新型文丘里采样系统在粉体行业的应用

摘要：通常火电厂的煤粉采样都是利用人工网筛的方式，把留在筛网大的颗粒煤粉占整个样本的比例来确定细度(R90)，以确定磨的出力(功率)大小。这种方式所耗费时间长，效率低，还需专人采样；文章在采样池内部利用文丘里原理，设计锥状双管结构；在高速气流附近产生负压来进行采样，并同过控制算法和PLC来进行实时采样，对粉行业的采样是一次变革；特别是仓储式制粉系统，该法结合磨的控制优化算法，更能大大降低成本和能耗。

关键词：文丘里采样结构；采样算法；粉采样；粉体行业

中图分类号：TK421文献标识码：A文章编号：1009－2374(2009)12－0036－02

目前国内的粉体企业在测量颗粒的采样方面基本采用静态的，目前粉体采样国内的还处在初级的发展阶段，还没有一个完整的体系，因此研究这样的一个系统显得非常及时和迫切，特别在当前电量紧缺的情况下，国家在采取措施鼓励企业节能降效，因此该系统的提出非常及时；本文提出基于在线采样研究，它的设计和尝试，将极大推动粉体工业界的采样测量方式和方法变革，为我国的采样技术水平的提高起到很大推动作用。

一、系统的基本流程

参照当前制粉系统和火力发电厂的仓储式煤粉制备系统，该采样的基本过程包含6部分：

1清洁：清扫采样池、管道和镜片组，目的是为保持采样样品的新鲜性。

2定量取样：通过蜗杆取样机构，取有代表性的样品，经过称量控制系统，当煤粉斗重量达到一定时质量M时，控制电路截断蜗杆步进马达的脉冲信号，停止取样；关闭取样管道和通气管。需注意是：在采样前，反向驱动马达和打开清洗压缩空气阀，将旧煤清除。

3均匀混合：通过恒高压气体打散，使颗粒充分均匀混合，浓度稀释，通过打散双喉管(文丘里原理)实现高压打散，采样处采用二次加速煤速度，以达到和煤和干净气体充分均匀混合的目的。

4新鲜煤粉的测试：煤粉第一次风粉混合经过喉管，边打边测试的方法，当混合气体进入采样池镜片后即刻进行多次采样测试。

5浓度控制：按气态平衡方程式，在定量情况下来算总体浓度，然后通过文曲里管来达到加速的目的，进一步加速风粉的混合，表明某两个物理量的比例关系；煤体积流量／气体单位时间内体积流量，在此条件下比较难定量计算。从另一个角度来说，一定气体压力下文丘里管的对粉的抽吸量，即表明在某一瞬间取煤量是动态的。

即：煤抽取量N=V(煤)/V(气)；V(煤)=M煤／p(密)

由PV=M(气)RT得V气=M(气)RT／P

因此N=V(煤)P／M(气)RT

由上式知，当Pl、v(煤)、R和T保持不变时，煤抽取量N和M(气)成反比，即与放气伐门的时间与孔径大小成反比。

而L煤浓度：＝[M(KC／S)／p(KG／M3)J／V(M3／S)(抽进风里的煤的单位时间内的体积流量／气体单位时间内体积流量)。

注：在蓄气罐足够大的情况下，在一次放气过程中的压力的变化，可忽略不计。

6循环测试：(1)除旧煤：打开马达反向驱动，延时100脉冲，停1000脉冲(以装满采样头容量而定)；(2)取新煤：打开马达正向驱动把新煤落至煤斗；当煤质量达到一定量时，利用行程开关切断步进马达正向取煤的脉冲，同时打开测试气阀通过文丘里原理产生负压，进行边采样边测试的过程；(3)清洗余煤：清洗完后，经过一段延时后，接着下一周期的采样和测试。

二、采样控制算法

本采样算法通过自行开发IO或采用西门子DO模块来实现，具体如下：

说明：

1逼过蜗杆采样头对新鲜煤进行定量采样，当煤粉存储量到达一定程度时，通过称量机构或压力传感装置，给步进马达停止脉冲信号，终止采样。

2在进行采样前，利用p2打开1的清洗电磁阀门，对采样池、管道和容器清扫。

3测试采样过程中，在测试管和容器内加高速气流，以稀疏和加速粒子流，通过电磁阀1的延时来控制测试的时间：通过光电池的感光量来测定浓度的范围，当浓度超过15％或小于1％时，测试系统不工作，下一周期的采样重新启动：通过电磁阀的延时来控制气量的大小，防止煤样浓度过高。

