1、微波风粉测量及燃烧系统优化于益民齐鲁石油化工工程公司内容摘要 本文介绍了燃煤电厂锅炉风粉及飞灰微波在线监测技术，为优化燃烧系统，降低煤耗，提高锅炉热效率提供了依据。 关 键 词 微波 在线监测 煤粉浓度 风粉测量 飞灰一、前言我国电力生产能源转换效率低，与世界先进水平相比，存在较大的差距。在燃煤电厂，锅炉燃烧工况的在线监测和燃烧调整对锅炉的安全经济运行具有重要的意义，燃烧监测和调整的一个最重要参数是各个燃烧器的煤粉浓度。煤粉浓度的高低以及各个煤粉燃烧器的风粉均匀性直接影响到炉内燃烧工况的稳定和锅炉的燃烧效率。过低的煤粉浓度或断粉会导致灭火，而过高的浓度会引起送粉管道的堵管现象。给粉量的不均匀与
2、各管道内的送风风量差异的叠加，可能造成不同燃烧器出口的煤粉浓度严重不均，导致火焰冲墙、着火不稳定，燃烧不充分，炉内切圆偏斜，汽温偏差，甚至导致过热器爆管等。 在线分析锅炉优化燃烧指导系统成为提高电厂经济安全性能的重要手段。锅炉的优化燃烧，煤量和助燃空气的测量和合理分配是最基本也是目前最主要的优化燃烧手段，是锅炉安全、经济运行的重要条件和保证。目前国内电厂的风粉测量和优化燃烧系统的测量全部是基于传统的测量方法和原理。主要是煤粉流量浓度的测量及一、二次风流量或压力的测量，飞灰含碳的测量。两相流中煤粉浓度、流量、风速等参数的测量始终达不到稳定和较高精度的要求。对重要参数煤粉流量或浓度的测量主要是采用
3、温差法或冲量法，但精度不高，而且只能用于中储式制粉系统。这种传统的风粉在线测量与优化指导系统虽然为锅炉效率的提高发挥了一定的作用，但多年来在技术原理、测量精度、指导水平上没有发生本质的变化。例如，在中储式制粉系统的燃煤电厂，均以调整给粉机的转速作为调控给粉量的手段，但由于煤粉的特性和煤粉仓中的粉位等因素的影响，即使已经标定过的给粉机，也会在实际运行中出现给粉机转速和给粉量间的较大偏差。二、风粉测量系统的国内外技术发展风粉测量各参数中，煤粉浓度或流量的测量是最关键也是最难的，燃煤电厂输粉管内煤粉浓度及流速的高低对锅炉的安全经济运行影响很大。为此在 70 年代初日本、德国、美国、苏联和意大利均采用
4、同位素法、激光法和温差法测量，但都存在着误差大、滞后时间长、环境污染大等问题，均在试验室及中间试验阶段徘徊，没有形成工业化。80 年代后期，日本、美国、苏联采用微波、亚微米波对气固雨相流体浓度的测量，在实验室及中试阶段均取得较大突破。如美国发明专利 US4423-623、日本专利特开昭 60-187818，英国专利 GB1541419 等先后有70 多项专利出现。从 90 年开始日本、德国、美国等国首先应用在粉末冶炼，在线测量焦粉、空气两相流的浓度及输送速度等参数，基本达到了工业化，煤粉空气两相流的在线测量仪也达到了商品化。近几年国内引进苏联 70 年代的温差法(即风煤在线监测装置)现已经安装
5、了上百台锅炉，但仍存在着误差大、时滞长、测量元件磨损严重、更换零部件频繁等缺点，因此，作为工业应用还不尽如人意。锅炉飞灰含碳量是反映火力发电厂燃煤锅炉燃烧效率的重要指标，实时检测飞灰含碳量有利于指导运行、正确调整风煤比，提高锅炉燃烧控制水平；合理控制飞灰含碳量的指标，有利于降低发电成本，提高机组运行的经济性，同时还有助于电厂管理人员分析锅炉燃烧效率，提高制粉系统和送风系统的安全运行。传统测量飞灰含碳量采用化学灼烧失重法，这是一种离线的实验室分析方法，对灰样的代表性要求高、分析滞后，难以快速反映锅炉燃烧工况。而目前有些电厂投用的锅炉飞灰含碳量监测仪是采用撞击式方法取样分析，由于所采集的灰样颗粒较
