（机械制造及其自动化专业论文）电厂锅炉一次风煤粉浓度测量系统研究.pdf

硕士论文电厂锅炉一次风煤粉浓度测盆系统研究 ab s t r a c t me a s u r in g o f p u l v e r i z e d c o a l c o n c e n t r a t i o n in p r im a r y a i r i s v e ry i m p o r t a n t t o t h e s a f e a n d e c o n o m i c o p e r a t i o n o f b o i l e r s . t h e m o v e m e n t o f p u l v e r i z e d c o a l i s v e ry c o m p l e x g a s - p a r t i c l e t w o - p h a s e fl o w i n t h e p r i m a ry a i r . m e a s u r i n g o f p u l v e r i z e d c o a l c o n c e n t r a t i o n i s a l w a y s o n e o f t h e p r o b l e m s o f e n g i n e e r i n g a l o n g , a l s o i s t h e c o n u n d r u m w h i c h t h e e n g i n e e r s a n d t e c h n i c i a n s a r e d e d i c a t e d t o s o lv e . a k i n d o f n e w m e t h o d -t h e s o u n d v e l o c i ty m e t h o d w h i c h m e a s u r e s p u l v e r i z e d c o a l c o n c e n t r a t i o n i s p u tt e d f o r w a r d i n t h i s p a p e r . t h e m o d e l o f w h ic h t h e c o n c e n t r a t i o n o f c o a l p o w d e r s i s m e a s u r e d b y t h e s o u n d v e l o c i ty m e t h o d , i s b u i lt u p i n t h i s p a p e r . b a s e d o n a n al y s e o f t h e a c t u a l w o r k s t a t u s , t h e a p p l i e d f u n c t i o n b e t w e e n t h e c o n c e n t r a t i o n o f s o l i d p h a s e a n d t h e s p r e a d t i m e o f t h e s o u n d i s g i v e n . d e s i g n i n g a n d b u i l d i n g a n e x p e r im e n t s e t , t h e a p p l i e d f u n c t i o n i s a l s o v a l i d a t e d b y t h e e x p e r i m e n t . t h e t h e o r e t i c a l a n a l y s e a n d e x p e r i m e n t r e s u l t s d e m o n s tr a t e t h a t t h e s o u n d v e l o c i ty m e t h o d c a n b e u s e d t o m e a s u r e t h e s o l i d p h a s e c o n c e n t r a t i o n o f t h e g a s - p a rt i c l e t w o - p h as e fl o w . wh e n p u l v e r i z e d c o a l c o n c e n t r a t i o n i n p r i m a r y a i r i s o n - l i n e t o m e as u r e , t h e s o u n d v e l o c i ty m e t h o d h a s a d v a n t a g e s i n p r e v e n t i n g t h e p o l l u t i o n o f s e n s o r s a n d b e i n g w e a r a b l e . t h i s p a p e r d i s c u s s e