摘要：在锅炉电厂设备运行中，风粉相关参数直接影响燃烧的充分性、稳定性和装置成本。因此，研究能够实时监测煤粉浓度、速度、温度等相关参数的监测技术十分必要。本文首先阐述说明了监测原理和误差来源，其次利用风粉在线监测系统数据进行故障诊断，最后，探讨了风粉在线监测系统在锅炉电厂应用的改进方案和效果。

关键词：风粉在线监测系统；锅炉系统；应用研究

引言：合理的煤粉浓度、风粉速度等是影响大型锅炉燃烧的重要参数。如煤粉分配不均匀会导致一次风管堵塞、管道内煤粉燃烧不充分、管壁局部结渣或过热而爆管等不安全后果。为保障燃煤锅炉安全、经济、稳定的运行，需要准确监测这些参数。然而现有的煤粉监测技术主要采用安装专用煤粉计量设备的计量方法，无法测量炉腔内的运行情况，长时间运行会造成堵灰现象。该方法测量精确度低、装置投入成本大，容易引发安全事故。因此，采用基于CFD仿真技术的风粉在线监测系统，建立锅炉内燃烧系统全局动态模型，实时监测煤粉浓度，保障锅炉的高效稳定运行显得至关重要。

1.风粉在线监测系统在改锅炉系统中应用的必要性

1.1保障锅炉运行安全

在锅炉系统中，引入风粉在线监测系统能够保障运行安全。通过全程动态监测，可以通过可视化的方式来展示一些重要参数，如一次风速参数，或者煤粉浓度参数，依托监控系统可以实时、客观反映锅炉运行状况，便于工作人员及时了解锅炉情况，避免出现堵管、断粉等情况，防止火焰中心偏离，从而有效减少事故发生。

1.2有助于提效降本

在线监测系统的应用中，不仅可以对锅炉内风速进行调节，还可以调控浓度，实现二者的均衡，如此能够确保燃烧器周围的氧气量处于一个相对稳定的状态，使燃烧动力场最佳，保证炉膛内燃烧稳定。不仅如此，还刻意有效减少燃烧过程中的飞灰等可燃物，提升锅炉效率，降低燃料成本和燃油成本，具有较高的经济性。

1.3有助于减排，发挥社会效益

在实际应用中发现，在燃烧器周围，如果氧气含量偏低，就会释放出大量一氧化碳，而如果氧气含量过高，则会释放出大气污染气体。注重风煤比控制，可以大大减少有害气体排放，这是贯彻落实减排理念的重要体现，有助于发挥社会效益。不仅如此，通过采用在线监测系统，还能在一定程度上减少人工工作量。

1.4煤粉浓度影响炉膛温度，影响燃烧效率

在一定煤粉浓度范围内，风粉混合反应速度与煤粉浓度成正比。合理提高煤粉浓度有助于煤粉稳燃。但在实际生产中，存在一个最佳浓度值，如果煤粉浓度过高，则会导致有害气体产量增加，煤粉燃烧不充分，易引起炉膛温度中部和前部局部升高，着火时间提前，从而影响锅炉系统的安全性和测量结果的准确性。如果煤粉浓度过低，易导致煤粉燃尽困难，锅炉内气压降低，引发过热器超温爆管事故。

2.风粉在线监测系统的误差和故障分析

2.1测量误差来源分析

在风粉在线监测系统应用过程中，误测主要受以下方面影响：第一，传感器，其系统自身误差会影响测量结果，同时，不同传感器实时响应的差异也会在一定程度上影响监测结果。第二，热平衡测点位置，如果测点位置的选择较为靠前，低温煤粉在混合管道中被加速后与热风达到相对平衡的传热过程还未结束，从而使得测点温度偏高；如果测点位置的选择较为靠后，风、粉的传热损失增加，测点温度便会偏高。同时，热电偶的插入深度和角度会影响风、粉的传热效率。第三，系统保温性能，测量煤粉浓度时要求各系统处于绝热状态，不考虑散热损失。但需要注意的是，在实际运行中，散热损失是客观存在的。因此，保温性能好的系统误差越小。第四，煤粉的颗粒度是影响达到热平衡状态时间的一个重要因素。粒度大小影响燃烧温度、热解度，粒径越小，达到热平衡点的时间越短，从而使得监测结果存在一定误差。第五，计算使用的常数或系数的误差也会影响测量的准确度，包括测速管的标定系数等等。