6、大，因而影响了飞灰取样的代表性，特别是当灰路存在严重的堵管时，导致经常提供虚假的测量数据。目前国内电厂一、二次风量和风速的测量一直是利用传统的流体力学动力学原理。这种测量存在信号迟滞性、磨损、粉堵塞等问题，实际运行中很难得到完整、持久稳定的的测量信号。三、风粉测量微波技术的基本原理风粉测量微波技术是一种新型的无接触测量输送管道中物质流量的测量方法。微波通过将要输送的物料，引起微波吸收特性的变化。如果管道内只有一种物质构成，那么凭借吸收量和相位角移动就可以测定透射物质的质量。倘若输送的物料由多种物质组成，则吸收量可以通过一种有效的吸收系数测定。这种有效的吸收系数是由不同物质的单个吸收系数组成的。
7、这样，在煤粉的成分恒定的情况下，就可以测定出煤粉与传输空气之比。系统基于无接触测量。测量时将微波发射源信号从测量管道外往测量管道内引入并同样要将通过管道发送的微波信号再向外耦合。系统测量煤粉浓度（两相流） ，可以适应各种制粉系统。而且该测量技术可以测量一、二或三次风速，这是通过跟踪测量风里的微粒速度（可认为等同风速）来推知的，这种测量比传动的流动动力学测量更方便、准确。煤粉浓度及质量流量当微波信号在输粉管道中传输时，由于煤粉吸收及散射微波能，会引起微波幅值的衰减和相位变化，不同的煤粉浓度形成的介电常数不同，其传输截止特性不同，因此通过测出幅值和特征频率的变化量，即可计算出通过煤粉管道的煤粉浓度
8、值。其函数关系如下：=function(F,A) （1）式中： 煤粉浓度F 微波截止频率A 微波信号功率根据方程式（2）可以计算出质量流量 Q。Q=s v （2） 式中： 煤粉的浓度s 测量处的管道横截面面积v 管道内煤粉的流速混合物的速度的测量。利用微波多普勒效应产生的频移可测量出混合物的速度，计算公式如下：（3）cos20fVd式中：c 电磁波在真空中的传播速度，310 8m/s。fd 多普勒偏移频率f0 微波信号发射频率 微波传输方向与介质流动方向的夹角V 管道中煤粉的速度飞灰含碳量的测量根据微波微扰理论，利用不同飞灰含碳量对微波谐振频率和功率改变量不同，从而得到含碳量的值，其函数关系如
9、下：C% =function(F,A) （4）式中：C 飞灰含碳量F 微波谐振频率A 微波谐振功率四、风粉测量系统技术路线风粉测量系统由微波信号发生器、微波传感器、数据采集板、数据处理及显示系统组成，能显示煤粉浓度、气粉混合物的速度、飞灰含碳量的大小以及锅炉燃烧优化调整指导，并兼有信号输出和多种事故报警功能。一般电厂设有数台磨煤机，每台磨煤机又有多根通向炉膛的输粉管，利用微波传感器监测每一根输粉管的煤粉浓度和流速，在每根输粉管的直管段上沿着管道相距一定距离加装微波发射和接收探头，发射探头将微波能量信号馈入管道内，接收探头上将携带有煤粉浓度的信号送入信号处理单元，从而得出煤粉浓度信号，并根据多普勒效应检测出管道中煤粉混合物的流速。通过在空气预热器和除尘器之间的烟道上安装等速飞灰取样器探头，周期性地将烟道中的灰样收集到微波测试单元中，经过微波谐振测量得到飞灰含碳量的数值。一般需要在锅炉两侧烟道同时安装两套取样和测试单元。五、结束语微波风粉测量系统可以无接触在线监测和实时显示各一次风风管内的煤粉浓度、一次风速，能够连续、稳定可靠、实时地反映各个参数的在线特性，以便及时调整火焰状态，避免火焰中心偏离，防止结焦、结渣，降低飞灰含碳量，保持锅炉经济安全运行；降低 CO 和NOX排放，减少对环境的污染。通过在线信号进行燃烧系统优化调整，提高机组热效率，降低煤耗。
