王建峰，李碩，路野，王志軍，王蒙安

(1.山西漳山發(fā)電有限責任公司，山西 長治 046021;2.內(nèi)蒙古自治區(qū)科學(xué)技術(shù)開發(fā)中心，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010010;3.北方聯(lián)合電力有限責任公司達拉特發(fā)電廠，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 014300;4.包頭東華熱電有限公司，內(nèi)蒙古 包頭 014040)

0 引言

節(jié)約能源，保護環(huán)境，實施可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略是我國的基本國策。在電力工業(yè)迅速發(fā)展的同時，節(jié)能降耗受到高度關(guān)注。火力發(fā)電以一次能源——煤為燃料，降低發(fā)電煤耗是降低發(fā)電成本的主要途徑。飛灰是指煤粉燃料在鍋爐爐膛燃燒后隨煙氣進入尾部煙道的細小灰粒，其粒徑為1～100 μm。飛灰中可燃物含量與飛灰總量的比值稱為飛灰含碳量，其數(shù)值的高低與一次風、二次風、煤粉濃度、煤粉細度、煙氣氧量(過剩空氣系數(shù))、機組負荷等多種因素相關(guān)。因此，飛灰含碳量是衡量鍋爐燃燒狀況的重要指標。

火電廠傳統(tǒng)的飛灰含碳量分析測定方法為離線的實驗室分析方法，即化學(xué)灼燒失重法。該方法的優(yōu)點在于測定過程比較簡單，分析精度高，數(shù)據(jù)相對準確可靠;但也有缺點和不足，如分析滯后時間長，工作強度大，不能快速、實時地反映鍋爐燃燒工況，無法與燃燒調(diào)整同步進行。

實時在線監(jiān)測飛灰含碳量對燃燒調(diào)整具有重要的指導(dǎo)意義，目前國內(nèi)、外已有多種類型的產(chǎn)品。但由于該項目具有一定技術(shù)難度，各種產(chǎn)品普遍存在運行不穩(wěn)定、數(shù)據(jù)不準確、維護工作量大等缺陷。因此，進一步開展飛灰含碳量在線監(jiān)測裝置的研發(fā)十分必要。

1 飛灰含碳量在線監(jiān)測裝置概況

飛灰含碳量在線監(jiān)測裝置由主機、采樣管、排灰管、旁路抽氣管、控制柜等部分組成(如圖1所示)。主機安裝于空氣預(yù)熱器前部煙道外側(cè)，飛灰與煙氣經(jīng)采樣管進入主機，旁路抽氣管與空氣預(yù)熱器后部連接。旋風式離心分離器以空氣預(yù)熱器前、后壓差為動力，自動將飛灰與煙氣分離。被檢灰樣進入石英測試管，微波檢測裝置利用碳對微波的吸收和衰減特性進行含碳量測定。檢測后的灰樣經(jīng)排灰管返回煙道，轉(zhuǎn)換閥門可同步留取灰樣。整套裝置自動控制由可編程控制器(PLC)完成，檢測資料亦經(jīng)PLC預(yù)處理后傳輸至分散控制系統(tǒng)(DCS)實時顯示和存儲，同時還兼有就地顯示飛灰含碳量的功能。飛灰含碳量微波在線監(jiān)測裝置工作原理如圖2所示。

該裝置主要部件集中在主機機柜內(nèi)部，如旋風式離心分離器、儲灰倉、檢測石英管、排灰器、灰位傳感器、氣動組件以及全套微波檢測裝置(主機柜內(nèi)設(shè)備布置如圖3所示)。主機還與采樣管、排灰管、抽氣管、控制柜等外部設(shè)備相連，有壓縮空氣、電源電纜、控制電纜和信號電纜等接入。

2 微波檢測部分

2.1 微波測碳基本理論

微波是指頻率為0.3～300.0 GHz、波長為1 ～1000 m的電磁波，通常也稱為“超高頻電磁波”。微波具有穿透、反射、吸收3個基本特性。

煤粉在燃燒過程中成為細小炭粒，其極性與介質(zhì)損耗率增大，在快速變化的微波高頻電磁場作用下，極性取向?qū)㈦S著外電場的變化而變化，分子相互摩擦運動，所吸收微波場的場能轉(zhuǎn)化為介質(zhì)內(nèi)的熱能，引起微波傳輸功率損耗，消耗微波能量，具有良好的微波吸收特性。與炭粒相比，純灰(不含碳的灰)的介質(zhì)損耗率非常小，微波不僅可以穿透純灰，而且?guī)缀醪凰p。

