電站鍋爐風粉在線監測系統的設計與研究

丁相鵬，李先興

（華能臨沂發電有限公司，山東 臨沂 276017）

結合國家統計局顯示的數據，我國于2022 年前兩個月共計12427.7 億kW·h 發電量，同比增長19.5%，且火力發電占據75.06%。為進一步維持火力發電穩定性，應加強對電站鍋爐燃燒效果的有效優化。風粉在線監測系統作為高質量燃燒保障，應順應時代趨勢予以創新優化，以期在系統助力下達成高效燃燒目標。

1 電站鍋爐風粉在線監測系統的創新設計意義

1.1 突破傳統系統局限性

針對電站鍋爐風粉在線監測系統進行創新設計，其實踐意義在于能夠有效突破傳統系統的應用局限性。根據相關研究，傳統工況下運用的在線監測系統，實則是通過皮托管測量方式獲取監測數據，側重于一次風風速測量，因其時常遭受煤粉堵塞以及設備損耗問題，導致系統反饋信息缺乏可靠性。而新系統的運行剛好可以擴增測量范圍，實現高精度測量，就此為現有電站鍋爐工況運行創造有利條件。

1.2 增強優化系統適應性

傳統系統在其應用期間，已經無法適應新時代電站鍋爐燃燒環境。隨著火力發電需求量的提高，依照傳統系統功能記錄在線監測數據，很難體現系統的輔助價值。而創新設計后的新系統能夠進一步增強系統的適應性，使之積極應對新工況運行挑戰，便于在火電廠開展火力發電項目期間，能夠運用高新技術改造傳統系統，彰顯時代創新特征。鑒于此，本文提出了風粉在線監測系統創新設計思路確有顯著的現實意義。

2 電站鍋爐風粉在線監測系統的優化設計原理

2.1 測量一次風風速與溫度

（1）測量一次風風速。電站鍋爐風粉在線監測系統在優化設計環節，需要先行掌握設計原理，而后確定設計步驟。其中測量一次風風速在傳統系統中也屬于較為關鍵的測量事項。為了彌補傳統測量方法的缺陷，本文此次專門應用傳感器技術，對風粉實施非接觸式在線監測。

具體采用可插入式探頭，對煤粉管道內的風粉流動速度予以測量，繼而獲取測量結果。在一次風風速測量期間，理應借助各項參數計算風速，并將其與標準值進行對照，如果超出標準范圍，則需要調節一次風風速，以便滿足電站鍋爐燃燒需求。關于一次風風速（v）的計算可運用下述公式：

式中，ρ、△p、K 表示的是氣體密度、流量系數、輸出差壓。而ρ 可以利用公式（2）求值。

式中，p0、ρ0、t 代表本地大氣壓、空氣密度與風粉混合溫度。經過可插入式探頭對一次風風速的探測，能夠在動能→壓力能的轉換過程中準確測量一次風風速。

（2）測量溫度。在創新設計風粉在線監測系統期間，還要準確測量溫度，此處所指代的溫度除了風粉混合物溫度外，還包括煤粉溫度以及一次風溫度，經過對溫度指標的有效控制，促使電站鍋爐處于穩定的燃燒狀態。在此系統中關于溫度的測量可以借助熱電偶溫度探頭，該探頭能夠在溫度傳感器的輔助下順利獲取溫度指標，之后如實將溫度測量結果反饋至系統界面，這樣方可將溫度參數調整到指定范圍內。

2.2 測量煤粉濃度

新系統在優化設計環節，還要注重對煤粉濃度的有效測量，經過分析發現，煤粉濃度多與溫度參數有著較強的相關性，因此可以參照上述提及的三項溫度指標獲取煤粉濃度（μ）。

在該公式內，C 分別指代空氣、風熱容，t1、t2、t3表示熱風、煤粉以及混合溫度。煤粉濃度指標的實時監測，能夠實現高效燃燒，一般高濃度標準下更易燃燒。至于負責監測煤粉溫度指標變化規律的測量裝置，需要調整好安裝位置。比如，可裝設于粉倉壁，多不高于60℃。而在裝設于風箱壁時，要求溫度在160℃左右，便于在風粉監測中始終通過在線監測系統將其控制在標準范圍內。此外，在風粉在線監測系統運行期間，還可以運用溫度差實現熱能轉換，從而在溫度調節中建立溫度均衡的燃燒條件。

