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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。
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。
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。
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]
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。
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
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。
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。
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。
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]
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。
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