s m e as u r i n g s y s t e m o f p u l v e r i z e d c o a l c o n c e n t r a t i o n i n p r i m a ry a i r w h i c h i s d e v e l o p e d a c c o r d i n g t o t h e s o u n d v e l o c i t y m e t h o d . t h e m e asu r i n g s y s t e m h a r d w a r e i s d i v i d e d i n t o t h e d r i v i n g c i r c u i t o f s e n s o r , t h e r e c e i v i n g c i r c u i t o f s e n s o r , t h e c o l l e c t i o n c i r c u i t o f t e m p e r a t u r e a n d t h e p r o c e s s i n g s y s t e m o f m i c r o p r o c e s s o r . t h e p r o c e s s i n g s y s t e m o f m i c r o p r o c e s s o r a d o p t s t i ms p 4 3 0 f 4 4 4 p r o c e s s o r as c u p t h i s p a p e r d e s c r i b e s t h e c o n c r e t e d e s i g n m e t h o d s a n d a tt e n t i v e q u e s t io n s o f p a r t s o f c i r c u i t s , g i v e s t h e c o r r e s p o n d in g s c h e m a t i c c i r c u i t d i a g r a m , a n d d e s i g n s t h e p c b o f w h o l e m e asu r e s y s t e m . t h e m e asu r i n g s y s t e m s o ft w a r e i s d e v e l o p e d u n d e r i a r e m b e d d e d wo r k b e n c h , w h i c h a d o p t s t h e m o d u l a r i z a t i o n d e s i g n m e t h o d . t h e m e asu r i n g s y s t e m c a r r i e s o n t h e s o ft a n d h a r d w a r e a d j u s t m e n t , w h i c h p ass e s v e r i f i c a t i o n t o m e e t t h e a p p l i e d r e q u e s t in t h e l a b o r a t o ry k e y w o r d s :p rima rya i r , p u l v e r i z e d c o a l c o n c e n tr a t io n , s o u n d v e l o c i ty me a s u r i n g s y s t e m , mc u 1 1 声明 本学位论文是我在导师的指导下取得的 研究成果， 尽我所知， 在 本学位论文中， 除了加以 标注和致谢的部分外， 不包含其他人已 经发 表或公布过的研究成果， 也不包含我为获得任何教育机构的学位或学 历而使用过的材料。 与我一同 工作的同事对本学位论文做出的 贡献均 己 在论文中作了明确的说明。 研 究 生 签 名 : 拳礴一间 年 7 月 知 学位论文使用授权声明 南京理工大学有权保存本学位论文的电 子和纸质文档， 可以借阅 或上网公布本学位论文的部分或全部内容， 可以向有关部门或机构送 交并授权其保存、 借阅或上网公布本学位论文的部分或全部内容。 对 于保密论文，按保密的有关规定和程序处理。 研究生签名:u置 一 -7 年 : 月 尸 日 硕士论文电厂锅炉一次风煤粉浓度侧夏系统研究 1绪论 j . 1 课题的背景 我 国 的 电 厂 锅 炉 绝 大 多 数 是 采 用 煤 粉 燃 烧的 方 式。 煤 粉 锅 炉 的 运 行 经 济 性 在 很 大 程度上取决于风粉系统的流动工况， 其中主要的运行参数有: 炉膛出口处的过量空气 系数; 各级受热面和烟道、 风道的漏风系数; 各个燃烧器的一、 二、 三次风的风量和 风温;各个嫩烧器的一次风的煤粉浓度等。