风速测量装置

概述

近年来，随着发电机组容量的不断增大，作为燃煤锅炉主要辅助系统之一的制粉系统，其送粉管路长度也随之大大增加，各送粉管道阻力差也随之增大，并带来诸如管道积粉、入炉一次风量不均以及煤粉堵管等问题。燃煤发电厂锅炉燃烧的稳定性、经济性与一次风进入炉膛的风速和煤粉浓度的大小及均匀性关系密切，煤粉浓度的高低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。如果燃烧器的一、二次风及风粉比例偏离正常范围，会导致不完全燃烧，降低锅炉效率。过低的煤粉浓度或断粉会导致锅炉灭火，而过高的浓度会引起送粉管道的堵管现象。一次风管给粉量的不均匀与各管道内风速差异的叠加，可能造成不同燃烧器出口的煤粉浓度和速度严重不均，导致火焰偏斜冲刷炉墙、在靠近炉墙区域局中心还原气体强而产生水冷壁中心高温腐蚀或结焦、热负荷不均匀、烟气侧和蒸汽侧温度偏差、无法优化低NOx运行、飞灰含碳量高等问题，影响机组运行的可靠性和经济，长期运行，容易造成水冷壁局部结焦、过热，甚至导致水冷壁、过热器爆管等事故的发生。

锅炉燃烧的优化调整，一直是锅炉运行人员重点关注的问题，锅炉燃烧优化调整可概括为三点：

1.将一、二、三次风管内的风速(量)各自调整均匀；

2.将一次风管内的煤粉量调匀(调整火焰中心根据需要让某些管内风速或煤粉量大些或小些)；

3.依据不同的煤种、燃烧器型式、锅炉负荷等因素合理调整一、二、三次风量的匹配比例以及二次

风的上、中、下各层风量。

大量运行实践表明：锅炉一、二、三次风匹配合理、一、二、三次风管内风速各自均匀，燃烧工况就会明显改善，炉效就会显著提高。增设了锅炉一、二次燃烧监测系统等于给锅炉运行人员增加了燃烧调整的“眼睛”，司炉能随时看到各风管内风速、煤粉浓度的大小，随时调整锅炉运行，让锅炉始终在较经济的工况下运行。

因此，电厂锅炉燃烧的优化调整，一直是许多科研单位、设计部门包括锅炉运行人员研究的问题。对锅炉进行优化调整，概括起来有三点：

1.将一、二、三次风管内的风速各自均匀；

2.将一次风管内的煤粉量调匀(根据需要有时为了调速火焰中心可能会让某些管内风速或煤粉量故

意大些或小些)；

3.依据不同的煤种、燃烧器型式、锅炉负荷等因素合理调整一、二、三次风量的匹配比例以及二次

风的上、中、下各层风量。

2、国内测量系统简介

目前，国内在电厂锅炉风粉监测方法上，做了很多的试验研究工作，提出了很多的测量方案，以期能找到一种比较理想的测量方法。但事实上，这些被提出来的测量方法，都各有优缺点和适用条件。因而，我们应该根据实际情况，选用比较合适的测量方案。

下面，我们先来具体介绍一下目前国内外采用较多的一些测量方法，及其优缺点和适用条件。

2.1温度方法

间接法测量煤粉浓度，所需参数是由安装在一次风管上的热风温度t1、煤粉仓温度t2、风粉混合段上两相流的温度t3以及在热风管道上的风速等传感器测得的。其测点安装位置如图１－１所示。

目前，国内电站特别是中间储仓式热风送粉锅炉较多采用这种方法。

2.2微波法

新一代的锅炉微波风粉监测系统采用微波技术和数字信号处理技术，实现了各种炉型上的煤粉浓度、混合物速度的在线测量。

锅炉微波风粉监测系统主要由传感器、测量控制柜、上位机和系统软件组成。每一台测量控制柜可以采集和处理一台磨四支风管的浓度和速度数据。测量控制柜内装有高精度的微波频率源、高精度的检波器和基于DSP的高速数据信号处理单元。数据经信号处理单元运算处理得到每个风管的混合物速度和浓度信号，可通过模拟信号或数字通信的方式与上位机或DCS接口。

2.3光电检测法（电荷法）

用光电检测法测量气－固两相流中固体微粒浓度、速度是用光纤做探头，把光束引入测量区，测得运动微粒对光的感应信号，再将该信号经光—电转换、模—数转换后即可进行计算、分析，最终得到微粒的速度、浓度值。

2.4激光法

激光通过由煤粉和空气混合的流动体系时．将受空气分子和煤粉粒子的散射和吸收。对于煤粉这种特殊颗粒，其吸收率近似于黑体，对微波衰减相当强，其等效直径要比气体分子直径大若干数量级，对激光辐射的散射属米氏散射，而分子散射属瑞利散射，空气分子的散射和吸收作用与煤粉的作用相比，可以忽略不计。因此，只需讨论煤粉的散射和吸收即可。