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2.3 測量煤粉空氣質量比

在優化設計風粉在線監測系統時，還要測量煤粉空氣質量比（M），此項參數能夠通過下述公式求取。

對應的I、v、d、t 表示傳感器所測電流、一次風風速、電站鍋爐一次風管徑長、溫度。在對M 進行測量時，傳感器最佳安裝點位是在煤粉管道處，此時，能夠經過對電流信號的監測與轉換確定運行工況下電荷分布特征。與以往相比，此處使用的傳感器務必具備突出的抗磨性與耐高溫性，以便在不同工況條件下能夠保持理想化監測動態。

3 電站鍋爐風粉在線監測系統的優化設計要點

3.1 完善聲發射測量結構

在設計電站鍋爐風粉在線監測系統期間，應當深入完善聲發射測量結構。為了獲得準確度更高的在線監測數據，可以依靠聲音傳感器設置多通道聲發射裝置，以此擴大在線監測范圍，其中使用的聲發射裝置，涵蓋信號采集、聲發射信號發送以及監控系統，經過在線監測系統的運行，即可實現對電站鍋爐運行工況的有力監督。此外，系統中的聲發射單元還要與凈電荷監測單元相結合。

通常情況下，在優化系統結構時，應側重于前端信號處理以及中央處理機柜兩部分的完善，其中針對聲發射信號與靜電荷信號，應當利用感應元件，實現信號的有效采集，而后將其輸送至中央處理機柜。中央處理機柜是發揮信號接收與信號分析功能的結構，并為其設置專用通訊連接裝置，以便在系統結構得以改善后，表現出系統功能特性。

同時，還要注重各種配件設施的合理安裝。其中該系統中常需要事先準備好微弱信號帶以及高速信號采集器、溫度傳感器以及驅動信號箱、工控機等，在驅動信號箱參與下，經由探頭釋放能量，便于在融合測量條件下順利采集信號，之后在工控機分析下確定當前風粉輸送渠道是否符合既定要求。為了達到非接觸式在線監測標準，還可以聯合自潔清灰棒，自主清理殘留煤粉，減輕對傳統吹掃系統的負擔。

為驗證創新設計的風粉在線監測系統的使用效果，還可以利用對比法，分析傳統稱重測量與融合測量標準下的誤差情況，顯然在每秒100g 流體流動量的工況下，該結構優化后形成的在線監測系統最大誤差為6%。而且在風速達到4.9m/s、11.9m/s、25.9m/s 時，以該結構改造而成的新系統對應的相對誤差分別為9.5%、3.7%，2.1%，實測結果具有較強的可參照價值。因此，可以借鑒聲發射與靜電荷融合設計原理改造系統測量結構，促使在新系統運行期間，全方位掌握各項參數變化特征。

3.2 強化系統在線調試功能

（2）冷態標定。除熱態外，還包含冷態，在應用風粉在線監測系統之際，還要實現對冷態下參數的合理標定。對于修正系數的統計分析，可以借助工況下標定均值求取，便于在邊標定與邊記錄過程中完成冷態標定任務。

隨著系統冷態標定工作的開展，傳感器以及相關配件都將處于最佳運行狀態。冷態標定首先需要開啟風粉在線監測系統，啟動一次風機，直到風力保持穩態后才能予以標定；其次，為防止標定值失真，理應進行多達20 次的標定操作；最后，在標定后記錄風速實測值，隨著系統運行狀態的有效優化，促使該系統在電站鍋爐風粉在線監測場景中體現出強有力的應用價值。

（3）輔助功能。在強化風粉在線監測系統功能時，應當注重輔助功能的優化設計。事實上，該系統最主要的是在線監測功能，要求運行后系統可以對溫度、一次風風速以及煤粉濃度等諸多參數進行實時監測，并將其傳輸至管理中心，以便有關人員根據對在線監測數據的分析給出正確決策，保障電站鍋爐處于高效安全運行狀態下。另外，在對風粉輸送量進行監測時，還要強化預警功能。

