飞灰含碳量在线监测装置的研发与应用

王建峰，李硕，路野，王志军，王蒙安

(1.山西漳山发电有限责任公司，山西 长治 046021;2.内蒙古自治区科学技术开发中心，内蒙古 呼和浩特 010010;3.北方联合电力有限责任公司达拉特发电厂，内蒙古 鄂尔多斯 014300;4.包头东华热电有限公司，内蒙古 包头 014040)

0 引言

节约能源，保护环境，实施可持续发展战略是我国的基本国策。在电力工业迅速发展的同时，节能降耗受到高度关注。火力发电以一次能源——煤为燃料，降低发电煤耗是降低发电成本的主要途径。飞灰是指煤粉燃料在锅炉炉膛燃烧后随烟气进入尾部烟道的细小灰粒，其粒径为1～100 μm。飞灰中可燃物含量与飞灰总量的比值称为飞灰含碳量，其数值的高低与一次风、二次风、煤粉浓度、煤粉细度、烟气氧量(过剩空气系数)、机组负荷等多种因素相关。因此，飞灰含碳量是衡量锅炉燃烧状况的重要指标。

火电厂传统的飞灰含碳量分析测定方法为离线的实验室分析方法，即化学灼烧失重法。该方法的优点在于测定过程比较简单，分析精度高，数据相对准确可靠;但也有缺点和不足，如分析滞后时间长，工作强度大，不能快速、实时地反映锅炉燃烧工况，无法与燃烧调整同步进行。

实时在线监测飞灰含碳量对燃烧调整具有重要的指导意义，目前国内、外已有多种类型的产品。但由于该项目具有一定技术难度，各种产品普遍存在运行不稳定、数据不准确、维护工作量大等缺陷。因此，进一步开展飞灰含碳量在线监测装置的研发十分必要。

1 飞灰含碳量在线监测装置概况

飞灰含碳量在线监测装置由主机、采样管、排灰管、旁路抽气管、控制柜等部分组成(如图1所示)。主机安装于空气预热器前部烟道外侧，飞灰与烟气经采样管进入主机，旁路抽气管与空气预热器后部连接。旋风式离心分离器以空气预热器前、后压差为动力，自动将飞灰与烟气分离。被检灰样进入石英测试管，微波检测装置利用碳对微波的吸收和衰减特性进行含碳量测定。检测后的灰样经排灰管返回烟道，转换阀门可同步留取灰样。整套装置自动控制由可编程控制器(PLC)完成，检测资料亦经PLC预处理后传输至分散控制系统(DCS)实时显示和存储，同时还兼有就地显示飞灰含碳量的功能。飞灰含碳量微波在线监测装置工作原理如图2所示。

该装置主要部件集中在主机机柜内部，如旋风式离心分离器、储灰仓、检测石英管、排灰器、灰位传感器、气动组件以及全套微波检测装置(主机柜内设备布置如图3所示)。主机还与采样管、排灰管、抽气管、控制柜等外部设备相连，有压缩空气、电源电缆、控制电缆和信号电缆等接入。

2 微波检测部分

2.1 微波测碳基本理论

微波是指频率为0.3～300.0 GHz、波长为1 ～1000 m的电磁波，通常也称为“超高频电磁波”。微波具有穿透、反射、吸收3个基本特性。

煤粉在燃烧过程中成为细小炭粒，其极性与介质损耗率增大，在快速变化的微波高频电磁场作用下，极性取向将随着外电场的变化而变化，分子相互摩擦运动，所吸收微波场的场能转化为介质内的热能，引起微波传输功率损耗，消耗微波能量，具有良好的微波吸收特性。与炭粒相比，纯灰(不含碳的灰)的介质损耗率非常小，微波不仅可以穿透纯灰，而且几乎不衰减。

研究发现，飞灰中炭粒吸收的微波能与含碳量成正比。通过测量含碳飞灰对微波的吸收量(衰减量)，即可确定飞灰的含碳量。

2.2 微波检测器组成与工作原理

微波检测器由微波发生源、单向隔离器、可调衰减器、发射天线、接收天线、检波器、信号隔离变送器、专用电源、检测暗室、石英管、信号变送器以及数据处理设备等构成。微波检测器结构如图4所示。

微波发生源利用晶体振荡在共振腔体产生微波能，由高精度恒压直流电源供电，将电能转变为固定频率的微波能，构成微波场。微波能沿波导管向前传输，为防止反射波回到微波源与发射波叠加，干扰系统正常工作，在微波源出口波导管路增加了单向隔离器。由可调衰减器调整微波发射功率，确定检测标准。发射天线向被测介质发射微波，接收天线接收经介质衰减后的微波。灰样置于石英管内，微波对其具有穿透性，能量衰减极小。检波器利用场效应原理，将接收到的微波能转换为电能，输出直流电，其直流电压信号的变化与飞灰中碳的质量分数有关。检波器输出电压值与飞灰中碳的质量分数的关系如图5所示。

经发射天线发出的微波束不可全部进入接收天线，其中一部分将散射至周围。将发射天线、接收天线、石英管3个部件设置在检测暗室的封闭空间内，其内壁具有吸收微波的功能，可在有限空间内形成“黑洞”效应，防止了微波反射和外泄。

