風(fēng)粉在線測(cè)量及均衡系統(tǒng)

一、概述

隨著我國(guó)科學(xué)技術(shù)不斷的發(fā)展，精細(xì)化管理與人工智能相結(jié)合的智慧化管理，是今后電站鍋爐燃燒優(yōu)化系統(tǒng)發(fā)展的必然趨勢(shì)。

鍋爐是火力發(fā)電廠三大主要設(shè)備之一，它安全高效的運(yùn)行對(duì)整個(gè)電廠的運(yùn)行關(guān)系重大。要實(shí)現(xiàn)鍋爐的優(yōu)化燃燒，調(diào)整鍋爐的燃燒工況，就必須有準(zhǔn)確可靠的測(cè)量和調(diào)整手段。我公司研發(fā)的全新一代KNWP型（無(wú)線傳輸煤顆粒物狀態(tài)分析系統(tǒng)）采用無(wú)線傳輸多點(diǎn)電荷感應(yīng)技術(shù)和數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)，一次風(fēng)煤粉流在線調(diào)平技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了各種爐型上的一次風(fēng)管道內(nèi)煤粉濃度、流速及細(xì)度的實(shí)時(shí)在線測(cè)量及智能調(diào)平，為鍋爐優(yōu)化燃燒和安全運(yùn)行提供了可靠的依據(jù)。

 二、無(wú)線傳輸風(fēng)粉在線測(cè)量

2.1 動(dòng)態(tài)電荷感應(yīng)信號(hào)無(wú)線傳輸原理

動(dòng)態(tài)電荷感應(yīng)信號(hào)無(wú)線傳輸采用了無(wú)線通信技術(shù)，通過(guò)使用高擴(kuò)頻因子，將測(cè)量數(shù)據(jù)通過(guò)大范圍的無(wú)線電頻譜傳輸出去。擴(kuò)頻因子越高，越多數(shù)據(jù)可從噪音中提取出來(lái)。在一個(gè)運(yùn)轉(zhuǎn)良好的GFSK接收端，可靠地解調(diào)信號(hào)，以及配置AngelBlocks的方式解調(diào)信號(hào) 。無(wú)需依靠基站模式傳輸，通過(guò)無(wú)線發(fā)射模塊自身傳輸無(wú)線信號(hào)，最遠(yuǎn)通信距離可達(dá)15Km以上。并且采用了前向糾錯(cuò)編碼技術(shù)給待傳輸數(shù)據(jù)序列中增加了一些冗余信息，數(shù)據(jù)傳輸進(jìn)程中注入的錯(cuò)誤碼元在接收端就會(huì)被及時(shí)糾正。電荷感應(yīng)信號(hào)無(wú)線傳輸通信技術(shù)融合了數(shù)字?jǐn)U頻、數(shù)字信號(hào)處理和前向糾錯(cuò)編碼技術(shù)，能過(guò)適應(yīng)任何復(fù)雜工況下使用。

2.2 動(dòng)態(tài)電荷感應(yīng)技術(shù)測(cè)量煤粉濃度原理

煤塊在磨煤機(jī)中被研磨、碾壓成煤粉顆粒的過(guò)程中，以及煤粉在氣力輸送過(guò)程中，粉體顆粒總是要和管壁發(fā)生碰撞、摩擦和分離，粉體顆粒與顆粒之間，也要發(fā)生碰撞、摩擦和分離。這樣大量的緊密接觸和分離的過(guò)程，能夠使粉體帶上相當(dāng)數(shù)量的電荷。而帶電煤粉顆粒會(huì)產(chǎn)生一定的電場(chǎng)，當(dāng)帶電煤粉顆粒通過(guò)感應(yīng)探頭時(shí)，處于電場(chǎng)中的感應(yīng)探頭表面產(chǎn)生等量感應(yīng)電荷，大量帶電煤粉流過(guò)感應(yīng)探頭時(shí)，在感應(yīng)探頭上形成感應(yīng)電流，感應(yīng)電流的大小與流經(jīng)感應(yīng)探頭的煤粉質(zhì)量流量顆粒度有關(guān)，將感應(yīng)電流作為測(cè)量信號(hào)，對(duì)該信號(hào)進(jìn)行處理和分析，就可以得到煤粉的濃度信號(hào)，如圖1所示。

