电厂风粉在线监测装置的应用分析

（郑州电力高等专科学校，河南 郑州 450000）

一次风进入炉膛的速度和所含煤粉的浓度以及各个煤粉燃烧器的风粉均匀性直接影响到炉内燃烧工况的稳定和锅炉的燃烧效率。在实际运行过程中，锅炉常处于配风不均的状况下，严重时会引起炉膛内火焰中心偏离，煤粉燃烧不稳定，从而导致炉膛局部结焦及水冷壁或过热器爆管，降低锅炉效率，并且各风管配风不均，风煤比失调，也可能导致一次风管堵管或喷口着火距离过近甚至在一次风管内燃烧等事故的发生[1]。因此，通过风粉在线监测装置的设计，运行人员可以根据测量数据合理调节给粉量，控制燃烧器着火点、煤粉燃尽程度，也可以监视一次风管道是否堵塞和自燃，调整锅炉各个燃烧器的风煤配比和风速，调整锅炉的燃烧平衡，从而有效地提高锅炉燃烧的安全性能和经济性能。

1 电厂概述

某电厂装机容量为2×600MW，采用的是东方锅炉（集团）股份有限公司生产的型号为DG-1900/25.4-II1 超临界变压直流炉、单炉膛、内螺纹螺旋管圈水冷壁、一次中间再热、平衡通风、半露天岛式布置、固态排渣、全钢构架悬吊结构Π 型锅炉，燃烧器分布为前后墙对冲燃烧形式，前、后墙各布置3 层HT－NR3 燃烧器，每层4 只，共24只。单台机组有6 台磨煤机，一次风管数量为24 根。

2 初步方案

以某电厂为例，在每台炉24 根一次风管上加装风粉风速和风粉混合物的浓度测点，共计48 个测点，所有测量信号经过装置工控主机运算后通过一个RS485 接口以通信方式进入机组DCS 系统，或采用独立工控机在主控室组成一个风粉监测系统画面，通过大屏幕显示数字量和棒状图形式显示各风管实时的一次风风速和煤粉浓度。

2.1 传感器测点选择

传感器应该安装于一次风管道的直管段，探头前方直管段要求在4 倍管道直径以上，探头后面直管段在1 个管道直径以上。

2.2 静电传感器安装

首先在管壁上开孔，开孔直径为38 mm，在每个管道上共计开设5 个孔，然后将探头底座焊接在开好孔的管壁上，使探头管座轴线与被测煤粉管道轴线垂直，最后将传感器插入管座，用螺母固定好。

所有静电传感器探头以法兰方式与管座相连，传感器探针伸入一次风管内。

2.3 信号调理机箱安装

信号调理机箱安装在送粉管附近的工作平台上，机箱采用挂壁式安装，机箱支架直接焊接在钢板上或固定在钢架，机箱采用底部进线方式。

2.4 主机柜安装

主机柜安装在电子间，底部进线。

3 一次风流速和煤粉浓度的测量原理及特点

风粉在线监测装置关键在于一次风风速和煤粉浓度的测量。

3.1 一次风风速的测量

在煤的破碎和输送过程中，煤粉颗粒相互碰撞、摩擦和分离，煤粉颗粒具有一定的电荷量，产生一定的电荷场。当通过安装在一次风管道直管段内的静电感应探头时，静电传感器表面会产生等量的感应电荷，传感器附近大量带电煤粉的运动会产生感应电流。

当风粉混合物在管道中稳态流动时，上、下游速度传感器检测到的随机流量信号可以看作是符合各状态遍历随机过程的样本函数。同时，只要2 个速度传感器之间的距离合理，2 个传感器的静态性能相同，就可以认为2 个随机流量信号是相似的，并且具有相关性，它们之间的相关时间是测量距离（S）处被测流体的流动时间（t）。通过计算相关函数，可以测量出管道内风粉两相流的平均速度（V=S/t）。用这种方法求得的速度只与S、t 有关，无需标定。

3.2 煤粉浓度的测量

在线热力学方法是目前研究较多的测量方法。根据测量得到的温度、压力和压差等参数，在一定假设的基础上根据能量守恒定律、连续性方程和动量定律建立相应的数学模型，经过数据处理，得到管道中的煤粉质量分数，进而反映煤粉的浓度。假设条件如下[2]。1）管道内的气粉混合物为稀相流。2）煤粉颗粒在管道中分布得更加均匀，测量时可以得到所有煤粉颗粒的速度、温度、压力等平均特性。3）煤粉在一次风中的流动处于强湍流状态，煤粉颗粒形状均为大小相同的球形。4）煤粉颗粒在气粉两相流中的运动被认为是一种特殊的流体，在管道中运动具有摩擦阻力和局部阻力，由此引起的压力损失利用通用公式计算。5）在确定纯气流的压力损失时，忽略了固体物质的体积，计算单相气流的压力损失。6）忽略了一次风管内风粉混合物的热损失和压缩性。

