超聲波測量電廠煤粉管道內煤粉體積分數的研究

李永明，　蘇明旭，　周健明，　袁安利，　蔡小舒

(上海理工大學 能源與動力工程學院，顆粒與兩相流測量技術研究所，上海 200093)

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超聲波測量電廠煤粉管道內煤粉體積分數的研究

李永明，蘇明旭，周健明，袁安利，蔡小舒

(上海理工大學 能源與動力工程學院，顆粒與兩相流測量技術研究所，上海 200093)

摘要：提出了一種管內煤粉體積分數的超聲波測量方法，設定中心頻率為31 kHz的一體式超聲波探針，基于聲散射理論模型，利用數值模擬結果擬合出超聲波衰減系數隨煤粉體積分數的變化關系，并對某電廠煤粉輸運管道進行了管內不同深度測點煤粉體積分數的在線測量實驗，通過對超聲波信號分析得到對應的衰減系數值，分析超聲波信號與煤粉體積分數之間的關系，得到煤粉體積分數.結果表明：衰減系數與煤粉體積分數存在線性關系；實驗段煤粉管道內煤粉體積分數基本在0.09%～0.14%浮動；所提方法可為管內煤粉體積分數的實時在線測量提供一種行之有效的手段.

關鍵詞：超聲波； 測量； 煤粉； 體積分數

在燃煤電廠運行中，對管道內煤粉濃度的在線檢測與控制直接關系到鍋爐爐膛的燃燒效率，從而影響電廠運行效率.管道內煤粉濃度不均會造成煤粉管道堵塞，嚴重時電廠將被迫停機或減負荷以消除堵塞，從而影響電廠安全運行.同時，各燃燒器中煤粉濃度相差太大，會引起火焰偏斜、結焦等安全性問題.隨著火電機組向大型化發展，考慮到電廠運行的經濟性以及國家環保要求的提高，迫切需要對燃煤電廠進行燃燒優化，提高燃燒效率，降低煙塵、NOx和SOx的排放，減少制粉系統能耗.

目前，煤粉濃度主要是通過給煤機的總給煤量和各管道總風量來推算的.圍繞這一問題，國內外針對在線煤粉濃度測量進行了很多研究[1]，如采用靜電法[2]、光學法[3-4]、圖像法[5]、熱力學法、電容法、X射線法和微波法等[6-8].上述測量方法各有優點，但大多存在應用范圍狹窄的問題，且在準確性、安全性和經濟性方面也有不足之處.鑒于聲音在傳播中具有比光更強的穿透能力，加之其波長通常遠大于微米級顆粒，受散射效應影響較小，同時聲音傳播速度有限且與煤粉濃度緊密相關，亦可提供煤粉濃度和粒度信息，可考慮采用聲學方法對其進行測量.筆者基于超聲波衰減理論對管道內煤粉體積分數的在線測量技術進行研究.

1實驗原理和實驗系統

1.1實驗原理

超聲波在煤粉空氣兩相介質中傳播，會發生吸收、散射和耗散等現象，聲波幅值減小，產生超聲波衰減.超聲波與煤粉顆粒相互作用引起的衰減主要有：(1)散射.主要為超聲波入射至顆粒，而向不同方向散射所致；(2)黏性損失.由顆粒相與連續相間密度差異，顆粒對氣體的相對滑動產生摩擦所致；(3)熱損失.由顆粒表面附近的溫度梯度所致.Epstein等[9-11]從微體積元的質量、能量和動量守恒出發，建立了能夠準確描述球形顆粒在兩相離散系中聲波動的ECAH模型，將聲衰減計算歸結為一個6階線性方程組的求解，模型較為復雜.因此根據Evans的耦合相模型和Wang等[12]的改進方法預測懸浮體的衰減系數α0：

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

(6)

(7)

(8)

(9)

式中：ω為角頻率；ρ為密度；μ為運動黏度；φn為半徑an的顆粒的體積分數；φv為顆粒體積分數；φvρs為顆粒的質量濃度；cp為比定壓熱容；λ為導熱系數；δv為黏性邊界層厚度；δt為熱邊界層厚度；γ為比熱比；下標f和s分別代表連續相和顆粒相.

考慮到實際電廠中，從磨煤機出來的煤粉顆粒通常具有不規則的形狀且表面不光滑，采用式(10)對衰減系數進行修正：

(10)

式中：τv為黏性弛豫時間；D和D0分別為非球形表面不光滑懸浮顆粒和球形光滑懸浮顆粒的分形維數，D-D0的值可以代表懸浮顆粒的不規則度和聚合度對分形維數的影響.

圖1為根據式(1)和式(10)得到的超聲波衰減系數、顆粒粒徑和體積分數之間的關系，即在58 ℃時，煤粉和空氣的物性參數在超聲波頻率為31 kHz下的數值計算結果.從圖1可以看出，顆粒粒徑越小時，衰減系數隨顆粒體積分數的變化趨勢越大.

