风粉在线测量及均衡系统

一、概述

随着我国科学技术不断的发展，精细化管理与人工智能相结合的智慧化管理，是今后电站锅炉燃烧优化系统发展的必然趋势。

锅炉是火力发电厂三大主要设备之一，它安全高效的运行对整个电厂的运行关系重大。要实现锅炉的优化燃烧，调整锅炉的燃烧工况，就必须有准确可靠的测量和调整手段。我公司研发的全新一代KNWP型（无线传输煤颗粒物状态分析系统）采用无线传输多点电荷感应技术和数字信号处理技术，一次风煤粉流在线调平技术，实现了各种炉型上的一次风管道内煤粉浓度、流速及细度的实时在线测量及智能调平，为锅炉优化燃烧和安全运行提供了可靠的依据。

 二、无线传输风粉在线测量

2.1 动态电荷感应信号无线传输原理

动态电荷感应信号无线传输采用了无线通信技术，通过使用高扩频因子，将测量数据通过大范围的无线电频谱传输出去。扩频因子越高，越多数据可从噪音中提取出来。在一个运转良好的GFSK接收端，可靠地解调信号，以及配置AngelBlocks的方式解调信号 。无需依靠基站模式传输，通过无线发射模块自身传输无线信号，最远通信距离可达15Km以上。并且采用了前向纠错编码技术给待传输数据序列中增加了一些冗余信息，数据传输进程中注入的错误码元在接收端就会被及时纠正。电荷感应信号无线传输通信技术融合了数字扩频、数字信号处理和前向纠错编码技术，能过适应任何复杂工况下使用。

2.2 动态电荷感应技术测量煤粉浓度原理

煤块在磨煤机中被研磨、碾压成煤粉颗粒的过程中，以及煤粉在气力输送过程中，粉体颗粒总是要和管壁发生碰撞、摩擦和分离，粉体颗粒与颗粒之间，也要发生碰撞、摩擦和分离。这样大量的紧密接触和分离的过程，能够使粉体带上相当数量的电荷。而带电煤粉颗粒会产生一定的电场，当带电煤粉颗粒通过感应探头时，处于电场中的感应探头表面产生等量感应电荷，大量带电煤粉流过感应探头时，在感应探头上形成感应电流，感应电流的大小与流经感应探头的煤粉质量流量颗粒度有关，将感应电流作为测量信号，对该信号进行处理和分析，就可以得到煤粉的浓度信号，如图1所示。

 图1电荷感应示意图

2.3 动态电荷感应技术测量煤粉流速原理

图2煤粉流速的电荷感应测量方案

如图2所示，在煤粉管道中安装两个特性相同、相距为L电荷感应探头，当煤粉流过管道时，由于煤粉颗粒之间的摩擦，产生了电荷场，电荷的变化引起了两处探头的输出信号Vx(t) 和 Vy(t)的变化。电荷信号分别经过感应、放大、滤波后输出到信号采集处理单元。信号采集处理单元对信号进行相关处理，最后通过计算机运算处理得到相关流速 Vc。

图3相关法示意图

2.4 动态电荷感应技术测量煤粉细度原理

基于库尔特原理电荷感应技术测量煤粉细度，煤粉管道内的煤粉颗粒及体积大小不同，其所带电荷量也不同；当不同颗粒和体积大小的煤粉流过传感器时，所产生的脉冲信号即电压幅值也不同，脉冲信号的大小和次数与颗粒的大小和数目成正比，根据不同的脉冲信号次数和电压幅值测算出不同煤粉颗粒的大小。