对于四角布置组织切圆燃烧的煤粉锅炉， 决定炉内 燃烧工况的决定性因素是炉内的空气动力场和浓度场， 要保证良 好的燃烧状 态， 四角 燃烧器的一， 二、 三次风的风量 ( 风率) 或风速以及一次风的煤粉浓度必须 保持在与煤种相适应的合理值并保证四角均衡， 否则就会破坏正常的燃烧过程， 对煤 粉着火， 燃烬不利， 影响燃烧效率， 导致炉内流速场， 燃烧物质浓度场和温度场异常， 炉内结渣， 管壁局部过热等不安全现象;引起炉膛火焰中心偏斜、 燃烧不稳、 局部结 焦 、 爆管 ， 锅炉 热 效 率 下 降， 甚 至 导 致 锅 炉 熄火 放炮 而 诱发 事 故 0 a ,3 ,6 1 在火力发电厂的锅炉运行中， 一次风煤粉的准确测量锅炉的安全经济运行起着重 要的作用。 缺乏可靠的一次风煤粉浓度的监测手段， 锅炉极易发生火焰中心偏斜、 燃 烧不稳等情况， 从而导致锅炉局部结焦、 高温腐蚀， 锅炉热效率下降， 严重时直接引 起 锅炉灭 火 事故4 ,5 ,7 ,8 ,10 煤粉 颗粒 在一 次 风中 的 运动过 程是 非常复 杂的 气固两 相流 动， 煤粉浓度的测量一直是工程上的前沿问题之一，也是工程技术人员致力解决的难题 5 ,8 ,9 ,1 1 。因此，研究一次风煤粉浓度测量技术，寻求适合电厂锅炉在线测量煤粉浓度 的方法，有着十分重要的意义。 在我国， 传统上， 煤粉锅炉的 现场监测中， 依靠风道的静压来判断风量、 依靠给 粉机转速来判断煤粉浓度，同时根据风机电 流通过对风门开度的调整来组织燃烧 i 2 运行实践 中 发 现1 13 1 ， 给 粉 机常常发 生 给粉不 均匀和煤粉自 流 现象。 给粉不 均匀的 原因 往往是由于煤粉仓中流动不均匀造成的， 当 煤粉仓煤粉很满时， 在煤粉层压力的作用 下， 粉仓出口处可能形成拱， 使下粉量减少: 当煤粉拱突然倒塌时， 给粉机就不成比 例的送出 大量煤粉， 而当 煤粉仓粉位过低时， 又可能发生一次风倒流入仓而中断出粉; 当煤粉很细而且干燥时， 煤粉流动性很好， 在粉仓上部煤粉的压力作用下煤粉会在螺 旋内自 行流动， 甚至停转时也可能继续出粉， 即发生自流现象; 这些多种因素都造成 给粉机转速与下粉量的非线性、 下粉脉动、 堵粉等现象， 给燃烧调节造成了 很大的困 难，因此给粉机转速不能准确反映煤粉浓度。并且风道静压基本不能反映风量大小， 加上风门 之间存在着很大的相互影响， 所以， 传统的监测和操作方式没有能够提供有 魂 硕士论文电厂锅炉一次风煤粉浓度测是系统研究 效手段对燃烧器四角配风均匀性、 实际风率数值、 煤粉浓度大小等重要运行工况和参 数实现准确监测和合理调整， 不能保证锅炉的高效运行， 甚至诱发事故。 从已经发表 的 文献 来看 14 1 ， 应 用 计 算 机对 煤粉锅 炉风 粉系 统 进 行 在线监 测的 技术改 造已 经非 常普 遍， 在监测对象和流量测量方式上各有特色， 但是主要集中在各个支路的风量的准确 测量和监测系统的数字化， 对煤粉浓度准确测量和煤粉浓度在线测量系统研究开发上 比较少。 1 . 2 一次风煤粉浓度测量的意义 在火力发电厂中， 锅炉燃烧系统输粉管道内煤粉浓度是一个重要的参数， 一次风 煤粉浓度测量是一种复杂的两相流测量， 其测量结果对运行具有如下意义 1 5 1 : ( 1 )对于四角切圆燃烧锅炉，在冷态空气动力场试验时，均假设四角一次风煤粉浓 度是均匀的。 热态运行时一旦出现四角浓度分布不均， 极可能引起炉膛火焰偏斜， 严 重时会冲刷水冷壁，导致管壁结焦、磨损和腐蚀。如能在线测量四角浓度分布情况， 上述问题就能及时发现和调整。 ( 2 ) 锅炉运行中，上下不同层喷嘴中煤粉浓度分布不同，直接决定炉膛火焰中心位 置， 最终影响煤粉的燃烬及主蒸汽温度。当底部喷嘴浓度偏低时， 会因炉膛底部温度 低而直接影响燃烧的稳定性。 ( 3 ) 煤粉浓度的高低直接影响着各输粉管道内 风粉浓度的均匀性，影响着炉内燃烧 工况的稳定和锅炉燃烧效率。 一次风管中煤粉浓度过高、 风速过低时， 必然引起煤粉 着火点离喷嘴出口 太近而导致喷嘴烧坏， 严重时还会导致送粉管道堵塞， 粉管起火等 事故，给电厂安全生产和经济运行造成重大影响。 ( 4 )在锅炉热平衡测试及性能计算中，输入热量计算的准确性一直是一个难题。如 果能准确测定一次风煤粉浓度，将为锅炉性能计算提供重要参数。 因此， 锅炉一次风煤粉浓度的测量无论对运行调整或安全经济运行， 还是锅炉热 力性计算，均有重要意义。 ， . 3 一次风煤粉浓度测量面临的难题 煤粉的风力输送属于气固两相流动，它的测量是一个技术难题，原因在于气固 两相流动的复杂性。 这种复杂性使得测量技术面临着不少的难题， 这些问题主要表 现 在 以 下 几 个 方 面 【 16 1 . ( 1 )浓度分布不均 一般情况下，固相浓度沿管道截面和管道长度的分布并不均匀，因此，要知道 硕士论文 电厂锅炉一次风煤粉浓度侧量系 统研究 某个时刻某个截面或者整个流场浓度分布的话就须使用一定的测量技术与仪器， 单 一传感器不能给出固相浓度分布的准确测量结果。 ( 2 )流动结构 气固两相流不仅流型多样，而且多种流型会同时存在或互相转化，且不同流型 之间的转化无明显过渡，这就增加了气固两相流的测量难度。 