（检测技术与自动化装置专业论文）燃煤电厂疏灰管道堵塞工况检测方法研究.pdf

声明尸明 f i j iii ii l fll l i i i i i if lj y 17 9 6 6 0 7 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文燃煤电厂疏灰管道堵塞工况 检测方法研究，是本人在华北电力大学攻读硕士学位期间，在导师指导下进 行的研究工作和取得的研究成果。据本人所知，除了文中特别加以标注和致谢 之处外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得 华北电力大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的 同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名： 猝濞 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了解华北电力大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校 有权保管、并向有关部门送交学位论文的原件与复印件；学校可以采用影 印、缩印或其它复制手段复制并保存学位论文；学校可允许学位论文被查阅 或借阅；学校可以学术交流为目的，复制赠送和交换学位论文；同意学校 可以用不同方式在不同媒体上发表、传播学位论文的全部或部分内容。 ( 涉密的学位论文在解密后遵守此规定) 作者签名：导师签名： 日期： 氅 华北电力大学硕士学位论文 摘要 锅炉的安全运行是火力发电的重要保证，其影响因素很多，本文研究的疏灰管 道堵塞问题就是其中之一水力疏灰在火电厂中仍广泛应用，如何在疏灰管道堵塞 之前报警就显得尤为重要，否则将造成渣浆泵崩裂、疏灰管道法兰处爆裂等危险， 严重影响火电厂正常运行同时造成很大的经济损失。 本文采用改进的电磁流量计，针对疏灰管道中易生成c a c 0 3 垢物堵塞的情况， 分析垢物成因及管道流动情况，最后确定采用直接测量管道中心的流速，此流速作 为判断堵塞情况的依据。将电磁流量计的电极延长至管道中心，并用永磁铁钕铁硼 作直流励磁励磁。对直流励磁易产生直流干扰的情况，采用反馈电路等方法去除干 扰，最终达到准确检测管道堵塞的目的。 关键词：固液两相流，电磁法测量。反馈法。中心流速 a b s t r a c t l ti si m p o r t a n tt om a k es u r et h eb o i l e rw o r ks a f e l y , t h e ni tc a n g u a r a n t e et h eh e r m a l p o w e rg e n e r a t i o n t h ee s s a y sm a i np u r p o s ei sr e s e a r c ha b o u ta s hc o n v e y i n gp i p e l i n e j a m sc o n d i t i o ni np o w e rp l a n t u s et h ew a t e rt r a n s f e rt h ea s hi sv e r yp o p u l a r ，a n dg i v e a na l a r mb e f o r ei tb l o c k a g ei so b v i o u si m p o r t a n t ，o t h e r w i s ei tw i l lm a k ep u m po rf l a n g e b u r s t ，f u r t h e r m o r ei n f l u e n c et h es a f eo f t h ep o w e rp l a n ta n ds e r i o u se c o n o m i cl o s s e s h e r ew ei m p r o v e dt h ee l e c t r o m a g n e t i cf l o wm e t e r , u n d e rs u c hc i r c u m s t a n c e , s t o p p a g eo fc a c 0 3a n da n a l y s i st h ef l o ws i t u a t i o ni nt h ep i p e l i n e f i n a l l ym a k ec e n t r a l v e l o c i t yo ff l o ww h i c hi sm a x i m a l ，8 0i tc a nb et h ej u d g e m e n tt ok n o ww h y t h ep i p e l i n e i sb l o c k a g e s oe x t e n dt h e e l e c t r o d e st ot h ec e n t r a lo ft h ep i p e l i n e , m e a n w h i l eu s e f e e d b a c kc i r c u i