锅炉煤粉气力输送状态在线监测系统研究.doc

锅炉煤粉气力输送状态在线监测系统研究摘要：煤粉气力输送状态在线监测对磨煤机工作状态以及锅炉炉膛燃烧安全、均衡和稳定性的评估具有重要意义。在理论研究的基础上，研制了一种基于激光脉动法和互相关法测试原理的锅炉煤粉气力输送过程参数在线监测系统，以实现煤粉气力输送过程状态的在线监测。该系统通过煤粉流经系统探头测量区时的激光脉动信号，经过光电信号转换元件、信号滤波以及数据分析处理后得到煤粉浓度、细度以及速度特征参数，进而评估磨煤机和煤粉管道运行状态。现场安装和测试结果表明，该系统具有测量精度高、成本低以及安装简便等特点。关键词：煤粉；气力输送；激光脉动法；互相关法；在线监测On-line monitoring for pulverized coal pneumatic conveyanceAbstract：Running condition of pulverized coal pipe and mill has great effect on the combustion and safe operation of the utilities in power station. There are, however, less effective ways to on-line monitor the pipe. This paper presents the research on on-line diagnosing the operation of pulverized coal pipe with light fluctuation method and cross-correlation method. Based on the theoretical research, a novel on-line monitoring system was designed to measure the characteristic parameters of the pulverized coal. The laser fluctuated signals passing through the test zone are transformed with a photo-electric transformation device, filtered and processed in order to acquire the concentration, size and velocity of the pulverized coal. The operating status of the mill and coal pipes is evaluated with these parameters. Experimental results show that the monitoring system has the characteristics of high accuracy, low cost and easy installation.Key words：pulverized coal; pneumatic conveyance; light fluctuation method; cross correlation method; on-line monitoring第8期 贾志海 等：锅炉煤粉气力输送状态在线监测系统研究 16531引言随着对电厂运行经济性以及环境保护要求的提高，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。对于直吹式制粉系统，煤粉由一次风携带经煤粉管直接进入炉膛燃烧，因而各煤粉管之间煤粉浓度的不均匀性对锅炉的燃烧有很大影响。若各个燃烧器中的煤粉浓度相差太大，则燃烧不能很好组织，会引起火焰偏斜、结焦、燃烧不稳等。同时煤粉粒度过大或过细则会造成机械不完全燃烧损失增大、锅炉效率下降、磨煤机能耗增加等。而各管道内煤粉速度不同则会造成燃烧的不均衡，引起炉膛局部过热，引起安全隐患。因此，煤粉浓度、速度以及细度参数的监测对评估锅炉经济燃烧、均衡燃烧以及安全燃烧具有重要意义。长期以来，虽然国内外先后利用光学法1-2、微波法3、电容法4-5、图像法6-7以及静电法8进行煤粉浓度的监测，但对于煤粉浓度、细度和速度的定量同时测量，目前尚无有效的检测手段。本文在理论研究的基础上，研制了基于光脉动理论和互相关测试技术的煤粉在线监测系统并用于邹县发电厂1 000 MW超超临界机组的煤粉参数测试过程中，以其实现对电厂煤粉气力输送状态的在线监测。2测试原理及监测系统2.1测试原理2.1.1煤粉粒度、浓度测试原理当一束平行单色光照射到被测颗粒时，如图1所示，由于颗粒对光的散射和吸收，透射光的光强将会衰减，根据Lambert-Beer定律，有： (1)式中：I为透射光强；I0为入射光强；L为测量光束行程；Dmea为颗粒的平均粒径；N为单位体积颗粒浓度；E(l, m, Dmea) 为消光系数，它是入射单色光束波长l、颗粒相对折射率m以及颗粒平均粒径Dmea的复杂函数，由Mie理论求得。图1煤粉粒度、浓度测试原理Fig.1 The principle of light fluctuation for measuringthe size and concentration of the pulverized coal设测量单色平行光束的截面积为Amea，测量区的体积则为AmeaL，则式(1)可以改写成： (2)式中：n为测量区内的颗粒数，n = NAmeaL。