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摘 要：本文介绍了一种用于测量电站锅炉燃烧过程中一次风的煤粉浓度和风速的装置。煤粉浓度的测量是利用三支分别用于测量热风温度、煤粉温度和风粉混合温度的热电偶所测得的温度值，根据热平衡原理所计算出来的。而风速测量是根据两支背靠式动压测速管所测得的动压值(差压)，根据动压测速原理计算出来的。该装置用于现场后,可帮助锅炉运行人员准确调整风粉配比和一次风速,有利于提高燃烧热效率,达到安全稳定燃烧的目的。
关键词：锅炉 燃烧 浓度 风速
1 参数测量的必要性
电站锅炉利用煤的燃烧发热,通过传热对水进行加热，产生高压蒸汽，推动汽轮发电机旋转，从而产生强大的电能。在这一复杂的过程中，天然煤要通过巨大的球磨机磨成合乎要求的细粉，存于煤粉仓中。在煤粉仓的下部安装有一次风管和给粉机。煤粉由给粉机从粉仓中绞出，注入一次风管与热风混合，利用风的惯性作用将煤粉送入锅炉炉堂中进行燃烧。在燃烧过程中，风和煤的配比状况，也就是煤粉浓度，对于锅炉的燃烧经济性是一个非常重要的指标。如果浓度过高，将会导致燃烧不充分，而使很多煤粉没有在炉堂中燃烬，就随同烟气一起排入大气中。这不仅会造成燃料的损失，还会对大气产生严重的污染。不仅如此，浓度过高还容易引起风管堵粉和燃烧器出口结焦等安全事故。相反，如果浓度过低，虽然煤粉能得到充分燃烧，但由于进入炉堂的热风较多，那些多余的热风并不与煤粉发生化学反应就直接排入大气中，而这些热风的进口温度相对于炉堂的出口温度而言是较低的，它们需要在炉堂加热而升温，从而使这些多余的热风在通过炉堂时带走大量的热量，造成热量的损失。不仅如此，如果浓度过低，还会造成由于粉量不足而使炉堂灭火的安全事故。由此可见，只有在一个合理的煤粉浓度下，才能有效地提高锅炉燃烧热效率，减少事故的发生，达到安全经济燃烧的目的。
不仅煤粉浓度是一个非常重要的指标，而一次风速也同样如此，它同样影响着锅炉的安全性和经济性。风速过低会造成风管堵粉和燃烧器喷口结焦；风速过高会加大鼓风机耗电量，还会使燃烧向后推移，加剧煤粉的不完全燃烧。因此，一次风速也必须保持在一个合理的范围内，才能保证锅炉的安全经济燃烧。
由以上讨论可知，一次风煤配比和风速对于锅炉燃烧的经济性和安全性是非常重要的，但从目前现场的实际情况看，仍然缺乏有效的检测手段，比较通行的做法是采用传统的静压表[2]，但它只能粗略和间接地反映一次风速，而无法准确测出煤粉浓度和一次风速。随着电站锅炉向大容量和高参数的方向发展，这两项指标对燃烧的影响越来越大，准确而直观地测量它们已显得十分迫切和必要。
2 测量装置的功能和原理
本装置可以测量电站锅炉燃烧过程中各一次风管内的热风温度，煤粉温度及风粉混合物温度，并根据热平衡原理计算出煤粉浓度，还可测量一次风速，并计算出相应的风量和粉量。运行人员通过监视煤粉浓度和风速等参数，根据需要及时调整风门挡板开度和给粉机转速，使它们保持在一个最佳的运行状态。从而达到节能降耗和改善大气环境，提高安全性和经济性的目的。
本装置最多可对20根风管进行检测，其结果通过面板迅速而直观地显示出来。面板是采用先进的LCD显示技术，可同时显示20根风管中的风温、粉温、混温(风粉混合物温度)和煤粉浓度，以及一次风的风速、风量和粉量，还可以将浓度和风速值以直方图的形式显示出来，且一旦超过允许范围就立即进行闪烁报警。由于LCD显示信息量大，所有数据都可在一个屏幕内显示出来，因而观察起来极其直观、全面、准确，而且还不需要任何操作按键用来进行显示切换，从而大大方了便用户的使用。
2.1 浓度测量
在每根风管中安装有三支热电偶，分别用于测量热风温度、煤粉温度和风粉混合温度[4]，如图1所示。设热风温度为t1，煤粉温度为t2，混合温度为t3，根据热平衡原理[1]、[5]，煤粉浓度按如下公式计算：
