蔡小舒1，潘咏志1，欧阳新1，吴伟亮1，俞基安2，胡 杰2
1．上海理工大学，上海200093； 2．浙江北仑发电厂，浙江宁波315800
1 引言
在电厂直吹式制粉系统设计时认为同一磨煤机出口各煤粉管内的煤粉浓度、粒度和速度是一样的，这样可以保证到各燃烧器的煤粉量相同，以得到正确的风煤比。实际上，由于多种因素的影响，各煤粉管的煤粉浓度不可能完全相同，通常会有20％或更大的差异。这种浓度的差异会影响到各燃烧器中的风煤比，造成燃烧效率下降、燃烧不稳定、结渣等，还会增加NOX的排放。煤粉细度对锅炉燃烧的稳定性、煤粉燃烧不完全损失、磨煤机能耗等也有较大影响。有时煤粉管道还会发生堵塞，影响锅炉安全运行。一般认为煤粉管堵塞原因是各管道内的一次风速不同造成的，可以通过在磨煤机空载时测量各煤粉管内的风速，调整煤粉管上的节流孔板或节流圈尺寸来平衡各管道内的风速。但即使是在空载下平衡的煤粉管实际运行时个别管道还有可能发生堵塞。
为能及时发现以上问题，以提高锅炉效率和可靠性，减少污染排放，实现安全运行，就需对煤粉管中煤粉的运行状况进行在线监测和诊断。近年来，国内外都在开展煤粉在线测量技术研究，如采用热力学法［1］、微波法、电容法［2］、电荷法［3］等。但这些方法一般只能测量煤粉的浓度，不能同时测量煤粉的粒度和速度。且上述一些方法与煤粉的特性有关，煤种变化会增大测量误差。本文介绍了作者应用LF－1煤粉在线检测仪在600 MW机组上进行煤粉管道中煤粉运行状况在线检测和诊断的研究结果。
2 仪器的测量原理
LF－1煤粉在线检测仪是基于光脉动法和相关法原理的一种新颖的煤粉在线测量仪器［5］，可同时测量煤粉的平均粒度、浓度和速度。它的基本原理是当处于运动状态的煤粉通过一测量激光束时，由于处在光束中的不同大小的煤粉数目始终在变化，造成透射光束光强的随机变化，测量这种光强随机变化信号并应用光脉动理论分析处理就可以得到煤粉的粒度和深度[4]，如图1所示。进一步利用相关理论处理测得的数据，就能测得煤粉速度。
仪器由计算机、仪器箱、探针等组成，见图2。探针为直径20mm的细长杆状，前部有一10mm长的测量区。由于测量区长度较短，应用该仪器可测出煤粉在管内沿径向的分布情况，这对诊断煤粉管的运行状况是十分有用的。
LF-1煤粉在线测量时只要在机组运行状态下将煤粉管上的煤粉取样孔堵头取下，打开取样孔上的阀门，把探针通过取样孔插入煤粉管内让煤粉流过测量区即可开始进行。为保护探针上的测量孔不被煤粉堵塞，探针插入煤粉管前必须连接好压缩空气管并供给压缩空气，压缩空气流量仅每分钟数升。该仪器的一次测量时间仅数毫秒，测量时间间隔可以软件上调整，试验时设定为每5s测量一次。测量结果以曲线和数据的形式直接显示在计算机屏幕上，同时保存在硬盘上供以后分析。
3 测量结果和分析
应用该仪器在一台600 MW机组的煤粉管上进行了多次测量并对煤粉管的运行状况进行检测和诊断。需指出的是该仪器测得的粒度是煤粉的平均粒度，浓度是单位空间内的煤粉量，而速度是煤粉的速度，这些定义与电厂常用的定义有区别。
表1和表2是2F磨煤机2根出口煤粉管的测量结果，表中的测量位置见图3。从表中数据可见，F5管的煤粉粒度和浓度随测量位置增加而逐渐增大。其原因是测点位于该煤粉管弯管上部，煤粉在弯管处受离心力作用造成弯管半径大处煤粉浓度高、粒度大，半径小处浓度低、粒度小。由于仪器测量的是煤粉的速度，而不是气流的速度，煤粉颗粒越大，与气流的跟随性越差，故速度也较低，而煤粉颗粒越小，与气流的跟随性越好，故速度也较高，接近气流速度。速度测量结果也显示出这种规律，在弯管内半径处煤粉速度较大，外半径处煤粉速度较小，而在其它位置，则速度较为均匀。
但2F1管的数据则明显与2F5管的测量结果不同，在管内大部分区域，煤粉粒度和浓度均较2F5管的数据为大，而速度则低的多。仅在管道外半径附近区域煤粉粒度较小，浓度也趋于正常，与2F5管相同区域的煤粉情况相近。分析该测量结果可以得出这样的结论：2F1煤粉管道有部分堵塞现象，仅在外半径区域附近该管道还保持畅通。实际检查证实情况确实如此。同时，测量结果还表明，煤粉的浓度、粒度和速度等参数波动很大（见表2）。
从流体力学理论知，颗粒在气流中的速度或与气流的跟随性和它的直径有关，直径越大，颗粒跟随性越差，速度越小，越易沉积。在各管道内风速差异并不是非常大的情况下，150μm的煤粉颗粒显然比50μm的煤粉颗粒容易沉积。比较有堵塞现象的管道与同一磨煤机出口其它几根管道的测量数据，发现凡运行正常的管道中煤粉粒度均较小。因而2F1管道堵塞的原因应是煤粉颗粒过大，而不是该管道阻力太大，风速过小等其它因素。分析认为造成2F1管煤粉粒度大的原因应是磨煤机内煤粉分离装置有问题，引起煤粉分离不均匀，本应回落到磨煤机中重新研磨的大颗粒煤粉进入了该管道。但这种问题在进行磨煤机空载试验时是不可能发现的。这也解释了为何调整了该磨煤机出口管道的节流圈尺寸以平衡各管道间风速后仍有堵塞发生的原因。经打开磨煤机检查，发现确有个别分离板安装角度有问题，对此进行了调整，恢复到正常角度。调整后对该磨煤机再次进行测量的结果表明，2F磨的各管道间
