中速磨煤機出粉監(jiān)測

張治鋒，黃金龍，王 皓，姚盼亮

（北京電力設(shè)備總廠有限公司，北京 120401）

近年來，隨著清潔能源裝機容量不斷增加，我國的環(huán)保指標(biāo)考核力度日益嚴(yán)格，發(fā)電廠的燃燒煤種經(jīng)常發(fā)生變化，火電機組運行環(huán)境復(fù)雜多變。同時為了響應(yīng)國家碳達峰、碳中和的目標(biāo)，火力機組也在不斷地進行優(yōu)化，迫切需要對燃煤電廠的燃燒進行優(yōu)化，以提高燃燒效率，降低煙塵、NOx 和SO2的排放，并減少制粉系統(tǒng)的能耗[1]。在制粉系統(tǒng)端，磨煤機應(yīng)具有更寬的負(fù)荷調(diào)節(jié)范圍、更快的變負(fù)荷速率、更高的負(fù)荷調(diào)節(jié)精度和一次調(diào)頻能力，這就對控制系統(tǒng)提出了更高的要求。

送粉管道內(nèi)的煤粉濃度和細度是一個非常重要的參數(shù)，煤粉濃度的高低直接影響送風(fēng)管道內(nèi)風(fēng)粉的均勻性，煤粉濃度過高，流速過低就會導(dǎo)致送粉管道的煤粉堵塞；煤粉細度過高，鍋爐的燃燒不充分，燃燒效率降低[2]。國內(nèi)在對制粉系統(tǒng)的煤粉的監(jiān)測手段各不相同，長期以來，對于直吹式制粉系統(tǒng)，國內(nèi)先后利用光學(xué)法、微波法、電容法、圖像法以及靜電法對煤粉的濃度進行了監(jiān)測。本文主要對關(guān)于煤粉細度、濃度及流速的測量手段進行了相應(yīng)的論述，以獲得更佳的指導(dǎo)工業(yè)生產(chǎn)的方法[3]。

1 煤粉在線監(jiān)測系統(tǒng)測量原理

在動態(tài)狀態(tài)下，任何兩種不同的物質(zhì)將相互感應(yīng)產(chǎn)生信號。入爐煤在線檢測系統(tǒng)正是以被測介質(zhì)流經(jīng)監(jiān)測探頭時所產(chǎn)生的無源檢測感應(yīng)信號為基礎(chǔ)，進行煤粉流各項參數(shù)的測量。

1.1 流速測量原理

流速的測量是由一對與管道垂直且相互平行的傳感器完成測量的，每對傳感器分為上游傳感器和下游傳感器，根據(jù)區(qū)間測速原理，可以準(zhǔn)確地計算出流速。

1.2 濃度測量原理

利用流速測量配置中的上、下游傳感器所感應(yīng)的擾動量信號，與煤粉瞬時總量相關(guān)性的原理，除去同一時刻、同一測點的一次風(fēng)瞬時流速，計算如下式所示：

便可以準(zhǔn)確地測得一次風(fēng)管中煤粉的相對濃度值，經(jīng)總量標(biāo)定法現(xiàn)場標(biāo)定后得到煤粉濃度的絕對值。有了流速值、煤粉濃度值、管道面積，就可計算出煤粉的質(zhì)量流量，如果系統(tǒng)引入給煤機的煤量信號，可自動算出各煤粉管道內(nèi)的煤粉質(zhì)量流量[4]。

1.3 煤粉細度測量原理

煤粉細度的測量是以流速測量配置中的上下游傳感器感應(yīng)信號為基礎(chǔ)，煤粉顆粒度不同，煤粉顆粒質(zhì)量就不同，當(dāng)粒度不同的煤粉顆粒流過傳感器探頭時，感應(yīng)信號的動量特征就不同，反映在信號上表現(xiàn)為功率密度譜不同，通過高速數(shù)據(jù)采集帶有粒度特征的感應(yīng)信號，經(jīng)過數(shù)字信號處理技術(shù)和快速功率密度譜分析數(shù)學(xué)模型，就可測量出穩(wěn)定的相對煤粉細度，連續(xù)測量可得到準(zhǔn)確的細度變化信息[5]。