 圖1電荷感應(yīng)示意圖

2.3 動(dòng)態(tài)電荷感應(yīng)技術(shù)測(cè)量煤粉流速原理

圖2煤粉流速的電荷感應(yīng)測(cè)量方案

如圖2所示，在煤粉管道中安裝兩個(gè)特性相同、相距為L(zhǎng)電荷感應(yīng)探頭，當(dāng)煤粉流過(guò)管道時(shí)，由于煤粉顆粒之間的摩擦，產(chǎn)生了電荷場(chǎng)，電荷的變化引起了兩處探頭的輸出信號(hào)Vx(t) 和 Vy(t)的變化。電荷信號(hào)分別經(jīng)過(guò)感應(yīng)、放大、濾波后輸出到信號(hào)采集處理單元。信號(hào)采集處理單元對(duì)信號(hào)進(jìn)行相關(guān)處理，最后通過(guò)計(jì)算機(jī)運(yùn)算處理得到相關(guān)流速 Vc。

圖3相關(guān)法示意圖

2.4 動(dòng)態(tài)電荷感應(yīng)技術(shù)測(cè)量煤粉細(xì)度原理

基于庫(kù)爾特原理電荷感應(yīng)技術(shù)測(cè)量煤粉細(xì)度，煤粉管道內(nèi)的煤粉顆粒及體積大小不同，其所帶電荷量也不同；當(dāng)不同顆粒和體積大小的煤粉流過(guò)傳感器時(shí)，所產(chǎn)生的脈沖信號(hào)即電壓幅值也不同，脈沖信號(hào)的大小和次數(shù)與顆粒的大小和數(shù)目成正比，根據(jù)不同的脈沖信號(hào)次數(shù)和電壓幅值測(cè)算出不同煤粉顆粒的大小。

煤粉細(xì)度采用R75、R90、R200等標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，可更據(jù)不同的要求采用對(duì)應(yīng)的測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)。

2.5 產(chǎn)品特點(diǎn)

2.5.1 實(shí)時(shí)在線無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸

（1）無(wú)線傳輸單元采用自組網(wǎng)模式，無(wú)需依靠基站和流量卡；

（2）無(wú)線傳輸單元采用數(shù)字?jǐn)U頻、數(shù)字信號(hào)處理和前向糾錯(cuò)編碼技術(shù)，能夠長(zhǎng)距離傳輸，低功耗運(yùn)行、抗干擾能力強(qiáng)；

（3）現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)采集和傳輸無(wú)需采用傳統(tǒng)有線方式實(shí)現(xiàn)。

2.5.2 實(shí)時(shí)在線數(shù)據(jù)采集

（1）傳感器采用耐磨陶瓷一體化成型技術(shù)制造而成，信號(hào)采集更具一致性；

（2）整個(gè)系統(tǒng)采用EMC電磁兼容設(shè)計(jì)，不受外界環(huán)境干擾，數(shù)據(jù)傳遞更準(zhǔn)確；

（3）傳感器現(xiàn)場(chǎng)無(wú)需氣源密封和反吹以及電源接入，完全采用被動(dòng)式電荷感應(yīng)，免除供電帶來(lái)的不安全因素，以及采用氣源清潔和密封的測(cè)量不可靠因素。

2.5.3 實(shí)時(shí)在線數(shù)據(jù)分析

（1）整個(gè)系統(tǒng)采用動(dòng)態(tài)電荷感應(yīng)矩陣式布局，多組互相關(guān)算法，測(cè)量精度更高；

（2）整個(gè)系統(tǒng)均采用數(shù)字信號(hào)處理和分析，響應(yīng)周期更短，單次采集與處理數(shù)據(jù)量為50K/S(50*1024)，處理數(shù)據(jù)量更大，精度更高；

（3）整個(gè)系統(tǒng)基于NI公司專業(yè)測(cè)控軟件平臺(tái)開(kāi)發(fā)，測(cè)控更專業(yè)。

2.5.4 實(shí)時(shí)在線數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)

（1）實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)一次風(fēng)粉管內(nèi)煤粉濃度和速度以及細(xì)度；

（2）實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)每臺(tái)磨煤機(jī)到一次風(fēng)粉管的煤粉分配情況；

（3）實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)鍋爐每層一次風(fēng)粉管的煤粉運(yùn)行情況；

