每臺爐預算設備金額在90 萬左右，施工費約為20 萬。2 臺爐共計約為220 萬。

5 經濟效益分析

在電廠實際運行過程中，通過風粉在線監測鍋爐一次風管燃燒器出口速度和煤粉的濃度，可以引導運行人員均勻、合理地調節煤粉，使鍋爐在最佳工況下運行，對提高鍋爐運行的穩定性和經濟性起到良好的作用，具體表現為7 點[3]。1）對于前后墻燃燒的鍋爐，在冷態空氣動力場試驗中假定一次風煤粉濃度均勻。熱態運行時濃度分布不均勻，容易造成爐膛火焰偏移，嚴重時會沖洗水冷壁，造成水冷壁和過熱器管壁結焦、磨損和腐蝕。如果安裝該產品，可以有效地防止火焰偏移，減少爐膛出口兩側煙氣溫度偏差，防止水冷壁和過熱器爆管。僅以減少水冷壁和過熱器爆管為例，如果避免一次爐管爆管造成的設備維護費用及非計劃停運電量損失，其節省的綜合費用大約在50 萬元以上。2）在鍋爐運行中，上下兩層燃燒器火嘴中煤粉濃度不相同，直接決定了爐膛火焰中心偏移，最終影響煤粉的燃盡程度、過熱蒸汽溫度即主蒸汽溫度偏離正常范圍。當爐膛底部燃燒器火嘴中煤粉的濃度較低時，爐膛底部溫度較低，也會對燃燒穩定性產生直接的影響。如果安裝該產品，使鍋爐配風合理，降低排煙溫度，降低排煙熱損失和不完全燃燒熱損失。3）當一次風管內煤粉濃度過高、風速過低時，會導致煤粉著火點離火嘴出口太近，火嘴燒壞，給電廠安全生產和經濟運行造成重大影響。如果安裝該產品，避免燃燒器火嘴燒壞，避免堵粉等事故的發生，由此帶來的設備費用及非計劃停用電，其節約的綜合費用大約在80萬元以上。4）如果一次風管內煤粉濃度過高、會出現煤粉堵管跡象；反過來，當風管內煤粉濃度過低、一次風速過大時，會引起煤粉破碎，產生斷粉現象。如果安裝該產品，運行人會員可以及時檢測到一次風管內的一次風速和煤粉濃度，減少堵粉或斷粉事故的發生，減少對人身和設備的損害，安全是無價的。5）由于運行人員擔心一次風管堵塞，一次風速必須保持在較高水平，即無形中增大一次風量，使制粉系統單耗居高不下。在滿足制粉需要的前提下，降低一次風速，減少制粉系統的通風，可以有效地降低風機功率的消耗。安裝產品后，不僅可以減少可觀的電耗成本，而且如果由此減少一次風量2%計算，大約可以節約成本50 萬元以上。同時，降低一次風速還可以減少一次風管被煤粉磨損，從而延長一次風管的使用壽命。6）過去，電廠中的鍋爐燃燒出現問題，往往無法查明原因，其實很多鍋爐燃燒的問題是由于一次風和煤粉比例調節不當，因為沒有安裝該產品，事后沒有相關數據，增加了解決問題的難度。如果安裝該產品，可以作為事故追憶裝置，來提供分析數據，從而可以更加快速、更加全面的分析鍋爐燃燒問題，從而找到解決方案。7）合理地調整鍋爐配風，可以減少爐內NOx 的排放，降低后期脫硝費用，經濟效益和社會效益并舉。

6 結語

綜上所述，對于一臺600 MW 機組，由于一次風管數量多，僅憑運行人員個人經驗來調節風粉配比，必然會顧此失彼，很難達到鍋爐燃燒優化狀態，而安裝風粉在線監測裝置可以提供全面的一次風風速和煤粉濃度的實時數據，使鍋爐調整有了直觀依據，每年可以降低發電成本約100 萬元，同時可以進一步提高機組安全性，提升鍋爐運行自動化水平，并有助于提升電廠的競爭能力。