火电厂中一次风煤粉浓度测量技术分析
摘 要：火电厂中一次风煤粉浓度测量直接关系到锅炉燃烧工况的组织，通过分析一次风煤粉浓度的测量技术，并从电厂实用角度出发推荐选用热力学方法，提出了应用该方法测量时常见的技术难题及解决措施。
在火电厂运行中，锅炉燃烧系统送粉管内的煤粉浓度即一次风煤粉浓度是一个非常重要的参数。煤粉浓度的高低直接影响风管内送粉的均匀性、炉内工况的稳定性和锅炉燃烧效率。因此，研究一次风煤粉浓度测量技术，寻求适合电厂运行在线监控特点的煤粉浓度测量方法，有着十分重要的意义。
本文从煤粉浓度对电厂运行的实际意义出发，通过对各种测量方法的分析比较，研究了适合电厂运行调节目的而又经济实用的测试手段，并分析了相应手段在实测中存在的问题，提出了改进完善措施。
1 煤粉浓度测量在电厂运行中的意义
火电厂一次风煤粉浓度测量是一种复杂的两相流测量，其测量结果对运行具有如下意义：
a）对于四角切圆燃烧锅炉，在冷态空气动力场试验时，均假设四角一次风煤粉浓度是均匀的。热态运行时一旦出现四角浓度分布不均，极可能引起炉膛火焰偏斜，严重时会冲刷水冷壁，导致管壁结焦、磨损和腐蚀。如能在线测量四角浓度分布情况，上述问题就能及时发现和调整。
b）锅炉运行中，上下不同层火嘴中煤粉浓度分布不同，直接决定炉膛火焰中心位置，最终影响煤粉的燃尽及主蒸汽温度。当底部火嘴浓度偏低时，会因炉膛底部温度低而直接影响燃烧的稳定性。
c）一次风管中煤粉浓度过高、风速过低时，必然引起煤粉着火点离火嘴出口太近而导致火嘴烧坏，严重时还会导致送粉管堵塞，粉管起火等事故，给电厂安全生产和经济运行造成重大影响。
d）在锅炉热平衡测试及性能计算中，输入热量计算的准确性一直是一个难题。如果能准确测定一次风煤粉浓度，将为锅炉性能计算提供重要参数。
因此，锅炉一次风煤粉浓度的测量无论对运行有着重要的意义。
2 一次风煤粉浓度测量技术分析
目前，锅炉一次风煤粉浓度在线测量有很多方法，归纳起来大致可分为两类，即直接法和间接法。
2．1 直接法
直接法主要有微波法、光电检测法、激光法和超声波法［1］。
2．1．1 微波法
微波法的测量原理是：在输粉管路中用法兰装接一段测量管，沿煤粉流动方向按一定角度（大于90°）对应倾斜布置微波发生器和微波接收器。微波在测量管内与煤粉管颗粒碰撞时会引起波束衰减。通过测量其衰减值即可反应煤粉的浓度。本方法是欧洲新近公布的一项专利技术，设备安装精度要求高，管内不可避免地存在死区，测量装置处于研制阶段，暂时还无法推广使用。
2．1．2 光－电测量法
光－电检测法的原理是：用光纤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、模数转换后进行计算分析，最终得到微粒的浓度值。其基本形式有反射式和透射式。其测量精度主要受光纤探头的结构、被测量微粒的直径、煤粉浓度的高低影响，探头是否被污染也直接影响到测量的准确性。同时，仪器存在着价格高、校核难的问题，因此在工厂使用中推广有较大的难度。
2．1．3 激光法
激光法测量原理是：激光通过煤粉和空气混合流动体系时，将同时受到空气分子和煤粉粒子的散射与吸收。对于煤粉这种特殊颗粒，其吸收率近似于黑体，它们对光波衰减相当强，其等效直径要比气体分子直径大若干数量级，而空气分子的散射和吸收作用相对而言可忽略不计。因此，测量激光穿过煤粉管道的透过率，即可测得煤粉相应的浓度。但该方法因受工作环境及设备造价等因素影响而少有电厂应用。
2．1．4 超声波法
超声波法测量煤粉浓度是在输送煤粉管道的两个对应表面上装设超声波传感器，第一对传感器用来测定超声波脉冲沿两个方向（与计算流速的流向约成45°）的传输时间，平装的第二对传感器用来测定垂直于流向传输的超声波衰减，其衰减受空气紊流和煤粉浓度两者影响。为了测量煤粉的浓度，需对紊流效应进行校正。在实际测量中，可用β射线予以校正。由于传感器价格低廉，可布置多对传感器而取其平均值。目前此法已有工业应用实例。
2．2 间接法