引入无因次颗粒尺寸a，令a = pDmea/l，当a较大时，设煤粉颗粒的投影面积为S1=(p /4)Dmea2；引入无量纲的颗粒投影面积S=S1/Amea，当S0.39），煤粉磨制较细易于着火和燃尽。对煤粉进行取样，利用图像仪测得的煤粉体积平均细度为 34.65 mm，和在线测得的结果相对误差均小于10，满足现场测量精度要求。从现场测试数据来看，煤粉浓度和细度均处于合理的范围内，保证了锅炉的安全燃烧。图7煤粉平均细度时变特征Fig.7 Characteristics of the size of the pulverized coal利用相关法测试的煤粉流动速度如图8所示。可以看到，两根煤粉管道内的流速在均值20.63 m/s处作随机波动，且波动范围较小；此外，D1和B1管道对冲速度相差较小，因此燃烧比较均衡，利于安全稳定燃烧。图8煤粉平均运行速度时变特征Fig.8 Characteristics of the velocity of the pulverized coal因此，通过对管道内煤粉浓度、细度以及速度参数的在线监测，可以对磨煤机的工作状态以及锅炉炉膛内火焰燃烧均衡状况的评估，对机组安全稳定运行提供重要参考依据。4结论通过运用煤粉在线监测系统对电厂1 000 MW超超临界机组煤粉管道运行状况进行在线监测，可以得到以下结论：1)研制的煤粉在线监测系统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准确测量，评估磨煤机和机组的运行状况。2)从监测结果可以看到，同一磨煤机出口各煤粉管的煤粉参数并不一定相同，这与磨煤机的运行状况有很大关系，各煤粉管内的煤粉粒度和浓度是否存在较大不均匀，以及煤粉浓度是否出现大幅度波动可以作为磨煤机运行状况好坏及是否需要进行检修的判据。3)对煤粉管道进行定期监测可以帮助了解管道运行情况，有助于锅炉的安全运行。4)研制的煤粉在线监测系统具有精度高、成本低及安装便捷等特点，适用于工业现场安装和技术推广。参考文献1 蔡小舒, 李俊峰, 欧阳新，等. 光脉动法煤粉实时在线监测技术进展J. 华北电力大学学报, 2003, 30(6): 38-42. CAI X SH, LI J F, OUYANG X，et al. Progress on on-line monitoring of pulverized coal in power station based on light fluctuationJ. Journal of North China Electric Power University, 2003, 30(6):38-42.2 COLE J B, JAQADEESH G. Optical measurement of hypersonic micro-particles using Mie scatteringC. Proceedings of SPIE-The international Society for Optical Engineering, 2001:552-555. 3 朱芳波. 电站锅炉煤粉浓度的微波测量方法研究D. 南京: 南京理工大学, 2007.ZHU F B. Investigation of the mass fraction of pulverized coal for the power plant by microwave techniqueD. Nanjing University of Science & Technology, 2007.4 段泉圣, 刘吉臻, 韩晓娟. 电容式煤粉浓度传感器的实验研究J. 动力工程, 2007, 27(2): 204-206.DUAN Q SH, LIU J ZH, HAN X J. Study on capacitance sensors for measuring the concentration of pulverized coalJ. Journal of Power Engineering, 2007,27(2): 204-206.5 YAN Y, REED A R. Experimental evaluation of capacitance transducers for volumetric concentration measurement of particulate solidsJ.Flow measurement and Instrumentation 1999,10(1): 45-49.6 ROBERT M C, YAN Y, STUART D C. On-line measurement of particle size distribution and mass flow rate of particles in a pneumatic suspension using combined imaging and electrostatic sensorsJ. Flow Measurement and Instrumentation, 2005, 16(5): 309-314.7 LI H, TOMITA Y. Particle velocity and concentration characteristics in a horizontal dilute swirling flow pneumatic conveyingJ. Powder Technology, 2000, 107 (1-