直吹式制粉系統固定式煤粉取樣裝置研究與應用

侯凡軍，劉科，段傳俊，劉豪杰，車剛

（1.國網山東省電力公司電力科學研究院，濟南250003；2.山東中實易通集團有限公司，濟南250003）

直吹式制粉系統固定式煤粉取樣裝置研究與應用

侯凡軍1，劉科1，段傳俊1，劉豪杰1，車剛2

（1.國網山東省電力公司電力科學研究院，濟南250003；2.山東中實易通集團有限公司，濟南250003）

對電廠三種常見送粉管道內的風粉流動特性進行分析，并對幾種煤粉等速取樣原理進行研究。比較現在火力發電廠經常使用的幾種固定式煤粉取樣裝置的性能，其中水平藏臂式全截面煤粉取樣裝置可極大提高煤粉取樣的準確性和代表性，未來與激光測量技術結合，可生產滿足現場要求的激光粒度在線測量裝置。

煤粉取樣；直吹式；制粉系統；等速取樣

0　引言

煤粉細度是影響鍋爐燃燒效率和制粉電耗的重要參數。與中儲式制粉系統相比，直吹式制粉系統要進行煤粉取樣后才能進行煤粉細度化驗，因而煤粉取樣的準確性和代表性直接影響煤粉細度的化驗結果。常見的煤粉取樣裝置有全自動煤粉取樣裝置、便攜式煤粉取樣裝置和固定式煤粉取樣裝置，前兩種煤粉取樣裝置適合于科研院所進行科學研究和性能試驗［1］。固定式煤粉取樣裝置安裝固定在直吹式制粉系統送粉管道上，適合電廠每天或每周對不同機組各臺磨煤機的煤粉細度進行取樣分析。與移動式煤粉取樣裝置相比，固定式煤粉取樣裝置具有不同的特點和要求。1）由于固定安裝在煤粉管道上，要求固定式煤粉取樣裝置要具備防磨功能。2）要有防堵功能，對于移動式煤粉取樣裝置，由于取樣槍可以從煤粉管道中取出，即使取樣槍堵塞，也可以取下來進行疏通，而對于固定式煤粉取樣裝置，取樣槍無法取下，因此要求要有防堵功能。3）要具備基本的等速功能，符合氣固兩相流中顆粒等速取樣的原理。4）操作要簡便，結構要簡單。

1　抽氣速度對煤粉取樣準確性影響

電廠鍋爐煤粉取樣就是利用取樣探頭從一次風管道中取出少量含塵氣體，用分離設備將這部分氣體中煤粉分離出來進行稱重或篩分。

對氣固兩相流進行取樣時，不同情況煤粉取樣偏差如圖1所示，會出現以下4種情況［2］：吸入速度等于來流速度；吸入速度小于來流速度；吸入速度大于來流速度；吸入速度雖與來流速度相等，但取樣探頭沒有正對氣流方向。后3種情況都會使探頭進口附近的氣流流線改變方向。由于固體顆粒的密度比氣體顆粒的密度大得多，所以當取樣時吸入速度和來流速度不相等時，固體顆粒會因慣性力的作用而脫離彎曲的氣流流線，造成取樣誤差。

若取樣速度低于來流速度（取樣速度為W，來流速度為W0），則進入探頭的流量將小于管道中原來的流量，部分氣流繞向探頭外側，氣流流線向外擴張。探頭邊緣氣流中的微小顆粒就會隨氣體向外繞流，而相同位置的較大顆粒卻由于慣性沖入取樣探頭內，造成取樣濃度偏高和樣品中的粗顆粒組分增加，平均粒徑變大，見圖1（b）；若取樣速度大于來流速度，探頭入口附近的氣流流線收縮，結果與上面相反，導致取樣濃度比實際濃度低，且所取樣品偏細，見圖1（c）；當取樣探頭不正對來流方向時，氣流進入探頭時要改變流向，探頭邊緣部分氣流中較大顆粒因慣性會無法進入取樣探頭內，造成取樣濃度偏低，樣品偏細，見圖1（d）；當只有當取樣速度與來流速度相等時，所取樣品的數量和大小才與實際一致，見圖1（a）。

