直吹式制粉系统固定式煤粉取样装置研究与应用

侯凡军，刘科，段传俊，刘豪杰，车刚

（1.国网山东省电力公司电力科学研究院，济南250003；2.山东中实易通集团有限公司，济南250003）

直吹式制粉系统固定式煤粉取样装置研究与应用

侯凡军1，刘科1，段传俊1，刘豪杰1，车刚2

（1.国网山东省电力公司电力科学研究院，济南250003；2.山东中实易通集团有限公司，济南250003）

对电厂三种常见送粉管道内的风粉流动特性进行分析，并对几种煤粉等速取样原理进行研究。比较现在火力发电厂经常使用的几种固定式煤粉取样装置的性能，其中水平藏臂式全截面煤粉取样装置可极大提高煤粉取样的准确性和代表性，未来与激光测量技术结合，可生产满足现场要求的激光粒度在线测量装置。

煤粉取样；直吹式；制粉系统；等速取样

0　引言

煤粉细度是影响锅炉燃烧效率和制粉电耗的重要参数。与中储式制粉系统相比，直吹式制粉系统要进行煤粉取样后才能进行煤粉细度化验，因而煤粉取样的准确性和代表性直接影响煤粉细度的化验结果。常见的煤粉取样装置有全自动煤粉取样装置、便携式煤粉取样装置和固定式煤粉取样装置，前两种煤粉取样装置适合于科研院所进行科学研究和性能试验［1］。固定式煤粉取样装置安装固定在直吹式制粉系统送粉管道上，适合电厂每天或每周对不同机组各台磨煤机的煤粉细度进行取样分析。与移动式煤粉取样装置相比，固定式煤粉取样装置具有不同的特点和要求。1）由于固定安装在煤粉管道上，要求固定式煤粉取样装置要具备防磨功能。2）要有防堵功能，对于移动式煤粉取样装置，由于取样枪可以从煤粉管道中取出，即使取样枪堵塞，也可以取下来进行疏通，而对于固定式煤粉取样装置，取样枪无法取下，因此要求要有防堵功能。3）要具备基本的等速功能，符合气固两相流中颗粒等速取样的原理。4）操作要简便，结构要简单。

1　抽气速度对煤粉取样准确性影响

电厂锅炉煤粉取样就是利用取样探头从一次风管道中取出少量含尘气体，用分离设备将这部分气体中煤粉分离出来进行称重或筛分。

对气固两相流进行取样时，不同情况煤粉取样偏差如图1所示，会出现以下4种情况［2］：吸入速度等于来流速度；吸入速度小于来流速度；吸入速度大于来流速度；吸入速度虽与来流速度相等，但取样探头没有正对气流方向。后3种情况都会使探头进口附近的气流流线改变方向。由于固体颗粒的密度比气体颗粒的密度大得多，所以当取样时吸入速度和来流速度不相等时，固体颗粒会因惯性力的作用而脱离弯曲的气流流线，造成取样误差。

若取样速度低于来流速度（取样速度为W，来流速度为W0），则进入探头的流量将小于管道中原来的流量，部分气流绕向探头外侧，气流流线向外扩张。探头边缘气流中的微小颗粒就会随气体向外绕流，而相同位置的较大颗粒却由于惯性冲入取样探头内，造成取样浓度偏高和样品中的粗颗粒组分增加，平均粒径变大，见图1（b）；若取样速度大于来流速度，探头入口附近的气流流线收缩，结果与上面相反，导致取样浓度比实际浓度低，且所取样品偏细，见图1（c）；当取样探头不正对来流方向时，气流进入探头时要改变流向，探头边缘部分气流中较大颗粒因惯性会无法进入取样探头内，造成取样浓度偏低，样品偏细，见图1（d）；当只有当取样速度与来流速度相等时，所取样品的数量和大小才与实际一致，见图1（a）。

