基于微波法的煤粉濃度在線測量系統開發與應用

馬 祥 李清明 徐海超 肖先勇

（1.深圳東方鍋爐控制有限公司；2.重慶能源旗能公司）

火電廠鍋爐燃燒用煤粉由一次風攜帶經粉管進入爐膛燃燒，各粉管之間煤粉濃度不均勻對鍋爐的燃燒有很大影響。 煤粉的不均勻分配，嚴重時引起燃燒中心偏斜，燃燒不穩定，可導致爐膛局部結焦和水冷壁爆管，鍋爐效率降低，一次風管堵粉等［1］。為解決上述問題，對煤粉濃度進行在線測量非常有必要。

國內外對煤粉濃度的在線測量已有多年研究應用，目前主要有以下幾種測量方法：熱平衡法［2］、靜 電 法［3，4］、超 聲 波 法［5］、電 容 法［6］及 微 波法［7，8］等。熱平衡法測量煤粉濃度要保證混合前后系統處于絕熱狀態，一旦條件不能保證就會影響測量結果，該方法易受煤質、煤粉細度等因素的影響，準確性比較差；靜電法是根據粉塵顆粒在管內流動時產生的靜電感應電量來確定煤粉濃度，影響該方法的因素較多，測量誤差大，且為相對測量；超聲波法利用超聲波在空氣中的傳播速度與空氣中的顆粒濃度存在相關性，通過延時差測得聲波傳播速度，再利用相關函數反推顆粒濃度，該方法在低速運行階段靈敏度較弱，實時性也比較差；電容法利用管道中兩種不同介電常數的物質組分及其分布發生變化時，會引起混合物等價介電常數的變化來測量煤粉濃度，該方法測量誤差較大，還面臨系統成本高的問題；微波法利用微波在煤粉管道里面傳輸時，煤電介質負載的變化引起測量的微波諧振頻率發生改變來測量煤粉濃度值，該測量方法受影響的因素相對較少，測量精度較高，且屬于絕對測量。

筆者開發的煤粉濃度在線測量系統采用微波諧振法， 該系統以煤粉管道內的煤粉為研究對象， 通過測量煤粉管道空管的諧振頻率和帶粉的諧振頻率， 采用內置的嵌入式算法對諧振頻率數據進行處理，輸出4～20 mA 煤粉濃度信號。

1 煤粉濃度測量系統開發

系統MCU 采用具備強大處理能力的Cortex-M4，使得系統實時性能高，探頭結構采用一體化設計，結構簡單、成本低。 天線采用陶瓷套管防護，耐磨性好。 采用微波諧振法實現煤粉濃度精準測量。

1.1 測量原理

發射模塊將一定功率的微波信號通過天線發射進入煤粉管道（圖1），管道相當于波導管，微波信號通過波導管傳輸到接收天線。 接收功率幅值的極值所對應的頻率稱為諧振頻率。 當煤粉管道內的介質濃度發生變化時，將引起煤粉管道內場發生變化，從而引起煤粉管道內測量諧振發生相應變化，濃度越高，諧振頻率越低［9，10］。

圖1 微波在管道中的傳播

1.2 微波發射探頭開發

微波發射探頭主要由鎖相環模塊、電源模塊和自動功率控制模塊三大部分組成，其硬件結構框圖如圖2 所示。

圖2 微波發射探頭系統硬件結構框圖

溫度補償晶振產生高精度的基準頻率輸入頻率合成器，通過頻率控制芯片控制頻率合成器分頻數， 然后頻率合成器輸出一定頻率的電磁波。 在發射信號到達天線之前，被雙向耦合器采樣，然后傳輸到功率檢波器，在這里將它轉換為直流電壓。 處理器MCU 通過ADC 采樣將直流電壓轉換為數字信號。MCU 采樣到測量功率測量值后，就可根據測量的輸出功率與設定的輸出功率之間的關系做出動態調整。 如果檢測功率與輸出功率有差異，MCU 就輸出相應的電壓去調整可變增益放大器（VGA）的增益使得輸出功率向設定功率方向變化，一旦測量的輸出功率與要求的輸出功率之間達到平衡，RF 功率管理環路將達到穩態，也就是說發射一體化模塊輸出了穩定功率的電磁波。 然后，MCU 將根據設定掃頻頻段控制頻率合成器開始掃頻輸出微波信號。

