电站锅炉煤粉流在线测量及调平系统

一、概述

         燃煤电厂机组一次风粉管内煤粉浓度、煤粉流速、煤粉细度是锅炉稳定和经济运行的重要参数，合理而均衡的煤粉浓度、流速、细度对于机组的正常运行具有重要意义。根据研究表明，煤粉浓度、风速配比不均时会导致电厂锅炉燃烧不稳、火焰偏斜、冲刷炉墙、中心切圆偏移、炉膛热负荷和汽温偏差、受热面高温腐蚀及结焦、烟气流动不均匀等问题，进而导致飞灰含碳量高、锅炉效率下降、NOX排放量增加，严重的甚至会引起爆管事故，导致锅炉无法正常运行。 

    《火力发电厂煤粉制粉系统设计标准和计算方法》(DL/T5154-2001）中规定：直吹式制粉系统，同层燃烧器各一次风管之间的煤粉和空气应均匀分配，其风量偏差不大于8％，煤粉分配偏差不大于 10％ 。而目前国内燃煤电厂几乎都是运行人员根据风机电流调节档板开度、给粉机转速及一次风静压等参数来组织和调整燃烧。但实际大部分机组在运行过程中，同一台磨煤机各煤粉管道内的煤粉浓度、一次风风速仍然会存在明显偏差。为提高电厂制粉和燃烧系统自动化监测和运行优化调整水平， 保证电厂锅炉在上述设计标准的偏差范围内运行，建设有效的煤粉流自动监测调节系统势在必行。 

        RB-QCS型电站锅炉煤粉流在线测量及调平系统是在电站锅炉煤粉浓度/速度高精测量系统的基础上进一步开发的一套闭环反馈调节系统。系统由电站锅炉煤粉浓度/速度高精测量系统、电站锅炉煤粉流自动调节装置及QCS系列煤粉流智能调平软件三部分构成。

        电站锅炉煤粉浓度高精测量系统为非接触式测量设备，运行时在超声波衰减法/声速法和动静差压法/静电感应原理基础上完成一次风粉管内的煤粉浓度及煤粉速度测量，其测量结果不受煤粉含水率、煤粉颗粒大小、煤粉固相成分的影响，测量精度高。QCS系列煤粉流智能调平软件是集通信、运算及控制功能于一体的软件，运行时通过采集煤粉浓度/速度高精测量参数及煤粉流自动调节装置的相关数据信息自动完成相应的处理计算，并将处理结果传输给煤粉流自动调节装置。电站锅炉煤粉流自动调节装置是整个系统的执行机构，采用防磨设计，运行时与系统软件保持通信，通过电机控制其内部的导流装置调整管道内的风量配比，使同一台磨煤机上各粉管内的风量配比达到平衡一致，并进一步使管道内的煤粉浓度达到平衡。 

      电站锅炉煤粉浓度/速度高精测量系统运行时，实时在线测量煤粉管内的煤粉浓度及风速后，在显示粉管内煤粉浓度及一次风速的同时还能自动根据浓度和风速数据将粉管内的风量配比调平并进一 步调整管道内的粉风配比，协助电厂机组优化燃烧。

二、系统流程

        电站锅炉煤粉流在线测量及调平系统是集监测、调控于一体的闭环调节系统。该系统主要由电站锅炉煤粉浓度高精测量系统、电站锅炉煤粉速度高精测量系统、电站锅炉煤粉流自动调节装置及QCS系列煤粉流智能调平软件四部分构成。

图2.1电站锅炉煤粉流在线测量及调平系统框图

    ①电站锅炉煤粉浓度/速度高精测量系统通过高精度测量系统测得磨煤机粉管内的煤粉浓度及一次风风速；

    ②QCS系列煤粉流智能调平软件通过通信系统读取电站锅炉煤粉浓度/速度高精测量系统的实时测量数据，同时读入电站锅炉煤粉流自动调节装置的开度信息；

    ③QCS系列煤粉流智能调平软件综合数据，计算出当前参数设置下电站锅炉煤粉流自动调节装置需要变动的开度值大小并将其输出到电站锅炉煤粉流自动调节装置；

    ④电站锅炉煤粉流自动调节装置根据接收到的信息，控制其内部导流装置旋转，调平各粉管之间的风量配比；

    ⑤电站锅炉煤粉浓度/速度高精测量系统继续采集调整之后的粉管内煤粉浓度及风速信息。

         如图中所示，电站锅炉煤粉流在线测量及调平系统运行时，通过反馈调节机制，QCS系列煤粉流智能调平软件、电站锅炉煤粉流自动调节装置、电站锅炉煤粉浓度/速度高精测量系统相互间协调合作，形成一个完整的闭环系统，自动调平风量配比，进一步均衡管道内的煤粉分布优化燃烧。