為避免電站鍋爐遭受安全事故，或是面臨低效運行狀況，理應開發預警功能，最常用的預警場景包括風粉輸送中斷、一次風管堵塞以及自主燃燒。比如，在電站鍋爐運行中突然停止輸送煤粉或終止送風，系統將響起預警指示燈，而響應的標準以煤粉濃度顯示零為主，一旦煤粉濃度出現直降為零，表明此時可能遭受風粉輸送中斷問題，引導有關人員填充煤粉，修復送風裝置。至于堵塞狀況的預警依據是在一次風風速、溫度參數處于減小趨勢時，表示風管流動量下降。自主燃燒則由溫度在線監測數據的驟升為標準。經過對各項參數的精準測量，可以判斷當前運行工況下是否需要啟動預警功能，以免因長期未能關注到不良運行狀況縮短電站鍋爐使用年限。

新設計的系統與傳統系統最明顯的區別還體現在自我調節功能上，在尚未出現預警信息前，可以利用自我調節功能微調送風量、一次風風速等參數，使之基本上保持在穩態范疇，節省人工維護負擔。特別是在自我調節給粉量時，在煤粉輸送不達標時，將適當以降溫方式保持煤粉濃度平衡，防止在風粉輸送量減小時繼續保持高溫燃燒，繼而產生燒焦后果。而且為了體現新系統的便捷操作特征，還要增設數據管理打印功能，能在該功能啟動后自行打印在線監測數據，甚至可以對既往數據進行翻閱查找，從而起到階段性管理的作用。

因新系統在實時監測風粉參數變化范圍時，所采用的是非接觸式監測方式。所以，在設計系統功能時，也要在結束后在模擬演示中記錄各項功能的達標率。只要每項功能都能達到預期效果，就能證實此系統在電站鍋爐實際應用場景中具備推廣價值，而且在多次模擬以及實踐應用期間，需要不斷秉承著優化設計原則進行升級改造，保障系統運行質量的前提下，也能為電站鍋爐運行安全以及經濟性的提升提供保障。

3.3 實現系統精細調平設計

根據對傳統風粉在線監測系統運行效果的調查，能夠發現傳統系統多存在誤差大、可調節性薄弱的局限性。而在新系統優化設計環節，可以充分參照在線監測數據改善電站鍋爐運行環境，促進配風、煤粉輸送的協調操作。在改進傳統系統階段，應有效實現精細調平設計，既要提升風粉輸送合理性，又要嚴控風粉配比。

優化設計期間，可以選擇在一次風管上裝設靜電傳感器，以靜電監測形式調節一次風風速等參數范圍。應用該傳感器改造系統，一是為了增強系統運行可靠性，因靜電傳感器使用后，盡管處于較為復雜的運行工況下，也能夠展現持穩性測量作用，以免因復雜工況限制系統應用范圍；二是此種融合精細調平設計思想的系統，鮮少需要花費人力進行維護，且在被煤粉包裹狀態下，依然能夠獲取流動參數，并且因靜電本身來源于煤粉，并不用外在連接相關靜電釋放裝置，無論從可操作性還是節能性上，都具有可行性。

關于精細調平模塊的優化設計，要求將煤粉濃度以及煤粉流速視為重點調平參數。前者在精細調平過程中，可以利用煤粉濃度測量差值分析是否存在濃度波動明顯情況，一旦差值較大，則依靠精細調平模塊控制煤粉濃度，使之處于可控狀態。后者以流動阻力壓差為主，隨著對流速指標的有效調平，促使電站鍋爐燃燒器內部燃燒的煤粉等介質保持協調分布形態。此外，在風粉在線監測系統運行中，還要對送風量加以調平，保證煤粉量、送風量處于最佳比例內，這樣一來，方可在完善的系統結構與功能模塊下優化系統運行質量。

4 結語

綜上所述，電站鍋爐風粉在線監測系統要想在運行期間取得顯著成效，為電站鍋爐燃燒效率與燃燒質量的改善給予保障，理應從聲發射測量結構、在線調試功能、精細調平設計三個方面著手，便于優化后系統在一次風風速、溫度、煤粉濃度、煤粉空氣質量比測量環節發揮精準測量作用，準確呈現測量數據。未來也要不斷引進新測量技術改造在線監測系統，提高電站鍋爐的安全運行水準。