煤粉细度采用R75、R90、R200等标准设计，可更据不同的要求采用对应的测量标准。

2.5 产品特点

2.5.1 实时在线无线数据传输

（1）无线传输单元采用自组网模式，无需依靠基站和流量卡；

（2）无线传输单元采用数字扩频、数字信号处理和前向纠错编码技术，能够长距离传输，低功耗运行、抗干扰能力强；

（3）现场信号采集和传输无需采用传统有线方式实现。

2.5.2 实时在线数据采集

（1）传感器采用耐磨陶瓷一体化成型技术制造而成，信号采集更具一致性；

（2）整个系统采用EMC电磁兼容设计，不受外界环境干扰，数据传递更准确；

（3）传感器现场无需气源密封和反吹以及电源接入，完全采用被动式电荷感应，免除供电带来的不安全因素，以及采用气源清洁和密封的测量不可靠因素。

2.5.3 实时在线数据分析

（1）整个系统采用动态电荷感应矩阵式布局，多组互相关算法，测量精度更高；

（2）整个系统均采用数字信号处理和分析，响应周期更短，单次采集与处理数据量为50K/S(50*1024)，处理数据量更大，精度更高；

（3）整个系统基于NI公司专业测控软件平台开发，测控更专业。

2.5.4 实时在线数据监测

（1）实时在线监测一次风粉管内煤粉浓度和速度以及细度；

（2）实时监测每台磨煤机到一次风粉管的煤粉分配情况；

（3）实时监测锅炉每层一次风粉管的煤粉运行情况；

（4）实时跟踪探测各个煤粉管道中煤粉流量的不稳定现象；

（5）实时以曲线、棒图和数据形式显示煤粉浓度和速度以及细度；

（6）辅助诊断一次风粉管内堵粉、断粉及煤粉沉积现象；

（7）曲线、棒图、历史查询与数据记录，浓度、流速、细度的超限报警。

2.6 无线传输风粉在线监测系统组成

KNWP无线传输煤颗粒物状态分析系统主要由无线传输单元、矩阵式信号感应单元、信号采集单元、信号处理单元、控制单元等组成。

2.6.1 无线传输单元

无线传输单元采用无线通信技术，集成了数字扩频、数字信号处理和前向纠错编码技术等最前沿的国际先进技术，能过适应不同工况条件使用。现场无需拉通信电缆，大大减少了现场工程量。随着科学技术的不断发展，以及先进技术的应用，未来电厂实现智慧化、智能化乃是大势所趋。因此，无线传输通信技术是未来发展智慧化电厂的基础。

2.6.2 矩阵式信号感应单元

如图4所示，矩阵式传感器布设示意图。矩阵式信号感应单元采用多组传感器，依据机组和现场工况情况，经过专业软件(CFD流场模拟)模拟现场管道流场情况；将传感器按照一定要求排列有序的布置在煤粉管道上，并且采用矩阵式布设，防止监测有死角。即采用全截面矩阵式布设，能够有效的全截面监测整个煤粉管道内的煤粉浓度和速度以及细度。

图4矩阵式传感器布设

2.6.3 信号采集单元

信号采集单元采用多通道以及军用级快速安装式设计，多通道设计有益于现场信号采集和增大数量采集，快速安装式设计便于现场调试和后期的维护，系统任何部件维护均可在线维护，无需切换磨煤机和停磨维护，及不受锅炉负荷影响。

2.6.4 信号处理单元

信号处理单元采用FPGA和ARM相结合的高端信号数字处理，可以满足任何工况和环境的使用，且不受环境因素和负荷工况的影响。可根据不同工况和应用环境设置不同模式，保证其现场工作稳定和可靠。

2.6.5 控制单元

风粉在线监测界面示意图。控制单元基于主要由工业计算机与系统软件构成；系统软件是基于NI公司（美国国家仪器）专业测控主态软件平台开发，专业的测控软件无论界面显示还是测量控制、以及实时监测、数据查询，都比较完善和可靠。

2.7 KNWP无线传输风粉在线测量优势

2.7.1 KNWP无线传输风粉在线测量系统采用全新的无线传输通信技术和FPGA，以及ARM相结合的数字信号处理；在实际工作中能够同时处理多组数据，以及在单位时间内数据处理量，与传统的风粉在线监测信号处理单元相比，其处理速率高处数十倍。即KNWP无线传输煤颗粒物状态分析系统，单位时间内采集数据量和处理数据量可成倍提高，数据量的处理能力决定其监测数据准确性和响应时间。因此新一代风粉状态监测完全采用数字化信号处理和矩阵式传感器相结合，以及多组互相关算法为一体的先进、可靠的监测系统。

2.7.2 KNWP风粉在线测量系统，是基于NI公司（美国国家仪器）专业测控主态软件平台开发。而国内较多的风粉在线监测厂家采用VB系统开发和控制，由于VB系统开发环境的限制，很难满足现阶段机组容量大和锅炉负荷变化带来大数据量的处理。因此全新一代的风粉在线监测主控系统，采用基于美国NI公司的主态专业测控软件平台开发，可实时在线处理大批量数据和人性化显示界面，以及实时查询历史数据。

