基于互相關(guān)函數(shù)法的一次風(fēng)速在線測量系統(tǒng)的研究與開發(fā)

王傳生 古朝平 韓建彬 李少芝

摘要

在我國，發(fā)電方式主要是以煤炭為主的火力發(fā)電方式，隨著國家經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，對(duì)火力發(fā)電節(jié)能環(huán)保的要求越來越高。一次配風(fēng)均勻合理對(duì)于實(shí)現(xiàn)鍋爐燃燒優(yōu)化，提高燃燒效率，降低NOx排放有十分重要的作用。因此，準(zhǔn)確、實(shí)時(shí)、可靠地測量一次風(fēng)速對(duì)燃煤鍋爐節(jié)能優(yōu)化十分重要。本文采用互相關(guān)函數(shù)法，通過分析一定距離內(nèi)煤粉顆粒所帶電荷量，對(duì)一次風(fēng)速進(jìn)行測量，測量結(jié)果更加準(zhǔn)確。本設(shè)計(jì)可廣泛的使用于火力發(fā)電廠燃煤機(jī)組一次風(fēng)的風(fēng)速電廠脫硫、脫硝風(fēng)速的測量，以及水泥廠、煉鋼等行業(yè)氣力輸送氣固兩相流流速的測量。

【關(guān)鍵詞】一次風(fēng)速 燃煤鍋爐 互相關(guān)函數(shù)法在線監(jiān)測 燃燒優(yōu)化

目前，我國電廠的發(fā)電方式主要是以燃煤為主的火力發(fā)電方式，然而隨著國家經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，一方面，人們對(duì)于電力的需求量在不斷增加;另一方面，國家對(duì)于節(jié)能減排的要求越來越高，對(duì)火力發(fā)電也提出了更高的要求。電廠機(jī)組粉管內(nèi)的一次風(fēng)速是電廠鍋爐穩(wěn)定和經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的重要參數(shù)，合理而均衡的煤粉濃度和一次風(fēng)速對(duì)于電廠機(jī)組的正常運(yùn)行具有重要意義。

鍋爐的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、運(yùn)行參數(shù)的龐大和復(fù)雜，運(yùn)行環(huán)境惡劣，鍋爐燃燒工況的好壞在很大程度上決定著鍋爐設(shè)備和整個(gè)發(fā)電廠運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)、安全性以及NOx生成量。因此，設(shè)計(jì)并開發(fā)一次風(fēng)速的在線測量儀器實(shí)現(xiàn)燃燒工況在線監(jiān)測，為燃燒過程的優(yōu)化運(yùn)行提供操作指導(dǎo)，對(duì)于，提高鍋爐燃燒效率，降低生產(chǎn)成本，減少氮氧化物、SO₂等污染物的排放有十分重要的作用。

1 研究現(xiàn)狀

電站鍋爐燃燒系統(tǒng)中，一次風(fēng)風(fēng)管屬于中小管徑、高流速、氣固兩相混合、測量所需直管段較短的風(fēng)道，測量方式都是基于傳統(tǒng)常規(guī)動(dòng)壓測量裝置的基礎(chǔ)進(jìn)行測量，主要包括以下幾種方式：

1.1 靜壓測量方法

根據(jù)安裝在每個(gè)燃燒器一次風(fēng)管及風(fēng)箱上的靜壓測點(diǎn)指示調(diào)平各層風(fēng)速，即假設(shè)在位置勢能不變，全壓相等的前提條件下，動(dòng)壓等于全壓減去靜壓，只要通過測量靜壓就能得出動(dòng)壓。此方法的優(yōu)點(diǎn)是系統(tǒng)簡單、直觀。但是其缺點(diǎn)是由于風(fēng)道系統(tǒng)結(jié)構(gòu)上的差異，無法實(shí)現(xiàn)與設(shè)計(jì)風(fēng)速值的定量比對(duì)，只知道風(fēng)速相等，但無法知道風(fēng)速的具體大小。

1.2 皮托管速度測量方法

此方法利用皮托管迎向流體的端口測量流體全壓，皮托管垂直于流體流動(dòng)方向的端口用來測量流體靜壓，從而能得到氣體在流動(dòng)過程中產(chǎn)生的壓差，然后根據(jù)連續(xù)方程、能量守恒方程式和氣體狀態(tài)方程得出管道中流體的流速。此方法的優(yōu)點(diǎn)是設(shè)計(jì)簡單，缺點(diǎn)是容易堵塞，影響精度。

1.3 勻速管速度測量方法

勻速管是一種安裝在管道內(nèi)測量平均流速的非標(biāo)準(zhǔn)測量裝置，按不同的取壓方式有笛型管、雙笛型管、阿紐巴管測速管等。此方法要求一次風(fēng)管道的直管段夠長，測量截面前最少應(yīng)有6～7倍的測量管道直徑，測量截面后應(yīng)有2～3倍的測量管道直徑，否則精度無法保證。

2 檢測系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理

通過分析一次風(fēng)速現(xiàn)有檢測方法和研究現(xiàn)狀，本裝置采用電荷互相關(guān)函數(shù)法對(duì)一次風(fēng)速進(jìn)行檢測，其原理為：煤粉顆粒在管道內(nèi)輸送過程中由于相互之間的摩擦產(chǎn)生靜電荷，通過電荷傳感器可以檢測出煤粉顆粒所帶電荷量的數(shù)值。在煤粉輸送管道內(nèi)，水平管道距離為L，分別放置兩個(gè)電荷傳感器P₁，P₂，兩電荷傳感器與管道平行，如圖1所示。

