電廠一次風管道煤粉速度和濃度間接法測量技術的研究現狀

陳立軍 楊以光 姜其峰 崔俊浩 宮永立

(東北電力大學自動化工程學院,吉林 吉林 132012)

電廠一次風管道煤粉速度和濃度間接法測量技術的研究現狀

陳立軍 楊以光 姜其峰 崔俊浩 宮永立

(東北電力大學自動化工程學院,吉林 吉林 132012)

對采用波特性測量原理的3種比較典型的電廠一次風管道煤粉速度和濃度測量方法(光脈動法、超聲波法和微波法)進行了簡述，分別介紹了其測量技術、特點和發展現狀。

測量技術 煤粉速度濃度 一次風管道 光脈動法 超聲波法 微波法

在火力發電中，電廠鍋爐一直是關注的焦點，其運行效果直接影響電廠效率、經濟效益和環保指標[1～4]。電廠鍋爐也是電廠體系結構中最為復雜、運行事故率最高、問題最為集中的一個環節。因此對鍋爐燃燒時的相關工況和技術參數的檢測控制顯得尤其重要。電廠一次風管道的煤粉速度和濃度是直接影響鍋爐燃燒的技術參數[5]，如風粉配比對鍋爐燃燒效率的影響、風速濃度異常對送粉管道堵粉或斷粉的影響及對四角噴燃燃燒器火焰中心的影響等。因此，找到一種準確的一次風管道煤粉速度和濃度在線測量方法與可行的電廠現場風粉速度和濃度測量技術，對鍋爐的安全高效燃燒意義重大。目前，國內科研工作者針對鍋爐內影響因素復雜、機理不明晰的氣固兩相流[6]，已研究出多種一次風管道煤粉速度和濃度測量技術，且各有特點。

在此，筆者選取了光脈動法、超聲波法和微波法這3種間接的一次風管道煤粉速度和濃度測量技術進行分析，并介紹了各測量技術的特點、異同和發展現狀。

1 一次風管道煤粉速度和濃度間接法測量技術

間接法是根據測量方式區分的[7]，主要通過機械波、電磁波等激勵信號在兩相流中的變化來表征氣固兩相流的濃度變化即煤粉濃度變化。目前，使用較多的一次風管道煤粉速度和濃度測量間接法有光脈動法、超聲波法和微波法[8,9]。

1.1光脈動法

光脈動法測量煤粉濃度的原理為：當入射光沿充滿煤粉顆粒的管道傳播時，經過煤粉顆粒的散射、吸收和透射，得到其衰減光，然后運用光脈動法理論分析求得相應的煤粉濃度[10]。根據光散射理論有[11]：

式中A——測試管道截面積；

D——煤粉顆粒直徑；

E——波長λ下的折射率；

I/Io——透射光強與入射光強之比；

m——與顆粒直徑D相關的復雜函數，可由米氏理論求得；

n——煤粉濃度。

文獻[12]給出了光脈動法測量顆粒平均粒徑的詳細過程，由此，只需知道I/Io即可測量出煤粉濃度。但此方法受信號本身非平穩性和計算方法可靠性的影響，測量結果偏差較大。陳占軍等利用粉體細度與濃度實驗數據提出了一種計算濃度的新方法，該方法在上海理工大學動力工程學院自制的LS-2000上進行了實驗，結果表明：該方法在一定范圍內效果較為理想，方法簡易、實用[13]。但該方法只能給出平均濃度，對于濃度準確性要求較高的機組是否適用還有待驗證，同時對于濃度測試適用范圍還有待進一步研究。

秦授軒和蔡小舒提出了一種利用光脈動譜法在線測量煤粉粒度分布和濃度的方法[14]，該方法在光脈動法的基礎上進一步考慮了被測顆粒粒度多分散顆粒的情況，并將多分散顆粒的粒度分布成N個子區間，采用頻率譜和功率譜分析進行計算。他們將電廠煤粉的在線測量試驗與煤粉取樣后的篩分測量結果進行了比較，發現兩者吻合度較高，因此運用該方法對送粉管道煤粉濃度進行在線測量是可行的。然而該方法在數據處理時的頻率分區對反演結果有很大影響，發現煤粉速度為其中一個重要影響因素，因此該方法的實際應用需要進一步研究。

