电站锅炉风粉在线监测系统的设计与研究

丁相鹏，李先兴

（华能临沂发电有限公司，山东 临沂 276017）

结合国家统计局显示的数据，我国于2022 年前两个月共计12427.7 亿kW·h 发电量，同比增长19.5%，且火力发电占据75.06%。为进一步维持火力发电稳定性，应加强对电站锅炉燃烧效果的有效优化。风粉在线监测系统作为高质量燃烧保障，应顺应时代趋势予以创新优化，以期在系统助力下达成高效燃烧目标。

1 电站锅炉风粉在线监测系统的创新设计意义

1.1 突破传统系统局限性

针对电站锅炉风粉在线监测系统进行创新设计，其实践意义在于能够有效突破传统系统的应用局限性。根据相关研究，传统工况下运用的在线监测系统，实则是通过皮托管测量方式获取监测数据，侧重于一次风风速测量，因其时常遭受煤粉堵塞以及设备损耗问题，导致系统反馈信息缺乏可靠性。而新系统的运行刚好可以扩增测量范围，实现高精度测量，就此为现有电站锅炉工况运行创造有利条件。

1.2 增强优化系统适应性

传统系统在其应用期间，已经无法适应新时代电站锅炉燃烧环境。随着火力发电需求量的提高，依照传统系统功能记录在线监测数据，很难体现系统的辅助价值。而创新设计后的新系统能够进一步增强系统的适应性，使之积极应对新工况运行挑战，便于在火电厂开展火力发电项目期间，能够运用高新技术改造传统系统，彰显时代创新特征。鉴于此，本文提出了风粉在线监测系统创新设计思路确有显著的现实意义。

2 电站锅炉风粉在线监测系统的优化设计原理

2.1 测量一次风风速与温度

（1）测量一次风风速。电站锅炉风粉在线监测系统在优化设计环节，需要先行掌握设计原理，而后确定设计步骤。其中测量一次风风速在传统系统中也属于较为关键的测量事项。为了弥补传统测量方法的缺陷，本文此次专门应用传感器技术，对风粉实施非接触式在线监测。

具体采用可插入式探头，对煤粉管道内的风粉流动速度予以测量，继而获取测量结果。在一次风风速测量期间，理应借助各项参数计算风速，并将其与标准值进行对照，如果超出标准范围，则需要调节一次风风速，以便满足电站锅炉燃烧需求。关于一次风风速（v）的计算可运用下述公式：

式中，ρ、△p、K 表示的是气体密度、流量系数、输出差压。而ρ 可以利用公式（2）求值。

式中，p0、ρ0、t 代表本地大气压、空气密度与风粉混合温度。经过可插入式探头对一次风风速的探测，能够在动能→压力能的转换过程中准确测量一次风风速。

（2）测量温度。在创新设计风粉在线监测系统期间，还要准确测量温度，此处所指代的温度除了风粉混合物温度外，还包括煤粉温度以及一次风温度，经过对温度指标的有效控制，促使电站锅炉处于稳定的燃烧状态。在此系统中关于温度的测量可以借助热电偶温度探头，该探头能够在温度传感器的辅助下顺利获取温度指标，之后如实将温度测量结果反馈至系统界面，这样方可将温度参数调整到指定范围内。

2.2 测量煤粉浓度

新系统在优化设计环节，还要注重对煤粉浓度的有效测量，经过分析发现，煤粉浓度多与温度参数有着较强的相关性，因此可以参照上述提及的三项温度指标获取煤粉浓度（μ）。

在该公式内，C 分别指代空气、风热容，t1、t2、t3表示热风、煤粉以及混合温度。煤粉浓度指标的实时监测，能够实现高效燃烧，一般高浓度标准下更易燃烧。至于负责监测煤粉温度指标变化规律的测量装置，需要调整好安装位置。比如，可装设于粉仓壁，多不高于60℃。而在装设于风箱壁时，要求温度在160℃左右，便于在风粉监测中始终通过在线监测系统将其控制在标准范围内。此外，在风粉在线监测系统运行期间，还可以运用温度差实现热能转换，从而在温度调节中建立温度均衡的燃烧条件。