2.7.3 动态电荷感应测量技术，基干管道内风粉流动感应信号作为测量基础，每组传感器可360度立体感应风粉管道内的风粉流动信号。因此，动态电荷感应测量技术，采用了国际先进的360度立体动态感应测量技术，属于第五代测控技术，测量精度能够达到2%以内，并且采用了高速数字信号处理与采集单次采集数据量可达40K/S。

2.7.4 此方式先进的第五代技术即动态电荷感应测量技术，该技术采用动态电荷感应测量原理。研究表明，当带电体表面的电荷不仅通过表面和体内泄放，而且也向空气泄放，在高湿度的环境中，当带电体表面的电荷密度很高时，电荷会极速的向空气中泄放。静电，是一种处于静止状态的电荷或者说不流动的电荷，而流动的电荷会形成电流。动态电荷测量原理即测量粉管内的感应电流，即动态电荷。

2.8 无线传输风粉在线监测主要参数

三、一次风煤粉流自动调节装置

3.1 设备原理

一次风煤粉流自动调节装置能够针对一次风粉管内的煤粉浓度与速度进行在线调整，从而使每台磨煤机出口粉管内的煤粉速度达到相对平衡，并能有效改善各粉管内煤粉均匀性，为锅炉实现优化燃烧提供在线调节手段。

装置示意图

3.2 装置设计

一次风煤粉流自动调节装置采用新型导流孔设计原理，运行方式采取连续运行。安装时需要在机组的每台磨煤机的各个粉管上加装煤粉流自动调节装置。 

3.3 装置构成及原理

一次风煤粉流自动调节装置包含煤粉均衡器、电动执行机构等。利用新型导流孔设计原理，通过调整导流叶片角度调节磨煤机粉管内的煤粉流量及流速大小，对流场进行重新梳理，以达到每台磨煤机出口粉管内的煤粉速度相对平衡，并改善各粉管内煤粉的均匀性。煤粉流自动调节装置与煤粉有直接接触的部位均采用特殊和加厚耐磨材质，从而保证设备正常使用，在一个大修期内无明显磨损，受煤粉直接冲刷的导流叶片耐磨周期大于三年。并且设计时，电站锅炉煤粉流自动调节装置满足一次风粉管温度、压力等工况要求，且最小通流面积不小于原60%，即使装置全部关断，由于叶片上有设置很多导流孔，也保证大部分煤粉能正常通过，不会堵塞一次风管，确保制粉系统的安全运行。

四、一次风煤粉流智能调平软件

软件主要机理是采集一次风粉浓度及速度数据以及均衡装置开度等相关信息进行运算，根据计算结果控制煤粉流自动调节装置进行调节，以达到磨煤机各出口粉管内的煤粉速度、浓度相对平衡，并将相应数据送到DCS系统。

软件设计：软件主要采用PLC语言设计，通过通信机制采集相应数据完成运算，并起到控制煤粉流自动调节装置的作用调平软件具备以下功能：

（1）与测量系统保持实时通信，读取煤粉浓度及速度实时数据；

（2）实时读取煤粉流自动调节装置的开度信号，并自动调节煤粉流自动调节装置开度；

（3）对磨煤机出口的各个粉管进行偏差运算，通过调控达到磨煤机各出口粉管内的煤粉速度、浓度相对平衡；

（4）实时显示各粉管内的浓度、速度以及煤粉流自动调节装置开度的数值；

（5）具备历史数据存储及查询功能；

（6）具有与DCS通信接口；

（7）具备系统故障报警功能。

五、效益分析

合理的风粉配比可以有效保障电站锅炉全工况均衡燃烧运行，提升锅炉运行的经济性、安全性和环保性能。应用结果表明，电站锅炉正常负荷运行时，通过合理调配风粉配比，机组供电煤耗可以降低0.4~1.5g/KWh左右；NO_x可以降低排放10~20%左右，从而有效降低脱硝装置的运行成本,同时能有效降低锅炉及制粉系统设备损耗及维修费用。预计使用该系统后，每台300MW及以上机组每年可节约直接和间接费用200万元以上。