（4）實(shí)時(shí)跟蹤探測(cè)各個(gè)煤粉管道中煤粉流量的不穩(wěn)定現(xiàn)象；

（5）實(shí)時(shí)以曲線、棒圖和數(shù)據(jù)形式顯示煤粉濃度和速度以及細(xì)度；

（6）輔助診斷一次風(fēng)粉管內(nèi)堵粉、斷粉及煤粉沉積現(xiàn)象；

（7）曲線、棒圖、歷史查詢與數(shù)據(jù)記錄，濃度、流速、細(xì)度的超限報(bào)警。

2.6 無(wú)線傳輸風(fēng)粉在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)組成

KNWP無(wú)線傳輸煤顆粒物狀態(tài)分析系統(tǒng)主要由無(wú)線傳輸單元、矩陣式信號(hào)感應(yīng)單元、信號(hào)采集單元、信號(hào)處理單元、控制單元等組成。

2.6.1 無(wú)線傳輸單元

無(wú)線傳輸單元采用無(wú)線通信技術(shù)，集成了數(shù)字?jǐn)U頻、數(shù)字信號(hào)處理和前向糾錯(cuò)編碼技術(shù)等最前沿的國(guó)際先進(jìn)技術(shù)，能過(guò)適應(yīng)不同工況條件使用?，F(xiàn)場(chǎng)無(wú)需拉通信電纜，大大減少了現(xiàn)場(chǎng)工程量。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，以及先進(jìn)技術(shù)的應(yīng)用，未來(lái)電廠實(shí)現(xiàn)智慧化、智能化乃是大勢(shì)所趨。因此，無(wú)線傳輸通信技術(shù)是未來(lái)發(fā)展智慧化電廠的基礎(chǔ)。

2.6.2 矩陣式信號(hào)感應(yīng)單元

如圖4所示，矩陣式傳感器布設(shè)示意圖。矩陣式信號(hào)感應(yīng)單元采用多組傳感器，依據(jù)機(jī)組和現(xiàn)場(chǎng)工況情況，經(jīng)過(guò)專業(yè)軟件(CFD流場(chǎng)模擬)模擬現(xiàn)場(chǎng)管道流場(chǎng)情況；將傳感器按照一定要求排列有序的布置在煤粉管道上，并且采用矩陣式布設(shè)，防止監(jiān)測(cè)有死角。即采用全截面矩陣式布設(shè)，能夠有效的全截面監(jiān)測(cè)整個(gè)煤粉管道內(nèi)的煤粉濃度和速度以及細(xì)度。

圖4矩陣式傳感器布設(shè)

2.6.3 信號(hào)采集單元

信號(hào)采集單元采用多通道以及軍用級(jí)快速安裝式設(shè)計(jì)，多通道設(shè)計(jì)有益于現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)采集和增大數(shù)量采集，快速安裝式設(shè)計(jì)便于現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試和后期的維護(hù)，系統(tǒng)任何部件維護(hù)均可在線維護(hù)，無(wú)需切換磨煤機(jī)和停磨維護(hù)，及不受鍋爐負(fù)荷影響。

2.6.4 信號(hào)處理單元

信號(hào)處理單元采用FPGA和ARM相結(jié)合的高端信號(hào)數(shù)字處理，可以滿足任何工況和環(huán)境的使用，且不受環(huán)境因素和負(fù)荷工況的影響?？筛鶕?jù)不同工況和應(yīng)用環(huán)境設(shè)置不同模式，保證其現(xiàn)場(chǎng)工作穩(wěn)定和可靠。

2.6.5 控制單元

風(fēng)粉在線監(jiān)測(cè)界面示意圖?？刂茊卧谥饕晒I(yè)計(jì)算機(jī)與系統(tǒng)軟件構(gòu)成；系統(tǒng)軟件是基于NI公司（美國(guó)國(guó)家儀器）專業(yè)測(cè)控主態(tài)軟件平臺(tái)開(kāi)發(fā)，專業(yè)的測(cè)控軟件無(wú)論界面顯示還是測(cè)量控制、以及實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、數(shù)據(jù)查詢，都比較完善和可靠。

2.7 KNWP無(wú)線傳輸風(fēng)粉在線測(cè)量?jī)?yōu)勢(shì)

2.7.1 KNWP無(wú)線傳輸風(fēng)粉在線測(cè)量系統(tǒng)采用全新的無(wú)線傳輸通信技術(shù)和FPGA，以及ARM相結(jié)合的數(shù)字信號(hào)處理；在實(shí)際工作中能夠同時(shí)處理多組數(shù)據(jù)，以及在單位時(shí)間內(nèi)數(shù)據(jù)處理量，與傳統(tǒng)的風(fēng)粉在線監(jiān)測(cè)信號(hào)處理單元相比，其處理速率高處數(shù)十倍。即KNWP無(wú)線傳輸煤顆粒物狀態(tài)分析系統(tǒng)，單位時(shí)間內(nèi)采集數(shù)據(jù)量和處理數(shù)據(jù)量可成倍提高，數(shù)據(jù)量的處理能力決定其監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性和響應(yīng)時(shí)間。因此新一代風(fēng)粉狀態(tài)監(jiān)測(cè)完全采用數(shù)字化信號(hào)處理和矩陣式傳感器相結(jié)合，以及多組互相關(guān)算法為一體的先進(jìn)、可靠的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。

