一种基于超声波测量技术的电站锅炉煤粉浓度/速度在线测量系统及应用

冯秀芳，钟奕南，王晓梦

(1.中电投河南电力有限公司，河南郑州450016;2.安徽平圩发电有限责任公司，安徽淮南232089; 3.南京中能瑞华电气有限公司，江苏南京210032)

一种基于超声波测量技术的电站锅炉煤粉浓度/速度在线测量系统及应用

冯秀芳1，钟奕南2，王晓梦3

(1.中电投河南电力有限公司，河南郑州450016;2.安徽平圩发电有限责任公司，安徽淮南232089; 3.南京中能瑞华电气有限公司，江苏南京210032)

介绍了一种基于超声波声速法原理的电站锅炉煤粉浓度/速度在线测量系统，描述了系统的基本功能、构成及相应的测量机理，介绍了其系统的算法组成以及系统逻辑顺序，并对其在电厂现场所测量的数据的准确性进行了详细论证，还对其应用效果进行了初步阐述，对其应用前景进行了初步展望。

煤粉浓度;煤粉速度;超声波声速法

0 引言

电厂机组一次风粉管内的煤粉浓度、煤粉流速是电厂锅炉稳定和经济运行的重要参数。合理而均衡的煤粉浓度、煤粉流速对于电厂机组的正常运行具有重要意义。研究表明，煤粉浓度、风速配比不均时会导致电厂机组锅炉燃烧不稳、火焰偏斜、中心切圆偏移、烟气流动不均匀、飞灰含碳量高等问题，进而导致锅炉效率下降，严重的甚至会引起爆管事故，导致锅炉无法正常运行。

目前，国内燃煤电厂几乎都是由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。但实际在机组启动后，同一台磨煤机不同的煤粉管道内的煤粉浓度、一次风风速仍然可能会存在差别，很难达到完全一致。锅炉煤粉浓度/速度在线测量系统是电站锅炉风粉在线均衡系统的基础和核心组成部分之一，其作为监测系统单独使用也能对锅炉的安全、稳定和经济运行起到积极的辅助作用。

本文介绍一种基于超声波声速法测量技术的电站锅炉煤粉浓度/速度在线测量系统，与同类系统相比，该系统具有测量原理先进、测量精度高、适用工况范围广等多项优点。

1 系统原理及架构

在电厂机组的磨煤机输煤管道内，煤粉颗粒在输送时处于气固两相流状态，相比于固液两相流以及其他的单向流形式，磨煤机粉管内的气固两相流状态在时间上随机变化，测量状况非常复杂。

对于煤粉管道内的煤粉浓度测量，目前，在气固两相流的试验室研究的基础上，前人也提出和总结了很多理论以及实践测量方法。按照测量方式，可分为直接测量法和间接测量法两大类。直接测量法是通过对两相流固有参数的直接测量来实现测量浓度的目的，主要有压差法、热平衡法、文丘里管法等;间接测量法则是通过机械波，电磁波等激励信号在两相流中的信号变化来表征气固两相流的浓度变化，也就是浓度值，目前出现的比较多的有微波法［2］、光脉动法［3］、超声波法［1，4］、电容法［5］、γ射线吸收法［6］等。

对于煤粉管道内的一次风速测量，目前主流的测量方法按照使用的测量工具可分为皮托管法，文丘里管法以及均速管法等。但是由于一次风煤粉管的两相流的复杂状态，很容易出现堵管现象，而且管道内的煤粉冲刷对于测量管的磨损也导致测量管不得不常常进行更换。

目前火电厂煤粉浓度/速度在线测量系统按测量原理主要分为三类，即静电法，微波法以及本文所述的超声波声速法。

静电法［7］主要原理是气力输送中，由于抖动，流动速度快等因素，固相颗粒相互之间，或者固体颗粒与气力输送管道之间会发生摩擦而产生一定的静电现象。静电现象与固相颗粒的大小、浓度以及管道的物理特性构成一定的函数关系。在实际使用过程中，静电法的测量探头必须插入粉管内与煤粉直接接触，长期使用会对测量探头产生磨损问题，目前在国内应用较少。

微波法［2］的主要原理是微波在测量管道内传输时，会由于与测量颗粒的碰撞等因素发生衰减，其衰减的程度与测量颗粒的浓度构成一定的函数关系。微波法的具体测量方法为在测量管路内接测量管，按照煤粉的流动方向布置微波发生器和接收器。目前国内尚无微波法的直接生产厂家，华润电力系统装有一套进口的微波法测量系统。

1.1 系统原理

超声波的声速法煤粉浓度速度在线测量系统的测量原理分为两个部分:一是浓度测量采用声速法;二是速度测量采用时差法。

(1)测量系统浓度测量原理

根据均相模型，当声波在气固两相流中传播时，声速可表述为压力和密度的函数:

作为欧·亨利代表作品之一的《警察和赞美诗》早已进入了研究者的视野。无论是小说的人物形象还是小说的作品主题，就连对其语言特色也早都有研究者进行过分析。可惜的是，在其语言及相关问题的研究中，却存在着以下诸多的局限性：

将其进一步推导展开，得到如下公式:

式中:X气固密度比;γ为气体的绝热指数;δ为固气比热比;R为气体常数;T温度;β粉气质量比;α为气固两相流声速;α0为当地声速。

若将等距时的空气中声速传播时间设为τ，将两相流中的声音传播时间设置为τ0。则公式(3)可以表述为:

综上，由公式(3)、(4)可知，两相流中的固相浓度为声速的函数，其数值大小与声音在气固两相流中的传播时间有关。

在电站锅炉煤粉浓度/速度在线测量系统中，管道内的煤粉浓度算法即以该公式为基础，采集数据后在线测算得到磨煤机一次风粉管内的超声波传播时间，即可推算得到管道内的煤粉浓度。