间接法是目前研究较多的测量方法，也称为热力学方法。其测量原理均基于能量守恒定律、连续性方程、动量定律，并在一定假设基础上进行简化，建立相应数学模型。实际工程中，通常以风粉混合物中煤粉的质量分数来反映煤粉的浓度。其假设条件如下：
a）气－粉混合物在管道中的流动为稀疏相流动；
b）煤粉颗粒较均匀分布在管道中，测量时可获得所有煤粉粒子的平均特性，如速度、温度、压力；
c）一次风中煤粉混合物的流动处于旺盛的紊流状况，煤粉粒子具有相同的尺寸，且均为球形；
d）气－粉两相流中煤粉颗粒的运动视为一种特殊的流体，它在管道中运动也有磨擦阻力和局部阻力，其引起的压损分别服从达西公式及局部损失的一般计算公式；
e）在确定纯气流的压力损失时，忽略固相物料所占的容积，按单相气流的压力损失来计算；
f）忽略一次风管的散热损失。
间接法在实际测量中，由于一次测量元件是电厂常用的温度、压力和压差等测量元件，而该参数也是电厂运行中的基本参数，只要测点位置合理，不需另外安装传感器。只需应用相应的数学模型做一定的数据处理，即可得到风管中的煤粉质量分数。其主要有能量法、压差法和温度法。
2．2．1 能量法
能量法测量原理是：在一次风管中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可近似看作混合物的流动动能和静压力之和。由于混合过程中存在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、温度等其它条件一定的情况下，空气和煤粉混合比例的不同必然引起混合前后气、固两相流体静压差 的不同。因此，只要测出煤粉混合前空气的流速和静压力以及混合前后的温度和静压，通过联立求解热力学偏微分方程组，就可得到相应的煤粉质量分数。
2．2．2 压差法
压差法的测量原理是：煤粉从给粉机落入一次风管后，在一次风速的作用下逐渐被加速，理论上说，煤粉的水平速度最终将与一次风速相同，亦即风粉之间水平方向不再有相对速度，且煤粉与一次风之间的热交换已经完成，风粉进入相对稳定的流动状态。如图1中的2－2截面，此处的风粉速度、压力、温度分别记作v2，p2，T2。在风粉混合过程中，系统的静压不断减小，温度逐步降低，最后达到气粉混合温度。在前述假设的基础上，应用动量定律、伯努利方程、气体状态方程联立求解，并通过测量局部、沿程阻力损失，由此可求出煤粉的质量分数。
2．2．3 温度法
温度法测量也是在上述假设的情况下考虑混合后风粉混合物的温度与煤粉质量分数的对应关系，求出相应煤粉的质量分数。因忽略了其它因素的影响，且温度的测量存在着滞后，也必然导致浓度滞后，所以此方法只是一个近似的质量分数测量法。但由于测量参数少，且不考虑压差影响，而使一次测量元件简单易行，解决了取样管堵塞和漏气等难题。在实测中，其显示的煤粉质量分数变化趋势，与其它方法测量的结果基本一致。因此，在电厂运行中，对四角火嘴风粉调平、上下火嘴风粉调差有着直接的指导作用。
2．2．4 三种间接法测量技术的比较
三种间接法测量一次风煤粉质量分数技术比较如表1。在实际测量中，由于上述假设的存在及现场测点布置时受空间位置的限制，煤粉质量分数测量值离实际值往往有一定的差别，但其变化趋势基本一致。对于指导电厂运行，满足一次风煤粉质量分数的测量意义来说，间接法的测量精度已经足够，关键问题是解决在实际中困扰正常测量存在的问题。
3 间接法测量存在的问题及解决措施
火电厂一次风煤粉浓度的测量目前应用较多的依然是间接法。尽管间接法已广泛使用，但在电厂实测中仍然有许多技术问题困扰着生产。根据现场调试经验，采用间接法测量时要处理好以下几个问题。
3．1 测点选择问题
空气与煤粉混合前的测点选择较易选定，而混合后测点位置要求满足以下条件：
a）煤粉与空气充分混合且分布均匀；
注：T0为煤粉混合前温度；cc为煤粉的质量热容；ca为空气的质量热容；p1为混合前风压；p2为风粉混合均匀后的压力；T1为混合前风温；T2为风粉混合均匀后的温度；Δp为p1和p2之差；wc为煤粉质量分数；ρa为热空气的密度；ρc为混合前煤粉密度；pf，L为两测点间的沿程阻力损失；pf，p为两测点间的局部阻力损失；L为两压力测点间的距离；D为两相流粉管的直径；k为综合比例系数。