图1　不同情况煤粉取样偏差

2　送粉管道中煤粉速度和浓度分布

送粉管道中煤粉浓度分布和气流速度分布对固定式煤粉取样装置的设计、安装、运行具有重要影响。火力发电厂常见的送粉管道有竖直管道、水平管道和弯头后管道。

2.1竖直管道风粉分布

竖直管道一般指锅炉本体燃烧器附近的送粉管道，管道内风粉分布特点如图2、图3所示。在竖直管道中，除了极靠近管壁的区域，在大部分区域内风速分布和浓度分布比较均匀。

2.2水平管道风粉分布

水平管道一般指运转层上磨煤机出口至锅炉本体间的水平送粉管道，管道内风粉分布特点如图4、图5所示。在水平管道中，风速分布呈现上大下小的特点，而浓度分布呈现上小下大的特点。

图2　竖直管道风速分布

图3　竖直管道煤粉浓度分布

图4　水平管道风速分布

图5　水平管道煤粉浓度分布

2.3弯头后管道风粉分布

弯头后的管道是指运转层上方的竖直管道，其前面一般都有一个弯头，造成管道内风粉分布呈现独有的特点。当风粉混合物流过弯头后，由于受惯性和离心力的作用，固体颗粒会向后偏移，图6给出了在内径为150 mm的弯头后垂直管道中煤粉平均直径为35 μm，密度为1 380 kg/m3，速度为14 m/s，气粉比为1.7的质量流量等值线［3］。可见在离开弯头后的较短距离内，煤粉偏移严重，只有当到达17.2 d位置后，煤粉又在气流中分布均匀，重新恢复到典型垂直管中风粉流动状况，如图7所示。

图6　弯头后垂直管道10 d位置处煤粉浓度分布

图7　弯头后垂直管道17.2 d位置处煤粉浓度分布

3　实现煤粉等速取样的方法

通过长期的煤粉取样实践，认为要保证煤粉取样的代表性，必须要遵守两条原则。

1）全截面取样。由于送粉管道中的风粉分布并不均匀，煤粉取样应采用全截面取样，才能保证样品的代表性。图8为ISO9931规定的圆形送粉管道煤粉取样测点分布［4］，图9为德国AKOMA取样装置规定代表点。

图8　ISO9931规定的取样代表点

图9　德国AKOMA取样装置规定代表点

锅炉本体附近的竖直管道内风粉分布基本均匀，可以采用直线多点取样代替全截面取样，是比较理想的煤粉取样位置；水平管道风粉分布不太均匀，适合采用全截面取样。由于水平管道一般离运转层太高，并不适合安装固定式煤粉取样装置。弯头后风粉分布极不均匀，甚至存在涡流区，必须采用全截面取样，固定式煤粉取样装置安装时必须避开涡流区。

2）等速取样。由煤粉取样技术原理可知，当取粉口的抽气速度和煤粉管道内的气流速度不相同时，就会带来取样误差。要想真正实现等速，只有采用自动控制装置，人工调节的方法无法实现等速。煤粉等速取样的方法有静压平衡式煤粉取样、静压不平衡式煤粉取样和预测流速式煤粉等速取样。

3.1静压平衡式煤粉等速取样原理

静压平衡式等速取样弯头式取样枪所用探头的结构如图10所示。探头外侧开有测压孔用于测量来流静压，探头内侧开有测压孔用于测量探头内气流静压。若认为被取样气体为理想流体，不考虑阻力的影响，根据伯努里方程：

图10　静压平衡式取样探头

式中：p0，pn为来流和探头内的静压，Pa；w0，w为来流速度和吸入速度，m/s；ρ0，ρ为来流和探头内气体密度，kg/m3。

气体被吸入前后温度相同，探头内外的气体密度相等，ρ0=ρ。当取样探头内的静压和探头外的静压相等，即p0=pn时，由上式可得w0=w，即吸入速度与来流速度相等，可以实现等速取样。

3.2静压不平衡式煤粉等速取样原理

实际上只保持内外静压相等往往达不到等速取样的目的，原因是实际气流都具有粘性，在从取样进口至内静压孔一段距离内存在各项阻力损失，阻力损失的绝对值虽然很小，但是足以影响等速取样的准确性。考虑阻力影响后，伯努里方程变为：