t 3 )加速度 如在循环流化床中 应用压差来测定固相浓度时， 将固体加速运动的力归于浓度 作用， 测量值会发生很大的偏差，而这个问题通常在研究中都被忽视了。 ( 4 )速度 气固两相流动的速度在被测区域有时变化很大，这对利用 x ，y射线需要相对 长时间积蓄能量并对被测区域进行机械扫描来获取信息的方法来说， 其测量是有很 大困难的。 ( 5 )非透明性 对于占现在测量比重越来越大的光学测量法来说，若被测区域透光性不好，如 流化床底部固相颗粒浓度或被测管道不透明， 则测量就会变得无能为力， 这将限制 利用激光等光学性质的非接触式测量在工业测量中的实际应用。 t 6 )侵入式测量 侵入式测量会干扰流场，引起测量偏差。接触式气固两相流体的测量元件容易 发生堵塞及磨损，从而妨碍仪器正常工作，减少仪器使用寿命。 ( 7 )其他非测量因素干扰 流动中不可避免要受噪声、 振动等非测量因素的干扰，使得测量结果不能反映 真实浓度。因此，国内外许多学者把注意力集中到相浓度的检测上来，因为和速度 测量相比，固相浓度检测显得困难得多。 1 . 4国内 外研究现状 目前国内燃煤电厂的运行操作几乎都是运行人员根据风机电流调节档板开度、 给 粉 机 转 速 及 一 次 风 静 压 等 参 数 奔 组 织 和 调 整 燃 烧。 由 于 这 种 传 统 的 调 节 手 段 ， 没 有 对 锅炉运行中真实风速的高低、 风量的大小、 四角配风情况及煤粉浓度的大小和均匀性 等参数作直观量化的有效监测， 这样就会直接影响锅炉燃烧的稳定性、 经济性及可靠 性， 尤其是在煤质发生变化的情况下燃烧调整变得较为困难，很难使锅炉调整到设 计工况下运行。 在国 外15 ,7 1 , ? 。年代初，日 本、 德国、 美国、 前苏联及意大利开 始在大型 锅炉 上采用同位素法、激光法、温差法等方法对一次风煤粉浓度进行监测，但都存在误 硕士论文电 厂锅炉一次风烧粉浓度测里系统研究 差大、 滞后时间长、环境污染大等问 题，长时间在实验室和中间试验阶段徘徊，没 能够大面积推广。 8 0 年代后期，日本、 美国、 前苏联采用微波、亚微米波对气固两 相流进行测量， 在中间试验阶段取得较大突破。 我国的许多学者也在气固两相流动 测量方面做过大量的研究， 在气固两相文丘里流量计等方面做出了显著的研究成果 18 1 。 许多 科 研人员在 利用 颗粒的 光 学 特 性进 行煤 粉浓 度测 量方 面进行了 尝 试， 得出 了有意的结论。现有的各种测量方法在测量原理、实用性、可靠性、反应速度、系 统复杂程度上有较大差异， 要实现煤粉的准确测量仍是摆在科研人员面前的重要课 题。 目 前， 锅炉一次风煤粉浓度在线测量研究有很多方法， 归纳起来大致可分为两类， 即直接法和间接法 1 6 1 。 直接法主要有电容法、 微波法、 光电检测法、 激光法、核磁 共振等.间接法也称热力学方法，其测量原理均基于能量守恒定律、连续性方程、 动量定理， 并在一定假设基础上进行简化、建立相应数学模型，实际工程中， 通常 以风粉混合物中煤粉的质量分数来反映煤粉的浓度，其主要有能量法、压差法和温 度法 1 5 1 。 下 面 对国内 外 现 有测量 煤粉 浓度 的 研究方 法进 行 简介。 1 )电 容 法 17 ,1 8 ,19 1 电容法测量煤粉浓度的基本原理是当电容传感器的结构参数固定时，传感器的 输出电容c与管道内介质的相对介电常数e成正比， 而相对介电常数e又和颗粒的浓 度有关。 所以通过测量电容的变化就可以得到相应的浓度。电容法具有安全可靠、 成 本低、采用非侵入式测量、易于安装、 牢固耐用、响应速度快等优点，因而适合于 工业上在线应用。然而，电容法在实际应用中存在许多问题: 在实际的风粉流动 过程中，流型变化很复杂，电容测量值与煤粉浓度之间并非是对应的线性关系，且 参数之间的关系复杂，难以用解析式直接描述; 电容传感器有检测场灵敏度分布 不均匀性问题，电容测量的灵敏度分布易受被测煤粉浓度分布不均匀的影响，即存 在所谓的“ 软场” 特性问题， 使得测量结果不仅与煤粉浓度有关，而且受煤粉颗粒分 布及流型变化的影响很大，测量误差较大; 由于煤粉浓度的变化而引起的电容量 的变化十分微小， 若使电容传感器具有很高的检测分辨率， 传感器必须具有较强的抗 杂散电 容的能力; 上述原因使得电容传感器在一次风煤粉浓度测量中的应用受到限制， 现场应用的难度较大， 因此其研究仍处于实验室阶段，至今也未见有成熟的产品在工 业上应用， 所以电容法有待进一步完善才可能实际用于在线测量煤粉浓度。 2 )喷嘴 一孔板法5 .7 1 喷嘴一孔板法是利用差压法测量气固两相流的一种方法， 可测量一次风中空气和 煤粉的流量。 在试验中发现: 煤粉、 空气混合物和纯空气流过孔板时的差压基本相同。 但是，与空气相比， 气粉混合物流过喷嘴时的差压， 却由 于受到煤粉的影响而显著不 同。 这是因为孔板及喷嘴前后的差压是混合物流过孔板或喷嘴时加速引起的，空气、 硕士论文电 厂锅炉一次风煤粉浓度测盆系统研究 煤粉混合物中的煤粉颗粒在响应气流速度变化时， 由 于颗粒本身的惯性， 需要加速( 或 减速)的时间。孔板很薄， 测压点距离很近， 煤粉颗粒没有速度变化的时间， 所以流过 孔板时，气粉混合物与纯空气流过孔板时的差压基本相同。 