煤粉炉采用直吹式制粉系统将煤粉燃料与空气混合后一同送入炉膛内进行燃烧,具有燃烧迅速、完全、效率高等优点而广泛用于火力发电^[1].煤粉管道中内煤粉颗粒细度、浓度、速度对锅炉燃烧有重要影响^{[2, 3, 4, 5, 6]}.煤粉细度过大,燃烧不充分,不完全燃烧损失增加,机组飞灰可燃物增加;细度过小则导致除尘效率降低且制粉系统耗能增加.而对于不同管道中煤粉浓度的差异失调,将导致燃烧不稳定,炉膛火焰中心偏移,甚至引起煤粉管道堵塞,严重影响锅炉安全运行.煤粉速度过低,煤粉气相输运能力降低,火焰燃烧强度减弱,且火焰将靠近燃烧器从而造成燃烧器损坏;煤粉速度过高,造成着火延时,甚至引起脱火从而导致燃烧器火焰熄灭.因此,煤粉颗粒细度、浓度、速度的实时在线监控是电站锅炉燃烧优化控制的关键问题和难点之一^[7].

光脉动(Light Transmission Fluctuation,LTF)法利用透射光强的随机变化规律结合光散射理论实现煤粉细度和浓度的在线测量,同时利用双光束透射光强互相关测速原理实现速度的同时在线测量,并且具有结构简单、对测量环境要求低、长时间运行可靠等优点,适合应用于电站锅炉煤粉参数的在线监测^{[8, 9, 10, 11, 12]}.本文针对光脉动法煤粉参数测量装置需求,开展电站锅炉煤粉参数远程监控系统的软件设计,并实现与DCS(Distributed Control System)的即时通讯,为电站锅炉燃烧优化提供重要数据参考.

煤粉参数测量原理示意图如图 1所示,图中:PD为光电探测器;u_t为颗粒流动速度.光脉动法利用两束平行光束穿越含有颗粒的介质,由于颗粒的宏观运动,不同时刻光束照亮体积内的颗粒数是不同的,由此测量到的透射光强也是随时间变化的.依据光强随机衰减规律结合光散射理论建立颗粒细度、浓度和透射光强之间的关系,以实现煤粉细度、浓度的在线测量;同时通过分析两束光透射光强的互相关性,计算得到两光束信号间的时滞,从而实现速度的同时测量.

图 1

Fig. 1

图 1 煤粉参数测量原理示意图 Fig. 1 Schematic diagram of pulverized coal parameter measurement

该软件目的在于实时获取和处理光脉动信号,同时将处理结果同步显示并送入DCS通讯.为了对在线测量数据进行分析,需要软件对于历史测量数据进行存储.不但如此,还要求该软件可高效、准确、长时间可靠运行等.

针对上述要求,系统软件应具有数据采集与处理功能、数据存储功能、数据通讯功能、日常使用功能.

数据采集与处理功能主要要求数据采集速率大,同时要求基于LTF法及互相关法的运行处理迅速;数据存储功能能够对不同时间、不同管道的处理结果进行保存,并提供历史数据的调用与查询;数据通讯功能在于实现计算机与DCS系统之间的通讯;日常使用功能则是实时数据显示、用户管理.

系统采用基于PCI总线板卡的架构,采用的PCI总线采集卡支持即插即用,是一款12位高速存储式A/D板,其转换频率为1 000 K,输入通道建立时间小于1 μs;板上RAM容量为1 M×16 bit,即1 M采样点.它有32路单端模拟输入、24路可编程开关量(3个8位口)、采集转换支持多种触发形式.软件系统线程如图 2所示,主要分为主线程、采集线程和串口线程三部分.对于主线程,能够显示数据处理结果,同时可进行一定功能设置,包括串口通讯设置,Modbus站地址、Modbus寄存器地址和磨通道以及对应参数设置,数据处理结果的实时显示和启动其它线程设置.采集线程是完成采集卡初始化,能够从PCI卡中获取数据并进行分析处理,填充数据缓存区,发送数据更新事件.对于串口线程,其通讯流程如图 3所示.串口事件首先发生,接着在Modbus地址、命令、CRC校验正常之后,需根据数据缓冲区映射填充发送数据,然后进行数据CRC校验,在结束校验后发送数据.三者之间需要能够交换数据信息,实现实时数据缓冲区与地址映射,包括Modbus地址、磨通道以及对应参数.

图 2

Fig. 2

图 2 软件系统线程 Fig. 2 Flow chart of software

图 3

Fig. 3

图 3 串口通讯流程 Fig. 3 Flow chart of serial port communication

VB.NET支持面向对象编程、多线程处理、结构化异常处理等技术,能有效保证软件的稳定性和高效性,因此,软件开发选用2010 VB.NET开发环境.软件主界面如图 4所示,包括功能按钮、系统参数设置、数据采集和发送、数据实时显示、粒度分布实时测量等功能.其中,数据采集和发送是基于1 MHz 12位高速存储式A/D板开发,实现对光强信号的4线程高速采集,具体配置参数如图 5所示,包括卡件号、通道号、数据点名称、Modbus地址、DCS地址、测量初始参数、量程与单位等.系统完成配置后,开始数据采集,调用结果处理的动态链接库得到煤粉参数测量结果,并将结果显示于主界面中,同时发送至DCS供电厂运行人员参考.

图 4

Fig. 4

图 4 软件主界面 Fig. 4 Software interface

图 5

Fig. 5

图 5 系统配置界面 Fig. 5 Interface of system configuration

由于电厂煤粉细度参数采用筛分数据作为依据,而光脉动法煤粉细度测量依据光散射理论获得索太尔直径.为满足电站运行需要,通过煤粉粒度分布反演实时得到煤粉粒度分布,从而获得筛分特征测量值结果,如图 6所示.

图 6

Fig. 6

图 6 粒度分布实时测量结果 Fig. 6 Real-time measurement result of pulverized coal size distribution

正常运行该系统1 h后,煤粉参数测量结果如图 7所示,可看出,在该负荷下煤粉速度在25 m·s^-1左右,煤粉浓度在0.5 kg·m^-3、煤粉细度在15 μm左右的较小范围波动,1 h内运行状态稳定,这表明所设计的电站锅炉煤粉参数远程监控软件在电站实际投入运行中具有良好的稳定性与可靠性,各项功能均满足锅炉运行与优化控制要求.

图 7

Fig. 7

图 7 煤粉参数实时监测结果 Fig. 7 Real-time monitoring result of pulverized coal parameter

(1) 通过自定义控件实现了电站锅炉煤粉参数远程监控软件数据成组文本、棒状图、实时曲线显示、测量参数相关信息组态和保存等功能.同时利用多线程和通道自动分配方法实现 了单通道采样频率达1 MHz的数据快速采集与处理,并基于Modbus通讯协议实现了与DCS的即时通讯.

(2) 所设计的电站锅炉煤粉参数远程监控软件在电站长时间实际投入运行结果表明,其具有良好的稳定性与可靠性,各项功能均满足锅炉运行与优化控制要求.