研究發(fā)現(xiàn)，飛灰中炭粒吸收的微波能與含碳量成正比。通過測量含碳飛灰對微波的吸收量(衰減量)，即可確定飛灰的含碳量。

2.2 微波檢測器組成與工作原理

微波檢測器由微波發(fā)生源、單向隔離器、可調(diào)衰減器、發(fā)射天線、接收天線、檢波器、信號隔離變送器、專用電源、檢測暗室、石英管、信號變送器以及數(shù)據(jù)處理設(shè)備等構(gòu)成。微波檢測器結(jié)構(gòu)如圖4所示。

微波發(fā)生源利用晶體振蕩在共振腔體產(chǎn)生微波能，由高精度恒壓直流電源供電，將電能轉(zhuǎn)變?yōu)楣潭l率的微波能，構(gòu)成微波場。微波能沿波導(dǎo)管向前傳輸，為防止反射波回到微波源與發(fā)射波疊加，干擾系統(tǒng)正常工作，在微波源出口波導(dǎo)管路增加了單向隔離器。由可調(diào)衰減器調(diào)整微波發(fā)射功率，確定檢測標準。發(fā)射天線向被測介質(zhì)發(fā)射微波，接收天線接收經(jīng)介質(zhì)衰減后的微波?；覙又糜谑⒐軆?nèi)，微波對其具有穿透性，能量衰減極小。檢波器利用場效應(yīng)原理，將接收到的微波能轉(zhuǎn)換為電能，輸出直流電，其直流電壓信號的變化與飛灰中碳的質(zhì)量分數(shù)有關(guān)。檢波器輸出電壓值與飛灰中碳的質(zhì)量分數(shù)的關(guān)系如圖5所示。

經(jīng)發(fā)射天線發(fā)出的微波束不可全部進入接收天線，其中一部分將散射至周圍。將發(fā)射天線、接收天線、石英管3個部件設(shè)置在檢測暗室的封閉空間內(nèi)，其內(nèi)壁具有吸收微波的功能，可在有限空間內(nèi)形成“黑洞”效應(yīng)，防止了微波反射和外泄。

圖5 檢波器輸出電壓值與飛灰中碳的質(zhì)量分數(shù)的關(guān)系

3 飛灰采樣與排灰部分

飛灰采樣與排灰裝置分為上、下2部分，由檢測石英管相連接，飛灰采樣與排灰原理示意圖如圖6所示。

圖6 飛灰采樣與排灰原理示意圖

3.1 飛灰采樣原理與結(jié)構(gòu)

在鍋爐引風機的作用下，尾部煙道均為負壓區(qū)，但由于回轉(zhuǎn)式空氣預(yù)熱器阻力較大(約1 500 Pa)，在空氣預(yù)熱器前、后端形成了較大的負壓差。將旋風式離心分離器設(shè)置在空氣預(yù)熱器前部煙道外側(cè)，采樣管由煙氣側(cè)入口端進入煙道內(nèi)部，管口沖向煙氣來流方向，分離器抽氣管與空氣預(yù)熱器煙氣側(cè)出口端煙道相通。由采樣管、分離器和抽氣管組成的取樣系統(tǒng)形成了與空氣預(yù)熱器平行的旁路管道，其阻力低于空氣預(yù)熱器本身的阻力(約1000 Pa)。因此，當分離器底部落灰口處于密閉狀態(tài)時，少量煙氣在空氣預(yù)熱器煙氣側(cè)出口負壓的抽吸作用下改變路徑，由采樣管切向進入旋風式離心分離器，沿其內(nèi)壁自上而下旋轉(zhuǎn)。氣－固兩相流體的煙氣在旋轉(zhuǎn)過程中，固相飛灰因重力慣性作用沿內(nèi)壁落入儲灰倉，進入檢測石英管內(nèi)。在抽氣管路設(shè)有調(diào)節(jié)閥門，可調(diào)整旁路抽氣管流量，由此實現(xiàn)飛灰連續(xù)自動等速采樣。

在分離器錐管位置設(shè)有機械振動裝置，儲灰倉設(shè)有旋流除灰裝置，均以壓縮空氣為動力，防止發(fā)生堵灰。

3.2 排灰原理與結(jié)構(gòu)

排灰器的設(shè)計應(yīng)用了流體力學(xué)，采用氣力輸送方法將微波檢測后的飛灰試樣排回煙道。排灰器包括底座、射流噴嘴、拉法爾噴管、單向擋板、排灰噴嘴、負壓吸入口等部件，各部件工作過程如下。