式中：∑Δp为各项阻力损失之和，Pa。

总阻力损失∑Δp为探头进口阻力损失、沿程摩擦阻力损失及速度再分布损失之和。根据公式（2），只要使差压不平衡，即保证p0-pn=∑Δp，就可以使w=w0，从而实现静压不平衡等速取样，但其中有两个关键问题要解决。

∑Δp的准确数值。在纯空气流过时，可以根据阻力计算公式计算出总阻力损失的大小，试验结果表明，在正常一次风速范围内，在不同流速条件下，总阻力损失值变化不大。当实际气固两相流流经取样探头时，总阻力损失∑Δp与纯空气时不同，要想在气固两相流状态下计算出总阻力损失在理论上是非常困难的。可以采用试验标定的办法解决此问题：让已知细度的煤粉颗粒流经一次风管路，在不同差压下进行煤粉取样并分析样品细度，样品细度与原样品细度最接近工况下的差压即为在气固两相流状态下总阻力损失∑Δp。

如何保证差压始终维持与总阻力损失相同。事实证明，靠人工调节是无法满足要求的，只有采用先进的控制技术和方法才能满足要求。

3.3预测流速式煤粉等速取样技术原理

预测流速法等速取样所采用的取样枪有单点弯头式、单点平头式和多点式。以单点弯头式为例，预先用皮托管测出一次风管道内各采样点处的流速，并按所选用的采样探头内径计算出等速情况下各点所需的采样流量，然后放入取样装置，调节抽气流量到计算得到的采样流量，即可实现等速取样。当采用节流装置监测抽气流量时，需要对所测风量进行温度和压力修正，根据所测得的一次风状态参数，把采样流量换算到气体流量计所在处气体状态参数下的抽气流量。若需对多点取样，就要预先测量每一点的流速。

4　常见固定式煤粉取样装置技术特点

山东省内火力发电厂常用的固定式煤粉取样装置有螺旋推进直线取样、竖直藏壁直线取样和全截面自动煤粉取样。

4.1螺旋推进直线取样装置

螺旋推进直线取样装置在很多电厂都有应用，结构如图11所示，主要由取样管、分离器、收集瓶、引射器、乏气管、手轮、螺杆、电子微差压计等组成［5］。其工作原理为：先用压缩空气对取样管反吹，同时转动手轮，螺杆转动，带动取样管进入煤粉管道。停止反吹，让压缩空气通入引射器，产生负压，含粉气流通过取样管入口进入取样管，在分离器内发生离心分离，煤粉下落进入收集瓶，气流进入引射器与压缩空气混合后通过乏气管又回到煤粉管道。

其主要特点为：1）其取样口为坡口形状或在圆管壁上开孔，颗粒存在无规律的碰撞，不符合两相流中颗粒取样原理，颗粒取样的重复性差。2）由图11看出，其只能实现直线多点取样，不能实现全截面取样，当一次风管道内风粉分布不均匀时，采用直线取样的代表性变差，取样误差变大，适合于安装在锅炉本体附近的竖直送粉管道。3）由于取样管路长，而且取样管路大部分在一次风管外，受环境温度影响，取样管路容易结露堵塞，造成取样不准或根本无法取样。

图11　螺杆推进直线取样装置

4.2竖直藏壁直线取样装置

竖直藏壁直线取样装置结构简单，操作方便，具有防磨功能，在一些电厂得到了应用，其结构如图12所示，主要由笛型管取样枪、竖直防磨槽、进口隔离阀、旋风分离器、煤粉收集罐、射气抽气器、回气隔离阀、转轮、压力表等组成。其工作原理为：先通入压缩空气对笛型管取样枪进行反吹，同时转动转轮，将笛型管旋至水平位置。停止吹扫，压缩空气通入射气抽气器，射气抽气器产生抽吸力，含粉气流依次进入取样枪和旋风分离器，在旋风分离器内发生离心分离，煤粉下落进入收集罐，气流进入引射器与压缩空气混合后通过回气管又回到煤粉管道。取样结束后，转动转轮，将笛型管旋至防磨槽内的竖直位置。