图5 检波器输出电压值与飞灰中碳的质量分数的关系

3 飞灰采样与排灰部分

飞灰采样与排灰装置分为上、下2部分，由检测石英管相连接，飞灰采样与排灰原理示意图如图6所示。

图6 飞灰采样与排灰原理示意图

3.1 飞灰采样原理与结构

在锅炉引风机的作用下，尾部烟道均为负压区，但由于回转式空气预热器阻力较大(约1 500 Pa)，在空气预热器前、后端形成了较大的负压差。将旋风式离心分离器设置在空气预热器前部烟道外侧，采样管由烟气侧入口端进入烟道内部，管口冲向烟气来流方向，分离器抽气管与空气预热器烟气侧出口端烟道相通。由采样管、分离器和抽气管组成的取样系统形成了与空气预热器平行的旁路管道，其阻力低于空气预热器本身的阻力(约1000 Pa)。因此，当分离器底部落灰口处于密闭状态时，少量烟气在空气预热器烟气侧出口负压的抽吸作用下改变路径，由采样管切向进入旋风式离心分离器，沿其内壁自上而下旋转。气－固两相流体的烟气在旋转过程中，固相飞灰因重力惯性作用沿内壁落入储灰仓，进入检测石英管内。在抽气管路设有调节阀门，可调整旁路抽气管流量，由此实现飞灰连续自动等速采样。

在分离器锥管位置设有机械振动装置，储灰仓设有旋流除灰装置，均以压缩空气为动力，防止发生堵灰。

3.2 排灰原理与结构

排灰器的设计应用了流体力学，采用气力输送方法将微波检测后的飞灰试样排回烟道。排灰器包括底座、射流喷嘴、拉法尔喷管、单向挡板、排灰喷嘴、负压吸入口等部件，各部件工作过程如下。

所有灰样在石英管内接受微波检测，然后进入排灰器底座。当石英管内灰位达到一定高度时，启动电磁阀接通压缩空气管路，射流喷嘴瞬时喷出高速气流，灰样随气流进入拉法尔喷管并加速向前运动。负压吸入口为渐缩形管段，与排灰喷嘴之间留有可调环形缝隙。在大气压力的作用下，外部空气沿环形缝隙快速进入烟道，灰样随之被吸入烟道;同时，在射流喷嘴附近形成负压区，检测石英管内的灰样，发现其在重力和负压的作用下继续向该区域流动。若需留取灰样，转换阀门后灰样便可进入取样瓶。

4 自动控制与数据处理部分

该装置自动控制与数据处理由PLC开关量模块和模拟量模块共同完成。I/O(输入/输出)点包括:

(1)开关量输入(DI):接收灰位传感器动作信号。

(2)开关量输出(DO):控制振动器、旋流吹扫、排灰器3个电磁阀以及排风扇的启动和停止。

(3)模拟量输入(AI):接入微波检测器发出的含碳量原始信号。

(4)模拟量输出(AO):向DCS、就地数字显示仪表输出处理后的含碳量信号。

PLC根据设备运行流程和逻辑关系，对全部设备自动控制。一旦检测出石英管灰位到达预设高度，灰位传感器发出信号，此时排灰器电磁阀动作，接通压缩空气。检测出石英管灰位降低后，排灰器电磁阀停止工作。同时，该装置还定时启动振动器、旋流吹扫电磁阀和排风扇。

PLC按照微波能量衰减与飞灰含碳量的函数关系和特性曲线，对微波检测信号进行A/D，D/A转换和数据运算，输出4～20 mA的模拟量信号，对应飞灰中碳的质量分数为0～16%。

5 技术创新点

(1)建立了微波能量衰减与飞灰碳含量的函数对应关系和特性曲线，确定了适合的微波波段和发射功率。

(2)研发了全波导传输的微波检测器及相关微波元件，减少了损耗与误差，提高了检测灵敏度和分辨率。

(3)以空气预热器阻力所形成的锅炉尾部烟道压差为飞灰分离动力，实现等速采样，准确可靠，灰样代表性好。

(4)采样管安装于空气预热器前端，烟气温度较高，无需加热装置，不易结露。

(5)根据流体力学原理设计的排灰装置，结构简单合理，运行稳定可靠。

(6)对各控制部件建立逻辑关系，由PLC实行自动化智能控制和数据处理，实现就地与DCS飞灰含碳量的实时在线显示。

6 结论

该装置先后在山西漳山发电有限责任公司及多家电厂的火电机组安装使用，数年的运行情况证明，基于微波衰减原理的飞灰含碳量在线监测装置具有设备紧凑、结构简单、安装维护方便、工作状态稳定、检测结果快速及时等优点。其检测数据可定量反映飞灰含碳量指标，能够满足现场使用要求，为机组的经济运行提供了依据。在线监测装置的投入使用，有利于提高锅炉燃烧控制水平，正确调整风、煤比，控制飞灰含碳量，优化发电机组性能，降低发电成本。由于该项目技术难度大，目前做到“免维护”尚有困难，在使用中仍有改进的潜力，为进一步改进和完善该装置提出了更高的要求和目标。

［1］李硕，路野，李波，等.飞灰采样分离器:中国，200510065899.6［P］.2006 －11 －01.

［2］李硕，路野，李波，等.飞灰采样排灰器:中国，200510067180.6［P］.2006 －11 －01.

［3］潘理黎，王佳莹，杨玉峰，等.火电厂飞灰含碳量在线监测设备现状［J］.热力发电，2008，37(11):10 －14.

［4］侯瑞明.锅炉飞灰含碳量在线监测装置的应用与维护［J］.山西能源与节能，2010(3):22 －24.