圖1　不同情況煤粉取樣偏差

2　送粉管道中煤粉速度和濃度分布

送粉管道中煤粉濃度分布和氣流速度分布對固定式煤粉取樣裝置的設計、安裝、運行具有重要影響。火力發電廠常見的送粉管道有豎直管道、水平管道和彎頭后管道。

2.1豎直管道風粉分布

豎直管道一般指鍋爐本體燃燒器附近的送粉管道，管道內風粉分布特點如圖2、圖3所示。在豎直管道中，除了極靠近管壁的區域，在大部分區域內風速分布和濃度分布比較均勻。

2.2水平管道風粉分布

水平管道一般指運轉層上磨煤機出口至鍋爐本體間的水平送粉管道，管道內風粉分布特點如圖4、圖5所示。在水平管道中，風速分布呈現上大下小的特點，而濃度分布呈現上小下大的特點。

圖2　豎直管道風速分布

圖3　豎直管道煤粉濃度分布

圖4　水平管道風速分布

圖5　水平管道煤粉濃度分布

2.3彎頭后管道風粉分布

彎頭后的管道是指運轉層上方的豎直管道，其前面一般都有一個彎頭，造成管道內風粉分布呈現獨有的特點。當風粉混合物流過彎頭后，由于受慣性和離心力的作用，固體顆粒會向后偏移，圖6給出了在內徑為150 mm的彎頭后垂直管道中煤粉平均直徑為35 μm，密度為1 380 kg/m3，速度為14 m/s，氣粉比為1.7的質量流量等值線［3］。可見在離開彎頭后的較短距離內，煤粉偏移嚴重，只有當到達17.2 d位置后，煤粉又在氣流中分布均勻，重新恢復到典型垂直管中風粉流動狀況，如圖7所示。

圖6　彎頭后垂直管道10 d位置處煤粉濃度分布

圖7　彎頭后垂直管道17.2 d位置處煤粉濃度分布

3　實現煤粉等速取樣的方法

通過長期的煤粉取樣實踐，認為要保證煤粉取樣的代表性，必須要遵守兩條原則。

1）全截面取樣。由于送粉管道中的風粉分布并不均勻，煤粉取樣應采用全截面取樣，才能保證樣品的代表性。圖8為ISO9931規定的圓形送粉管道煤粉取樣測點分布［4］，圖9為德國AKOMA取樣裝置規定代表點。

圖8　ISO9931規定的取樣代表點

圖9　德國AKOMA取樣裝置規定代表點

鍋爐本體附近的豎直管道內風粉分布基本均勻，可以采用直線多點取樣代替全截面取樣，是比較理想的煤粉取樣位置；水平管道風粉分布不太均勻，適合采用全截面取樣。由于水平管道一般離運轉層太高，并不適合安裝固定式煤粉取樣裝置。彎頭后風粉分布極不均勻，甚至存在渦流區，必須采用全截面取樣，固定式煤粉取樣裝置安裝時必須避開渦流區。

2）等速取樣。由煤粉取樣技術原理可知，當取粉口的抽氣速度和煤粉管道內的氣流速度不相同時，就會帶來取樣誤差。要想真正實現等速，只有采用自動控制裝置，人工調節的方法無法實現等速。煤粉等速取樣的方法有靜壓平衡式煤粉取樣、靜壓不平衡式煤粉取樣和預測流速式煤粉等速取樣。

3.1靜壓平衡式煤粉等速取樣原理

靜壓平衡式等速取樣彎頭式取樣槍所用探頭的結構如圖10所示。探頭外側開有測壓孔用于測量來流靜壓，探頭內側開有測壓孔用于測量探頭內氣流靜壓。若認為被取樣氣體為理想流體，不考慮阻力的影響，根據伯努里方程：

圖10　靜壓平衡式取樣探頭

式中：p0，pn為來流和探頭內的靜壓，Pa；w0，w為來流速度和吸入速度，m/s；ρ0，ρ為來流和探頭內氣體密度，kg/m3。

氣體被吸入前后溫度相同，探頭內外的氣體密度相等，ρ0=ρ。當取樣探頭內的靜壓和探頭外的靜壓相等，即p0=pn時，由上式可得w0=w，即吸入速度與來流速度相等，可以實現等速取樣。

3.2靜壓不平衡式煤粉等速取樣原理

實際上只保持內外靜壓相等往往達不到等速取樣的目的，原因是實際氣流都具有粘性，在從取樣進口至內靜壓孔一段距離內存在各項阻力損失，阻力損失的絕對值雖然很小，但是足以影響等速取樣的準確性。考慮阻力影響后，伯努里方程變為：

式中：∑Δp為各項阻力損失之和，Pa。

總阻力損失∑Δp為探頭進口阻力損失、沿程摩擦阻力損失及速度再分布損失之和。根據公式（2），只要使差壓不平衡，即保證p0-pn=∑Δp，就可以使w=w0，從而實現靜壓不平衡等速取樣，但其中有兩個關鍵問題要解決。