4当采样次数N大于N0次时，进行延时，以达到间歇工作的目的，延长系统的工作寿命。

5测试完的煤粉的返回到粉仓，以保持环境的干净和减少煤的损耗。

三、采样点选择

按照火力电厂的制粉系统，一般可设的采样点为落粉管的人工采用筒处的管道，对于中间储仓式制粉系统，但要考虑到旋风分离器后气流中的5％～10％的细粉直吹到炉膛，会影响采样中煤粉大颗粒和小颗粒的比例，进而影响测量的准确度，需对标定的值加一修正系数。

四、采样环境要求

因系统实际工作环境较为恶劣，不同的制粉系统的结构不同，同时电厂(制粉企业)对安全的要求特别严格，所以其具体要求如下：

1因煤粉燃烧和爆炸特性，要求采样过程确保安全，可靠稳定。因此在采样过程不能有明火，大量摩擦静电的产生，(对于金属和金属接触部分可通过胶与金属的接触替代)，同时对于金属部分要可靠接地，采样点可通过其管道中的正压，通过正压把采样头的煤粉经过主采样管后，旁路分流，再通过空压机的打散气流，经一定体积混合均匀后，送到采样池。同时在采样点、回粉管等关键点设防暴装置，加强密封；用防爆型马达；

2测试过程中要保持恒温恒压和气载体的匀速运动(等速测试)。尽量保持粒子在载体中的均匀性(需外加一定的负压，因此在要用内部光滑硬管(依照实际条件，采用金属管。在接地良好的情况下能减少因颗粒静电而产生聚集，但要用石棉瓦进行保温。软胶管有老化，高温变形和静电无法释放等原因，因此尽量不采用)；在自给均匀正压的条件下，为保证采样的煤粉的量，依照测试浓度的要求，通过控制其质量(按照压力传感器来给马达取样信号)，保证同时控制打散气流的量(电磁阀开启的时间)来保持一定稀释度；采样点尽可能避免露天和易引雷的地方及环境因素变化大的地方(如湿度、温度、震动等)；为保持采样的真实性，防止失真，防止压降过大，尽可能使制样装置和测试的采样池部分的距离较短。

五、结构部分

1采样头部分。安装方式：在管路中开有采样安装孔的前提下，插入该采样头，在粉管外部进行固定。预留采样接口和旁路接口。采用不锈钢管和汽缸活塞材料，内壁光滑处理，外部硬度强化处理。尺寸：直径约20cm之间，具体尺寸见图纸。

2连接管道。采样管用外直径为10mm；测试管道用内直径为6mm，在测试管道中采用加压缩空气打散加速煤粉气流，以稀疏测试管道中的煤粉颗粒浓度。

3阀门：采用直通式截气阀。

4风速(流量)计：用于测试粉流的流速大小，给测试流定义可度量的数量值。

5回粉总管：保证回流测试煤粉流的流速和回粉气压，管道直径要比其它管径大。

6采样池：保证其内部的浓度和穿透力及镜片保洁，需用清洁气流冲击内部镜面。

7整体外壳：见图纸。

六、采样系统配套机构

风速计、DO或DSP控制电路、光学镜片、胶圈、机械采样装置、正压缩空气环境、文丘里采样池、煤斗、连接管和接头、电磁阀、调节阀、安装支架等。

七、结论

通过结合机械采样头(采样)、采样池(测试)、DSP(控制)三者系统的结合，特别是文丘里双管结构在采样池中的应用，体现了新型采样系统的科学性，大大减少了系统人工维护时间，同时该系统结合火电厂的实际，可以替代人工采样的方式，为工程技术操作人员的科学决策和实时控制提供了大量有效的实时数据，因此对粉行业的采样是一次变革，为耗能企业节能降效提供一种新的途径。

参考文献

[1]游景玉，论数字化钢球磨煤机制粉系统实现[D]，亚仿技术开发及应用论文集，珠海出版社，2001

[2]任鹏飞，赵崇伟，等，粒度仪总体设计方案，国家仿真控制系统工程技术研究中心，2003

[3]谭国锋，在线采样系统设计方案，国家仿真控制系统工程技术研究中心，2003

作者简介：谭国锋(1973-)，男，广东梅县人，珠海城市职业技术学院电子商务主任，讲师，工程师，硕士，研究方向：电子商务技术与管理、嵌入式系统、网络智能化。