风粉混合物的总能量近似被认为是空气和煤粉混合物的动能和静压能的总和。由于存在局部阻力损失和沿程阻力损失，一次风和煤粉混合前后的总能量是不相同的。在一定温度条件下，两者混合比的差异必然导致气固两相流体在混合前后的静压能的差异。因此，只要测量混合前一次风的速度和静压能以及混合后风粉混合物的速度和静压能，就可以通过求解热力学偏微分方程组得到相应的煤粉质量分数。

4 预算费用

根据系统要完成的功能，在每个一次风管加装煤粉的浓度、煤粉的流速测点，并配备测量系统，单台机组配置见表1。

表1 风粉在线监测装置在单台机组中的配置

按照上面改造要求，每台炉预算设备金额在90 万左右，施工费约为20 万。2 台炉共计约为220 万。

5 经济效益分析

在电厂实际运行过程中，通过风粉在线监测锅炉一次风管燃烧器出口速度和煤粉的浓度，可以引导运行人员均匀、合理地调节煤粉，使锅炉在最佳工况下运行，对提高锅炉运行的稳定性和经济性起到良好的作用，具体表现为7 点[3]。1）对于前后墙燃烧的锅炉，在冷态空气动力场试验中假定一次风煤粉浓度均匀。热态运行时浓度分布不均匀，容易造成炉膛火焰偏移，严重时会冲洗水冷壁，造成水冷壁和过热器管壁结焦、磨损和腐蚀。如果安装该产品，可以有效地防止火焰偏移，减少炉膛出口两侧烟气温度偏差，防止水冷壁和过热器爆管。仅以减少水冷壁和过热器爆管为例，如果避免一次炉管爆管造成的设备维护费用及非计划停运电量损失，其节省的综合费用大约在50 万元以上。2）在锅炉运行中，上下两层燃烧器火嘴中煤粉浓度不相同，直接决定了炉膛火焰中心偏移，最终影响煤粉的燃尽程度、过热蒸汽温度即主蒸汽温度偏离正常范围。当炉膛底部燃烧器火嘴中煤粉的浓度较低时，炉膛底部温度较低，也会对燃烧稳定性产生直接的影响。如果安装该产品，使锅炉配风合理，降低排烟温度，降低排烟热损失和不完全燃烧热损失。3）当一次风管内煤粉浓度过高、风速过低时，会导致煤粉着火点离火嘴出口太近，火嘴烧坏，给电厂安全生产和经济运行造成重大影响。如果安装该产品，避免燃烧器火嘴烧坏，避免堵粉等事故的发生，由此带来的设备费用及非计划停用电，其节约的综合费用大约在80万元以上。4）如果一次风管内煤粉浓度过高、会出现煤粉堵管迹象；反过来，当风管内煤粉浓度过低、一次风速过大时，会引起煤粉破碎，产生断粉现象。如果安装该产品，运行人会员可以及时检测到一次风管内的一次风速和煤粉浓度，减少堵粉或断粉事故的发生，减少对人身和设备的损害，安全是无价的。5）由于运行人员担心一次风管堵塞，一次风速必须保持在较高水平，即无形中增大一次风量，使制粉系统单耗居高不下。在满足制粉需要的前提下，降低一次风速，减少制粉系统的通风，可以有效地降低风机功率的消耗。安装产品后，不仅可以减少可观的电耗成本，而且如果由此减少一次风量2%计算，大约可以节约成本50 万元以上。同时，降低一次风速还可以减少一次风管被煤粉磨损，从而延长一次风管的使用寿命。6）过去，电厂中的锅炉燃烧出现问题，往往无法查明原因，其实很多锅炉燃烧的问题是由于一次风和煤粉比例调节不当，因为没有安装该产品，事后没有相关数据，增加了解决问题的难度。如果安装该产品，可以作为事故追忆装置，来提供分析数据，从而可以更加快速、更加全面的分析锅炉燃烧问题，从而找到解决方案。7）合理地调整锅炉配风，可以减少炉内NOx 的排放，降低后期脱硝费用，经济效益和社会效益并举。

6 结语

综上所述，对于一台600 MW 机组，由于一次风管数量多，仅凭运行人员个人经验来调节风粉配比，必然会顾此失彼，很难达到锅炉燃烧优化状态，而安装风粉在线监测装置可以提供全面的一次风风速和煤粉浓度的实时数据，使锅炉调整有了直观依据，每年可以降低发电成本约100 万元，同时可以进一步提高机组安全性，提升锅炉运行自动化水平，并有助于提升电厂的竞争能力。