CN104502284A - 一种燃煤电厂锅炉飞灰含碳量在线检测装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种燃煤电厂锅炉飞灰含碳量在线检测装置，包括设置在烟道内从上至下依次相连的负压抽吸弯头、文丘里引射器和旋风分离器；经旋风分离器分离后的灰样经管道进入设置在烟道外的灰罐内，测色色差计设置在灰罐的侧壁上，其与灰罐的接触面为石英玻璃，在灰罐上安装有判断灰样位置的光电耦合器，光电耦合器及测色色差计分别与PLC相连，PLC与上位机相连，灰罐的出口与灰收集罐相连通，电源分别与测色色差计、PLC以及光电耦合器的输电端相连。本发明属于电厂热能工程技术领域，可用来在线测试煤粉锅炉和循环流化床锅炉的飞灰含碳量。

Description

一种燃煤电厂锅炉飞灰含碳量在线检测装置

【技术领域】

本发明属于电厂热能工程技术领域，具体涉及一种燃煤电厂锅炉飞灰含碳量在线检测装置。

【背景技术】

锅炉飞灰含碳量是反映火力发电厂燃煤锅炉燃烧效率的重要指标，实时检测飞灰含碳量将有利于指导运行正确调整风煤比，提高锅炉燃烧控制水平；合理控制飞灰含碳量的指标，有利于降低发电成本，提高机组运行的经济性。随着我国电力发电机组不断向大容量、高参数发展，对锅炉飞灰中的含碳量实现在线检测，以控制和优化锅炉燃烧，降低发电煤耗、提高“竞价上网”能力以及煤粉灰综合利用能力已显得日益重要和迫切。

飞灰含碳量的传统的实验室测量方法是化学灼烧失重法，它是一种离线的实验室分析方法，该方法虽有精度高的特点，但因受灰样采集、分析时间滞后等因素影响，导致测量结果不能及时准确地反映当前锅炉的燃烧工况，对锅炉燃烧控制和调整的指导缺乏实时性。

在线式锅炉飞灰含碳量监测技术已经历近20年的发展历程，形成了若干种飞灰测碳方法。1)早期的飞灰测碳是利用微波衰减法测量，首先将烟道内的飞灰取出，通过测算飞灰对微波的吸收量来确定飞灰含碳量。这种方法存在的主要问题是堵灰和测量准确性不高，采用电磁振动、加伴热带提高灰样温度等方法，但并未完全根除堵灰问题；2)90年代初国外开发出烟道内置式采用微波谐振测试锅炉飞灰含碳量的系统，该方法彻底解决了堵灰问题，但内置式方法存在一个重要问题是微波在烟气流动方向上的衰减以及飞灰浓度的影响是很难确定的，由此造成的误差难以解决；3)还有一种采用电容法测碳，通过飞灰对电容的改变量来确定含碳量，该方法是近几年新发展的方法，原理比较清晰，但受灰的温度和湿度影响，灰的介电常数会发生变化，其应用情况尚不清楚。电容法和微波法的实质是一样的，都将飞灰视作电介质，认为飞灰的介电常数是其含碳量的函数，含碳量的变化引起介电常数的变化，从而改变飞灰对微波的吸收率和电容式传感器电容值。4)还有一种飞灰在线测碳技术是采用失重法测量技术，也就是电厂化验室采用的测量技术，该法是将烟道里的飞灰等速取出，采用新的灼烧手段将烧灰时间大大缩短，从而满足“在线”的要求。该法存在的问题是在工业现场，振动、温度变化、气流扰动、灰尘等对称重的影响以及短时间烧灰的效果问题，如果这些问题得到解决，该法则当是一种较理想的方法。