1.2超聲波法

超聲波法測量濃度是利用波的相關性和波在煤粉管道中受煤粉顆粒的散射吸收而強度衰減的原理進行測量的。超聲波法測量速度則是利用超聲波驅動與發送信號的相關性和相關函數時間差計算出一次風速的。超聲波法測量電廠一次風管道煤粉速度時，超聲波傳感器需相向布置(圖1)，并與水平成45°，即θ=45°。

圖1 超聲波傳感器的布置

流體流速v為：

式中L——傳感器之間的直線距離；

t12——超聲波從傳感器1傳播至傳感器2所需的時間；

t21——超聲波從傳感器2傳播至傳感器1所需的時間。

實驗表明，該方法所測結果與畢托管測量結果基本吻合。

韓小崗等首次報道了超聲波法測量技術的應用實例[15]，介紹了澳大利亞CSISO組織礦物部研發的一種測試系統，該系統能夠測量燃料流集中流動，在國外某電廠已成功應用，但報道未給出具體應用的計算方法，也未給出在我國電廠的具體應用。

喬榛搭建了一次風流速和煤粉濃度測量系統并對測量原理進行驗證[16]，利用波的理論模型(ECAH模型、G-R模型、Urick和U-A模型)對超聲波在空氣和煤粉兩相介質中的傳播速度和衰減進行了數值模擬計算，從計算結果中得到連續相物性參數的變化對預測結果具有一定影響，聲衰減系數與煤粉濃度之間存在線性關系，即α=1.22778n，利用該公式進行給粉臺的給粉濃度實驗驗證，并將測量結果與稱量法測量結果進行對比，發現兩者基本吻合。該煤粉濃度測量系統算法合理，能夠正確表征電廠管道內氣固兩相流固相參數的變化。但該方法仍有許多可優化之處，如聲衰減系數與煤粉濃度關系的優化、設備探頭安裝位置、探頭的選擇及探頭端面積粉問題等。該方法雖然在實驗室得到了驗證但并未進行現場應用。

田昌等報道了基于超聲波法的氣固兩相流濃度測量實驗研究，文中以電站鍋爐煤粉作為實驗對象，測量了100、200kHz下的超聲波衰減并利用ECAH簡化模型，進行煤粉濃度計算[17]。實驗結果表明：濃度測量值與標稱值較為接近。但該方法僅對兩種樣品進行了兩個頻率下的測量，因此ECHA衰減理論模型的適用性和現場實際工況有待進一步研究。

1.3微波法

目前，國內對于微波法測量原理的研究普遍采用兩種方法，即衰減分析法和功率譜分析法。但對微波技術用于測量煤粉速度和濃度的研究不是很充分，相關報道也較少。江華東對國外的微波固體流量計在煤粉測量中的應用進行了報道[18]，運用具有先進微波超短脈沖技術的SolidFlow-PF微波固體流量計，利用移動物料的微波反射能量和固體顆粒對微波的反射、多普勒特性來測量物料的密度，可以被看作一個微波計數器，測量出物料流量。該微波固體流量計的固體顆粒(粉末)直徑測量范圍是1nm～1cm，測量準確度在標定后低于±2%。該流量計已與電廠實際設備匹配并獲得了一定的效果，用后煤耗降低3%且降低了發電廠NOx的排放。該流量計主要適用于固體流速恒定的情況，對于變工況的煤粉速度和濃度的測量還需進一步深化。

朱芳波采用微波衰減法對一次風管道煤粉濃度進行了實驗測量[19]，實驗中將天線喇叭傾斜45°安裝在煤粉管直管段上，并對影響煤粉測量的因素，如管壁粘粉、天線布置、煤粉粒徑、煤質及風速等進行了分析，結果表明微波法只受煤質的影響，即與煤質本身的物理特性有關，與其他因素關系不大。該方法通過一定范圍內的衰減電壓變化來證明衰減量與煤質濃度的單調關系，并給出了在0.2～0.8kg/kg濃度范圍內的單調分段函數關系。但未給出具體關系式及關系式的實用化改造等，而且該方法使用的喇叭天線帶來的信號接收過程中信號大量丟失的狀況無法避免。