b）煤粉与空气具有相同流速，即一次风与煤粉的相对速度为0；
c）2－2测点截面以后热的一次风与冷的煤粉之间热交换已经完成，且混合温度基本不再变化；
d）2－2测点截面以后的一次风压降只有两相流体的沿程阻力损失产生，即压降与管长成线性关系。
从理论上讲，2－2测点截面的选择离1－1测点截面距离越远越好，在两点之间无转弯、支管、风门等干扰，但实际上要做到这一点是十分困难的。即使是常规风量测量所要求的8 D（D为管道当量直径）条件，也难以满足。因此在测点选择时，尽可能选在前后扰动较少的直管段上，并选用对直管段长度要求小的测量装置。
3．2 测量装置的选择
间接法测量首先要准确测定粉气混合前后的压力和压差。常用测量阻件有圆形孔板、月牙形孔板和文丘里管、机翼测量装置。根据相似准则进行模化对比试验［2］可知，输粉气流流经节流元件时，其压力损失主要取决于：节流体前后空气与粉粒的涡流损失；煤粉对管壁的冲击和磨擦损失；煤粉之间的磨擦损失；煤粉由于惯性冲击节流装置所产生的动能损失。动能损失是输粉附加阻力的组成部分，它的大小取决于煤粉的浓度，而涡流损失取决于节流元件的节流比。
上述节流阻件在实际安装中，为了满足前述假设条件，减少测量误差及所测结果的剧烈波动，采用圆形、月牙形孔板，要求前、后直管段长度必须为（8～10）D和4 D；采用文丘里管要求8 D左右。由于受现场炉前空间的限制，一般很难满足上述直管段长度的要求。而机翼型测量装置所要求的安装条件相当宽松，只要求在装置前具有0．6 D的直管道长度。因此，在测量时，建议优先选用机翼形测量装置，其次选用文丘里管。
3．3 气流分布不均问题
由于在测量管段中受转弯、风门挡板及其它因素影响，煤粉气流在管内流动状况因扰动而出现分布不均，必然导致速度、压力测量的不稳定。为了解决此问题，在以往实际工作中，笔者采用转弯处加装导流肋板、在测量装置前加装稳流栅的方法，改善测量流场分布不均问题，如图2所示。在差压输出端加装稳压筒，增加机械阻力，由此提高测量系统的稳定性和准确性，其效果也较为显著。
3．4 测孔堵塞、取样管泄漏问题
由于一次风携带大量煤粉颗粒，测量装置测孔会经常被一次风携带粉尘堵塞，不能进行正常测量。可在测量现场就近引入压缩空气，并安装切换阀，由维护人员进行定期冲排积灰，压力取样管安装完毕应作压力检漏试验，防止取样管泄漏而引起测量误差。
3．5 测温元件防磨损问题
在一次风煤粉管中，由于煤粉颗粒的冲刷，热电偶易被磨损，因此实际测量中，应选用耐磨铠装热电偶，并定期进行一次元件维护。
4 结论
a）一次风煤粉浓度测量有许多办法，但在实际运行中，采用间接法（即能量法、压差法、温度法）测量煤粉质量分数较具有实用性。
b）间接法中的压差法、能量法测量简化较少，测量参数多而较接近煤粉真值；温度法测量简单，误差较大，但其变化趋势也反映了煤粉质量分数的变化，在煤粉浓度调平、调差控制中也能满足运行要求。
c）要解决现场测量一次风煤粉质量分数的技术问题，其关键是在测量装置选择、测点选取、测量系统稳定性及防磨防堵方面采用一定技术手段。
参考文献
［1］蔡小舒，潘咏志，吴伟亮，等．电厂煤粉粒径、浓度和速度的在线测量技术研究［J］．动力工程，1999，19（6）：466—470．
［2］刘定平，裴振林．高炉煤气在200 MW电站锅炉中的研究应用［J］．中国电力，2002，35（3）：16—19．
［3］艾卫国，余战英，徐通模，等．煤粉浓度测量阻件性能比较的试验研究[J].动力工程.2000,20(5):892-895.
［4］王强，周乃君，徐顺生，等．煤粉浓度在线监测系统的研究与开发［J］．湘潭矿业学院学报，2002，17（1）：18—21．
［5］周力行.湍流气粒两相流动和燃烧的理论与数值模拟[M].陈文芳,林文猗译.北京:科学出版社,1994.
[6] SHAFFER F D.Analysis of ventury performance gas-particle flows［J］．ASME．J．ofFluids Engineering，I，1990，112（3）：