近年来，色差计在纺织、印染、化工、造纸、冶金、陶瓷、图书管理、机械制造等方面的应用，越来越普遍，在文物修复作色中的实际应用起到了非常好的效果。同样，在煤炭行业，燃烧试验室完成了“煤灰色差测试快速预报煤结渣性的方法”的课题研究并获得专利。而对有经验的锅炉技术人员，根据飞灰的颜色及性状基本能够判断飞灰含碳量的大小，绝大多数煤粉在悬浮状态充分燃烧后，其灰的颜色呈现较均匀的灰白色，而未能达到充分燃烧的飞灰则呈现混有一定程度杂色的灰色。

【发明内容】

本发明的目的在于提供一种原理简单、实现方便、测试结果精确并能够在线无人值守连续运行的燃煤电厂锅炉飞灰含碳量在线检测装置。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种燃煤电厂锅炉飞灰含碳量在线检测装置，包括设置在烟道内从上至下依次相连的负压抽吸弯头、文丘里引射器和旋风分离器；其中，负压抽吸弯头的出口方向与烟气流向相同，旋风分离器的入口正对烟气来流方向，旋风分离器的气体出口与压缩空气引射管及取压管的一端相连通，压缩空气引射管及取压管的另一端位于烟道外；

经旋风分离器分离后的灰样经管道进入设置在烟道外的灰罐内，测色色差计设置在灰罐的侧壁上，其与灰罐的接触面为石英玻璃，在灰罐上安装有判断灰样位置的光电耦合器，光电耦合器及测色色差计分别与PLC相连，PLC与上位机相连，灰罐的出口与灰收集罐相连通，电源分别与测色色差计、PLC以及光电耦合器的输电端相连。

本发明进一步的改进在于：旋风分离器的气体出口的横截面经变径后与旋风分离器的入口的横截面面积相等。

本发明进一步的改进在于：旋风分离器、压缩空气引射管以及取压管均通过法兰与烟道连接。

本发明进一步的改进在于：取压管套装在压缩空气引射管内。

本发明进一步的改进在于：负压抽吸弯头采用90°弯头。

本发明进一步的改进在于：灰罐的侧壁上还设置有吹灰管，吹灰管的入口端连接有用于提供压缩空气的管路。

本发明进一步的改进在于：用于提供压缩空气的管路上还安装有电磁阀，电磁阀与PLC相连。

本发明进一步的改进在于：还包括用于擦石英玻璃的气动执行器，气动执行器与PLC相连接。

本发明进一步的改进在于：测色色差计通过RS232数据线与PLC相连。

本发明进一步的改进在于：PLC通过RS-485数据线与上位机相连。

与现有技术相比，本发明具有如下的技术效果：

本发明利用测色色差计测试经由烟道等速取样获得的在线飞灰色差数据来判断飞灰中的含碳量，利用烟道负压并加压缩空气引射达到等速取样的机构，旋风分离器收集飞灰进入装有石英玻璃的透明灰罐。进一步地，由测色色差计完成测试后的飞灰由电磁阀控制的压缩空气吹送和负压引射，返送回烟道。光电耦合器负责确认灰的料位，触发色差计测试操作。PLC(可编程序控制器)负责从测色色差计获取测试数据并传输至上位机处理，同时控制电磁阀和气动执行器，分别实现吹灰和带动毛刷擦拭石英玻璃的目的。灰收集罐可同步人工获得灰样，以便在系统调试阶段用试验室烧灰方法标定设备。

【附图说明】

图1为本发明一种燃煤电厂锅炉飞灰含碳量在线检测装置的整体结构示意图。

图中：1-负压抽吸弯头，2-文丘里引射器，3-法兰，4-压缩空气引射管，5-取压管，6-测色色差计，7-PLC，8-上位机，9-气动执行器，10-灰收集罐，11-电磁阀，12-吹灰管，13-灰罐，14-光电耦合器，15-旋风分离器，16-旋风分离器的入口，17-旋风分离器的气体出口，18-电源。