2.7.2 KNWP風(fēng)粉在線測(cè)量系統(tǒng)，是基于NI公司（美國(guó)國(guó)家儀器）專業(yè)測(cè)控主態(tài)軟件平臺(tái)開(kāi)發(fā)。而國(guó)內(nèi)較多的風(fēng)粉在線監(jiān)測(cè)廠家采用VB系統(tǒng)開(kāi)發(fā)和控制，由于VB系統(tǒng)開(kāi)發(fā)環(huán)境的限制，很難滿足現(xiàn)階段機(jī)組容量大和鍋爐負(fù)荷變化帶來(lái)大數(shù)據(jù)量的處理。因此全新一代的風(fēng)粉在線監(jiān)測(cè)主控系統(tǒng)，采用基于美國(guó)NI公司的主態(tài)專業(yè)測(cè)控軟件平臺(tái)開(kāi)發(fā)，可實(shí)時(shí)在線處理大批量數(shù)據(jù)和人性化顯示界面，以及實(shí)時(shí)查詢歷史數(shù)據(jù)。

2.7.3 動(dòng)態(tài)電荷感應(yīng)測(cè)量技術(shù)，基干管道內(nèi)風(fēng)粉流動(dòng)感應(yīng)信號(hào)作為測(cè)量基礎(chǔ)，每組傳感器可360度立體感應(yīng)風(fēng)粉管道內(nèi)的風(fēng)粉流動(dòng)信號(hào)。因此，動(dòng)態(tài)電荷感應(yīng)測(cè)量技術(shù)，采用了國(guó)際先進(jìn)的360度立體動(dòng)態(tài)感應(yīng)測(cè)量技術(shù)，屬于第五代測(cè)控技術(shù)，測(cè)量精度能夠達(dá)到2%以內(nèi)，并且采用了高速數(shù)字信號(hào)處理與采集單次采集數(shù)據(jù)量可達(dá)40K/S。

2.7.4 此方式先進(jìn)的第五代技術(shù)即動(dòng)態(tài)電荷感應(yīng)測(cè)量技術(shù)，該技術(shù)采用動(dòng)態(tài)電荷感應(yīng)測(cè)量原理。研究表明，當(dāng)帶電體表面的電荷不僅通過(guò)表面和體內(nèi)泄放，而且也向空氣泄放，在高濕度的環(huán)境中，當(dāng)帶電體表面的電荷密度很高時(shí)，電荷會(huì)極速的向空氣中泄放。靜電，是一種處于靜止?fàn)顟B(tài)的電荷或者說(shuō)不流動(dòng)的電荷，而流動(dòng)的電荷會(huì)形成電流。動(dòng)態(tài)電荷測(cè)量原理即測(cè)量粉管內(nèi)的感應(yīng)電流，即動(dòng)態(tài)電荷。

2.8 無(wú)線傳輸風(fēng)粉在線監(jiān)測(cè)主要參數(shù)

三、一次風(fēng)煤粉流自動(dòng)調(diào)節(jié)裝置

3.1 設(shè)備原理

一次風(fēng)煤粉流自動(dòng)調(diào)節(jié)裝置能夠針對(duì)一次風(fēng)粉管內(nèi)的煤粉濃度與速度進(jìn)行在線調(diào)整，從而使每臺(tái)磨煤機(jī)出口粉管內(nèi)的煤粉速度達(dá)到相對(duì)平衡，并能有效改善各粉管內(nèi)煤粉均勻性，為鍋爐實(shí)現(xiàn)優(yōu)化燃燒提供在線調(diào)節(jié)手段。

裝置示意圖

3.2 裝置設(shè)計(jì)

一次風(fēng)煤粉流自動(dòng)調(diào)節(jié)裝置采用新型導(dǎo)流孔設(shè)計(jì)原理，運(yùn)行方式采取連續(xù)運(yùn)行。安裝時(shí)需要在機(jī)組的每臺(tái)磨煤機(jī)的各個(gè)粉管上加裝煤粉流自動(dòng)調(diào)節(jié)裝置。 

