基于互相关函数法的一次风速在线测量系统的研究与开发

王传生 古朝平 韩建彬 李少芝

摘要

在我国，发电方式主要是以煤炭为主的火力发电方式，随着国家经济的快速发展，对火力发电节能环保的要求越来越高。一次配风均匀合理对于实现锅炉燃烧优化，提高燃烧效率，降低NOx排放有十分重要的作用。因此，准确、实时、可靠地测量一次风速对燃煤锅炉节能优化十分重要。本文采用互相关函数法，通过分析一定距离内煤粉颗粒所带电荷量，对一次风速进行测量，测量结果更加准确。本设计可广泛的使用于火力发电厂燃煤机组一次风的风速电厂脱硫、脱硝风速的测量，以及水泥厂、炼钢等行业气力输送气固两相流流速的测量。

【关键词】一次风速 燃煤锅炉 互相关函数法在线监测 燃烧优化

目前，我国电厂的发电方式主要是以燃煤为主的火力发电方式，然而随着国家经济的快速发展，一方面，人们对于电力的需求量在不断增加;另一方面，国家对于节能减排的要求越来越高，对火力发电也提出了更高的要求。电厂机组粉管内的一次风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和一次风速对于电厂机组的正常运行具有重要意义。

锅炉的系统结构、运行参数的庞大和复杂，运行环境恶劣，锅炉燃烧工况的好坏在很大程度上决定着锅炉设备和整个发电厂运行的经济、安全性以及NOx生成量。因此，设计并开发一次风速的在线测量仪器实现燃烧工况在线监测，为燃烧过程的优化运行提供操作指导，对于，提高锅炉燃烧效率，降低生产成本，减少氮氧化物、SO₂等污染物的排放有十分重要的作用。

1 研究现状

电站锅炉燃烧系统中，一次风风管属于中小管径、高流速、气固两相混合、测量所需直管段较短的风道，测量方式都是基于传统常规动压测量装置的基础进行测量，主要包括以下几种方式：

1.1 静压测量方法

根据安装在每个燃烧器一次风管及风箱上的静压测点指示调平各层风速，即假设在位置势能不变，全压相等的前提条件下，动压等于全压减去静压，只要通过测量静压就能得出动压。此方法的优点是系统简单、直观。但是其缺点是由于风道系统结构上的差异，无法实现与设计风速值的定量比对，只知道风速相等，但无法知道风速的具体大小。

1.2 皮托管速度测量方法

此方法利用皮托管迎向流体的端口测量流体全压，皮托管垂直于流体流动方向的端口用来测量流体静压，从而能得到气体在流动过程中产生的压差，然后根据连续方程、能量守恒方程式和气体状态方程得出管道中流体的流速。此方法的优点是设计简单，缺点是容易堵塞，影响精度。

1.3 匀速管速度测量方法

匀速管是一种安装在管道内测量平均流速的非标准测量装置，按不同的取压方式有笛型管、双笛型管、阿纽巴管测速管等。此方法要求一次风管道的直管段够长，测量截面前最少应有6～7倍的测量管道直径，测量截面后应有2～3倍的测量管道直径，否则精度无法保证。

2 检测系统设计原理

通过分析一次风速现有检测方法和研究现状，本装置采用电荷互相关函数法对一次风速进行检测，其原理为：煤粉颗粒在管道内输送过程中由于相互之间的摩擦产生静电荷，通过电荷传感器可以检测出煤粉颗粒所带电荷量的数值。在煤粉输送管道内，水平管道距离为L，分别放置两个电荷传感器P₁，P₂，两电荷传感器与管道平行，如图1所示。

煤粉传送时，首先经过电荷传感器P₁，得到煤粉颗粒所带电荷量曲线1，然后煤粉颗粒经过电荷传感器P₂，得到煤粉颗粒所带电荷量曲线2，如图2所示。通过互相关函数分析，得到经过两电荷传感器的时间，进而通过计算得出一次风速的大小。

当颗粒通过管道时，静电传感器产生的信号通过滤波放大电路，得到的模拟量通过A/D转换，将采集到的模拟量转换为数字量并传送至单片机。单片机两路信号进行互相关分析，最后得到固相颗粒的速度参数，并通过RS485总线传送至DCS系统。其静电传感器测量系统结构框图如图3所示。

3 现场应用

本装置设计完成后，在马钢热电总厂投入示范运行，在完成现场设备施工和安装后，对系统的进行调试和试运行，并根据要求对检测结果进行比对，比对结果如表1所示。

根据要求，采用S型毕托管分别测量标定孔处的管道压力，每个标定孔处测量4次压力值，得到管道压力值ΔP分别为：

根据公式：

其中K表示S型毕托管系数，值为0.84，t表示管道内温度，现场温度仪器显示管道内温度为60℃，绝对温度值273，空气密度值为1.293kg/m³，则得到理论一次风速度值为：

因此，由表2数据可知，理论计算值在仪器测量值的范围内，测量值准确、可靠，符合设计要求。

4 结论

本设计利用互相关函数分析法，通过分析固定距离的两个电荷传感器所带电荷量，通过分析相关电荷量之间的曲线，得到两者的时间差，通过计算得出一次风速大小。实现了一次风速的实时、在线测量，测量结果准确、可靠。设备投入运行后，现场运行人员根据在线监测装置检测到的数据和其他信息，为燃烧过程的优化运行提供操作指导，从而提高锅炉的燃烧效率，达到提高燃烧运行效率和节能降耗的目的。

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