【具体实施方式】

下面结合附图对本发明作进一步详细说明。

参见图1，本发明一种燃煤电厂锅炉飞灰含碳量在线检测装置，分烟道内与烟道外两部分，包括设置在烟道内从上至下依次相连的负压抽吸弯头1、文丘里引射器2和旋风分离器15；其中，负压抽吸弯头1的出口方向与烟气流向相同，旋风分离器的入口16正对烟气来流方向，旋风分离器的气体出口17与压缩空气引射管4及取压管5的一端相连通，压缩空气引射管4及取压管5的另一端位于烟道外，取压管5可调试该处动压与烟道动压相同，取压管5套装在压缩空气引射管4内，以简化系统，旋风分离器的气体出口17的横截面(图示中的A截面)经变径后与旋风分离器的入口16的横截面(图示中的B截面)面积相等。旋风分离器的气体出口17上端安装有文丘里引射器2，可利用压缩空气增加系统内的抽吸效果，文丘里引射器2后端的管路上安装有出口与烟气流向相同的负压抽吸弯头1；分离了灰分的烟气与引射空气垂直向上，经一个90°弯头的负压抽吸弯头1顺烟气流向流入主流烟气中，达到利用烟道负压抽吸的效果。旋风分离器15、压缩空气引射管4及取压管5均通过法兰3与烟道连接。

烟道外部分主要为测试与控制部分，经旋风分离器15分离后的灰样进入灰罐13内，测色色差计6设置在灰罐13的侧壁上，其与灰罐13与的接触面为石英玻璃，在灰罐13上安装有判断灰样位置的光电耦合器14，光电耦合器14及测色色差计6还分别与PLC7相连，PLC7与上位机8相连，灰罐13的出口与灰收集罐10相连通，灰罐13的侧壁上还设置有吹灰管12，吹灰管12的入口端连接有用于提供压缩空气的管路，用于提供压缩空气的管路上还安装有电磁阀11，电磁阀11与PLC7相连。本发明还包括用于擦石英玻璃的气动执行器9，气动执行器9与PLC7相连接。

灰样收集在灰罐13内，灰罐13与测色色差计6接触面为石英玻璃，由光电耦合器14判断灰样位置，符合测试要求后通知PLC7启动测色色差计6测试，测试结果由PLC7读取并传输到上位机处理。PLC7完成向上位机传送数据后，立即启动电磁阀11打开压缩空气对灰罐13内进行吹灰，利用烟道负压与压缩空气正压将设备内灰样清除，必要时也可打开引射压缩空气增加清灰效果。吹灰约30秒后，启动气动执行器9擦石英玻璃，然后可再吹灰30秒和二次擦玻璃。吹灰时间可根据现场不同情况进行编程调整。

为了对本发明进一步了解，现对其工作过程做如下说明：

在设备安装调试阶段，主要有两方面的工作：首先通过取压管5测试系统内动压与烟道动压，调整引射压缩空气(也可以是空气)阀门开度，使上述两动压值基本一致；其次人工现场测试收集飞灰的色差数据：X、Y、Z、L、a、b和YI等并记录，然后利用灰收集罐10收集每次测试的灰样进行试验室含碳量分析，对灰样的色差数据和含碳量用人工神经网络算法(如反向传播BP算法)进行关联分析，测试数据组数越多，需要测试到锅炉运行燃用的所有煤种灰分数据，则数据关联关系越紧密。最后将神经网络算法学习得到的关联关系矩阵写入上位机数据处理软件，该软件如果结合电厂DCS的氧量和排烟温度等数据，可以预测锅炉实时运行效率和各项热损失等。

系统调试完成进入正常运行阶段，由PLC7循环扫描程序，监视输入变量，当光电耦合器14发送与接收端信号通时，说明灰罐13内灰的料位不够，当灰位堵塞光电耦合器14通路，说明灰位已达到满足测色色差计6测试位置，PLC7启动测色色差计6测试，并将测试结果传送给上位机处理软件进行处理。随后，PLC7启动吹灰与擦玻璃程序，吹灰与擦玻璃重复两次，以达到较好效果。至于利用引射空气增加清灰效果，可根据现场情况进行选择性应用。清灰完成后，PLC7进入下一轮扫描执行阶段。