(2)测量系统测风速原理

图1 时差式超声波风速测量原理

如图1所示，声波在流体中的传播速度是其在静止介质中的速度与流体速度的矢量合成，在管道上的超声波探头位置固定后，管道内的一次风速为0和管道内有风速相比，声波的传播时间会存在差值，而且声波的传播时间与管道内的流体速度会成一定的函数关系。因此，通过测定超声顺流、逆流的传播时间，就可以确定流体的流速。流体流速计算方法如下:

1.2 电站锅炉煤粉浓度/速度在线测量系统组成

结合前文所述，在声速法测浓度以及时间差法测风速原理的基础上，即可根据实际情况搭建在线测量系统。系统组成:工控机、任意波形发生器、驱动信号放大器、温度彩信模块、调整信号彩信卡、微弱信号带通放大器等。工控机完成整个系统的控制以及数据的运算，波形发生器负责发出激励信号，驱动超声波探头发出超声波，高速采集卡负责采集超声波信号，信号驱动放大器完成信号的放大处理，再加上其他的辅助设备(温度采集模块)，即构造搭建而成电站锅炉煤粉浓度速度在线监测系统。系统运行时的逻辑顺序设计如下:计算机控制波形发生器发出特制的信号到达信号放大器;信号放大后被发送到超声波发射探头;高速采集卡采集电信号并传输到工控机中;工控机处理信号。

煤粉浓度/速度在线测量系统的特点:测量原理先进，以有效的数学公式作为坚实的理论支撑;测量不受煤粉干燥程度、固相成分、粒度大小影响;一次风管内无煤粉时也能测量速度，为锅炉点火时送粉提供速度参考依据;采用非接触式测量，贯穿整个截面，有效解决传感器的磨损问题和紊流带来的测量误差;采用管道式安装方式，有效避免现场安装单个传感器带来的安装误差，保证整个系统的测量精度;利用超声波自清洁和压缩空气反吹扫两种方式，双重保障，有效解决传感器积灰问题;超声波采用调幅处理的高频特征波驱动，使得数据相关性加强，具有更高的测量精度，测量误差小。

2 数据准确性验证

目前，电站锅炉煤粉浓度/速度在线测量系统已在中电国际湖北大别山电厂、安徽平圩电厂、江苏利港电厂、中电国际江苏常熟电厂、国电陕西宝鸡二电厂等多个电厂的多台300及600MW机组上投入运行，其数据准确性在趋势变化和允许误差范围都完全满足电厂方的运行需求。

为检测数据的真实性，现将江苏省电科院在利港电厂所做的数据取样测试结果与煤粉浓度/速度在线测量系统的测量数据进行比对说明结果见表1和表3。所测试对象为利港电厂4号机组，4号机组容量为300MW，机组上共4台磨煤机，24根一次风粉管。测试时取每台磨煤机的2个工况，即给煤量分别控制在35t/h和48t/h左右，通风量按正常风煤比控制，维持磨煤机出口风温稳定。各个磨煤机粉管测量值误差绝对值均值见表2和表4。

表1 风粉质量比实测结果与显示结果

表2 各个磨煤机粉管测量值误差绝对值均值

从表1可以看出，实测风粉质量比与在线测量系统显示值大部分数据比较吻合，个别一次风粉管存在一定偏差。而表2显示出的误差均值较小，均在5%以内，表明数据的测量精度很高，满足电厂的运行需求。

表3 煤粉速度实测结果与显示结果

表4 各个磨煤机粉管测量值误差绝对值均值

从表3可以看出，实测风速与在线测量系统显示风速大部分数据比较吻合，个别一次风粉管存在一定偏差。而表4显示出的误差均值较小，均在5%以内，表明数据的测量精度很高，满足电厂的运行需求。

从上表可以看出，该电站锅炉煤粉浓度/速度在线测量系统所测数据比较准确，数据偏差较低，很好的表征出了浓度变化以及一次风速变化。

3 结语

电站锅炉煤粉浓度/速度在线测量系统，基于超声波声速法及时差法原理分别测量计算一次风粉管内的煤粉浓度和管道内的一次风风速，并在项目实际应用和电科院测试数据的对比中，数据准确性较好，测量误差低。该系统已经在国内多家电厂投入运行，使用稳定可靠。该系统是电站锅炉风粉在线均衡系统的基础和核心组成部分之一，同时其作为监测系统单独使用也能对电站锅炉的安全、稳定和经济运行起到积极的辅助作用，系统具有良好的应用效益和广阔的市场前景。

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Onsite application research on online measurement system of concentrationand velocity of pulverized coal in coal－fired power plant

It introduced the application research on online measurement system of concentration and velocity of pulverized coal based on the method of ultrasonic velocity in coal－fired power plant.Through the system the power plant can online measure the concentration and velocity of pulverized coalaccurately，and the result of online measurement can provide strong basis for better boiler operation to improve the boiler efficiency and safety，and reduce the emissions.The paperalso described theprinciple，the function，and the system composition of the system，and described the operation mechanism of the system as well.Comparing with the onsite testing data of Electric Power Research Institute，the measurement of thesystem were accurate，stable and reliable.

concentration of the pulverized coal;the velocity of the pulverized coal;ultrasonicvelocity method

X701.2

B

:1674－8069(2015)06－053－04

2015-06-24;

2015-08-21

冯秀芳(1973-)，女，河南获嘉人，高级工程师，从事发电厂生产管理和基建管理方面的工作。E－mail:1875518458@ qq.com

科技部、财政部科技型中小企业技术创新项目(14C26213201096);江苏省科技厅科技型企业技术创新项目(BC2013032)