μ= Ca′t1-Cat3
Cct3-Cc"t2
上式中，μ为煤粉浓度，单位为kg/kg，既每千克空气中所含煤粉的千克数。t1、t2、t3的含义如前所述，单位为℃。
系数Ca′则为t1温度下热风的比热；Ca为t3温度下热风的比热；Cc为t3温度下煤粉的比热；Cc″为t2温度下煤粉的比热。 （图片） 需要指出的是，由于风粉混合物在风管中的输送速度非常之快，高达每秒20米以上，对热电偶保护层有十分严重的冲刷作用，一般在使用不到一个星期就损坏了，因而需要采用坚固防磨型热电偶，这样才能保证其长期安全使用。而其他两支只需采用一般普通热电偶就可以了。
2.2 风速测量
风速测量是采用动压式测量方法。在一根风管中安装有两支靠背式动压测速管，迎风管压力减去背风管压力即为其动压(差压)。将此动压值经差压变送器变换成电信号后，即可测出风速值，如图2所示。
根据动压测速原理[3]，一次风速按如下公式计算：
V=K√△P
上式中，V为风速值，单位为m/s；△P为测速管动压(差压)值，单位为Pa；K为测速系数，与测速管标定系数和热风密度有关。
需要指出的是，为了防止受到煤粉的冲刷作用，测速管应安装在一次风管的风粉混合段之前较为合适。
一旦煤粉浓度和风速数据测出后，风量和粉量的计算就十分方便。它们的计算方法详见如下叙述。
风量按下式计算:M=AVρ
其中，M为风量，单位为kg/s； A为测点处截面积，单位为m2；ρ为热风密度，单位为kg/m3, 与温度有关。
而粉量则按下式计算:B=μM
其中，B为粉量，单位为kg/s。
2.3 显示器输出形式
本装置根据测点数自动安排屏幕显示位置。测点数量最多为20个，最少为4个，可满足各种大小锅炉的需要，即从只有一层风管的小型锅炉，到有5层风管的特大型锅炉都可使用。每四个测点分别对应一层风管中的四根风管，而每一根风管都同一个燃烧器相连，四个分别安装在锅炉的四个角上，形成四角喷燃式燃烧。
在显示器的屏幕上，其上半部分为数据显示，下半部分为直方图显示。在直方图中所显示的是每个测点的浓度值和风速值所对应的高度，其中左边为浓度值，右边为风速值。下面以两层风管8个燃烧器为例说明其显示形式，如图3所示。LCD最多可显示20行，每行可显示80个字符。该LCD选用日本日立公司生产的大屏幕显示器，型号为LM-648，点阵数为640×200点。
在图3中，小方框"□"代表该测点相应的数字值。其中，温度的显示格式为"XXX"；浓度的格式为"X.XX"；风速，风量和粉量的显示格式均为"XX.X"。小数点并不单独占一个位置，而是与个位数一起共占一个显示位置，这一点是通过对显示字符库和字模库重新定义后实现的。 （图片） 3 主要电路设计
本装置对外有80路模拟信号输入通道，它们构成了电路设计的主要部分。这80个通道中，用于输入温度信号的有60个，输入风速信号的有20个。而60个温度信号分别是风温20个，粉温20个，混温20个。温度信号是由热电偶产生的，它是一种只有几十毫伏的微弱信号，需要采用精密测量放大器，才能将信号放大到所要求的数值。由于通道很多，需要采用多片模拟开关叠加起来，共同组成多路采样开关。下面对这部分电路的设计予以叙述，其余电路因篇幅所限不再骜述。（图片） 3.1 放大电路设计
放大器采用美国B-B公式生产的INA102型精密测量放大器。它的性能十分优良，其放大倍数可达1000倍，灵敏度在几十微伏以下，非常适合于弱信号的放大。其电路设计如图4所示。该电路采用共模信号输入形式，这有利于克服线路中的共模干扰信号。
在图4中，当RG为47Ω时，该电路的放大倍数为460倍。当输入信号为10mV时，输出信号为4.6V。RG分别与INA102的4和6、7脚相连，Vin的正端和负端分别与15和14脚相连，-15V一路经一个100K的电阻分别与1和16脚相连，另一路则接入9脚，+15V与12脚相连，10脚接地，11脚为电压输出正端。