2.2故障分析

在监测过程中，工作人员可以根据系统测量的煤粉浓度（其中煤粉浓度在0.65～0.8kg/kg时为最佳浓度值）、风粉混合温度、一次风速（试验结果表明，一次风速在19～21m/s时能够维持系统稳燃）以及电流变化等数据做出以下几种情况的故障分析与判断，从而帮助工作人员根据分析结果采取相应措施，保证锅炉安全、稳定的运行。

（1）堵粉故障分析

通过煤粉浓度可以判断混合管道是否有堵管的趋势。当煤粉浓度高于0.8kg/kg时，同时，风粉混合温度、一次风速异常偏小，则可能发生堵粉故障状况。

（2）自燃故障分析

在风粉混合过程中，如果热风温度比风粉混合温度要低得多，说明混合管道内发生自燃现象。这是由于自燃会产生大量的热量，使得混合管道内的温度高于混合前的温度，而正常运行状况下低温煤粉与热风混合后管道内风粉混合温度应该低于混合前的温度。

（3）断粉故障分析

断粉的表现有电流变化不明显、风粉混合温度趋于热风温度且风速上升、煤粉浓度低于0.2kg/kg、报警灯变红等。当出现以上情况可判断为给粉机断粉故障。

（4）煤粉自流故障分析

若一次风速一定，煤粉浓度一定，且热风温度明显高于风粉混合温度时，说明给粉机停转，可判断为混合管道发生煤粉自流故障。

2.3煤炭浓度监测中存在的问题

当前，在一些电厂中要实现对煤炭的计量和检测，往往是通过安装设备来完成，主要是结合下粉量的计量数据，来间接对不同燃烧器一次风管内煤粉浓度进行计算，这种方式不仅需要大规模投资，而且难以做到准确测量，一般只能做到定性测量，无法满足监测需求。鉴于此，一些电厂逐渐开始引入风粉在线监测系统，但是在实际应用中也存在一些问题，主要体现在以下方面：第一，存在堵灰现象，在测量腔中，经常会存在煤粉的残留颗粒，如此久而久之，就灰导致堵灰问题，这会进而影响到监测仪器的准确性，难以保障仪器正常运行。第二，准确度偏低问题，在监测装置应用过程中发现，使用环境温度高低会对其监测效果产生影响，

一旦鼓风机的出力出现不稳定的情况，就会导致灰样的密度发生变化，出现密度不均，这会影响测量准确度，此外，在微波能量向外扩散过程中，由于发生能量消耗，也会在一定程度上影响监测装置精准性。第三，存在较多附加设备，对于锅炉系统而言，其往往较为复杂，不仅控制单元众多，而且还有较多控制装置，如一些系统中的自动反滤吹扫装置，或者取样器，以及进灰调节阀等，这些附加设备的投入，会大大增加监测投入成本。因此，在引入风粉在线监测系统过程中，要达到最佳效果，不仅要能够实时监测，还要能够进行在线调节，可以通过搭建全局动态模型，实现对锅炉系统的全面可视化监测，以保证系统稳定高效运行。

3.风粉在线监测系统在锅炉系统中的应用探讨

3.1应用分析

在应用过程中，除了要煤粉浓度测量装置，还要安装混合物速度测量装置，以此确保司炉人员可以将输粉管内的风和煤的比例控制在最佳状态，打破以往仅仅依靠经验来调整给粉机转动速度，以及风门挡板的局面，以此提升锅炉运行效率和水平，最大限度的减少损耗，降低能源无效耗费。下文主要结合锅炉系统运行情况，针对影响锅炉安全性、经济性的煤粉浓度和混合物速度进行分析。在电厂锅炉使用过程中，燃烧材料主要使劣质煤，而且煤的类型差异大，这势必会影响到煤粉的浓度，过高浓度或者过低浓度都会影响到燃烧效果，因此应注重煤粉浓度的合理把控。

1）煤粉浓度过高，就会出现堵管的情况，此时就会影响煤粉的传输就会受阻，严重的情况下还会导致管内煤粉自燃，会造成输粉管烧毁，如果浓度过高，会出现燃烧不彻底、效率不高的情况，此时会导致一氧化碳增加，炉膛内温度会快速上升，这会加剧高温腐蚀。浓度过高，还会导致局部结渣，主要是炉膛内或者过热器部位，由此会危机锅炉运行安全。

2）浓度较低，炉膛内温度不高，就较容易出现灭火的情况，由于气压偏低，还会导致无法带上负荷，容易出现不安全隐患。如果浓度过低，要促使煤粉完全燃烧就较为困难，而且会导致排出的烟温度明显上升，此时燃烧效率会下降，一旦过热器超温，就易引发爆管等事故。不同的煤种，都有一个浓度最佳值，结合试验来看，一般煤粉与空气的质量比在0.65-0.8区间时，适合使用劣杂煤。通过提高浓度，有助于煤粉着火。通过应用风粉在线监测系统，有效解决了测量准确度不足，效率低等问题。

