电厂一次风管道煤粉速度和浓度间接法测量技术的研究现状

陈立军 杨以光 姜其峰 崔俊浩 宫永立

(东北电力大学自动化工程学院,吉林 吉林 132012)

电厂一次风管道煤粉速度和浓度间接法测量技术的研究现状

陈立军 杨以光 姜其峰 崔俊浩 宫永立

(东北电力大学自动化工程学院,吉林 吉林 132012)

对采用波特性测量原理的3种比较典型的电厂一次风管道煤粉速度和浓度测量方法(光脉动法、超声波法和微波法)进行了简述，分别介绍了其测量技术、特点和发展现状。

测量技术 煤粉速度浓度 一次风管道 光脉动法 超声波法 微波法

在火力发电中，电厂锅炉一直是关注的焦点，其运行效果直接影响电厂效率、经济效益和环保指标[1～4]。电厂锅炉也是电厂体系结构中最为复杂、运行事故率最高、问题最为集中的一个环节。因此对锅炉燃烧时的相关工况和技术参数的检测控制显得尤其重要。电厂一次风管道的煤粉速度和浓度是直接影响锅炉燃烧的技术参数[5]，如风粉配比对锅炉燃烧效率的影响、风速浓度异常对送粉管道堵粉或断粉的影响及对四角喷燃燃烧器火焰中心的影响等。因此，找到一种准确的一次风管道煤粉速度和浓度在线测量方法与可行的电厂现场风粉速度和浓度测量技术，对锅炉的安全高效燃烧意义重大。目前，国内科研工作者针对锅炉内影响因素复杂、机理不明晰的气固两相流[6]，已研究出多种一次风管道煤粉速度和浓度测量技术，且各有特点。

在此，笔者选取了光脉动法、超声波法和微波法这3种间接的一次风管道煤粉速度和浓度测量技术进行分析，并介绍了各测量技术的特点、异同和发展现状。

1 一次风管道煤粉速度和浓度间接法测量技术

间接法是根据测量方式区分的[7]，主要通过机械波、电磁波等激励信号在两相流中的变化来表征气固两相流的浓度变化即煤粉浓度变化。目前，使用较多的一次风管道煤粉速度和浓度测量间接法有光脉动法、超声波法和微波法[8,9]。

1.1光脉动法

光脉动法测量煤粉浓度的原理为：当入射光沿充满煤粉颗粒的管道传播时，经过煤粉颗粒的散射、吸收和透射，得到其衰减光，然后运用光脉动法理论分析求得相应的煤粉浓度[10]。根据光散射理论有[11]：

式中A——测试管道截面积；

D——煤粉颗粒直径；

E——波长λ下的折射率；

I/Io——透射光强与入射光强之比；

m——与颗粒直径D相关的复杂函数，可由米氏理论求得；

n——煤粉浓度。

文献[12]给出了光脉动法测量颗粒平均粒径的详细过程，由此，只需知道I/Io即可测量出煤粉浓度。但此方法受信号本身非平稳性和计算方法可靠性的影响，测量结果偏差较大。陈占军等利用粉体细度与浓度实验数据提出了一种计算浓度的新方法，该方法在上海理工大学动力工程学院自制的LS-2000上进行了实验，结果表明：该方法在一定范围内效果较为理想，方法简易、实用[13]。但该方法只能给出平均浓度，对于浓度准确性要求较高的机组是否适用还有待验证，同时对于浓度测试适用范围还有待进一步研究。

秦授轩和蔡小舒提出了一种利用光脉动谱法在线测量煤粉粒度分布和浓度的方法[14]，该方法在光脉动法的基础上进一步考虑了被测颗粒粒度多分散颗粒的情况，并将多分散颗粒的粒度分布成N个子区间，采用频率谱和功率谱分析进行计算。他们将电厂煤粉的在线测量试验与煤粉取样后的筛分测量结果进行了比较，发现两者吻合度较高，因此运用该方法对送粉管道煤粉浓度进行在线测量是可行的。然而该方法在数据处理时的频率分区对反演结果有很大影响，发现煤粉速度为其中一个重要影响因素，因此该方法的实际应用需要进一步研究。

1.2超声波法

超声波法测量浓度是利用波的相关性和波在煤粉管道中受煤粉颗粒的散射吸收而强度衰减的原理进行测量的。超声波法测量速度则是利用超声波驱动与发送信号的相关性和相关函数时间差计算出一次风速的。超声波法测量电厂一次风管道煤粉速度时，超声波传感器需相向布置(图1)，并与水平成45°，即θ=45°。

图1 超声波传感器的布置

流体流速v为：

式中L——传感器之间的直线距离；

t12——超声波从传感器1传播至传感器2所需的时间；

t21——超声波从传感器2传播至传感器1所需的时间。

实验表明，该方法所测结果与毕托管测量结果基本吻合。

韩小岗等首次报道了超声波法测量技术的应用实例[15]，介绍了澳大利亚CSISO组织矿物部研发的一种测试系统，该系统能够测量燃料流集中流动，在国外某电厂已成功应用，但报道未给出具体应用的计算方法，也未给出在我国电厂的具体应用。

乔榛搭建了一次风流速和煤粉浓度测量系统并对测量原理进行验证[16]，利用波的理论模型(ECAH模型、G-R模型、Urick和U-A模型)对超声波在空气和煤粉两相介质中的传播速度和衰减进行了数值模拟计算，从计算结果中得到连续相物性参数的变化对预测结果具有一定影响，声衰减系数与煤粉浓度之间存在线性关系，即α=1.22778n，利用该公式进行给粉台的给粉浓度实验验证，并将测量结果与称量法测量结果进行对比，发现两者基本吻合。该煤粉浓度测量系统算法合理，能够正确表征电厂管道内气固两相流固相参数的变化。但该方法仍有许多可优化之处，如声衰减系数与煤粉浓度关系的优化、设备探头安装位置、探头的选择及探头端面积粉问题等。该方法虽然在实验室得到了验证但并未进行现场应用。