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2.3 测量煤粉空气质量比

在优化设计风粉在线监测系统时，还要测量煤粉空气质量比（M），此项参数能够通过下述公式求取。

对应的I、v、d、t 表示传感器所测电流、一次风风速、电站锅炉一次风管径长、温度。在对M 进行测量时，传感器最佳安装点位是在煤粉管道处，此时，能够经过对电流信号的监测与转换确定运行工况下电荷分布特征。与以往相比，此处使用的传感器务必具备突出的抗磨性与耐高温性，以便在不同工况条件下能够保持理想化监测动态。

3 电站锅炉风粉在线监测系统的优化设计要点

3.1 完善声发射测量结构

在设计电站锅炉风粉在线监测系统期间，应当深入完善声发射测量结构。为了获得准确度更高的在线监测数据，可以依靠声音传感器设置多通道声发射装置，以此扩大在线监测范围，其中使用的声发射装置，涵盖信号采集、声发射信号发送以及监控系统，经过在线监测系统的运行，即可实现对电站锅炉运行工况的有力监督。此外，系统中的声发射单元还要与净电荷监测单元相结合。

通常情况下，在优化系统结构时，应侧重于前端信号处理以及中央处理机柜两部分的完善，其中针对声发射信号与静电荷信号，应当利用感应元件，实现信号的有效采集，而后将其输送至中央处理机柜。中央处理机柜是发挥信号接收与信号分析功能的结构，并为其设置专用通讯连接装置，以便在系统结构得以改善后，表现出系统功能特性。

同时，还要注重各种配件设施的合理安装。其中该系统中常需要事先准备好微弱信号带以及高速信号采集器、温度传感器以及驱动信号箱、工控机等，在驱动信号箱参与下，经由探头释放能量，便于在融合测量条件下顺利采集信号，之后在工控机分析下确定当前风粉输送渠道是否符合既定要求。为了达到非接触式在线监测标准，还可以联合自洁清灰棒，自主清理残留煤粉，减轻对传统吹扫系统的负担。

为验证创新设计的风粉在线监测系统的使用效果，还可以利用对比法，分析传统称重测量与融合测量标准下的误差情况，显然在每秒100g 流体流动量的工况下，该结构优化后形成的在线监测系统最大误差为6%。而且在风速达到4.9m/s、11.9m/s、25.9m/s 时，以该结构改造而成的新系统对应的相对误差分别为9.5%、3.7%，2.1%，实测结果具有较强的可参照价值。因此，可以借鉴声发射与静电荷融合设计原理改造系统测量结构，促使在新系统运行期间，全方位掌握各项参数变化特征。

3.2 强化系统在线调试功能

（2）冷态标定。除热态外，还包含冷态，在应用风粉在线监测系统之际，还要实现对冷态下参数的合理标定。对于修正系数的统计分析，可以借助工况下标定均值求取，便于在边标定与边记录过程中完成冷态标定任务。

随着系统冷态标定工作的开展，传感器以及相关配件都将处于最佳运行状态。冷态标定首先需要开启风粉在线监测系统，启动一次风机，直到风力保持稳态后才能予以标定；其次，为防止标定值失真，理应进行多达20 次的标定操作；最后，在标定后记录风速实测值，随着系统运行状态的有效优化，促使该系统在电站锅炉风粉在线监测场景中体现出强有力的应用价值。

（3）辅助功能。在强化风粉在线监测系统功能时，应当注重辅助功能的优化设计。事实上，该系统最主要的是在线监测功能，要求运行后系统可以对温度、一次风风速以及煤粉浓度等诸多参数进行实时监测，并将其传输至管理中心，以便有关人员根据对在线监测数据的分析给出正确决策，保障电站锅炉处于高效安全运行状态下。另外，在对风粉输送量进行监测时，还要强化预警功能。