本发明可用来在线测试煤粉锅炉和循环流化床锅炉的飞灰含碳量。由于软件计算使用的关联关系来源于现场标定的测试数据，因此在燃用煤种波动不大的情况下，测试结果能很好的再现因为工况波动而造成的飞灰含碳量变化情况。但如果锅炉燃用煤种有较大波动(如贫煤锅炉掺烧烟煤)，则标定的数据相关关系偏离了实际情况，则测试误差增加并可能导致数据不可信，因此，在煤种变更时需要对测试系统重新标定。

一个可行的方案是随着本设备应用的增加，对各种煤的测试数据及关联关系可形成数据库，并将数据库作为数据处理软件的支撑。

另外，因为比较好烧的烟煤，如神华煤，因为燃尽性能好，飞灰含碳量较低，测试系统对该类灰样的分辨率较低，应用效果可能较差。本发明推荐使用在燃用贫煤、无烟煤和劣质烟煤的煤粉锅炉以及循环流化床锅炉上。

Claims (10)

1.一种燃煤电厂锅炉飞灰含碳量在线检测装置，其特征在于：包括设置在烟道内从上至下依次相连的负压抽吸弯头(1)、文丘里引射器(2)和旋风分离器(15)；其中，负压抽吸弯头(1)的出口方向与烟气流向相同，旋风分离器的入口(16)正对烟气来流方向，旋风分离器的气体出口(17)与压缩空气引射管(4)及取压管(5)的一端相连通，压缩空气引射管(4)及取压管(5)的另一端位于烟道外；

经旋风分离器(15)分离后的灰样经管道进入设置在烟道外的灰罐(13)内，测色色差计(6)设置在灰罐(13)的侧壁上，其与灰罐(13)的接触面为石英玻璃，在灰罐(13)上安装有判断灰样位置的光电耦合器(14)，光电耦合器(14)及测色色差计(6)分别与PLC(7)相连，PLC(7)与上位机(8)相连，灰罐(13)的出口与灰收集罐(10)相连通，电源(18)分别与测色色差计(6)、PLC(7)以及光电耦合器(14)的输电端相连。

2.根据权利要求1所述的燃煤电厂锅炉飞灰含碳量在线检测装置，其特征在于：旋风分离器的气体出口(17)的横截面经变径后与旋风分离器的入口(16)的横截面面积相等。

3.根据权利要求1所述的燃煤电厂锅炉飞灰含碳量在线检测装置，其特征在于：旋风分离器(15)、压缩空气引射管(4)以及取压管(5)均通过法兰(3)与烟道连接。

4.根据权利要求1所述的燃煤电厂锅炉飞灰含碳量在线检测装置，其特征在于：取压管(5)套装在压缩空气引射管(4)内。

5.根据权利要求1所述的燃煤电厂锅炉飞灰含碳量在线检测装置，其特征在于：负压抽吸弯头(1)采用90°弯头。

6.根据权利要求1所述的燃煤电厂锅炉飞灰含碳量在线检测装置，其特征在于：灰罐(13)的侧壁上还设置有吹灰管(12)，吹灰管(12)的入口端连接有用于提供压缩空气的管路。

7.根据权利要求6所述的燃煤电厂锅炉飞灰含碳量在线检测装置，其特征在于：用于提供压缩空气的管路上还安装有电磁阀(11)，电磁阀(11)与PLC(7)相连。

8.根据权利要求1所述的燃煤电厂锅炉飞灰含碳量在线检测装置，其特征在于：还包括用于擦石英玻璃的气动执行器(9)，气动执行器(9)与PLC(7)相连接。

9.根据权利要求1所述的燃煤电厂锅炉飞灰含碳量在线检测装置，其特征在于：测色色差计(6)通过RS232数据线与PLC(7)相连。

10.根据权利要求1所述的燃煤电厂锅炉飞灰含碳量在线检测装置，其特征在于：PLC(7)通过RS-485数据线与上位机(8)相连。