煤粉傳送時(shí)，首先經(jīng)過電荷傳感器P₁，得到煤粉顆粒所帶電荷量曲線1，然后煤粉顆粒經(jīng)過電荷傳感器P₂，得到煤粉顆粒所帶電荷量曲線2，如圖2所示。通過互相關(guān)函數(shù)分析，得到經(jīng)過兩電荷傳感器的時(shí)間，進(jìn)而通過計(jì)算得出一次風(fēng)速的大小。

當(dāng)顆粒通過管道時(shí)，靜電傳感器產(chǎn)生的信號(hào)通過濾波放大電路，得到的模擬量通過A/D轉(zhuǎn)換，將采集到的模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量并傳送至單片機(jī)。單片機(jī)兩路信號(hào)進(jìn)行互相關(guān)分析，最后得到固相顆粒的速度參數(shù)，并通過RS485總線傳送至DCS系統(tǒng)。其靜電傳感器測量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示。

3 現(xiàn)場應(yīng)用

本裝置設(shè)計(jì)完成后，在馬鋼熱電總廠投入示范運(yùn)行，在完成現(xiàn)場設(shè)備施工和安裝后，對(duì)系統(tǒng)的進(jìn)行調(diào)試和試運(yùn)行，并根據(jù)要求對(duì)檢測結(jié)果進(jìn)行比對(duì)，比對(duì)結(jié)果如表1所示。

根據(jù)要求，采用S型畢托管分別測量標(biāo)定孔處的管道壓力，每個(gè)標(biāo)定孔處測量4次壓力值，得到管道壓力值ΔP分別為：

根據(jù)公式：

其中K表示S型畢托管系數(shù)，值為0.84，t表示管道內(nèi)溫度，現(xiàn)場溫度儀器顯示管道內(nèi)溫度為60℃，絕對(duì)溫度值273，空氣密度值為1.293kg/m³，則得到理論一次風(fēng)速度值為：

因此，由表2數(shù)據(jù)可知，理論計(jì)算值在儀器測量值的范圍內(nèi)，測量值準(zhǔn)確、可靠，符合設(shè)計(jì)要求。

4 結(jié)論

本設(shè)計(jì)利用互相關(guān)函數(shù)分析法，通過分析固定距離的兩個(gè)電荷傳感器所帶電荷量，通過分析相關(guān)電荷量之間的曲線，得到兩者的時(shí)間差，通過計(jì)算得出一次風(fēng)速大小。實(shí)現(xiàn)了一次風(fēng)速的實(shí)時(shí)、在線測量，測量結(jié)果準(zhǔn)確、可靠。設(shè)備投入運(yùn)行后，現(xiàn)場運(yùn)行人員根據(jù)在線監(jiān)測裝置檢測到的數(shù)據(jù)和其他信息，為燃燒過程的優(yōu)化運(yùn)行提供操作指導(dǎo)，從而提高鍋爐的燃燒效率，達(dá)到提高燃燒運(yùn)行效率和節(jié)能降耗的目的。

參考文獻(xiàn)

[1]喬棒.超聲法一次風(fēng)流速和煤粉濃度在線測量研究[D].南京理工大學(xué)，2013.

[2]朱勇軍.300MW燃煤發(fā)電機(jī)組一次風(fēng)速改造[J].自動(dòng)化與儀器儀表，2005，6：77-78.

[3]黎國強(qiáng).淺析風(fēng)粉在線監(jiān)測系統(tǒng)在DCS上的實(shí)現(xiàn)和應(yīng)用[J].華中電力，2004（02）：27-28+31.

[4]王海蘭，于國光，閻建東.乏氣送粉系統(tǒng)一次風(fēng)速在線測量技術(shù)研究[J].節(jié)能技術(shù)，2004，3：57-59.

[5]孫麗娟，汪小澄，李志剛.火電廠一次風(fēng)速監(jiān)測系統(tǒng)的研究與開發(fā)[J].電力系統(tǒng)自動(dòng)化，2002，Vol26.24：60-66.

[6]王冬娜.電站鍋爐一次風(fēng)速智能監(jiān)測儀表的設(shè)計(jì)[D].大連海事大學(xué)，2008.

[7]張嶺旭，朱志軍.數(shù)字相關(guān)法測時(shí)差的工程實(shí)現(xiàn)[J].航天電子對(duì)抗，2006，22（06）：42-43.

[8]郭改枝，鐵勇，俞宗佐.雙路音頻采集系統(tǒng)及相關(guān)算法在漏水探測技術(shù)中的應(yīng)用[J].內(nèi)蒙古大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），200，39：674-675.

[9]鄒吳.超聲波流量測量新技術(shù)[J].工業(yè)儀表與自動(dòng)化裝置，1995，3：62-64.

[10]李寧.熱風(fēng)送粉鍋爐的風(fēng)速與煤粉濃度測量技術(shù)在火電廠的應(yīng)用[J].江西電力，2003（01）：15-19.

[11]郭文生，楊春平，郭振強(qiáng).鍋爐一次風(fēng)速在線監(jiān)測[J].華東電力，2002，9：59.