其主要特点为：1）只能实现直线取样，不能实现全截面取样，适用于直管段很长的竖直管道上，在其它取样位置，由于管路内风粉分布不均，采用直线取样就无法保证取样的代表性。2）竖直藏臂式直线取样装置无测量抽吸流量的装置，只是根据压缩空气压力进行粗调，当取样管路积灰后，取样管路的流量特性发生改变，无法实现等速取样。3）不取样时，取样枪可放在防磨槽内，具有良好的防磨功能。

图12　竖直藏臂直线取样装置

4.3全截面自动煤粉取样装置

全截面自动煤粉取样装置为新一代固定式煤粉取样装置，其结构简单，操作方便，其结构如图13所示。主要由取样枪、防磨槽、进口隔离阀、旋风分离器、煤粉收集罐、射气抽气器、回气隔离阀、电机、控制系统等组成。本装置有两种工作模式，全截面模式和固定位置模式。在全截面模式下：煤粉取样枪依次停留在截面的不同位置，射气抽气器通入压缩空气产生抽吸力，含粉气流依次进入取样枪和旋风分离器，在旋风分离器内发生离心分离，煤粉下落进入收集罐，所取样品为全截面上混合样，代表性好。固定位置模式下：煤粉取样枪停留在某一固定位置进行煤粉取样，可在5～6个不同固定位置取样，然后与全截面取样的结果进行对比，确定最佳位置，以后取样，取样枪转到最佳位置取样即可。取样结束后，取样枪自动回到防磨槽内。

主要特点有：1）真正实现了等速取样。通过风量测量装置可对抽吸风量进行实际测量，通过调节压缩空气压力，进而可以调节抽吸量，保证探头抽吸速度于管内风速一致，实现了等速取样。2）实现全截面取样。实现全截面取样后，固定式取样装置的安装条件大大放宽，提高了其对现场条件的适应能力。3）实现了自动取样，操作简单，无污染，3 min就可以完成一次采样。4）具有自标定功能。可以先进行全截面取样，然后再与单个位置的取样结果进行对比，从而确定煤粉取样枪的代表位置，大大简化了操作，极大提高了取样的准确性。5）防磨损功能。取样结束后，取样枪会自动回到保护槽内，防止取样探头磨损，延长使用寿命。6）使用前后，可以利用压缩空气对取样管路进行吹扫，防止积粉；取样管路结构紧凑，风粉混合物经过分离后乏气又返回一次风管内，取样管路不易结露。

图13　全截面自动煤粉取样装置

5　结语

煤粉细度在线测量是未来的发展趋势。煤粉细度在线测量有微波法、电容法、电荷法、超声法等，有的在现场也有初步应用，但这些方法总体准确性差、通用性不强，无法在火力发电厂生产实际中得到有效应用［6-8］。激光粒度测量采用激光衍射的原理测量颗粒的粒度分布，具有测试范围宽、测试速度快、重复性好等优点，在实验室已得到较广泛的应用。激光在线测量煤粉细度目前在国内还没有成功的应用，主要原因在于现场煤粉取样的复杂性。如果通过固定式煤粉取样装置所取得的煤粉样品代表性差，即使再准确的激光粒度测量方法也无法得到准确的测量结果。

现场应用效果表明，全截面自动煤粉取样装置取样代表性好，已经解决了火力发电厂煤粉取样代表性和准确性差的问题。如果能和激光粒度测量技术相结合，可生产满足现场要求的激光粒度在线测量装置。

［1］肖杰，刘跃珍.直吹式制粉系统煤粉取样方法探讨［J］.2008，37（7）：30-34

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［6］高阳，杨斌，何渊，等.电厂煤粉细度在线监测系统研制与应用［J］.中国粉体技术，2015，21（2）：28-31.

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［8］吴伟亮.气固两相流测量技术及在电厂煤粉管道在线监测应用的研究［D］.上海：上海理工大学，1999.

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

侯凡军（1971），男，高级工程师，从事电厂锅炉性能试验及煤粉燃烧工作；

刘科（1986），男，工程师，从事电厂锅炉性能试验及煤粉燃烧工作。