3.2 多路开关设计
80个输入通道分别布置在三块通道板上，其中60个温度通道占用两块板，而20个风速通道占用一块板。两块温度通道板内部电路完全一样，可以互换使用。风速通道板的放大电路部分与温度通道板不一样。温度信号的放大电路如前面3.1节所述。而风速信号是经由变送器送出的4～20mA的电流信号，其放大电路要简单的多。尽管这两种通道板有不同的地方，但它们在多路开关的结构上却完全一样，只需讨论一种电路板的设计即可，其电路设计如图5所示。（图片） 从图5中可看出，每块板上使用了四片多路电子开关，它是由美国AD公司生产的，其型号为AD7506。该芯片是一种十六选一的性能优良的多路电子开关。每两块芯片组成一组，分别用于输入信号的正端和负端，这样做的目的是便于信号的共模输入。每块板上有两组开关，每组负责16个通道的输入。A0～A3四根地址线负责选通16个开关中的某一个。尽管两组芯片共用一组地址线，但由于其使能信号EN并不相同，故每次只有一组选通的开关有效。同一组内的两芯片使用同一个使能信号EN，这样能保证它们的动作同步。两组芯片的输出正负端分别并接，其好处是使它们共用一套后续的放大和AD转换电路。如前所述，由于两块芯片使用不同的使能信号，故每次只能有一个输出信号，不会引起混乱。这样的使能信号有六个，分别由扩展接口电路发出，在图5中只表明了两个。
在图5中，16路输入通道分别对应于AD7506的4～11、19～26脚，地址线A0～3分别对应于4～17脚，Out为28脚，EN为18脚。
3.3 AD转换电路
在本装置中每块通道板都需要一套AD转换电路，它是由一片AD转换器组成的。该转换器也是选用美国AD公司生产的产品，型号为AD574，它是一种12位的逐次比较式快速AD转换器。AD转换电路如图6所示。（图片） 从图6可看出，模拟输入信号正端由 Vin(+)进入，转换后的12位二进制数据则从12位数据线输出，它们是分两次送入到8位数据总线上的。DL0～3分别和DH4～7并接在一起，以便实现8位数据的传输。当Ad0信号为OFF时输出高8位，为ON时则输出低4位。CE为选通信号，当读/写信号中的任何一个有效时，AD574都会被选通，但此时还要受到第3脚上的YM信号的控制，只有YM也为低有效时，该芯片才真正被选通。YM是通过译码电路产生的。R/-C为数据读出或启动数据转换信号，即当它为ON时为数据读出状态，而为OFF时则启动数据转换。该芯片的转换时间小于35微秒，非线性性误差小于±0.003%,非常适合于通道数较多，且要求转换精度高的场合。
在图6中，DH0～3分别对应于AD574的20～23脚，DH4～7对应于24～27脚，DL0～3对应于16～19脚，±15V电源分别由7和11脚引入，50Ω电阻由8和10脚接入，+5V电源由1脚接入，与地线相连的分别是2、9、12和15脚。接3脚，A0接4脚，R/接5脚，CE接6脚，Vin(+)接13脚。
4 结语
本装置经现场实验测试表明，其设计是合理的，完全可以满足工业生产实际的需要，具有一定的适用价值和推广价值。
参考文献
[1] 逯恩华、朱鸿昌.锅炉燃烧系统风煤在线监测技术与装置的研究. 热力发电.1988(1):1～9.
[2] 师建斌、严道一.锅炉燃烧优化指导系统在火电厂的应用.中国电力.1997(7):31～35。
[3] 李雪亮等.电站锅炉燃烧分析专家系统.中国电力.1997(3)：29～32.
[4] 方彦军、程瑛.锅炉风粉在线监测系统研究.武汉水利电力大学学报.1999(4):59～61.
[5] 冯圣一.热工测量新技术. 北京:水利电力出版社.1995.11
12/3/2004
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