基于静电感应技术的煤粉流速浓度监测系统在火电厂的应用研究

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摘要：本文通过分析气固两相流测量的特点及难点，全面总结火电厂磨煤机一次风粉流速、浓度的传统测量方法，将基于静电感应技术的煤粉流速浓度监测系统与传统测量装置从测量方法、测量准确性、可靠性、使用寿命等方面进行了对比分析。结合Enlandar煤粉参数在线监测系统在火电厂的实际应用案例，对基于静电感应技术的煤粉流速浓度监测系统的准确性和稳定性进行验证。

关键词：静电感应；气固两相流；流速测量；浓度测量；应用

引  言：

现代火力发电厂燃煤锅炉多采用直吹式制粉系统，进入各个燃烧器的风粉分配是否均衡是影响锅炉燃烧稳定性和锅炉效率的关键因素，对火力发电厂的安全经济运行有着重要的影响。燃煤电厂一次风管道中一次风粉属于典型的稀相气固两相流，其中固体颗粒浓度分布和速度廓形的高度不均匀性和变化的复杂性导致流量的测量十分困难。通过分析气固两相流测量的特点及难点，探寻可靠、高效、稳定的检测方法，实现对磨煤机一次风粉管道内的风粉流动的各项参数实时在线测量，为锅炉燃烧器功率调平提供准确数据支持，最终达到优化锅炉燃烧效果，全面提高锅炉经济性和优化环保指标的目的。

1.气固两相流测量的特点及难点

1.1流动结构多样性

输送管道中的气固两相流不仅存在流型多样的问题，并且多种气固流型存在相互转化的情况，流型之间的转化过程极快，增加了对其测量的难度。

1.2浓度不均

一般情况下，气固两相流中固体浓度沿输送管道的分布是不均匀的，传统检测方法中，单一测点的传感器不能给出气固两相流速度与浓度的准确测量结果。

1.3流动速度变化快

气固两相流的流动速度变化快，传统测量技术需要利用射线等原理长时间积蓄能量对检测区域进行扫描来获取信息，测量数据无法精准反映气固两相流的实际流速。

1.4侵入式测量方法对流场的干扰

传统侵入式测量方法在气固两相流管道中无疑会干扰流场，引起测量偏差。并且接触式的测量元件容易发生堵塞及磨损，减少了使用寿命，增大了日常设备的维护量。

1.5其他因素干扰

气固两相流在运动中难免要受到噪音、振动等现场客观因素的干扰，如锅炉转动机械振动、磨煤机振动、噪音的影响，使测量结果具有不确定性。

2.传统气固两相流测量方法的对比分析

传统的测量方法包括毕托管插入式测量法、微波法、光电测量法等，这些测量方法需要向管道流体加入某种形式的设备或能量，然后通过分析运动煤粉对这种设备或能量的影响来获得煤粉的运动参数。

2.1毕托管插入式测量法

目前应用比较多的传统测量装置是防堵耐磨型风速测量装置，该测量装置是基于S型毕托管测量原理对气固两相流的静压和全压进行测量，利用伯努利方程计算风速。实际使用过程中管路堵塞问题和磨损问题严重，使用寿命短，维护量大。

2.2微波法

微波传感器利用微波在测量管内与煤粉颗粒碰撞时会引起波束衰减的原理，通过测量其衰减值即可反应煤粉的浓度，具有成本低、易于安装和维护的优点。但微波传感器对煤粉水分含量非常敏感，而且其传感容量很大，空间分辨率很低，不适用于对含水量较高的煤粉流速的测量。

2.3光电测量法

光学式仪表通过光学元件获得煤粉在管道内运动的图像来计算煤粉的粒径分布、流量和流速。但是在工业现场，这类仪器的光学窗口容易因静电吸附受到煤粉的污染，光学元件需要定期进行校准，维护量较大，因此不适于湿煤的在线测量。

3.静电感应技术原理及优势

3.1静电感应技术原理

基于静电感应原理的静电电极属于被动式传感器，被测流体中不会被注入任何形式的能量。由于固体颗粒与输送空气之间的摩擦，颗粒之间的相互碰撞以及颗粒与管道壁之间的撞击，气力输送管道内的煤粉会携带一定数量的静电电荷。当运动颗粒经过与管道和流体隔离的感应电极时，由于运动颗粒所造成的静电场的波动，一定数量的感应电荷将出现在电极的内表面，通过特殊设计的电路可以检测出感应电荷的强度。静电电极输出的检测信号便蕴含着流体的动态信息，颗粒的速度与浓度由静电传感器阵列的信号进行处理和分析而得到。

3.2静电感应技术优势

3.2.1结构简单，安装便捷，维护方便

传感器的设计结构简单，安装时只需要替代一小段煤粉管道即可满足测量的要求，更换过程简单，日常维护的工作量小。

3.2.2使用寿命长

采用非插入式测量技术，静电感应电极内壁光滑，可相对减少煤粉的冲击和磨损，且不受来自磨煤机高压的影响，传感器使用寿命较长。

3.2.3灵敏度高，重复性好，测量稳定性强

采用先进的基于静电传感器阵列和数据融合技术，信号感应灵敏，且避免了煤粉随机扰动对测量结果的影响，数据重复性好，可稳定输出可靠的测量数据。

3.2.4被动式测量，安全环保

只通过感应煤粉本身携带的静电来监测煤粉状态，没有任何能量注入管道。这种无源的监测方式完全消除了以射能测量技术为基础的系统可能导致的危险。

4.基于静电感应技术的煤粉流速浓度监测系统的应用

4.1EnLandar煤粉参数在线监测系统

辽宁大唐国际沈东热电有限责任公司1号机组安装了北京华清茵蓝科技有限公司提供的EnLandar煤粉参数在线监测系统，对流经管道的煤粉进行全截面的感应和测量，精确可靠地测量每个管道中煤粉的流速、浓度等参数。该系统由阵列式静电传感器、信号处理装置、信号分析机柜三大部件以及各类信号电缆组成。图1为EnLandar煤粉参数在线监测系统现场安装图。

4.2使用效果

为了验证EnLandar煤粉参数在线监测系统测量数据的准确性和稳定性，对该系统进行以下测试：保证磨煤机出力不变的情况下，手动测量磨煤机出口4根粉管内的风速与煤粉分配；然后，在保证一次风量不变的情况下，改变磨煤机的出力，手动测量磨煤机出口4根粉管内的风速和煤粉分配；最后将实测的一次风速统一换算成煤粉颗粒物的流动速度，并与EnLandar煤粉参数在线监测系统的检测数据进行对比分析。经过数据分析，得出实测值与EnLandar煤粉参数在线监测系统的测量结果比较接近，在五个不同的测试工况下，4根粉管的平均相对偏差在3%至4%之间，偏差较小。

5.结束语

本文提出了一种基于静电感应技术的煤粉流速浓度监测系统，该系统能够较好的解决传统风粉测量装置在测量气固两相流相关参数时存在的难点问题。经使用效果测试，该系统能够可靠、高效、稳定的实现对锅炉磨煤机一次风粉管道内介质流速、浓度等参数的实时在线测量，为后期锅炉燃烧器功率调平提供数据支持，对机组的安全、稳定、经济运行，优化环保指标具有重要意义。

参考文献

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[3]高飞，基于静电耦合法的风粉在线测量及燃烧器功率调平的研究与应用[D]．保定：华北电力.

作者简介：于金楷（1987.05.01-）男，籍贯：吉林省白城市，单位：辽宁大唐国际沈东热电有限责任公司，岗位：设备部热工班长，学历本科，职称：工程师。