∑Δp的準確數值。在純空氣流過時，可以根據阻力計算公式計算出總阻力損失的大小，試驗結果表明，在正常一次風速范圍內，在不同流速條件下，總阻力損失值變化不大。當實際氣固兩相流流經取樣探頭時，總阻力損失∑Δp與純空氣時不同，要想在氣固兩相流狀態下計算出總阻力損失在理論上是非常困難的。可以采用試驗標定的辦法解決此問題：讓已知細度的煤粉顆粒流經一次風管路，在不同差壓下進行煤粉取樣并分析樣品細度，樣品細度與原樣品細度最接近工況下的差壓即為在氣固兩相流狀態下總阻力損失∑Δp。

如何保證差壓始終維持與總阻力損失相同。事實證明，靠人工調節是無法滿足要求的，只有采用先進的控制技術和方法才能滿足要求。

3.3預測流速式煤粉等速取樣技術原理

預測流速法等速取樣所采用的取樣槍有單點彎頭式、單點平頭式和多點式。以單點彎頭式為例，預先用皮托管測出一次風管道內各采樣點處的流速，并按所選用的采樣探頭內徑計算出等速情況下各點所需的采樣流量，然后放入取樣裝置，調節抽氣流量到計算得到的采樣流量，即可實現等速取樣。當采用節流裝置監測抽氣流量時，需要對所測風量進行溫度和壓力修正，根據所測得的一次風狀態參數，把采樣流量換算到氣體流量計所在處氣體狀態參數下的抽氣流量。若需對多點取樣，就要預先測量每一點的流速。

4　常見固定式煤粉取樣裝置技術特點

山東省內火力發電廠常用的固定式煤粉取樣裝置有螺旋推進直線取樣、豎直藏壁直線取樣和全截面自動煤粉取樣。

4.1螺旋推進直線取樣裝置

螺旋推進直線取樣裝置在很多電廠都有應用，結構如圖11所示，主要由取樣管、分離器、收集瓶、引射器、乏氣管、手輪、螺桿、電子微差壓計等組成［5］。其工作原理為：先用壓縮空氣對取樣管反吹，同時轉動手輪，螺桿轉動，帶動取樣管進入煤粉管道。停止反吹，讓壓縮空氣通入引射器，產生負壓，含粉氣流通過取樣管入口進入取樣管，在分離器內發生離心分離，煤粉下落進入收集瓶，氣流進入引射器與壓縮空氣混合后通過乏氣管又回到煤粉管道。

其主要特點為：1）其取樣口為坡口形狀或在圓管壁上開孔，顆粒存在無規律的碰撞，不符合兩相流中顆粒取樣原理，顆粒取樣的重復性差。2）由圖11看出，其只能實現直線多點取樣，不能實現全截面取樣，當一次風管道內風粉分布不均勻時，采用直線取樣的代表性變差，取樣誤差變大，適合于安裝在鍋爐本體附近的豎直送粉管道。3）由于取樣管路長，而且取樣管路大部分在一次風管外，受環境溫度影響，取樣管路容易結露堵塞，造成取樣不準或根本無法取樣。

圖11　螺桿推進直線取樣裝置

4.2豎直藏壁直線取樣裝置

豎直藏壁直線取樣裝置結構簡單，操作方便，具有防磨功能，在一些電廠得到了應用，其結構如圖12所示，主要由笛型管取樣槍、豎直防磨槽、進口隔離閥、旋風分離器、煤粉收集罐、射氣抽氣器、回氣隔離閥、轉輪、壓力表等組成。其工作原理為：先通入壓縮空氣對笛型管取樣槍進行反吹，同時轉動轉輪，將笛型管旋至水平位置。停止吹掃，壓縮空氣通入射氣抽氣器，射氣抽氣器產生抽吸力，含粉氣流依次進入取樣槍和旋風分離器，在旋風分離器內發生離心分離，煤粉下落進入收集罐，氣流進入引射器與壓縮空氣混合后通過回氣管又回到煤粉管道。取樣結束后，轉動轉輪，將笛型管旋至防磨槽內的豎直位置。

其主要特點為：1）只能實現直線取樣，不能實現全截面取樣，適用于直管段很長的豎直管道上，在其它取樣位置，由于管路內風粉分布不均，采用直線取樣就無法保證取樣的代表性。2）豎直藏臂式直線取樣裝置無測量抽吸流量的裝置，只是根據壓縮空氣壓力進行粗調，當取樣管路積灰后，取樣管路的流量特性發生改變，無法實現等速取樣。3）不取樣時，取樣槍可放在防磨槽內，具有良好的防磨功能。

