西门子基于声敏技术的堵煤检测方法

一、问题的提出 
　　火电厂的制粉系统是辅机系统的一个重要组成部分，是保证火电厂稳定可靠运行的重要因素之一，其运行性能的稳定与否，直接影响到火力发电厂的安全和经济效益。而给煤机磨煤机以及煤粉输送管道的堵煤问题一直都很难很好地解决，尤其是如何稳定可靠地检测输煤系统是否发生堵煤，何处发生了堵煤这一难题，一直严重困扰着各电力企业，经常会造成磨煤干磨造成煤机损坏、锅炉灭火等事故，严重干扰了电力企业发电机组的正常运行。尤其是对于一些地处南方潮湿地区的火电厂，堵煤的问题尤为严重。

二、堵煤问题分析
　　通常容易形成堵煤问题的位置主要集中以下几个环节：原煤斗下料口（如图①位置）、气力输送管道的拐弯处以及一些集尘装置的死角等位置。

 
　　原煤斗下料口堵塞的主要原因一般是由于目前国内火力发电厂原煤仓大都是水泥、钢、水泥钢混合式结构。其结构上部进料部分基本相同，上部呈方形，圆柱体，下部呈方锥，圆锥及双曲线形。上口大，下口小，上口进料，下口排放料，物料自上自下靠自重下落。下落的物料由于在锥形容器内流动，故愈向下流动，面积愈小，对物料本身就形成挤压，增加磨擦系数往往是造成堵塞的主要原因。另外物料外物料的水分含量、粗细度比，温度变化、物料在容器内存放的时间长短、容器磨擦系数大小都是堵塞的基本原因。
　　而在气力输送管道或其他集成装置的死角处产生堵煤的现象，一般不少是因为给煤机工作不当造成的，可能原因有：原煤较为潮湿；煤成块较疏松造成煤流不畅；管道内有外物等。

三、工作原理和系统组成
　　西门子的Sitrans AS100防堵检测系统基于声敏技术，用于检测煤粉输送过程的堵塞问题，为及时解决给煤机、磨煤机、煤粉输送管路堵煤问题，提供可靠及时的报警信号。 而Sitrans AS100检测系统其实由两部分组成：AS100声敏传感器和CU 02控制器（如图2）。AS 100 是一种用于流量检测的声敏传感器。它能检测到运动中的设备和材料所产生的高频声波的变化。而系统通过SITRANS CU 02 控制单元进行操作，能检测出高流量低流量或无流量情况。可以通过一个4- 20mA 输出将其添加到控制回路中。两个继电器均可完全编程并互相独立，而且可以用来操作报警或控制装置。

　　声敏传感器能检测出由流动材料或机械零部件的摩擦和冲击所产生的高频辐射（如图3）。声敏传感器还能检测到气体或液体通过阀门或法兰泄露时所产生的湍流。当物体以0Hz- 200kHz 的频率振动时，会产生声能。人类可以觉察到20 Hz 到20kHz 之间的声能。声敏传感器可以检测到75kHz　175kHz 之间的高频声能（如图4）。声能在稠密材料( 金属) 中的传播速度极快，而在不太稠密的材（空气）中的传播速度则较慢。由于声敏传感器直接安装在斜槽机件的外壁上，所以，设备运行过程中所产生的噪声被声敏传感器有效地忽略不计。正常设备噪声均大大低于75 kHz，可以被声敏传感器有效地忽略不计。

　　声敏传感器包含一个专用压电晶体和滤波电路， 从而能对75 kHz到175kHz 之间的高频频带做出有效地响应。当通过声能激励晶体时，晶体会产生一个与接收到的声能的能级成正比的连续电信号，可以将0 至10 V DC 的声敏传感器转化成输出信号或4 ~20 mA ，输出信号用于PLC 或可编程报警继电器的任选控制单元。 

四、安装及产品应用
　　根据电力行业中可能产生堵煤问题的几个应用位置，我们将AS100 安装这些最容易发生堵煤的点上，实时检测这些关键点是否发生堵煤问题，并及时发出报警信号，以便操作人员快速准确地排除堵煤问题，保障电力企业的高效率生产。
　　AS100 的安装非常简单，因为采用了声敏技术，因为它是一种非接触式的检测手段，只需要安装在设备的表面即可开始“工作” 。
　　它的安装方式一般可采用两种方式： 一种是将 AS100 直接“钉”或“粘”在设备外壳上，检测设备内部的声频的变化，来“诊断”设备内部是否发生了堵塞现象（如图5）；另一种是安装在和设备相连的其他物件上，比如：管道上的法兰或安装支架上，因为声音可以通过这些设备传递到AS100探头上，因此也可以达到同样的效果（如图6）。

图 6：将AS100 安装在辅助设备上

　　在电场，可以采用AS100的应用点非常多，一般最常见有三个：一是检测给煤机磨煤机出口位置；二是检测煤斗出料口位置；三是煤粉气力输送管道拐弯位置。
　　给煤机磨煤机出口位置是非常容易发生堵煤的位置（如下图），如果堵煤问题不能及时解决，严重时可造成煤机损坏，从来导致发电机组空转，工作效率低下。

　　如前面介绍，煤斗出料口也是非常容易发生堵煤问题的地方（如下图），常见的表面现象是在下料口位置形成“洞拱”，而实际也是因为“洞拱”基础的存在才造成了煤仓堵煤。

　　　　　　　

　　而在气力输送管道中，由于拐弯的位置通常会形成一个突然的“压降”，而使得粉尘在这个位置非常容易形成堵塞的问题（如下图）。

　　在以上主要几个位置安装西门子AS100传感器。该传感器监测煤流移动时发出的声音，它能立即检测出任何给煤机或磨煤机堵塞或者煤粉突然间的增加。 每个传感器在此过程中提供了一个0-10 Vdc信号用于PLC的监测。如果发生堵塞或者流量不均匀，该信号将会产生一个报警，操作员可以在情况发生生产事故前立即采取措施来解决这个问题。传感器逆向安装在煤(粉)输送设备的外部，提供一个非接触式过程监测方法。该传感器具有一个不锈钢密闭外壳，防尘防湿气，没有移动部件不需要维护。

五、结论
　　Sitrans AS100 是一种性价比非常高的投资选择。它和目前市场常用的采用电容式料位开关作为防堵开关的方案相比，它具有以下优点：
＊ 非接触式，安装方便，免维护，大大降低了大量的维护费用；
＊  设备外部安装，安装方式灵活；
＊ 采用较高的声音频率信号，不会受到工业现场的噪声的影响；
＊  具备独立的模拟量(4-20mA)输出和两个可编程继电器。
＊  不锈钢传感器允许在恶劣的工作环境中工作，防护等级 IP68。