吳林文提出了一種基于功率譜分析法的一次風管道煤粉速度和濃度的信號處理和仿真方法[20]，指出速度和濃度參數可從多普勒回波信號的功率譜中提取出來。文中采用雷達傳感器進行信號的發射、接收和數據采集，對采集的數據通過估計功率譜密度，提取出平均速度和平均功率；采用最大距離法來估計多普勒回波信號的帶寬，以減小參數提取的誤差。仿真結果表明：速度誤差為3.2%?；夭üβ屎皖w粒濃度的具體關系通常在實驗室內測得，但實際中顆粒易受電磁波散射、顆粒濕度等多種因素影響，因此該方法要投入實際應用還需要進一步研究。

2 煤粉速度和濃度測量技術的分析與發展

測量一次風管道煤粉速度和濃度一直以來都是電廠鍋爐燃燒的重要任務。光脈動法和光譜分析法均是利用光的高精度特性來分析計算顆粒單位體積的個數。光學法是非接觸式測量的一種方法，其測量靈敏度高、精度高，具有一定的應用前景。但其測量儀器精密昂貴，操作困難，且對應用環境要求較高，發射光源的探頭較易污染是該方法的最大缺陷。實際應用中，管道煤粉在某種濃度工況下基本無法透光，這也是光學測量方法的較大障礙。

超聲測量裝置具有非接觸性、可以在線測量等特點，能滿足快速實時測量。而且超聲波法是一種經濟有效的測量方法，在大型電廠一定工況變化范圍內可以保持較精確的測量，并且不受煤粉種類等因素的影響。但超聲波頻段較低，在傳播過程中容易受到干擾，另外，由于氣固兩相流在管道中呈現的復雜性，管道內的流型、煤粉的不均勻分布等會給測量的準確度帶來一定的影響，對超聲波在氣固兩相流測量應用方面產生一定的阻礙。

微波法是近年來新興的一種具有很好應用前景的非接觸式測量方法，具有不干擾物料流動、結構緊湊、便于安裝、響應速度快及價格適中等優點。微波頻段較高，在一次風管道中傳播時可以作為波導，減少工業環境干擾，可有效避免煤粉流動狀況的復雜性問題，使傳播更有效。隨著技術的發展，目前已經出現嵌入式探針探頭，為微波檢測提供了有力支撐，但探頭磨損問題也是科研工作者亟待解決的問題。

綜上所述，3種測量方法均以波的特性進行測量，不同點在于超聲波為機械波，光波和微波為電磁波，機械波傳輸需要介質，因此在煤粉管道中超聲波的衰減對于兩相流狀態依賴較高，測量中會不可避免地帶來誤差；光波雖然不是機械波，但光波測量技術在硬件上對光波的應用有一定的阻礙；對于微波法測量技術，目前已有科研工作者采用微波特性的傳輸線理論來開發風粉測量技術。

3 結束語

筆者分析了光脈動法、超聲波法和微波法用于測量電廠鍋爐一次風管道煤粉速度和濃度的原理、優缺點和應用現狀，3種方法均具有相對較高的測量精度和較好的發展應用前景。在參數測量過程中，不同的制粉系統風粉輸送具有不同的特點，因此要根據設備的實際情況來選擇與之相適應的測量方法。雖然目前已經有很多測量方法在實驗室條件下取得較為滿意的測量結果，但在電廠裝置中的應用并不盡如人意。這是由于煤粉兩相流的流體流動比實驗室條件下更加復雜，限制了實驗測量方法在電廠裝置上的應用。因此，開發出適合于火電廠一次風管道煤粉速度和濃度的測量技術是今后研究的重點。

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ResearchonIndirectMeasurementTechnologyforSpeedandConcentrationofPulverizedCoalfromPrimaryAirDuctinPowerPlantBasedonWave

CHEN Li-jun, YANG Yi-guang, JIANG Qi-feng, CUI Jun-hao, GONG Yong-li

(SchoolofAutomationEngineering,NortheastDianliUniversity,Jilin132012,China)

The wave measuring principle-based three typical measurement methods (light-pulsating method, ultrasonic method and microwave method) for both speed and concentration of the pulverized coal from primary air duct in power plants were outlined and their advantages and disadvantages and direction of later development were described respectively.

measurement technology, pulverized coal speed and concentration, primary air duct, light-pulsating method, ultrasonic method, microwave method

TQ055.8

A

1000-3932(2016)03-0223-04

2015-07-30