而在气粉混合物流过喷嘴 时，由于颗粒的速度变化， 差压与空气流过时显著不同。所以，可以 通过孔板测量一 次风速同时用喷嘴测量一次风浓度。该方法在实验中 做了 如下假定: 空气、煤粉 混合物流过收缩喷嘴时为平衡流，即煤粉颗粒相对于空气无滑移: 在考虑混合物 的密度时， 忽略煤粉颗粒所占的空间; 因此， 在实际应用中测量的煤粉流量的误差比 较大和孔板磨损严重等方面的限制。 3 )微 波 法7 ,1 1 1 微波法的测量原理是在输粉管路中用法兰装接一段测量管，沿煤粉流动方向按 一定角度( 9 0 ,) 对应倾斜布置微波发生器和微波接收器。 微波在测量管内与煤粉管 颗粒碰撞时会引起波束衰减。 通过测量其衰减值即可反应煤粉的浓度。 本方法是欧洲 新近公布的一项专利技术， 设备安装精度要求高， 管内不可避免地存在死区， 测量装置 处于研制阶段， 暂时还无法推广使用。 4 )热 平 衡 法 4 ,6 ,16 ,1 7 依据能量守恒原理， 认为流入煤粉混合器的热风的热量与煤粉的热量之和等于流 出煤粉混合器的风粉混合物的总热量。 该方法需要假定混合后煤粉颗粒与热风温度相 同、 煤粉的比热不受其成分变化的影响、 忽略散热的影响。 实际上根据传热学的理论， 煤粉颗粒温度与气流温度达到基本一致需要较长的换热时间， 颗粒表面与气流通过对 流换热， 颗粒内 部温度的升高要依靠颗粒自 身的传导作用。 而且因为颗粒的大小不同， 其流动与换热的情况也有很大差别， 大颗粒的比 表面积小， 温度变化较为缓慢。 另一方 面， 混合后的 热风温度在混合点 后一段管 长范围内 是不断降 低的， 而后应逐步趋于稳 定. 所测温度将受到颗粒的影响。在电厂的生产过程中， 煤质难免会发生一些变化， 如灰粉、 水分等受运输、 堆放、 天气等条件的影响会产生波动。 这些变化将影响到煤 粉的比热。 而在应用热平衡法测量煤粉浓度时， 不可能每天测定煤粉的比热， 煤粉的比 热应用的是固定的经验值，这也会影响到测量的精度. 5 )光 一 电 测 量 法 11 ,15 光一 电 检测法的原理是:用光纤探头把光束引入测量区，测得运动微粒对光的感 应信号，再将该信号经光电转换、模数转换后进行计算分析，最终得到微粒的浓度 值。目前常用的光纤探头结构有: 两组光纤探头分离式、 两组并列组合式、 发光与接 收光纤随机混合分布式、 两组光纤并列端面错位组合等式。 其基本形式有反射式和透 射式。 其测量精度主要受光纤探头的结构、 被测量微粒的直径、 煤粉浓度的高低影响， 探头是否被污染也直接影响到测量的准确性。 同时，仪器存在着价格高、 校核难的问 题，因此在工厂使用中推广有较大的难度。 硕士论文电厂锅炉一次风煤粉浓度测量系统研究 6 )激光 法 11 , 1 5 1 激光法测量原理是: 激光通过煤粉和空气混合流动体系时，将同时受到空气分 子和煤粉粒子的散射与吸收。 对于煤粉这种特殊颗粒，其吸收率近似于黑体，它们对 光波衰减相当强，其等效直径要比气体分子直径大若千数量级，而空气分子的散射 和吸收作用相对而言可忽略不计。 因此，测量激光穿过煤粉管道的透过率，即可测得 煤粉相应的浓度。但该方法因受工作环境及设备造价等因素影响而少有电厂应用。 7 )温度法 1 5 ,2 111 温度法测量是考虑混合后风粉混合物的温度与煤粉质量分数的对应关系， 求出相 应煤粉的质量分数。 该方法是在假定煤粉颗粒较均匀分布在管道中、 忽略一次风管的 散热损失前提下获得的， 且温度的测量存在着滞后，也必然导致浓度滞后，所以此方 法只是一个近似的质量分数测量法。 但由于测量参数少，且不考虑压差影响，而使一 次测量元件简单易行，解决了取样管堵塞和漏气等难题。 在实测中，其显示的煤粉质 量分数变化趋势， 与其它方法测量的结果基本一致。因此，在电厂运行中，对四角喷 嘴 风 粉调 平、 上下喷嘴风 粉调差 有 着直 接的 指导 作用。 8 )文 丘 里 流 量 计 5 ,7 ,2 11 研究 发 现， 气固 两 相混 合物在 流过 文 丘里 管时的差 压a p . 与 气流单 独通 过时的 差 压叽 存在 如 下 关系: 凡 . = a p ( a 十 助) ， a , b 为实 验确定 的常 数， 可 得煤粉 浓 度 的 计 算 式 为 : p 二 ( o r / a p . 一 a ) 1 b ， 引 入 校正 系 数 k ， 得到u 二 k ( a p , 邝 凡一 a ) t b , 校正系数k 是文丘里流量计尺寸、 颗粒粒径分布及煤粉浓度的函数， 应由试验确定。 应 用文丘里流量计之前， 应首先设法测得气流的流量和气流流量与气流通过文丘里时差 压的关系。应用时， 测量气流流量( 在混合之前即可)和混合物通过文丘里时的差压 apm， 根 据 气流 流量反 算 气流 通过文 丘里时的 差 压屺于 ， 再 利用上面 计算 公 式计 算 煤 粉浓度。 然而， 文丘里流量计对流动的干扰非常敏感， 对应用条件要求较为苛刻， 应 用于工业现场还需作进一步的研究。 