3.3 裝置構(gòu)成及原理

一次風(fēng)煤粉流自動(dòng)調(diào)節(jié)裝置包含煤粉均衡器、電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)等。利用新型導(dǎo)流孔設(shè)計(jì)原理，通過(guò)調(diào)整導(dǎo)流葉片角度調(diào)節(jié)磨煤機(jī)粉管內(nèi)的煤粉流量及流速大小，對(duì)流場(chǎng)進(jìn)行重新梳理，以達(dá)到每臺(tái)磨煤機(jī)出口粉管內(nèi)的煤粉速度相對(duì)平衡，并改善各粉管內(nèi)煤粉的均勻性。煤粉流自動(dòng)調(diào)節(jié)裝置與煤粉有直接接觸的部位均采用特殊和加厚耐磨材質(zhì)，從而保證設(shè)備正常使用，在一個(gè)大修期內(nèi)無(wú)明顯磨損，受煤粉直接沖刷的導(dǎo)流葉片耐磨周期大于三年。并且設(shè)計(jì)時(shí)，電站鍋爐煤粉流自動(dòng)調(diào)節(jié)裝置滿足一次風(fēng)粉管溫度、壓力等工況要求，且最小通流面積不小于原60%，即使裝置全部關(guān)斷，由于葉片上有設(shè)置很多導(dǎo)流孔，也保證大部分煤粉能正常通過(guò)，不會(huì)堵塞一次風(fēng)管，確保制粉系統(tǒng)的安全運(yùn)行。

四、一次風(fēng)煤粉流智能調(diào)平軟件

軟件主要機(jī)理是采集一次風(fēng)粉濃度及速度數(shù)據(jù)以及均衡裝置開(kāi)度等相關(guān)信息進(jìn)行運(yùn)算，根據(jù)計(jì)算結(jié)果控制煤粉流自動(dòng)調(diào)節(jié)裝置進(jìn)行調(diào)節(jié)，以達(dá)到磨煤機(jī)各出口粉管內(nèi)的煤粉速度、濃度相對(duì)平衡，并將相應(yīng)數(shù)據(jù)送到DCS系統(tǒng)。

軟件設(shè)計(jì)：軟件主要采用PLC語(yǔ)言設(shè)計(jì)，通過(guò)通信機(jī)制采集相應(yīng)數(shù)據(jù)完成運(yùn)算，并起到控制煤粉流自動(dòng)調(diào)節(jié)裝置的作用調(diào)平軟件具備以下功能：

（1）與測(cè)量系統(tǒng)保持實(shí)時(shí)通信，讀取煤粉濃度及速度實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)；

（2）實(shí)時(shí)讀取煤粉流自動(dòng)調(diào)節(jié)裝置的開(kāi)度信號(hào)，并自動(dòng)調(diào)節(jié)煤粉流自動(dòng)調(diào)節(jié)裝置開(kāi)度；

（3）對(duì)磨煤機(jī)出口的各個(gè)粉管進(jìn)行偏差運(yùn)算，通過(guò)調(diào)控達(dá)到磨煤機(jī)各出口粉管內(nèi)的煤粉速度、濃度相對(duì)平衡；

（4）實(shí)時(shí)顯示各粉管內(nèi)的濃度、速度以及煤粉流自動(dòng)調(diào)節(jié)裝置開(kāi)度的數(shù)值；

（5）具備歷史數(shù)據(jù)存儲(chǔ)及查詢功能；

（6）具有與DCS通信接口；

（7）具備系統(tǒng)故障報(bào)警功能。

五、效益分析

合理的風(fēng)粉配比可以有效保障電站鍋爐全工況均衡燃燒運(yùn)行，提升鍋爐運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性、安全性和環(huán)保性能。應(yīng)用結(jié)果表明，電站鍋爐正常負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，通過(guò)合理調(diào)配風(fēng)粉配比，機(jī)組供電煤耗可以降低0.4~1.5g/KWh左右；NO_x可以降低排放10~20%左右，從而有效降低脫硝裝置的運(yùn)行成本,同時(shí)能有效降低鍋爐及制粉系統(tǒng)設(shè)備損耗及維修費(fèi)用。預(yù)計(jì)使用該系統(tǒng)后，每臺(tái)300MW及以上機(jī)組每年可節(jié)約直接和間接費(fèi)用200萬(wàn)元以上。