圖1　衰減系數、顆粒粒徑和體積分數的關系

Fig.1Relationship among ultrasonic attenuation coefficent, particle size and concentration

1.2實驗系統

1.2.1一體式超聲波探針

筆者研制了一種不銹鋼一體式超聲波探針，具體探針結構見圖2.該探針采用同軸布置、設計中心頻率相同的超聲換能器.超聲換能器采用耐高溫復合振子結構，金屬外殼內壁附著一層隔振耦合材料，避免收發換能器的超聲波振動信號直接沿管壁傳播，探針內超聲換能器的間隙用固定灌封膠填充，黏性耦合材料布置在超聲換能器和金屬貼面保護層之間，克服了匹配阻抗差的缺點，保證信號的有效傳播，金屬貼面保護層能保護超聲波復合振子不受測量介質的磨損.實驗過程中，測試了一系列不同頻率超聲換能器隨不同體積分數顆粒的響應，權衡不同超聲換能器的噪聲和衰減，采用中心頻率為31 kHz的超聲波探針用于煤粉顆粒兩相實驗，同軸布置的2個超聲換能器的間距為67 mm，探針直徑為25 mm.硬件資源還包括用于產生脈沖信號的信號發生電路、數據采集電路和計算機.此外，基于LabVIEW軟件編寫超聲波信號采集和處理軟件.

圖2　一體式超聲波探針結構圖

1.2.2實驗方法

實驗在江蘇太倉協鑫發電廠3號機組上進行，測量點選在3號爐B磨煤機1號出煤粉管.圖3為選定的燃煤電廠煤粉測量管道現場圖，測量段管徑約500 cm，氣流攜帶煤粉從下而上運動.圖4為測量時探針插入管段的橫截面示意圖.

圖3　測量管段的現場圖

圖4　測量時管段的橫截面示意圖

實驗中，把一體式超聲波探針沿管徑伸入煤粉管道內在距離外管壁不同位置處進行測量，分別距離外管壁為10 cm、15 cm、20 cm、25 cm、30 cm、35 cm、40 cm和45 cm，共8個測點.每個測點測量時間持續1～2 min，測量頻率為10次/s.測量過程中，安置在一體式超聲波探針中的超聲換能器發出超聲波，經過煤粉介質時信號強度和相位均發生變化，然后被布置在對面的換能器接收，為達到實時同步測量，信號發生電路會送一路同步信號至數據采集卡，記錄各個測點上的信號，留待后續處理.由于超聲波信號受溫度影響，因而必須考慮進入爐膛燃燒的一次風及其攜帶的煤粉的溫度，經熱電偶測量，此段煤粉輸運管道的溫度約為58 ℃，而本文所用方法的準確度與背景信號息息相關，因此，計算中所用背景信號均為一體式超聲波探針在此溫度下的超聲波信號.圖5和圖6給出了58 ℃時背景信號的波形圖和頻譜分析圖.

圖5　58 ℃時背景信號的波形圖

圖6　58 ℃時背景信號的頻譜分析圖

2結果與討論

2.1數值分析結果

表1給出了數值模擬計算中采用的煤粉和58 ℃時空氣的物性參數.

在顯微鏡下觀察得到煤粉樣品的平均直徑為55.9 μm，圖7給出了顯微鏡觀察到的煤粉顆粒粒徑分布圖.數值模擬中設定煤粉體積分數變化范圍為0.000 1%～1%，圖8給出了此條件下衰減系數與煤粉體積分數的關系，根據數值模擬所得結果進行最小二乘擬合，圖中實線即為擬合得到的衰減系數與煤粉體積分數關系曲線.由圖8可知，隨著煤粉體積分數的增大，衰減系數呈線性遞增.

表1　煤粉和空氣的物性參數

圖7　煤粉顆粒粒徑分布柱狀圖

圖8　衰減系數與煤粉體積分數的關系

實驗中，氣固兩相流的衰減系數α按照式(11)進行計算：

(11)

式中：L為聲程,即發射與接收探頭之間的距離；A0和A1分別為空氣(背景)和煤粉分別經過測量區時，超聲換能器接收的超聲波聲壓幅值.

根據理論模型和數值模擬分析的結果可知，對于給定頻率，在一定體積分數范圍內，衰減系數與煤粉體積分數φ之間存在線性關系，即

(12)

其中，m和n為常數.

由圖8擬合數據，得出式(12)的具體表達式為α=10 479.57φ+0.83.通過實驗分別測得聲壓幅值A0和A1，再根據式(11)計算衰減系數α，代入式(12)即可得到煤粉的體積分數.

2.2煤粉體積分數計算結果

燃燒器橫截面上煤粉體積分數的分布主要取決于煤粉在管道內的流動特性.橫截面煤粉體積分數分布不均，會引起局部缺氧、著火困難、燃燒不穩定、噴嘴局部燒壞和爐內結渣等現象.而通過檢測煤粉輸運管道截斷面煤粉體積分數的分布情況，可以間接地診斷管道供給燃燒器入口的煤粉在橫截面上是否均勻，實驗中通過移動一體式超聲波探針來對煤粉管道橫截面的體積分數進行測量，以達到診斷目的.