所有灰樣在石英管內(nèi)接受微波檢測，然后進入排灰器底座。當石英管內(nèi)灰位達到一定高度時，啟動電磁閥接通壓縮空氣管路，射流噴嘴瞬時噴出高速氣流，灰樣隨氣流進入拉法爾噴管并加速向前運動。負壓吸入口為漸縮形管段，與排灰噴嘴之間留有可調(diào)環(huán)形縫隙。在大氣壓力的作用下，外部空氣沿環(huán)形縫隙快速進入煙道，灰樣隨之被吸入煙道;同時，在射流噴嘴附近形成負壓區(qū)，檢測石英管內(nèi)的灰樣，發(fā)現(xiàn)其在重力和負壓的作用下繼續(xù)向該區(qū)域流動。若需留取灰樣，轉(zhuǎn)換閥門后灰樣便可進入取樣瓶。

4 自動控制與數(shù)據(jù)處理部分

該裝置自動控制與數(shù)據(jù)處理由PLC開關(guān)量模塊和模擬量模塊共同完成。I/O(輸入/輸出)點包括:

(1)開關(guān)量輸入(DI):接收灰位傳感器動作信號。

(2)開關(guān)量輸出(DO):控制振動器、旋流吹掃、排灰器3個電磁閥以及排風扇的啟動和停止。

(3)模擬量輸入(AI):接入微波檢測器發(fā)出的含碳量原始信號。

(4)模擬量輸出(AO):向DCS、就地數(shù)字顯示儀表輸出處理后的含碳量信號。

PLC根據(jù)設(shè)備運行流程和邏輯關(guān)系，對全部設(shè)備自動控制。一旦檢測出石英管灰位到達預(yù)設(shè)高度，灰位傳感器發(fā)出信號，此時排灰器電磁閥動作，接通壓縮空氣。檢測出石英管灰位降低后，排灰器電磁閥停止工作。同時，該裝置還定時啟動振動器、旋流吹掃電磁閥和排風扇。

PLC按照微波能量衰減與飛灰含碳量的函數(shù)關(guān)系和特性曲線，對微波檢測信號進行A/D，D/A轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)運算，輸出4～20 mA的模擬量信號，對應(yīng)飛灰中碳的質(zhì)量分數(shù)為0～16%。

5 技術(shù)創(chuàng)新點

(1)建立了微波能量衰減與飛灰碳含量的函數(shù)對應(yīng)關(guān)系和特性曲線，確定了適合的微波波段和發(fā)射功率。

(2)研發(fā)了全波導(dǎo)傳輸?shù)奈⒉z測器及相關(guān)微波元件，減少了損耗與誤差，提高了檢測靈敏度和分辨率。

(3)以空氣預(yù)熱器阻力所形成的鍋爐尾部煙道壓差為飛灰分離動力，實現(xiàn)等速采樣，準確可靠，灰樣代表性好。

(4)采樣管安裝于空氣預(yù)熱器前端，煙氣溫度較高，無需加熱裝置，不易結(jié)露。

(5)根據(jù)流體力學(xué)原理設(shè)計的排灰裝置，結(jié)構(gòu)簡單合理，運行穩(wěn)定可靠。

(6)對各控制部件建立邏輯關(guān)系，由PLC實行自動化智能控制和數(shù)據(jù)處理，實現(xiàn)就地與DCS飛灰含碳量的實時在線顯示。

6 結(jié)論

該裝置先后在山西漳山發(fā)電有限責任公司及多家電廠的火電機組安裝使用，數(shù)年的運行情況證明，基于微波衰減原理的飛灰含碳量在線監(jiān)測裝置具有設(shè)備緊湊、結(jié)構(gòu)簡單、安裝維護方便、工作狀態(tài)穩(wěn)定、檢測結(jié)果快速及時等優(yōu)點。其檢測數(shù)據(jù)可定量反映飛灰含碳量指標，能夠滿足現(xiàn)場使用要求，為機組的經(jīng)濟運行提供了依據(jù)。在線監(jiān)測裝置的投入使用，有利于提高鍋爐燃燒控制水平，正確調(diào)整風、煤比，控制飛灰含碳量，優(yōu)化發(fā)電機組性能，降低發(fā)電成本。由于該項目技術(shù)難度大，目前做到“免維護”尚有困難，在使用中仍有改進的潛力，為進一步改進和完善該裝置提出了更高的要求和目標。

［1］李碩，路野，李波，等.飛灰采樣分離器:中國，200510065899.6［P］.2006 －11 －01.

［2］李碩，路野，李波，等.飛灰采樣排灰器:中國，200510067180.6［P］.2006 －11 －01.

［3］潘理黎，王佳瑩，楊玉峰，等.火電廠飛灰含碳量在線監(jiān)測設(shè)備現(xiàn)狀［J］.熱力發(fā)電，2008，37(11):10 －14.

［4］侯瑞明.鍋爐飛灰含碳量在線監(jiān)測裝置的應(yīng)用與維護［J］.山西能源與節(jié)能，2010(3):22 －24.