3）混合物的速度也会产生影响。如果速度过高，一则会影响浓度，二则会对导致输粉管严重磨损，同时对于燃烧器，如果出口速度偏高，就会导致燃烧较为滞后，如此火焰中心会发生偏移，从而导致炉墙部分趋于结焦，甚至如果炉膛尾部温度过高，还会发生爆管。混合物速度偏高，会增加燃尽难度，降低锅炉效率。此外，在输粉管内，煤粉量会大大增加，如果不及时出路堵管问题，就会引发自燃或者管道爆炸。

3.2风粉在线监测系统应用方案优化

监测系统采用非接触静电传感器，并加装能够调整煤粉流速和浓度的设备，采用基于CFD（Computational Fluid Dynamics，计算流体动力学）的仿真设计，通过对实测工况下全截面上的风粉混合温度、煤粉浓度和流速等各参数的详细数值进行监测，能够便于工作人员了解现有条件下配风情况、配粉情况、磨煤机出口煤粉浓度和流速的均衡调整控制，从而提高测量准确性。

3.2.1全截面非接触式煤粉流速浓度测量系统

采用全断面非接触式检测技术，可实现对燃烧室内的风粉含量及流量的实时监控，实现对煤粉的均匀分布及流量的实时检测，使工作人员可以对煤粉的配风、配粉状态进行准确的判断，确保炉膛中的煤粉充分燃烧。

3.2.2磨煤机出口煤粉浓度均衡调整控制

安装煤粉浓度均衡调整装置，对制粉系统进行改造，从而调整管道内煤粉浓度分配，改善磨煤机出口粉量分配情况。该装置采用了基于CFD的仿真设计，通过模拟煤粉流动，改变风粉动态场的分布调整磨煤机出口粉量和进管的煤粉浓度。值得注意的是，通常情况下，当煤粉浓度和风粉混合温度调节平衡时，系统显示窗口上显示同层各管道一次风速转速并不一致，而是处于趋于一致的平衡转速。

3.2.3磨煤机出口煤粉流速均衡调整控制

安装风粉平衡调整装置。该装置通过改变磨煤机出口的压力差，有效地改善了在高温状态下磨煤机出口多管路中煤粉和空气的阻力均衡问题，从而使得各管道的阻力和流速达到均衡。

3.2.4燃烧器功率调平控制系统

煤粉浓度和流速是影响燃烧器功率的重要参数。利用风粉监测系统能够获得大量煤粉浓度和流速数据，使管道内的煤粉浓度和流速调平在设定的范围内，调整偏差，以提高燃烧效率。

3.3风粉在线监测系统在锅炉系统中的应用效果

3.3.1改善锅炉燃烧均匀性

除了能够提高煤粉浓度的精准度，风粉在线监测系统对改善锅炉燃烧的均匀性也有良好效果。该系统能够使锅炉的减温水的调节裕量、保持主蒸汽和再热蒸汽温度的恒定；再热器和过热器这些受热面壁的温差维持在20℃以下，而低压再热器温度偏差维持在24℃以下，从而平衡炉膛内的温度分布，避免炉体内部结渣；优化后锅炉截面处CO、NOx等有害气体排放量和飞灰的含碳量明显较优化前减少，烟气含氧量分布均匀，使得管道内的风粉调平和配风优化后的炉内燃烧情况良好，实现风煤比最佳控制，燃烧器燃烧均匀，提高了含氧量测点的准确性。

3.3.2改善煤粉浓度调平控制效果

此外，煤粉流量分配偏差减小，当煤粉分配平衡后，实测中与监测系统显示数据基本相符，煤粉流速达到基本平衡，此时即为一次风管内风煤配比最佳状况，各管之间的煤粉分配偏差得到明显改善，改变了目前传统的测量风道静压的办法，从而大大提高运行效率，保证了锅炉运行的安全性。

4.结语

综上所述，风粉在线监测系统能够实时监测管道内相关参数，如风粉浓度和流速、风粉混合温度、一次风速和电流变化等，对堵粉、自燃、断粉、自流等故障进行预警，便于工作人员及时采取相应对措，从而改善锅炉煤粉燃烧的充分性和煤粉浓度调平控制效果，达到提高锅炉运行安全、经济、稳定的目的。

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