對采集的實驗數據進行處理，將每個測點獲得的數據取平均值，表2給出了8個測點的測量結果.從表2可以看出，總的來說，這8個測點的平均幅值沒有太大區別，而在管道截面上，兩端靠近壁面處獲得的超聲波信號平均幅值比管道中央的平均幅值偏大.而沿管徑方向的煤粉平均體積分數基本在0.095%～0.13%內變化，相對來說煤粉在管道截面內的分布還是比較均勻的，明顯在一次風作用下，可以基本忽略壁面黏性力和其他阻力對煤粉體積分數分布的影響，判斷此處管道給料均勻，一次風管道輸運情況良好.

表2　測點測量結果

圖9給出了插入管道內部30 cm測點的煤粉體積分數在1 min內的變化情況.由圖9可知，此測點處煤粉體積分數基本在0.09%～0.14%內浮動.圖9(a)給出了每0.5 s隨機選擇一個采樣得到的數據所得的煤粉體積分數隨時間的變化情況，平均體積分數為0.118 3%，標準偏差為0.011 4%；圖9(b)給出了每0.5 s采樣得到的5個數據取平均之后的煤粉體積分數隨時間的變化情況，平均體積分數為0.119 1%，標準偏差為0.008 7%.說明通過平均處理之后得到的煤粉體積分數的變化情況更穩定.

(a)

(b)

為了進一步研究管道內的煤粉參數特征，對煤粉管道進行了較長時間的測量，圖10給出了管道內部30 cm測點的煤粉體積分數在1 h內的變化趨勢，圖中實驗值是通過平均處理之后得到的值.從圖10可以看出，此處煤粉的體積分數基本在0.09%～0.14%內波動，平均體積分數為0.122%，標準偏差為0.013 3%，平均處理之后的平均體積分數為0.120%，標準偏差為0.010 0%.煤粉體積分數的波動反映了風速對體積分數的影響，由于一次風行進過程中吹掃風和管路風的流入，使得氣流變得不穩定，導致煤粉體積分數波動范圍增大，但均值基本保持不變.從圖10還可以看出，此一次風煤粉管道輸運的煤粉體積分數均勻性良好，而此處一次風及其攜帶的煤粉距離爐膛入口已非常近，穩定、均勻的煤粉體積分數非常有利于爐膛內部的燃燒.

圖10　煤粉體積分數在1 h內的變化

值得強調的是，超聲波測量方法測量獲得的煤粉體積分數是單位體積內的煤粉體積，與電廠通常定義的單位體積攜帶的煤粉質量是有區別的，由于煤粉的速度低于一次風風速，故按此方法測得的煤粉體積分數會略大于通常定義的煤粉質量濃度.

3結論

針對燃煤電廠送粉系統煤粉體積分數的監測，采用一體式超聲波探針對煤粉輸運管道內的煤粉體積分數進行了測量，結果表明：該測量管道截面煤粉體積分數分布是不均勻的；衰減系數與煤粉體積分數存在線性關系；實驗中管道內煤粉體積分數基本在0.09%～0.14%內波動.所用超聲波測量方法可為管內煤粉體積分數的實時在線測量提供一種行之有效的手段，具有較高的線性和靈敏度，可應用于送粉管一次風的煤粉體積分數實時監測，在其他與此相關的顆粒濃度工業測量中也具有較高的實際應用價值.

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Ultrasonic Measurement of Pulverized-coal Concentration in Power Plant Pipelines

LIYongming,SUMingxu,ZHOUJianming,YUANAnli,CAIXiaoshu

(Institute of Particle and Two-phase Flow Measurement, School of Energy and Power Engineering,University of Shanghai for Science and Technology, Shanghai 200093, China)

Abstract：An ultrasonic method including a one-piece ultrasonic probe with 31 kHz center frequency was proposed for measurement of pulverized-coal concentration in power plant pipelines. Based on the model of acoustic scattering theory, the relationship between ultrasonic attenuation coefficient and pulverized-coal concentration was fitted by numerical simulation. The method was applied to measure the pulverized-coal concentration in different depths of the conveying pipeline in a power plant. Corresponding acoustic attenuation values were acquired by analyzing the oneline measurements of ultrasonic signals, then the pulverized-coal concentration was obtained based on analysis of the relationship between the ultrasonic attenuation coefficients and the pulverized-coal concentration. Results show that there exists a linear relationship between the ultrasonic attenuation coefficient and the pulverized-coal concentration; the volumetric concentration of pulverized coal in the test section of pipeline lies in 0.09%-0.14%. Therefore the proposed method may serve as a reference for online measurement of pulverized-coal concentration in power plant pipelines.

Key words：ultrasonic wave; measurement; pulverized coal; concentration

文章編號：1674-7607(2016)03-0201-06

中圖分類號：TK31

文獻標志碼：A學科分類號：470.10

作者簡介：李永明(1989-)，男，四川成都人,碩士研究生，主要從事顆粒與兩相流測量方面的研究.

基金項目：國家自然科學基金資助項目(51176128)；上海市研究生創新基金資助項目(JWCXSL1302)

收稿日期：2015-03-20

修訂日期：2015-07-06

蘇明旭(通信作者)，男，教授，博士，電話(Tel.)：021-55274152; E-mail：sumx@usst.edu.cn.