煤粉浓度和粒度很不均匀的现象已大为改善，2F1管中的煤粉的参数已与其它管道的情况相近，见图4。调整后经几个月运行，没有再发现2F1管堵塞现象。
各煤粉管的测量结果还表明煤粉的流动并不是如机组运行表计上显示的那样是稳态的，而是不稳定的，有时会出现浓度和粒度的大幅度波动，此时瞬态煤粉浓度非常高，粒度也较大，如图5所示。2F磨和2D磨检修调整前，这种现象出现频率较高，但在机组的运行表计上根本没有显示，文献中也极少报道此现象。这是因为运行表计和其它方法的时间常数较大，不能测出这种短时间的变化。这种煤粉浓度大幅度波动显然对燃烧会产生较大影响，因为
此时风煤比将小于最佳风煤比，造成不完全燃烧损失增大。磨煤机检修后，这种现象则很少出现。这表明，这种现象与磨煤机运行状况有很大关系，因此可以把煤粉波动状况作为磨煤机运行状况好坏的一个判据。
为进一步改进磨煤机的性能，电厂对2D磨进行了大修，更换了轧辊等，同时对2F磨又作了调整。对大修和调整后2D和2F磨各煤粉管的再次测量表明，2D磨经大修后煤粉的粒度从平均约80多μm降到50μm左右，且各管道内煤粉浓度和粒度沿直径分布都较均匀，仅2D6管内的煤粉粒度稍大（见表3）。同时各管道内的煤粉流动状况也大为改善，不再有煤粉浓度大幅度波动的现象，仅在近壁面处有煤粉浓度的较大幅度波动。这种波动在2D和2F磨多数管道的近壁面处都测量到。分析认为这种现象是由于在壁面附近气流速度较小，而测量位置是在垂直管段上，部分大颗粒煤粉在壁面上沉积达一定厚度后塌落造成的。但2D2管这一区域稍大一些。
对2F磨出口煤粉管的测量结果表明各管道内的煤粉浓度和粒度的均匀性同样有了很大改善，但2F磨的煤粉粒度略大于2D磨的煤粉粒度。这是因为在磨煤机调整时2F磨的挡板开度调整得比2D磨稍大，磨煤机的电动机电流相应减小，以降低2F磨的能耗。
4 结论
通过用LF－1煤粉在线测量仪在600 MW机组煤粉管的在线检测诊断，可以得到以下结论：
（1）LF－1煤粉在线检测仪可以对煤粉管道中煤粉的运行状况进行诊断。
（2）造成煤粉管道堵塞的原因不一定是各管道的阻力特性不同，磨煤机内煤粉分离装置的设计或安装等问题造成煤粉分离不好，大粒度煤粉进入煤粉管道也是造成煤粉管堵塞的原因之一。
（3）同一煤机出口各煤粉管的煤粉浓度和粒度并不一定相同，这与磨煤机的运行状况有很大关系。各煤粉管内的煤粉粒度和浓度是否存在较大不均匀，以及煤粉浓度是否出现大幅度波动可以作为磨煤机运行状况好坏及是否需要进行检修的判据。
（4）对煤粉管道进行定期检测可以帮助了解管道的运行情况，有助于锅炉的安全运行。
参考文献：
［1］ 王凯，赵海生，陈增宏（Wang Kai，Zhao Haishen，Chen Zenghong）．煤粉浓度监测系统（Pulverized coalconcentration monitoringsystem）［J］．动力工程（Power Engineering），1994，14（3）：45－48．
［2］ 王国雄，等（Wang Guoxiong，et al）．编著．现代高炉粉煤喷吹（Pulverized coalinjection in modern blastfurnace）［M］．北京：冶金工业出版社（Beijing：MetallurgicalIndustry Press），1997．
［3］ Laux S，Grusha J，McCarthy K．Coaland airflow measurement forreduced NOx and UBC．Internet［EB］．
［4］ 蔡小舒，潘咏志，等（Cai Xiaoshu，Pan Yongzhi，etal）．电厂煤粉粒度、浓度和速度在线测量技术研究（The study of on－linemeasurement technology of pulverized coal size，concentrationand velocity in power station）［J］．动力工程（Power Engineering），1999，19（6）：465－469．
［5］ 吴伟亮（Wu Weilian）．气固两相流测量技术及在电厂煤粉管道在线监测应用的研究（The study of measurement technology for gas and solid two phase flow and its application in pulverized coal monitoring in power station）［D］．上海理工大学（University of Shanghai for Science & Technology)1999.
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