三、系统功能 

        电站锅炉煤粉流在线测量及调平系统完全自主独立运行，在安装调试完毕之后，能够自动根据测量结果连续不断的做出调整，调平磨煤机粉管内粉风配比。且该系统还可以根据电厂方要求切换至 手动操作，集监测、显示、调整于一体。

    （1）实时在线监测粉管内煤粉浓度、煤粉流速；

    （2）实时在线调整粉管内煤粉浓度、煤粉流速；

    （3）辅助对磨煤机状态进行监测，为磨煤机检修及降低其能耗提供判据；

    （4）有效降低一次风机、送风机耗电率；

    （5）协助实现优化燃烧，降低飞灰含碳量及排烟温度，提高锅炉效率；

    （6）降低脱硝入口NOx浓度，改善烟气流场和浓度场分布均匀性，提高脱硝系统运行效果；

    （7）提高锅炉安全稳定运行水平，减轻受热面高温腐蚀及结焦，避免爆管事故；

    （8）防止配风不均导致的粉管过度冲刷、煤质变化引起的制粉和燃烧系统故障；

    （9）实时存储数据，具备历史数据查询功能；

    （10）具备设备故障自动报警功能。

四、系统构成

        电站锅炉煤粉流在线测量及调平系统主要由以下三个部分构成： 

    1、电站锅炉煤粉浓度高精测量系统

    2、电站锅炉煤粉速度高精测量系统

    3、电站锅炉煤粉流自动调节装置

图4.1电站锅炉煤粉流在线测量及调平系统图

1、 电站锅炉煤粉浓度高精测量系统

          电站锅炉煤粉浓度高精测量系统是分布式在线实时测量系统，该系统采用超声波衰减法浓度测量技术，在运行时通过对超声波传感器信号的采集和处理，实时准确显示各粉管内的煤粉浓度。  

系统设计及特点：电站锅炉煤粉浓度高精测量系统采用新型非接触式测量方法，运行方式采取连续运行。传感器安装方式为嵌入式安装，在锅炉磨煤机每根粉管的优选位置加装测量装置 。 

系统构成及原理：电站锅炉煤粉浓度高精测量系统由超声波煤粉浓度传感器、10M高速信号采集器、高频高压驱动器、信号处理器、信号电缆等组成。

        煤粉浓度测量采用超声波衰减法原理，通过实时采集分析声波信号在气固两相流介质中的传播强度颗粒浓度的影响结果，计算得到管道中煤粉的浓度数据。浓度量原理先进，具有坚实的理论支撑，通过严格的数理公式计算，测量结果准确可靠，不受煤粉干燥程度、固相成分、粒度大小影响。  

1、电站锅炉煤粉速度、细度无源质量感应式测量系统 

          电站锅炉煤粉速度、细度高精感应式测量系统是分布式在线实时测量系统，采用无源质量感应技术和数字信号处理技术，实现了各种炉型上的一次风管道内煤粉风速的实时在线测量。  

系统设计及特点：电站锅炉煤粉速度、细度高精感应式测量系统采用特种耐磨陶瓷合金材料，能保证感应探头使用五年以上。

系统构成及原理：电站锅炉煤粉速度/浓度高精感应式测量系统由超声波煤粉浓度传感器、10M高速信号采集器、高频高压驱动器、信号处理器、信号电缆等组成。煤块在磨煤机中被研磨、碾压成煤粉颗粒的过程中，以及煤粉在气力输送过程中，粉体颗粒总是要和管壁发生碰撞、摩擦和分离，粉体颗粒与颗粒之间，也要发生碰撞、摩擦和分离。这样大量的紧密接触和分离的过程，能够使粉体带上了相当数量的静电荷。而带电煤粉颗粒会产生一定的静电场，当带电煤粉粒子通过金属感应探头时，处于静电场中的探头表面产生等量感应电荷，大量带电煤粉流过探头时，在探头上形成感应电流，感应电流的大小与流经探头的煤粉质量流量有关；