9 )动量 法 1 8 ,19 ,2 2 1 动量法测煤粉浓度的原理是将煤粉、 空气和管道视为一个系统，在煤粉混合前和 混合后任意截面，可认为系统在主轴方向上不受外力作用，利用动量守恒定律建立 模型。 经过测试， 理论公式基本符合实际， 因此， 该方法可以 提高锅炉燃烧系统的经 济性和安全性， 具有很好的应用前景， 可以 应用于在线检测装置。 但通过对参数测量 误差分析可知， 速度对煤粉浓度的影响较大， 对现场的速度测量精度要求较高， 并且 该方法只有在有效解决探针的磨损和堵塞问题之后才能有实际应用价值。 1 0 )组合流量计法2 3 1 组合流量计法是质量流量计和体积流量计组合使用，分别测量出通道的质量流 量和体积流量， 计算出流动密度后再计算煤粉浓度. 文献报道的组合有: 边界层质量 6 硕士论文电 厂锅炉一次风煤粉浓度测里系统研究 流量计与差压型流量计的组合; 马格努斯效应的流量计与差压型流量计的组合; 叶轮 式密度计与差压型流量计的组合等等 除了上述论述的方法，还有如核辐射法、核磁共振法等方法用于测量气固两相流 的相浓度。 在各种煤粉浓度的测量方法中，光学 ( 激光、 微波) 方法在国外己 有工业 应用， 在国内尚未有热平衡法之外的工业应用的报道。 一次风煤粉浓度的测量问题是 关系到锅炉设备安全运行和精确控制以提高设备安全性、经济性的重要环节， 其本身 又是复杂的气固两相流动换热问题， 无论是在理论上还是实践中都值得进一步研究， 不断完善， 为煤粉燃烧技术的应用和改进提供可靠的依据， 使锅炉参数的测量控制水 平不断向现代化、自 动化迈进。 1 . 5 本论文的研究内容 本课题针对电 厂锅炉一次风煤粉浓度测量比 较困难的实际情况， 在对一次风煤 粉浓度测量方法研究的基础上，提出了一种新的测量煤粉浓度的方法声速法。 通过理论推导和实验分析，证明声速法测量一次风煤粉浓度的方法是可行的。在实 验结果的基础上， 进行了一次风煤粉浓度测量系统的设计与开发。 其具体任务如下: 1 )对声速法测量煤粉浓度进行理论的推导，讨论了影响理论结果的参数，并 对理论关系式进行实用化的改造，得出符合实际应用的关系式: 2 )设计和搭建实验台，进行实验设备选型，拟定实验方法，进行实验分析， 对实验结果进行讨论，对理论关系式进行修正: 3 )进行一次风测量系统总体规划，进行测量系统的硬件电路设计; 4 )采用结构化程序设计方法，进行测量系统的软件设计: 5 )进行整个系统的软硬件调试，并在实验室安装实现。 硕士论文电厂锅炉一次风煤粉浓度测孟系统研究 2声速法测量煤粉浓度的原理分析 2 . 1 超声波与超声波传感器 人能听见声音的频率为 2 0 h z - 2 0 k h z ，即为可听声波，超出此频率范围的声 音，即2 0 h z 以下的声波称为低频声波，2 0 k h z 以上的声波称为超声波，一般说话 的频率范阁为1 0 0 h z - 8 k h z 。 超声波为直线传播方式， 频率越高， 绕射能力越弱， 但反射能 力越强，为此， 利用超声波的 这种性质就可制成超声波传 感器(2 4 1 。另 外， 超声波在空气中传播速度较慢，为3 4 0 m l s ，这就使得超声波传感器使用变得非常 简单。 超声波传感器有发送器和接收器， 但一个超声波传感器也可具有发送和接收声 波的双重作用，即为可逆元件。 市售的超声波传感器有专用型和兼用型，专用型就 是发送器用作发送超声波， 接收器用作接收超声波; 兼用型就是发送器( 接收器) 即 可发送超声波( 接收超声波) ， 又可接收超声波( 发送超声波) 。市售超声波传感器的 谐振频率( 中心频率) 为2 3 k h z , 4 0 k h z , 7 5 k h z , 2 0 0 k h z ， 4 0 0 k h z 等。谐振频 率变高，则检测距离变短，分解力也变高。 超声波传感器是利用压电 效 应的原理 1 2 5 1 ， 压电效 应有逆效应和顺效应， 超声 波 传感器是可逆元件， 超声波发送器就是利用压电逆效应的原理。 所谓压电逆效应如 图2 . 1 . 1 所示，是在压电元件上施加电压，元件就变形，即应变。若在图2 . 1 . 1 ( a ) 所示的己极化的压电陶瓷上施加如图2 . 1 . 1 ( b )所示极性的电压，外部正电荷与压 电陶瓷的极化正电荷相斥， 同时， 外部负电荷与极化负电荷相斥。 由于相斥的作用， 压电陶瓷在厚度方向上缩短，在长度方向上伸长。若外部施加电压的极性变反，如 图2 . 1 . 1 ( c ) 所示那样，压电陶瓷在厚度方向 上伸长，在长度方向 上缩短。 超声波传感器一般采用双晶振子结构， 即把双压电陶瓷以相反极化方向粘在一 起，在长度方向上，一片伸长，另一片就缩短。在双晶振子的两面涂敷薄膜电极， 其上面用引线通过金属板 ( 振动板) 接到一个电极端，下面用引线直接接到另一个 电极端。双晶振子为正方形， 正方形的左右两边由圆弧形突起部分支撑着， 这两处 的支点就成为 振子振动的结点。 金属板的中心有圆锥形振子， 发送超声波时， 圆锥 形振子有较强的方向性， 高效率地发送超声波; 接受超声波时， 超声波的振子集中 于振子的中心，高效应地产生高频电压。 