中速磨煤机出粉监测

张治锋，黄金龙，王 皓，姚盼亮

（北京电力设备总厂有限公司，北京 120401）

近年来，随着清洁能源装机容量不断增加，我国的环保指标考核力度日益严格，发电厂的燃烧煤种经常发生变化，火电机组运行环境复杂多变。同时为了响应国家碳达峰、碳中和的目标，火力机组也在不断地进行优化，迫切需要对燃煤电厂的燃烧进行优化，以提高燃烧效率，降低烟尘、NOx 和SO2的排放，并减少制粉系统的能耗[1]。在制粉系统端，磨煤机应具有更宽的负荷调节范围、更快的变负荷速率、更高的负荷调节精度和一次调频能力，这就对控制系统提出了更高的要求。

送粉管道内的煤粉浓度和细度是一个非常重要的参数，煤粉浓度的高低直接影响送风管道内风粉的均匀性，煤粉浓度过高，流速过低就会导致送粉管道的煤粉堵塞；煤粉细度过高，锅炉的燃烧不充分，燃烧效率降低[2]。国内在对制粉系统的煤粉的监测手段各不相同，长期以来，对于直吹式制粉系统，国内先后利用光学法、微波法、电容法、图像法以及静电法对煤粉的浓度进行了监测。本文主要对关于煤粉细度、浓度及流速的测量手段进行了相应的论述，以获得更佳的指导工业生产的方法[3]。

1 煤粉在线监测系统测量原理

在动态状态下，任何两种不同的物质将相互感应产生信号。入炉煤在线检测系统正是以被测介质流经监测探头时所产生的无源检测感应信号为基础，进行煤粉流各项参数的测量。

1.1 流速测量原理

流速的测量是由一对与管道垂直且相互平行的传感器完成测量的，每对传感器分为上游传感器和下游传感器，根据区间测速原理，可以准确地计算出流速。

1.2 浓度测量原理

利用流速测量配置中的上、下游传感器所感应的扰动量信号，与煤粉瞬时总量相关性的原理，除去同一时刻、同一测点的一次风瞬时流速，计算如下式所示：

便可以准确地测得一次风管中煤粉的相对浓度值，经总量标定法现场标定后得到煤粉浓度的绝对值。有了流速值、煤粉浓度值、管道面积，就可计算出煤粉的质量流量，如果系统引入给煤机的煤量信号，可自动算出各煤粉管道内的煤粉质量流量[4]。

1.3 煤粉细度测量原理

煤粉细度的测量是以流速测量配置中的上下游传感器感应信号为基础，煤粉颗粒度不同，煤粉颗粒质量就不同，当粒度不同的煤粉颗粒流过传感器探头时，感应信号的动量特征就不同，反映在信号上表现为功率密度谱不同，通过高速数据采集带有粒度特征的感应信号，经过数字信号处理技术和快速功率密度谱分析数学模型，就可测量出稳定的相对煤粉细度，连续测量可得到准确的细度变化信息[5]。

2 应用技术

煤块在磨煤机中被研磨成煤粉颗粒的过程中，以及煤粉在气力输送过程中，大量的紧密接触和分离的过程，能够使粉体带上相当数量的电荷[6]。而带电煤粉颗粒会产生一定的静电场，当带电煤粉颗粒通过金属感应探头时，处于静电场中的感应探头表面产生等量感应电荷，大量带电煤粉流过感应探头时，在感应探头上形成感应电压，当与采样电阻形成闭环电路时就可形成感应电流。静电感应示意图，如图1所示。

图1 静电感应示意图

在煤粉管道中的上下游分别安装静电感应传感器探针，这两个探针在煤粉管道内相互平行，且与管道绝缘，两个探针之间的距离为L。当煤粉流经这两个传感器探针时，煤粉粒子所带电荷在两处传感器探针上形成静电感应电信号x（t）和y（t）。这两个信号经过变送器前置处理后进行交相关运算得到延迟时间τm，从而得到煤粉的流速Vc=L/τm。运算示意如图2所示。

图2 煤粉流速测量示意图

在被测管道安装若干个静电感应传感器，采用交流感应测量技术可以将管道内的粉体所带电荷信号检测出来，这些静电信号与粉体的浓度呈正相关性，通过数据处理后能够反映粉体的浓度大小[7]。