2.5超声法

在输送管两个对应侧表面上装设超声波传感器，第1对超声波传感器用来测定超声脉冲沿两个方向（与计算流速的流向约成45°）的传输时间。平装的第2对超声波传感器用来测定垂直于流向传输的超声衰减。平装传感器是为了减轻影响衰减测量的管道腐蚀或积灰。超声衰减既受空气紊流也受煤粉浓度的影响。为了测量煤粉浓度需要对紊流效应进行校正。煤粉浓度的超声测量是用β射线透射计予以校准。这样，就可从测量煤粉的流速和浓度推导出煤粉的质量流量。风速测量可通过增加成对传感器的使用数量来测取输粉管中的平均流速。

2.6等速取样测量法

为了正确测得气－固两相流的浓度，并且使抽取的固体颗粒样品具有代表性，对于气－固两相流的直接取样必须在等速的条件下进行。所谓等速取样，即让进入取样探头进口的吸入速度与探头周围的来流速度相等。依靠抽吸泵将两相气流吸入取样探头，经过过滤器收集吸入的全部的固体颗粒，同时流量测量装置计量抽吸的气体容积，其中取样探头是保证等速取样的关键。

该方法的特点是在适合的工况下，测量的准确度很高。但它反应时间比较长，不能连续实时的测量，并且对不稳定的变工况支持不太好。

2.7混合压差法（能量平衡法）

基于气－固两相流理论，根据风粉混合前后压力差大小计算煤粉浓度的新方法。

锅炉燃烧系统送粉管道中风粉混合物属于稀相气－固两相流。忽略混合过程中的散热损失和压缩性。则风粉混合物的总能量体现于混合物的流动动能和静压力能之和。由于混合过程中存在的局部阻力损失和沿程阻力损失，空气和煤粉在混合前后的总能量存在差别。在流速、温度等其他条件相同的情况下，空气和煤粉混合比例的不同势必反映在混合前后气－固两相流体前后静压差的不同。只要测出空气和煤粉混合前的空气的流速和静压力以及混合前后的温度和静压力，通过一定的算法，即可求得相应的煤粉浓度。我们这里称之为能量平衡法。

2.8感应电势法

通常来讲，每个固体颗粒的流动都可以看作是一个平均流动和一个叠加的、微小的、不规则的流动的混合体。后者的这种流动方式被称作“流动噪音”。实验发现，流动噪音跟总体的流动速率有直接的联系，管道中用气体来输送的所有粉状颗粒都有可能带电。

一种流动中固体颗粒的带电的数量或带电的状态的水平主要是由以下这些因素决定的：颗粒的尺寸，形状和密度。带电固体颗粒的流动是一种随机（静止和遍历）过程，通常是被看作是一种多维流动；随机变量是空间三维的函数和时间参数。他们可以表达成一个平均值和一个独立的，迭加的、限频高斯变量函数的总合。

2.9电容法

电容法测量煤粉浓度，即用电容传感器探头测量颗粒浓度。电容传感器探头通常包括两个小的长方形平板，板间有一个小间隙，间隙中固体浓度的改变会改变其绝缘系数，从而改变系统的电容，根据间隙的绝缘系数就可以获得固相的浓度。

测量锅炉送粉管内空间物质（空气和煤粉的两相流混和物）的等效介电常数，随煤粉的含量而改变的物理现象为依据，测量值与整个管道流通截面上的煤粉总量成正比。

2.10上述测量方法的比较

(1)温度法：在国内燃煤电站特别是中间储仓式热风送粉锅炉上，应用非常广泛。

(2)微波法：这是一种比较新兴的测量方法，灵敏度高，适合高浓度测量，但是其测量元件不耐高温、易受电磁干扰及周围环境影响等导致误差较大，它需要通过改进标定技术来降低测量误差，成本高昂。

(3)光电检测法：它是利用运动微粒对光的感应信号，将该信号经光—电转换、模—数转换后进行计算、分析，最终得到微粒的速度、浓度值的，这也是一种比较新兴的测量方法。

(4)激光法：利用空气和煤粉的对激光的散射和吸收来测量，原理简单、适合低浓度和不易污染的气固两相流测量，但存在煤粉易污染探头、只能测量低浓度工况，成本较高。

(5)超声法：它的主要器件是传感器，由于传感器的价格比较低廉，因而，这是一种比较经济的测量方法。

(6)等速取样测量法：测量准确，通用性强常用于锅炉试验的定量分析。但其探头置于流场中，对流场有一定的影响，而且很难保证真正的等速取样，不能实时测量。

(7)混合压差法：简单、实用，可以在高温、粉尘、强干扰等恶劣环境下长期工作，但需要测量的间接数据比较的多，计算的部分也比较的多。其以前存在的管道阻力影响测量、易堵塞、易磨损已得到合理解决。

(9)速度－差压法：只能适用流体有加速度的情况下。

(12)感应电势法：还要在硬件和软件方面多加改善。

(13)电容法：动态响应快、抗干扰性强，但其只取一个测量值，很难真实反映实际值，而且成本高。