發射探頭的核心是頻率合成器，要求能夠以高的頻率分辨率來實現較小極值點的誤差；需要帶寬內快速鎖定，減少掃頻時間，提高系統實時性；另外快速鎖定意味著，環路濾波的帶寬變寬，環路散雜增大，鎖相環的相位噪聲也會變大。 系統采用的頻率合成器的分辨率較高（100 Hz）。 設計出無源三階環路濾波器， 環路帶寬為40 kHz、鑒相頻率為20 MHz 時，實測電路相位噪聲小于-70 dBc/Hz（1 kHz）。同時高環路帶寬能保證帶寬內快速鎖定，實現跳頻時間小于0.5 ms，提高了系統的實時性。

1.3 微波接收探頭開發

微波接收探頭由4 個單元組成： 濾波及放大、功率檢波、信號輸出和電源模塊，其硬件結構框圖如圖3 所示。

圖3 微波接收探頭系統結構框圖

如圖3 所示，天線接收到的電磁波經過帶通濾波器衰減主信號頻率之外的電磁波后，通過放大器進行功率放大，輸入檢波器，檢波器將它轉換為直流電壓，MCU 高速采樣該直流信號， 經過數字濾波轉換為數字信號。MCU 接收到掃頻信號后根據算法計算出諧振頻率，根據空管諧振頻率與帶粉時諧振頻率之差建立輸出電流與煤粉濃度值數學模型，輸出4～20 mA 的電流煤粉濃度信號至DCS。

微波接收探頭放大器采用高性能的低噪聲放大器，其噪聲系數僅為0.8，將天線接收到的微弱信號放大后輸出高信噪比的信號。 另外，微波器件易受溫度影響， 系統對溫漂進行溫度補償，再次提高了檢波的準確度。

2 工程應用

筆者開發的基于微波法的煤粉濃度在線測量系統在330 MW 亞臨界W 形火焰鍋爐上開展了應用，該鍋爐采用直吹式制粉系統，4 臺磨共計24 根煤粉管道。將煤粉濃度測量裝置安裝在標高為20 000 mm 剛性平臺附近的垂直煤粉管上，以B 磨為例其測點布置如圖4 所示， 單管探頭安裝如圖5 所示。

圖4 煤粉濃度測量系統測點布置圖

圖5 單管探頭安裝圖

探頭安裝的最佳位置在煤粉管道的垂直段，并且保證接收探頭下游有大于3D的直管段（D為煤粉管道當量直徑），探頭上游有大于4D的直管段，探頭之間的距離為650 mm。

為驗證系統測量的準確性并得到測量誤差，在多個工況下采用等速取樣裝置對B1 管道煤粉濃度進行測量，相同工況下用煤粉濃度測量系統進行煤粉濃度測量， 每個工況均進行多次測量。測量結果表明煤粉濃度測量系統快速反映了煤粉管道內煤粉濃度的趨勢變化，每個工況下采用煤粉濃度測量系統測量的多次濃度值均落在等速取樣裝置多次測量濃度值范圍內，計算出每個工況下兩種裝置測量的平均濃度值，其數據統計如圖6 所示，煤粉濃度測量系統相對于等速取樣裝置的測量誤差如圖7 所示。

圖6 多工況煤粉測量濃度

圖7 多工況煤粉濃度測量誤差

由圖6、7 可知，煤粉濃度在線測量系統測量精度高，不同工況運行其測量誤差均小于5%。 電廠運行人員參考粉管濃度測量值， 對鍋爐24 根煤粉管道進行調平試驗，圖8 為粉管調平前后爐膛截面溫度場畫面。

圖8 粉管調平前后爐膛截面溫度場

如圖8 所示，煤粉濃度在線測量系統對爐膛燃燒調整起到了重要參考作用，將爐膛截面的火焰由原來的偏斜燃燒調整為均勻燃燒，實現了鍋爐爐內熱負荷平均分布，避免了爐膛的燃燒不均出現部分區域氧量不足而結焦的現象，降低了水冷壁爆管風險，提高了鍋爐熱效率，保證了機組長周期安全穩定運行。

3 結束語

開發的基于微波法的在線煤粉濃度測量系統測量精度高、結構簡單、耐磨性好、抗干擾能力強，可實時測量每根煤粉管道內的煤粉濃度。 通過對煤粉管道的濃度測量，可快速得到管道間的煤粉濃度，為運行人員調整提供依據，有利于爐膛穩定燃燒，對提高鍋爐效率有很大幫助。 同時，通過精準控制燃燒，可實現火力發電機組進一步節能減排，應用前景廣闊。