基于微波法的煤粉浓度在线测量系统开发与应用

马 祥 李清明 徐海超 肖先勇

（1.深圳东方锅炉控制有限公司；2.重庆能源旗能公司）

火电厂锅炉燃烧用煤粉由一次风携带经粉管进入炉膛燃烧，各粉管之间煤粉浓度不均匀对锅炉的燃烧有很大影响。 煤粉的不均匀分配，严重时引起燃烧中心偏斜，燃烧不稳定，可导致炉膛局部结焦和水冷壁爆管，锅炉效率降低，一次风管堵粉等［1］。为解决上述问题，对煤粉浓度进行在线测量非常有必要。

国内外对煤粉浓度的在线测量已有多年研究应用，目前主要有以下几种测量方法：热平衡法［2］、静 电 法［3，4］、超 声 波 法［5］、电 容 法［6］及 微 波法［7，8］等。热平衡法测量煤粉浓度要保证混合前后系统处于绝热状态，一旦条件不能保证就会影响测量结果，该方法易受煤质、煤粉细度等因素的影响，准确性比较差；静电法是根据粉尘颗粒在管内流动时产生的静电感应电量来确定煤粉浓度，影响该方法的因素较多，测量误差大，且为相对测量；超声波法利用超声波在空气中的传播速度与空气中的颗粒浓度存在相关性，通过延时差测得声波传播速度，再利用相关函数反推颗粒浓度，该方法在低速运行阶段灵敏度较弱，实时性也比较差；电容法利用管道中两种不同介电常数的物质组分及其分布发生变化时，会引起混合物等价介电常数的变化来测量煤粉浓度，该方法测量误差较大，还面临系统成本高的问题；微波法利用微波在煤粉管道里面传输时，煤电介质负载的变化引起测量的微波谐振频率发生改变来测量煤粉浓度值，该测量方法受影响的因素相对较少，测量精度较高，且属于绝对测量。

笔者开发的煤粉浓度在线测量系统采用微波谐振法， 该系统以煤粉管道内的煤粉为研究对象， 通过测量煤粉管道空管的谐振频率和带粉的谐振频率， 采用内置的嵌入式算法对谐振频率数据进行处理，输出4～20 mA 煤粉浓度信号。

1 煤粉浓度测量系统开发

系统MCU 采用具备强大处理能力的Cortex-M4，使得系统实时性能高，探头结构采用一体化设计，结构简单、成本低。 天线采用陶瓷套管防护，耐磨性好。 采用微波谐振法实现煤粉浓度精准测量。

1.1 测量原理

发射模块将一定功率的微波信号通过天线发射进入煤粉管道（图1），管道相当于波导管，微波信号通过波导管传输到接收天线。 接收功率幅值的极值所对应的频率称为谐振频率。 当煤粉管道内的介质浓度发生变化时，将引起煤粉管道内场发生变化，从而引起煤粉管道内测量谐振发生相应变化，浓度越高，谐振频率越低［9，10］。

图1 微波在管道中的传播

1.2 微波发射探头开发

微波发射探头主要由锁相环模块、电源模块和自动功率控制模块三大部分组成，其硬件结构框图如图2 所示。

图2 微波发射探头系统硬件结构框图

温度补偿晶振产生高精度的基准频率输入频率合成器，通过频率控制芯片控制频率合成器分频数， 然后频率合成器输出一定频率的电磁波。 在发射信号到达天线之前，被双向耦合器采样，然后传输到功率检波器，在这里将它转换为直流电压。 处理器MCU 通过ADC 采样将直流电压转换为数字信号。MCU 采样到测量功率测量值后，就可根据测量的输出功率与设定的输出功率之间的关系做出动态调整。 如果检测功率与输出功率有差异，MCU 就输出相应的电压去调整可变增益放大器（VGA）的增益使得输出功率向设定功率方向变化，一旦测量的输出功率与要求的输出功率之间达到平衡，RF 功率管理环路将达到稳态，也就是说发射一体化模块输出了稳定功率的电磁波。 然后，MCU 将根据设定扫频频段控制频率合成器开始扫频输出微波信号。