为避免电站锅炉遭受安全事故，或是面临低效运行状况，理应开发预警功能，最常用的预警场景包括风粉输送中断、一次风管堵塞以及自主燃烧。比如，在电站锅炉运行中突然停止输送煤粉或终止送风，系统将响起预警指示灯，而响应的标准以煤粉浓度显示零为主，一旦煤粉浓度出现直降为零，表明此时可能遭受风粉输送中断问题，引导有关人员填充煤粉，修复送风装置。至于堵塞状况的预警依据是在一次风风速、温度参数处于减小趋势时，表示风管流动量下降。自主燃烧则由温度在线监测数据的骤升为标准。经过对各项参数的精准测量，可以判断当前运行工况下是否需要启动预警功能，以免因长期未能关注到不良运行状况缩短电站锅炉使用年限。

新设计的系统与传统系统最明显的区别还体现在自我调节功能上，在尚未出现预警信息前，可以利用自我调节功能微调送风量、一次风风速等参数，使之基本上保持在稳态范畴，节省人工维护负担。特别是在自我调节给粉量时，在煤粉输送不达标时，将适当以降温方式保持煤粉浓度平衡，防止在风粉输送量减小时继续保持高温燃烧，继而产生烧焦后果。而且为了体现新系统的便捷操作特征，还要增设数据管理打印功能，能在该功能启动后自行打印在线监测数据，甚至可以对既往数据进行翻阅查找，从而起到阶段性管理的作用。

因新系统在实时监测风粉参数变化范围时，所采用的是非接触式监测方式。所以，在设计系统功能时，也要在结束后在模拟演示中记录各项功能的达标率。只要每项功能都能达到预期效果，就能证实此系统在电站锅炉实际应用场景中具备推广价值，而且在多次模拟以及实践应用期间，需要不断秉承着优化设计原则进行升级改造，保障系统运行质量的前提下，也能为电站锅炉运行安全以及经济性的提升提供保障。

3.3 实现系统精细调平设计

根据对传统风粉在线监测系统运行效果的调查，能够发现传统系统多存在误差大、可调节性薄弱的局限性。而在新系统优化设计环节，可以充分参照在线监测数据改善电站锅炉运行环境，促进配风、煤粉输送的协调操作。在改进传统系统阶段，应有效实现精细调平设计，既要提升风粉输送合理性，又要严控风粉配比。

优化设计期间，可以选择在一次风管上装设静电传感器，以静电监测形式调节一次风风速等参数范围。应用该传感器改造系统，一是为了增强系统运行可靠性，因静电传感器使用后，尽管处于较为复杂的运行工况下，也能够展现持稳性测量作用，以免因复杂工况限制系统应用范围；二是此种融合精细调平设计思想的系统，鲜少需要花费人力进行维护，且在被煤粉包裹状态下，依然能够获取流动参数，并且因静电本身来源于煤粉，并不用外在连接相关静电释放装置，无论从可操作性还是节能性上，都具有可行性。

关于精细调平模块的优化设计，要求将煤粉浓度以及煤粉流速视为重点调平参数。前者在精细调平过程中，可以利用煤粉浓度测量差值分析是否存在浓度波动明显情况，一旦差值较大，则依靠精细调平模块控制煤粉浓度，使之处于可控状态。后者以流动阻力压差为主，随着对流速指标的有效调平，促使电站锅炉燃烧器内部燃烧的煤粉等介质保持协调分布形态。此外，在风粉在线监测系统运行中，还要对送风量加以调平，保证煤粉量、送风量处于最佳比例内，这样一来，方可在完善的系统结构与功能模块下优化系统运行质量。

4 结语

综上所述，电站锅炉风粉在线监测系统要想在运行期间取得显著成效，为电站锅炉燃烧效率与燃烧质量的改善给予保障，理应从声发射测量结构、在线调试功能、精细调平设计三个方面着手，便于优化后系统在一次风风速、温度、煤粉浓度、煤粉空气质量比测量环节发挥精准测量作用，准确呈现测量数据。未来也要不断引进新测量技术改造在线监测系统，提高电站锅炉的安全运行水准。