田昌等报道了基于超声波法的气固两相流浓度测量实验研究，文中以电站锅炉煤粉作为实验对象，测量了100、200kHz下的超声波衰减并利用ECAH简化模型，进行煤粉浓度计算[17]。实验结果表明：浓度测量值与标称值较为接近。但该方法仅对两种样品进行了两个频率下的测量，因此ECHA衰减理论模型的适用性和现场实际工况有待进一步研究。

1.3微波法

目前，国内对于微波法测量原理的研究普遍采用两种方法，即衰减分析法和功率谱分析法。但对微波技术用于测量煤粉速度和浓度的研究不是很充分，相关报道也较少。江华东对国外的微波固体流量计在煤粉测量中的应用进行了报道[18]，运用具有先进微波超短脉冲技术的SolidFlow-PF微波固体流量计，利用移动物料的微波反射能量和固体颗粒对微波的反射、多普勒特性来测量物料的密度，可以被看作一个微波计数器，测量出物料流量。该微波固体流量计的固体颗粒(粉末)直径测量范围是1nm～1cm，测量准确度在标定后低于±2%。该流量计已与电厂实际设备匹配并获得了一定的效果，用后煤耗降低3%且降低了发电厂NOx的排放。该流量计主要适用于固体流速恒定的情况，对于变工况的煤粉速度和浓度的测量还需进一步深化。

朱芳波采用微波衰减法对一次风管道煤粉浓度进行了实验测量[19]，实验中将天线喇叭倾斜45°安装在煤粉管直管段上，并对影响煤粉测量的因素，如管壁粘粉、天线布置、煤粉粒径、煤质及风速等进行了分析，结果表明微波法只受煤质的影响，即与煤质本身的物理特性有关，与其他因素关系不大。该方法通过一定范围内的衰减电压变化来证明衰减量与煤质浓度的单调关系，并给出了在0.2～0.8kg/kg浓度范围内的单调分段函数关系。但未给出具体关系式及关系式的实用化改造等，而且该方法使用的喇叭天线带来的信号接收过程中信号大量丢失的状况无法避免。

吴林文提出了一种基于功率谱分析法的一次风管道煤粉速度和浓度的信号处理和仿真方法[20]，指出速度和浓度参数可从多普勒回波信号的功率谱中提取出来。文中采用雷达传感器进行信号的发射、接收和数据采集，对采集的数据通过估计功率谱密度，提取出平均速度和平均功率；采用最大距离法来估计多普勒回波信号的带宽，以减小参数提取的误差。仿真结果表明：速度误差为3.2%。回波功率和颗粒浓度的具体关系通常在实验室内测得，但实际中颗粒易受电磁波散射、颗粒湿度等多种因素影响，因此该方法要投入实际应用还需要进一步研究。

2 煤粉速度和浓度测量技术的分析与发展

测量一次风管道煤粉速度和浓度一直以来都是电厂锅炉燃烧的重要任务。光脉动法和光谱分析法均是利用光的高精度特性来分析计算颗粒单位体积的个数。光学法是非接触式测量的一种方法，其测量灵敏度高、精度高，具有一定的应用前景。但其测量仪器精密昂贵，操作困难，且对应用环境要求较高，发射光源的探头较易污染是该方法的最大缺陷。实际应用中，管道煤粉在某种浓度工况下基本无法透光，这也是光学测量方法的较大障碍。

超声测量装置具有非接触性、可以在线测量等特点，能满足快速实时测量。而且超声波法是一种经济有效的测量方法，在大型电厂一定工况变化范围内可以保持较精确的测量，并且不受煤粉种类等因素的影响。但超声波频段较低，在传播过程中容易受到干扰，另外，由于气固两相流在管道中呈现的复杂性，管道内的流型、煤粉的不均匀分布等会给测量的准确度带来一定的影响，对超声波在气固两相流测量应用方面产生一定的阻碍。

微波法是近年来新兴的一种具有很好应用前景的非接触式测量方法，具有不干扰物料流动、结构紧凑、便于安装、响应速度快及价格适中等优点。微波频段较高，在一次风管道中传播时可以作为波导，减少工业环境干扰，可有效避免煤粉流动状况的复杂性问题，使传播更有效。随着技术的发展，目前已经出现嵌入式探针探头，为微波检测提供了有力支撑，但探头磨损问题也是科研工作者亟待解决的问题。

综上所述，3种测量方法均以波的特性进行测量，不同点在于超声波为机械波，光波和微波为电磁波，机械波传输需要介质，因此在煤粉管道中超声波的衰减对于两相流状态依赖较高，测量中会不可避免地带来误差；光波虽然不是机械波，但光波测量技术在硬件上对光波的应用有一定的阻碍；对于微波法测量技术，目前已有科研工作者采用微波特性的传输线理论来开发风粉测量技术。

3 结束语

笔者分析了光脉动法、超声波法和微波法用于测量电厂锅炉一次风管道煤粉速度和浓度的原理、优缺点和应用现状，3种方法均具有相对较高的测量精度和较好的发展应用前景。在参数测量过程中，不同的制粉系统风粉输送具有不同的特点，因此要根据设备的实际情况来选择与之相适应的测量方法。虽然目前已经有很多测量方法在实验室条件下取得较为满意的测量结果，但在电厂装置中的应用并不尽如人意。这是由于煤粉两相流的流体流动比实验室条件下更加复杂，限制了实验测量方法在电厂装置上的应用。因此，开发出适合于火电厂一次风管道煤粉速度和浓度的测量技术是今后研究的重点。

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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