1、 电站锅炉煤粉速度动静差压式测量系统

        电站锅炉煤粉速度高精差压式测量系统是分布式在线实时测量系统，采用动静差压式测量技术和数字信号处理技术，实现了各种炉型上的一次风管道内煤粉风速的实时在线测量。  

系统设计及特点：电站锅炉煤粉速度高精差压式测量系统采用特种高耐磨钨钴合金材料，能保证使用八年以上。此测速装置内增加了自清灰装置，实现终身免维护。

系统构成及原理：电站锅炉煤粉速度差压式高精测量系统由钨钴高耐磨传感器、变送器、引压管、信号处理器、信号电缆等组成。风量测量装置是基于靠背测量原理，测量装置安装在管道上，探头插入管内，当管内有气流流动时，迎风面受气流冲击，在此处气流的动能转换成压力能，因而迎面管内压力较高，压力称为“全压”，背风侧由于不受气流冲击，管内的压力为风管内的静压力，称为静压，全压和静压之差称为差压，压力大小与管内风速相关，风速越大，差压越大;风速越小，差压也小，因此，只高测量出差压的大小，再找出差压与风速的对应关系，就能正确地测出管内风量。

        在电站锅炉煤粉流在线测量及调平系统中，电站锅炉煤粉浓度/速度高精测量系统输出功能如下：

    （1）实时在线监测粉管内煤粉浓度、煤粉流速；

    （2）以曲线、棒图和数据形式实时显示煤粉的浓度和速度；

    （3）所有测量结果和测量参数，如被测设备名称、型号、测量位置/时间等都可以实时存盘保存；

    （4）历史数据实时存储、查询功能，辅助诊断一次风管道内堵粉、断粉及煤粉沉积现象，辅助诊断各个磨煤机粉管的煤粉流量均衡性；

    （5）煤粉浓度、煤粉流速的超限报警；

    （6）现场设备的远程监控和诊断；

    （7）系统异常报警；

    （8）数据保存至少3年。

         电站锅炉煤粉流自动调节装置能够针对一次风粉管内的煤粉浓度与速度进行在线调整，从而使每台磨煤机出口粉管内的煤粉速度达到相对平衡，并能有效改善各粉管内煤粉均匀性，为锅炉实现优化燃烧提供在线调节手段。

5、 QCS系列煤粉流智能调平软件

        QCS软件主要机理是采集一次风粉浓度及速度数据以及均衡装置开度等相关信息进行运算，根据计算结果控制煤粉流自动调节装置进行调节，以达到磨煤机各出口粉管内的煤粉速度、浓度相对平衡，并将相应数据送到DCS系统。 

软件设计：软件主要采用C语言设计，通过通信机制采集相应数据完成运算，并起到控制煤粉流自动调节装置的作用。 

调平软件具备以下功能：

    （1） 与煤粉浓度高精测量系统、速度高精测量系统保持实时通信，读取煤粉浓度及速度实时数据；

    （2） 实时读取煤粉流自动调节装置的开度信号，并自动调节煤粉流自动调节装置开度；

    （3） 对磨煤机出口的各个粉管进行偏差运算，通过调控达到磨煤机各出口粉管内的煤粉速度、浓度相对平衡；

    （4） 实时显示各粉管内的浓度、速度以及煤粉流自动调节装置开度的数值；

    （5） 具备历史数据存储及查询功能；

    （6） 具有与DCS通信接口；

    （7）具备系统故障报警功能。

2、电站锅炉煤粉流自动调节装置 

        电站锅炉煤粉流自动调节装置能够针对一次风粉管内的煤粉浓度与速度进行在线调整，从而使每台磨煤机出口粉管内的煤粉速度达到相对平衡，并能有效改善各粉管内煤粉均匀性，为锅炉实现优化燃烧提供在线调节手段。 

          电站锅炉煤粉流自动调节装置能够针对一次风粉管内的煤粉浓度与速度进行在线调整，从而使每台磨煤机出口粉管内的煤粉速度达到相对平衡，并能有效改善各粉管内煤粉均匀性，为锅炉实现优化燃烧提供在线调节手段。

五、系统性能参数

        电站锅炉煤粉流自动调节装置能够针对一次风粉管内的煤粉浓度与速度进行在线调整，从而使每台磨煤机出口粉管内的煤粉速度达到相对平衡，并能有效改善各粉管内煤粉均匀性，为锅炉实现优化燃烧提供在线调节手段。

六、效益分析

        合理的风粉配比可以有效保障电站锅炉全工况均衡燃烧运行，提升锅炉运行的经济性、安全性和 环保性能。 应用结果表明，电站锅炉正常负荷运行时，通过合理调配风粉配比，机组供电煤耗可以降低0.4~1.5g/kwh左右；NOX可以降低排放10~20%左右，从而有效降低脱硝装置的运行成本。同时能有效降低锅炉及制粉系统设备损耗及维修费用。预计使用该系统后，每台300MW及以上机组每年可节约 直接和间接费用300万元以上。