基于微波的一次风管道煤粉浓度检测在辽宁东方发电厂的应用

基于微波的一次风管道煤粉浓度检测在辽宁东方发电厂的应用

天罡1陈立东1姜萍1李忠春1张坤鹏2徐刚

（1、国家电投辽宁东方发电有限公司辽宁抚顺113007；

2、国家电投吉林电力股份有限公司吉林松花江热电有限公司吉林吉林132011）

摘要：一次风管道煤粉浓度是影响炉内燃烧工况稳定和锅炉燃烧效率的重要原因之一。本文提出了基于微波衰减法的一次风管道的煤粉浓度测量方法，给出了测量原理和系统构成，并应用于现场的煤粉浓度测量。经现场测试，该系统可以用于检测煤粉浓度，且具有较高的精度。对于提高火电厂的经济性和安全性具有较好的作用，具有一定的推广价值。

关键词：微波衰减；煤粉浓度检测；一次风管道；火电厂

前言

一次风管道煤粉浓度是影响炉内燃烧工况稳定和锅炉燃烧效率的重要原因之一，当一次风管道的煤粉浓度较高时，若一次风速过低，煤粉会出现堵管的情况，此时，锅炉燃烧喷嘴的火焰会向喷嘴靠近、烧坏喷嘴。当堵管比较严重时，甚至会发生一次风管起火的现象。而当一次风管浓度较低时，若一次风速过高，离散相对管道设备的压力过大，这会磨损设备，使其提前损坏，同时煤粉供应量不足会造成喷嘴熄火的情况，增加事故率。若同一层各个一次风管的煤粉浓度分配不均匀，会导致煤粉不能够完全燃烧，出现大量的锅炉排渣量，同时电厂的飞灰含碳量增加，甚至还会排放出大量的氮氧化物以及硫化物等。因此，研究一种能精确检测一次风管道煤粉浓度的测量系统是非常重要的。

辽宁东方发电有限公司位于辽宁省抚顺市，距抚顺市区约16公里，电厂现有两台350MW机组。锅炉为哈尔滨锅炉厂生产的HG-1165/17.45-YM1型锅炉。锅炉为单炉膛，采用摆动式直流燃烧器、四角布置、切向燃烧方式，两台炉分别于2005年1月和6月投产。

入厂煤以褐煤为主，主要有霍林河、西乌、扎哈左耳、赤峰等地。部分时段参烧烟煤，参烧比例小于30%。烟煤主要有铁法、抚矿粉煤、抚矿地方煤等。每台炉配置5台上海重型机器厂生产的HP863型中速磨煤机，设计运行方式是4台运行，1台备用。目前该厂没有风粉在线检测设备，采用旧式的测量方法或根据跟人经验来判断一次风管道煤粉浓度，其无法准确、及时的获取管道内煤粉浓度的信息，无法保证锅炉经济及环保的运行，严重是甚至影响锅炉的安全。

为提高现场的自动化水平和管理水平，比较了现有的检测方法的特点和优劣，选择基于微波的一次风粉在线检测系统。

1、系统工作原理及组成

微波衰减法是利用管道内流动煤粉对微波的吸收作用使其衰减来进行测量的。当一次风管道内只有空气时，因为空气和真空一样不会使微波产生衰减，此时的一次风管道可认为是一种均匀无耗传输线。当一次风管道内吹入煤粉时，煤粉是一种有损介质，当微波在含有煤粉介质的管道内传输时会产生色散和衰减。

对于混合物来说，介电常数ε、磁导率μ不仅与混合物的成分有关，还与混合物的各成分体积比有关。对于空气-煤粉两相流来说，在测量过程中煤粉的煤质和微波测量频率是不变的，所以当微波在空气-煤粉两相流管道中传输时，其衰减常数只与混合物体积比（质量比）即煤粉浓度有关。这样，在一定距离L下测量微波的衰减常数就可以唯一确定出煤粉浓度值。其测量系统结构图1所示。

从微波圆波导理论出发，将一次风管道看作有耗波的导电壁圆波导，采用圆波导特征方程进行模型求解，其产生的衰减可以通过计算波导单位长度的功率损耗得出。

波导中的传输功率为：

式中，n—煤粉的质量浓度；—空气介电常数，其值约为1；—煤粉介电常数，其值约为2.7。

综上，可以得出衰减功率电压有效值U与浓度n之间的关系。

2、现场安装及调试

经现场测试，并已采集相关数据进行数据分析，且与现场的DCS运行数据曲线进行比较，表明测试数据和现场运行趋势基本一致。如图2所示。

图2测试结果与DCS运行数据比较

3、应用效果分析

2015年我国火电平均发电煤耗320克标准煤/千瓦时，以一台300MW机组，年运行5500小时，若提高机组效率0.3%，年节约标煤1650吨；相应地年减排粉尘32.4吨，减排CO21240吨，减排SO219.45吨；同时减低NOX排放20%左右，降低脱硝系统的运行费用和负担。可实现提高生产效率、增强生产安全、降低排放，具有显著的产业前景和社会、生态效益。

4、结论

本系统基于微波衰减方法的火电厂一次风粉煤粉质量流量测量方法，理论依据充分，系统构建合理，可以提供准确有效的煤粉质量流量检测手段，可以满足当前国家最新的规程要求，为电厂的优化燃烧提供及时、准确的科学依据。

参考文献：

[1]陈立军，杨以光，姜其峰，等.电厂一次风管道煤粉速度和浓度间接法测量技术的研究现状[J].化工自动化及仪表，2016，（3）：223-226.

[2]朱芳波.电站锅炉煤粉浓度的微波测量方法研究[D].南京：南京理工大学，2007.

[3]秦授轩，蔡小舒.在线测量煤粉粒度分布和浓度的实验研究[J].中国电机工程学报，2010，30（32）：30-34.

[4]江华东．微波固体流量计在煤粉测量中的应用［J］．石油化工自动化，2009，45（3）：54-55．

[5]吴伟亮．气固两相流测量技术及在电厂煤粉管道在线监测应用的研究［D］．上海：上海理工大学，1999．

作者简介：

天罡，男，1973年12月出生，中共党员，研究生学历，高级工程师，现任辽宁东方发电有限公司董事长、总经理、党委副书记。