圖12　豎直藏臂直線取樣裝置

4.3全截面自動煤粉取樣裝置

全截面自動煤粉取樣裝置為新一代固定式煤粉取樣裝置，其結構簡單，操作方便，其結構如圖13所示。主要由取樣槍、防磨槽、進口隔離閥、旋風分離器、煤粉收集罐、射氣抽氣器、回氣隔離閥、電機、控制系統等組成。本裝置有兩種工作模式，全截面模式和固定位置模式。在全截面模式下：煤粉取樣槍依次停留在截面的不同位置，射氣抽氣器通入壓縮空氣產生抽吸力，含粉氣流依次進入取樣槍和旋風分離器，在旋風分離器內發生離心分離，煤粉下落進入收集罐，所取樣品為全截面上混合樣，代表性好。固定位置模式下：煤粉取樣槍停留在某一固定位置進行煤粉取樣，可在5～6個不同固定位置取樣，然后與全截面取樣的結果進行對比，確定最佳位置，以后取樣，取樣槍轉到最佳位置取樣即可。取樣結束后，取樣槍自動回到防磨槽內。

主要特點有：1）真正實現了等速取樣。通過風量測量裝置可對抽吸風量進行實際測量，通過調節壓縮空氣壓力，進而可以調節抽吸量，保證探頭抽吸速度于管內風速一致，實現了等速取樣。2）實現全截面取樣。實現全截面取樣后，固定式取樣裝置的安裝條件大大放寬，提高了其對現場條件的適應能力。3）實現了自動取樣，操作簡單，無污染，3 min就可以完成一次采樣。4）具有自標定功能。可以先進行全截面取樣，然后再與單個位置的取樣結果進行對比，從而確定煤粉取樣槍的代表位置，大大簡化了操作，極大提高了取樣的準確性。5）防磨損功能。取樣結束后，取樣槍會自動回到保護槽內，防止取樣探頭磨損，延長使用壽命。6）使用前后，可以利用壓縮空氣對取樣管路進行吹掃，防止積粉；取樣管路結構緊湊，風粉混合物經過分離后乏氣又返回一次風管內，取樣管路不易結露。

圖13　全截面自動煤粉取樣裝置

5　結語

煤粉細度在線測量是未來的發展趨勢。煤粉細度在線測量有微波法、電容法、電荷法、超聲法等，有的在現場也有初步應用，但這些方法總體準確性差、通用性不強，無法在火力發電廠生產實際中得到有效應用［6-8］。激光粒度測量采用激光衍射的原理測量顆粒的粒度分布，具有測試范圍寬、測試速度快、重復性好等優點，在實驗室已得到較廣泛的應用。激光在線測量煤粉細度目前在國內還沒有成功的應用，主要原因在于現場煤粉取樣的復雜性。如果通過固定式煤粉取樣裝置所取得的煤粉樣品代表性差，即使再準確的激光粒度測量方法也無法得到準確的測量結果。

現場應用效果表明，全截面自動煤粉取樣裝置取樣代表性好，已經解決了火力發電廠煤粉取樣代表性和準確性差的問題。如果能和激光粒度測量技術相結合，可生產滿足現場要求的激光粒度在線測量裝置。

［1］肖杰，劉躍珍.直吹式制粉系統煤粉取樣方法探討［J］.2008，37（7）：30-34

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Research and Application of Fixed Pulverized Coal Samplers for Direct-firing Type Pulverizing System

HOU Fanjun1，LIU Ke1，DUAN Chuanjun1，LIU Haojie1，CHE Gang2
（1.State Grid Shandong Electric Power Research Institute，Jinan 250003，China；2.Shandong Zhongshi Yitong GroupCo.，Ltd.，Jinan 250003，China）

Flow characteristics of three kinds of pulverized coal feeding ducts are analyzed and several principles of isokinetic sampling are studied.Performances of several fixed sampling devices used in power plants are compared.Among them，the horizontal hidden-arm isokinetic sampling device in the whole cross section can greatly improve the accuracy and representativeness of pulverized coal sampling.Moreover，combined with the laser measurement technology，it can be produced to be the online-laser particle size measurement device meeting plants requirements.

pulverized coal sampling；direct-firing type；pulverizing system；isokinetic sampling

TM621.7

A

1007－9904（2015）12－0010－05

2015-09-15

侯凡軍（1971），男，高級工程師，從事電廠鍋爐性能試驗及煤粉燃燒工作；

劉科（1986），男，工程師，從事電廠鍋爐性能試驗及煤粉燃燒工作。