2 應(yīng)用技術(shù)

煤塊在磨煤機中被研磨成煤粉顆粒的過程中，以及煤粉在氣力輸送過程中，大量的緊密接觸和分離的過程，能夠使粉體帶上相當(dāng)數(shù)量的電荷[6]。而帶電煤粉顆粒會產(chǎn)生一定的靜電場，當(dāng)帶電煤粉顆粒通過金屬感應(yīng)探頭時，處于靜電場中的感應(yīng)探頭表面產(chǎn)生等量感應(yīng)電荷，大量帶電煤粉流過感應(yīng)探頭時，在感應(yīng)探頭上形成感應(yīng)電壓，當(dāng)與采樣電阻形成閉環(huán)電路時就可形成感應(yīng)電流。靜電感應(yīng)示意圖，如圖1所示。

圖1 靜電感應(yīng)示意圖

在煤粉管道中的上下游分別安裝靜電感應(yīng)傳感器探針，這兩個探針在煤粉管道內(nèi)相互平行，且與管道絕緣，兩個探針之間的距離為L。當(dāng)煤粉流經(jīng)這兩個傳感器探針時，煤粉粒子所帶電荷在兩處傳感器探針上形成靜電感應(yīng)電信號x（t）和y（t）。這兩個信號經(jīng)過變送器前置處理后進行交相關(guān)運算得到延遲時間τm，從而得到煤粉的流速Vc=L/τm。運算示意如圖2所示。

圖2 煤粉流速測量示意圖

在被測管道安裝若干個靜電感應(yīng)傳感器，采用交流感應(yīng)測量技術(shù)可以將管道內(nèi)的粉體所帶電荷信號檢測出來，這些靜電信號與粉體的濃度呈正相關(guān)性，通過數(shù)據(jù)處理后能夠反映粉體的濃度大小[7]。

通過研究發(fā)現(xiàn)，前后兩個傳感器探頭的相關(guān)性特征譜線與粉體的粒徑存在一定相關(guān)性，通過計算分析可以獲得粉體的細度。

3 監(jiān)測技術(shù)實施

一臺機組配置6臺磨煤機，24根一次風(fēng)管道，檢測信號為風(fēng)粉速度、濃度和細度，共計72個被測信號，每臺機組獨立構(gòu)成一個測量系統(tǒng)。

3.1 現(xiàn)場配置

每個一次風(fēng)管采用一個智能信號處理器、一組電荷感應(yīng)傳感器探頭構(gòu)成。每個智能信號處理器將測量得到的濃度、速度、細度工程量信號通過RS-485雙絞線送給主控計算機。一臺機組總共需要24個智能信號處理器，同時掛接到RS-485總線網(wǎng)絡(luò)上，主控計算機接收來自現(xiàn)場智能信號處理器的通信信號，并在主控計算機上實現(xiàn)檢測系統(tǒng)所有測點的棒圖、實時曲線、歷史曲線、參數(shù)設(shè)置等功能[8]。主控計算機也可以同電廠DCS 進行符合MODBUS 協(xié)議的RS-485通信，將測量數(shù)據(jù)同時發(fā)送給電廠。

電荷感應(yīng)傳感器安裝在被測管道之上，智能信號處理器布置在測點附近的現(xiàn)場，主控計算機布置在電子間或者工程師站內(nèi)。傳感器與智能信號處理器之間采用同軸電纜連接，智能信號處理器相互之間采用屏蔽雙絞線連接，最后一個智能信號處理器與主控計算機之間采用屏蔽雙絞線連接。

3.2 煤粉細度控制的調(diào)節(jié)

選取風(fēng)粉在線測量裝置采集的四根粉管連續(xù)5min（時間可調(diào)整）內(nèi)的煤粉細度（R90）的平均值作為分離器轉(zhuǎn)速調(diào)整指令，根據(jù)實際使用的細度范圍R90=15%～20%作為控制目標(biāo)，如采集平均細度小于最低值，則降低分離器轉(zhuǎn)速；如采集平均細度大于最高值，則提高分離器轉(zhuǎn)速。使煤粉細度始終保持在合理區(qū)間，平均細度的采集時間間隔設(shè)置為10 min。具體如下。

