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一种电站锅炉燃烧风粉测量装置的设计研究

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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。

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。 [p]

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。

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。

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。 [p]

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。

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

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