通过研究发现，前后两个传感器探头的相关性特征谱线与粉体的粒径存在一定相关性，通过计算分析可以获得粉体的细度。

3 监测技术实施

一台机组配置6台磨煤机，24根一次风管道，检测信号为风粉速度、浓度和细度，共计72个被测信号，每台机组独立构成一个测量系统。

3.1 现场配置

每个一次风管采用一个智能信号处理器、一组电荷感应传感器探头构成。每个智能信号处理器将测量得到的浓度、速度、细度工程量信号通过RS-485双绞线送给主控计算机。一台机组总共需要24个智能信号处理器，同时挂接到RS-485总线网络上，主控计算机接收来自现场智能信号处理器的通信信号，并在主控计算机上实现检测系统所有测点的棒图、实时曲线、历史曲线、参数设置等功能[8]。主控计算机也可以同电厂DCS 进行符合MODBUS 协议的RS-485通信，将测量数据同时发送给电厂。

电荷感应传感器安装在被测管道之上，智能信号处理器布置在测点附近的现场，主控计算机布置在电子间或者工程师站内。传感器与智能信号处理器之间采用同轴电缆连接，智能信号处理器相互之间采用屏蔽双绞线连接，最后一个智能信号处理器与主控计算机之间采用屏蔽双绞线连接。

3.2 煤粉细度控制的调节

选取风粉在线测量装置采集的四根粉管连续5min（时间可调整）内的煤粉细度（R90）的平均值作为分离器转速调整指令，根据实际使用的细度范围R90=15%～20%作为控制目标，如采集平均细度小于最低值，则降低分离器转速；如采集平均细度大于最高值，则提高分离器转速。使煤粉细度始终保持在合理区间，平均细度的采集时间间隔设置为10 min。具体如下。

旋转分离器单独控制可在磨煤机运行前启动，也可以在磨煤机运行后启动。在磨煤机与旋转分离器正常运转后，进行风粉在线测量系统煤粉细度数据标定，更准确地反映煤粉实际状态。在各转速信号标定完成以后便可进行旋转分离器转速自动控制。旋转分离器初始运行频率建议为20 Hz，对应分离器转速约为66 r/min。为保证制粉系统安全运行，旋转分离器最高频率限定在30 Hz，对应分离器转速约为96 r/min.

（1）风粉在线测量系统首次采集煤粉细度数据，如测量细度值在R90=15%～20%区间，则转速保持现有状态不做调整；如测量平均细度值R90≥25%，则提高分离器变频器频率2～5 Hz（可根据实际需要调整）。

（2）分离器调整后10min，风粉在线测量系统采集的煤粉细度数据继续与目标范围比对，如测量细度值在R90=15%～20%区间内，则转速保持现有状态不做调整；如测量平均细度值在R90=20%～25%范围，则提高分离器变频器频率2 Hz。以后每间隔10min 测量一次细度，与目标细度区间进行比对，直至测量细度值进入目标细度区间内，停止调整工作。

（3）如测量细度值在R90=15%～20%区间，则转速保持现有状态不做调整；如测量平均细度值R90≤10%，则降低分离器变频器频率5 Hz。

（4）分离器调整后10min，风粉在线测量系统采集的煤粉细度数据继续与目标范围比对，如测量细度值在R90=15%～20%区间内，则转速保持现有状态不做调整；如测量平均细度值R90=10%～15%范围，则降低分离器变频器频率2 Hz。以后每间隔10min 测量一次细度，与目标细度区间进行比对，直至测量细度值进入目标细度区间内，停止分离器调整工作。

4 结束语

通过优化实施，煤粉监测系统能够改善日常的工业生产，可以对煤粉管道中煤粉细度、浓度以及速度等参数进行在线测量，评估磨煤机和机组的运行状况。煤粉浓度和风速的测量可以实时掌握各个煤粉管道的通风通粉情况，避免因风速过低导致煤粉管的堵塞。煤粉细度作为影响锅炉燃烧的重要因素之一，磨煤机能够实时根据煤质情况调整分离器的转速以改变煤粉的细度，此举能够较好地提高锅炉的燃烧效率，是未来火电厂制粉系统灵活性改造的趋势。