旋轉(zhuǎn)分離器單獨控制可在磨煤機運行前啟動，也可以在磨煤機運行后啟動。在磨煤機與旋轉(zhuǎn)分離器正常運轉(zhuǎn)后，進行風(fēng)粉在線測量系統(tǒng)煤粉細度數(shù)據(jù)標(biāo)定，更準(zhǔn)確地反映煤粉實際狀態(tài)。在各轉(zhuǎn)速信號標(biāo)定完成以后便可進行旋轉(zhuǎn)分離器轉(zhuǎn)速自動控制。旋轉(zhuǎn)分離器初始運行頻率建議為20 Hz，對應(yīng)分離器轉(zhuǎn)速約為66 r/min。為保證制粉系統(tǒng)安全運行，旋轉(zhuǎn)分離器最高頻率限定在30 Hz，對應(yīng)分離器轉(zhuǎn)速約為96 r/min.

（1）風(fēng)粉在線測量系統(tǒng)首次采集煤粉細度數(shù)據(jù)，如測量細度值在R90=15%～20%區(qū)間，則轉(zhuǎn)速保持現(xiàn)有狀態(tài)不做調(diào)整；如測量平均細度值R90≥25%，則提高分離器變頻器頻率2～5 Hz（可根據(jù)實際需要調(diào)整）。

（2）分離器調(diào)整后10min，風(fēng)粉在線測量系統(tǒng)采集的煤粉細度數(shù)據(jù)繼續(xù)與目標(biāo)范圍比對，如測量細度值在R90=15%～20%區(qū)間內(nèi)，則轉(zhuǎn)速保持現(xiàn)有狀態(tài)不做調(diào)整；如測量平均細度值在R90=20%～25%范圍，則提高分離器變頻器頻率2 Hz。以后每間隔10min 測量一次細度，與目標(biāo)細度區(qū)間進行比對，直至測量細度值進入目標(biāo)細度區(qū)間內(nèi)，停止調(diào)整工作。

（3）如測量細度值在R90=15%～20%區(qū)間，則轉(zhuǎn)速保持現(xiàn)有狀態(tài)不做調(diào)整；如測量平均細度值R90≤10%，則降低分離器變頻器頻率5 Hz。

（4）分離器調(diào)整后10min，風(fēng)粉在線測量系統(tǒng)采集的煤粉細度數(shù)據(jù)繼續(xù)與目標(biāo)范圍比對，如測量細度值在R90=15%～20%區(qū)間內(nèi)，則轉(zhuǎn)速保持現(xiàn)有狀態(tài)不做調(diào)整；如測量平均細度值R90=10%～15%范圍，則降低分離器變頻器頻率2 Hz。以后每間隔10min 測量一次細度，與目標(biāo)細度區(qū)間進行比對，直至測量細度值進入目標(biāo)細度區(qū)間內(nèi)，停止分離器調(diào)整工作。

4 結(jié)束語

通過優(yōu)化實施，煤粉監(jiān)測系統(tǒng)能夠改善日常的工業(yè)生產(chǎn)，可以對煤粉管道中煤粉細度、濃度以及速度等參數(shù)進行在線測量，評估磨煤機和機組的運行狀況。煤粉濃度和風(fēng)速的測量可以實時掌握各個煤粉管道的通風(fēng)通粉情況，避免因風(fēng)速過低導(dǎo)致煤粉管的堵塞。煤粉細度作為影響鍋爐燃燒的重要因素之一，磨煤機能夠?qū)崟r根據(jù)煤質(zhì)情況調(diào)整分離器的轉(zhuǎn)速以改變煤粉的細度，此舉能夠較好地提高鍋爐的燃燒效率，是未來火電廠制粉系統(tǒng)靈活性改造的趨勢。