硕士论文电厂锅炉一次风煤粉浓度侧盈系统研究 压电陶瓷 电极 a长度方向上伸长长度方向上缩短 一 卜r 月- 极化 电极b ( a ) 压电陶瓷的极化( b ) 外加电压产生的应变( c 外加电压相反的应变 图2 . 1 . 1 压电逆效应 2 . 2 测量原理 声速法测量煤粉浓度的原理是:声速在空气中的传播速度受到空气中的颗粒浓 度的影响，声波的速度和介质的情况有密切的联系。声波的传播速度和气固两相流 动中颗粒的浓度有一定的联系， 而声波速度的获得是通过声波在两相流动中的时间 差来计算的。声速法是利用不同固相浓度条件下具有不同的声速来完成相浓度测 量。与现有的各种方法相比，它具有一些特殊的优点，比如测量结果与固相成分、 颗粒的粒度分布以及当地流速无关， 自 清洁作用可防止传感器污染， 没有堵塞问题， 平行于管道壁面安装从而减轻磨损等。 2 . 2 . 1 理论关系式 以下推导适用于均相模型， 具体对象如下:气粉混合物在一维管内 流动，截面 上固相浓度分布均匀，气固两相之间无滑移无温差。 符号 说明:以 下各式中，c 表示比 热，p 表示密 度， 下标p g 分别代表固 相 与气相，其余的符号注释如下: 常数有: 气 固 密 度比 :x - p g / p n( 无 量 纲): 气 体 的 绝 热 指数 :y = c p r / c g( 无 量 纲) ; 固 气比 热比 :8 = c p , / c ,( 无 量 纲): 气体常数:r ( j / k g - k ) ; 变量有: 硕士论文电厂锅炉一次风煤粉浓度侧里系统研究 混合物温度:t ( k ) ， 实测参数; 声波传播时间:r( s )， 声波丛发射端到达接受端的时间，实测参数; 粉气质量比 :q( 无量 纲) ， 管内 颗粒质量流量与气体质量流量的比值， 这 是测量的目 标参数。 中间变量有: 气固混合物绝热指数r ( 无量纲) ; 固 相 质 量 份 额k ,( 无 量 纲):管内 颗 粒 质 量 流 量 与 总 质 量 流 量 的 比 值: 固相体积份额沪( 无量 纲) :管内 颗粒体积流量与 总体 积流量的比 值; 固 相 体 积 流 量昨 ( m i s ) ; 气 相 体 积 流 量 气 ( m i s ) ; 固 相 质 量 流 量m( k g l s ) ; 气 相 质 量 流 量m , ( k g l s ) ; 气固混合物气体常数r a , ( j l k g , k) ;当 地声速a ( m l s ) 。 根据均相模型的假定，气固混合物的当地声速a遵从牛顿公式关系 式: a z = d p i d p ， 对 于 定 嫡 过 程 【 2 6 1 ， 有 : r r , t ( i 一 0 ) , ( 2 . 1 ) ，. r ,“ ( i 一 k) r 叽一峡 k , ml, m + mr ( 2 . 2 ) 1 + , t 3 r m= ( 2 . 3 ) + ,6 v , 二 二 - . ， . . . . . . . . 目 .二二 m, / 户 ， mx i p xx f 称一气 称-几 + 昨 + v . 1 + m- 0 全 o , i + x ,6 m, / p . . 1 一 沪 ” ( 2 .4 ) i + x ,(3 (l 一 k p ) c ， 十 k , c , , (l 一 k p ) c , + k , c , k_ - + 1 1 一k- ) = ”c._、 c . _ =侣 西 x . ck _ - m 十 6 一 . ) c 19 硕士论文电厂锅炉一次风煤粉浓度测是系统研究 k- i v +u一k- 1 - c _ ”c._ =r 舀咭= _ c_ k. +1 1 一k. i 护 c 叹 凡-凡 化简得: r = 巡 业y 声 +1 ( 2 . 5 ) 将 ( 2 .3 ) . ( 2 .4 ) . ( 2 . 5 )代入 ( 2 . 1 )中，有: (1 + x 3 ) 2。 ， 一.n王 1 + 刀 一一 矿或 1 。 一 (1 十 二 y + 8 q .兴! 三 r t 2 l +o p i +pi ( 2 . 6 ) 设气相的声速为a o ，有: i a o “ 班t 2( 2 . 7 ) 故有: 份 二 - i. 1 i y (1 + 8 3)(1+ j)l z a l 1 十 x p ) l y 十o p ( 2 . 8 ) 如果在气粉混合物中安装一个超声波发射器和一个超声波接受器，l为发射端 与接 收 端间 距: 设z 。 为 纯 气相中声 波从发 射 端传 播到接收端 所需时间， 按照( 2 . 7 ) 可以 直接由当地温度计算;又设z 为气粉混合物中声波从发射端传播到接收端所需 时间，这是测量时的实际检测参数。 定 义 无 量 纲 相 对 传 播 时 间: ， = 二， 则 有: .9)10)11) (2(2.(2. l-ao 一一 r 1 ( 1 十 x , 3 ) i y (1 + 8 3 )( 1 + 8 ) l z y 十 a 1 3 硕士论文电厂锅炉一次风煤粉浓度侧里系统研究 该式是一个无量纲关系式。只要符合均相模型的假定，利用该方程就可以通过 测量r * 来求取粉气比a. 