发射探头的核心是频率合成器，要求能够以高的频率分辨率来实现较小极值点的误差；需要带宽内快速锁定，减少扫频时间，提高系统实时性；另外快速锁定意味着，环路滤波的带宽变宽，环路散杂增大，锁相环的相位噪声也会变大。 系统采用的频率合成器的分辨率较高（100 Hz）。 设计出无源三阶环路滤波器， 环路带宽为40 kHz、鉴相频率为20 MHz 时，实测电路相位噪声小于-70 dBc/Hz（1 kHz）。同时高环路带宽能保证带宽内快速锁定，实现跳频时间小于0.5 ms，提高了系统的实时性。

1.3 微波接收探头开发

微波接收探头由4 个单元组成： 滤波及放大、功率检波、信号输出和电源模块，其硬件结构框图如图3 所示。

图3 微波接收探头系统结构框图

如图3 所示，天线接收到的电磁波经过带通滤波器衰减主信号频率之外的电磁波后，通过放大器进行功率放大，输入检波器，检波器将它转换为直流电压，MCU 高速采样该直流信号， 经过数字滤波转换为数字信号。MCU 接收到扫频信号后根据算法计算出谐振频率，根据空管谐振频率与带粉时谐振频率之差建立输出电流与煤粉浓度值数学模型，输出4～20 mA 的电流煤粉浓度信号至DCS。

微波接收探头放大器采用高性能的低噪声放大器，其噪声系数仅为0.8，将天线接收到的微弱信号放大后输出高信噪比的信号。 另外，微波器件易受温度影响， 系统对温漂进行温度补偿，再次提高了检波的准确度。

2 工程应用

笔者开发的基于微波法的煤粉浓度在线测量系统在330 MW 亚临界W 形火焰锅炉上开展了应用，该锅炉采用直吹式制粉系统，4 台磨共计24 根煤粉管道。将煤粉浓度测量装置安装在标高为20 000 mm 刚性平台附近的垂直煤粉管上，以B 磨为例其测点布置如图4 所示， 单管探头安装如图5 所示。

图4 煤粉浓度测量系统测点布置图

图5 单管探头安装图

探头安装的最佳位置在煤粉管道的垂直段，并且保证接收探头下游有大于3D的直管段（D为煤粉管道当量直径），探头上游有大于4D的直管段，探头之间的距离为650 mm。

为验证系统测量的准确性并得到测量误差，在多个工况下采用等速取样装置对B1 管道煤粉浓度进行测量，相同工况下用煤粉浓度测量系统进行煤粉浓度测量， 每个工况均进行多次测量。测量结果表明煤粉浓度测量系统快速反映了煤粉管道内煤粉浓度的趋势变化，每个工况下采用煤粉浓度测量系统测量的多次浓度值均落在等速取样装置多次测量浓度值范围内，计算出每个工况下两种装置测量的平均浓度值，其数据统计如图6 所示，煤粉浓度测量系统相对于等速取样装置的测量误差如图7 所示。

图6 多工况煤粉测量浓度

图7 多工况煤粉浓度测量误差

由图6、7 可知，煤粉浓度在线测量系统测量精度高，不同工况运行其测量误差均小于5%。 电厂运行人员参考粉管浓度测量值， 对锅炉24 根煤粉管道进行调平试验，图8 为粉管调平前后炉膛截面温度场画面。

图8 粉管调平前后炉膛截面温度场

如图8 所示，煤粉浓度在线测量系统对炉膛燃烧调整起到了重要参考作用，将炉膛截面的火焰由原来的偏斜燃烧调整为均匀燃烧，实现了锅炉炉内热负荷平均分布，避免了炉膛的燃烧不均出现部分区域氧量不足而结焦的现象，降低了水冷壁爆管风险，提高了锅炉热效率，保证了机组长周期安全稳定运行。

3 结束语

开发的基于微波法的在线煤粉浓度测量系统测量精度高、结构简单、耐磨性好、抗干扰能力强，可实时测量每根煤粉管道内的煤粉浓度。 通过对煤粉管道的浓度测量，可快速得到管道间的煤粉浓度，为运行人员调整提供依据，有利于炉膛稳定燃烧，对提高锅炉效率有很大帮助。 同时，通过精准控制燃烧，可实现火力发电机组进一步节能减排，应用前景广阔。