2 .2 .2 理论关系式用于煤粉锅炉一次风测量的误差分析 利用夕 一 : * 关系 式 进行一次 风 煤 粉浓度夕 的 测量， 误差主 要来自 三 个 方面: 物 性参数波动带来的误差、直接测量参数 ( 时间差r 和温度t)的测量误差带来的误 差，以及均相假设带来的误差。而直接测量误差和均相假设带来的误差可以多次测 量求平均的方法进行消除。在此将重点讨论物性参数波动带来的误差。 按照( 2 . 1 1 ) 可知，p 一 r * 关系式中， 相关的物性参数有三个:s 、r 和x ， 其中 y = c rg / c ， 为 气 体 的 绝 热 指 数 : s = c a , / c ,., 为 固 气 比 热 比 : x = p , l p ， 为 气 固 密 度比 。 在r * 的定义式中， 计算r 。 时 涉及的 物性参数有气相的 气体常数r o 以上四个物性参数中，x 是空气与煤粉的密度比，空气的密度可以精确取定， 但是煤粉的密度却难以精确得知，由此x 的取值可能偏离真值。 通常， 煤粉颗粒的 密 度 要比 空 气 大3 个 数 量 级 12 7 ,2 8 1 ， 在 ( 2 . 1 1 ) 式中 ， x 的 影 响 是 通 过 组 合参 数( 1 + 动) 体 现出来， 这个组合参数的 取值大约为1 .0 0 1 左右， 即使将x取值为零， 也不会带来 太大的误差，所以x 取值波动对计算精度的影响基本可以忽略不计。下面分析其余 三个物性参数的影响。 1 )固气比热比s 的影响 s 为 固 气比 热比 ， 其中 固 体 ( 煤 粉) 的比 热 容很 难得 到 精确值， 这 就 可能 对fl 的计算精度造成不利影响，对它的影响程度做出估计是非常必要的。 取( 1 + 动) .-. 1 、r -1 .4 : 以刀 为自 变量、以8 为因变量，将 ( 2 . 1 1 ) 变形，得: 。 _ r ( 1 + , i ) 一 ( z * ) 2 i 1 f o = -i 口 = 二 f l r ( 1 + / j ) 一 ( r * ) f l 7 ( 1 + 刀 ) 一 7 ( z -* ) 2 7 ( 1 + 刀 ) 一 5 ( z * ) 2 解出: 2 ( z -* ) 2 7 ,6 1 + ,6 一 0 .7 1 4 3 ( 2 * ) z f ,6 1 + , t 一 ( 2 ) 2 1 1 + 刀 一 0 . 7 1 4 3 ( 2 * ) 2，.， 洲!、月l 一2 硕士论文电厂锅炉一次风煤粉浓度测里系统研究 a ft = a a j - a s l o p ( 2 . 1 3 ) 令: ( 2 . 1 4) 赫一助 - 解一材 一- 如果计算出了k s ， 就可以 利用下式计 算8 的影响 程度: 胡 k 6 0 8 ( 2 . 1 4 ) 式是k ， 的定义式，其物理意义为: ( 2 . 1 5 ) s的取值如果与真值偏离 s，则 使用( 2 . 1 1 ) 计算时， 夕 的 计 算结 果 将产生 数 值为气 a s 的 计算 误差。 气是 评 价a 对 测量结果影响程度的指标性参数。 k ， 的 计算 过程如 下: 取定刀 和8 值， 按 照 ( 2 . 1 1 ) 式计 算出: 气 代入( 2 . 1 2 ) 式计 算出a s / 解 ， 最 后利用 ( 2 . 1 4 ) 式计 算出 k 8 。 计 算结果见 表2 .2 . 1 : 表2 .2 . 1 k ， 的 计 算 值 刀 s 1 . 51 . 61 . 71 . 81 . 92 .2 . 1 0. 10 . 0 3 60 . 0 3 5 0 . 0 3 40 . 0 3 20 . 0 310 . 0 3 00 . 0 2 9 0 . 20 . 0 6 90 . 0 6 60 . 0 6 30 . 0 61 0 . 0 5 90 . 0 5 70 . 0 5 5 0 . 30 . 0 9 70 . 0 9 40 . 0 9 0 0 . 0 8 70 . 0 8 30. 0 8 00 . 0 7 8 0 . 40 . 1 2 40 . 1 1 80 . 1 1 40 . 1 0 9 0 . 1 0 50 . 1 0 20 . 0 9 8 0 . 50 . 1 4 70 . 1 410 . 1 3 5 0 . 1 3 00. 1 2 50 . 1 2 00 . 1 1 6 0 . 60 . 1 6 80 . 1 610 . 1 5 50 . 1 4 80 . 1 4 30 . 1 3 80 . 1 3 3 0 . 70 . 1 8 80 . 1 8 00 . 1 7 2 0 . 1 6 50 . 1 5 90 . 1 5 30 . 1 4 8 0 . 80 . 2 0 60 . 1 9 70 . 1 8 80 . 1 810 . 1 7 40 . 1 6 7 0 . 1 61 0.90.2 2 30 . 21 30 . 2 0 40. 1 9 5 0 . 1 8 80 . 1 8 00 . 1 7 4 1 .0 0 . 2 3 80 . 2 2 70 . 21 70 . 2 0 80 . 2 0 00 . 1 9 2 0 . 1 8 5 假定事先给