tt ow i p eo f fo b s t r u c t i o nu n d e rd i r e c tc u r r e n te x c i t a t i o nc i r c u m s t a n c e t h e nd e t e c tt h ew e t h e rt h ep i p e l i n ei sb l o c k e de x a c t l y k e y w o r d s ：s o l i d - h q u i dt w op h a s ef l o w ，e l e c t r o m a g n e t i cs u r v e y , f e e d b a c k m e t h o d , c e n t e rv e l o c i t yo ff l o w 华北电力大学硕士学位论文 目录 中文摘要 英文摘要 第一章绪论1 1 1 研究背景及研究意义1 1 2 燃煤电厂水力输灰管道检测研究现状2 1 2 i 超声波多普勒技术2 1 2 2 差压式仪表测量4 1 2 3 电磁流量计5 1 2 4 人工神经网络预测垢层厚度6 1 2 5 比较出口压力6 1 3 电磁法测速的研究现状6 1 3 1 电磁法的发展及应用7 1 3 2 电磁法测量的特点7 1 4 内容安排及创新点8 1 4 1 内容安排8 1 4 2 创新点9 第二章输灰管道中固液两相流的流动情况分析1 0 2 1 粉煤灰的特性及结垢原因1 0 2 1 1 粉煤灰的特性1 0 2 1 2 粉煤灰的结垢原理1 0 2 2 管道中的流动情况1 l 2 2 1 固液两相流的流动特点l l 2 3 输灰管道堵塞模型1 7 2 4 本章小节1 9 第三章电磁法测量管道堵塞的研究2 0 3 1 电磁流量计工作原理2 0 3 2 电磁流量计的结构2 l 3 2 1 测量管和衬里2 2 3 2 2 励磁系统2 5 3 2 3 电极一信号引出引2 5 华北电力大学硕士学位论文 3 2 4 优点和局限性2 7 3 3 信号分析2 8 3 3 1 串模干扰2 8 3 3 2 直流干扰2 9 3 4 电磁流量计技术参数2 9 3 4 1 基本参数2 9 3 4 2 常见应用3 0 3 4 3 常用选型考虑因素3 0 3 5 本章小节3 l 第四章总体构想和设计3 2 4 1 传感器部分的设计3 2 4 1 1 测量管和衬里的选择3 2 4 1 2 励磁系统3 2 4 1 3 电极的设计3 3 4 1 4 电磁流量计结构：3 4 4 2 信号处理电路：3 5 4 2 1 减小极化电压电路3 5 4 2 2 同相放大器k a 和k b 的选择3 7 4 2 3 直流放大电路3 7 4 3 阈值的确定4 0 4 4 电磁流量计设计总图4 l 4 5 标定问题4 1 4 6 本章小节4 l 第五章总结与展望4 3 参考文献4 4 致谢4 6 在学期间发表学术论文和参加科研情况4 7 n 华北电力大学硕士学位论文 1 1 研究背景及研究意义 第一章绪论弟一早硒记 随着电力需求日益增大，火力发电厂的重要作用愈加凸显。保障各火力发电 厂正常安全运行是最关键的问题，而影响这一问题的因素很多，本文着重讨论的 是输灰管道的堵塞工况检测问题。对于一座规模为1 2 0 0 m w 的大型火电厂( 装有4 3 0 0 m w 机组) 来说，如燃煤的低位发热量为1 8 8 0 0 k j k g 左右，灰分为3 0 左 右，按年运行7 0 0 0 h 计算，该厂每年的总除灰量为1 3 0 1 0 4 t ，可见输灰管道的工作 量之大。如下表i i 所示为凝气式机组锅炉排出的灰渣量。 表1 1 凝气式机组锅炉排出的灰渣量( t h ) 暴 发热 量( k j k g ) 1 2 6 1 4 7 0 01 6 7 0 01 8 8 0 02 0 9 灰分 ( ) 机组容量( 唧) 4 04 53 54 03 03 52 53 02 02 5 6 ( 中温中压) 3 23 62 42 81 82 11 41 71 11 3 1 2 ( 中温中压) 5 66 24 24 83 23 72 42 91 82 2 2 5 ( 中温中压) l o 71 2 08 19 26 17 14 65 43 44 1 5 0 ( 高温高压) 1 8 12 0 31 3 61 5 5l o 31 2 07 79 25 67 0 1 0 0 ( 高温高压) 3 4 23 8 42 5 82 9 41 9 52 2 71 4 61 7 41 0 71 3 2 1 2 5( 超高压) 3 9 24 4 12 9 63 3 72 2 42 6 01 6 71 9 91 2 21 5 1 2 0 0 ( 超高压) 6 3 2 7 0 9 4 7 65 4 3 3 6 o 4 1 82 2 33 6 11 9 7 2 4 3 3 0 0( 亚临界) 9 2 71 0 4 06 9 97 9 75 2 86 1 33 9 64 7 22 8 93 5 7 6 0 0 ( 亚临界) 1 8 4 02 0 6 01 3 8 01 5 7 01 0 5 01 2 1 07 8 39 3 35 7 2 7 0 7 由此肯见，及时安全的处理掉这些灰渣是很重要的目前在电厂中广泛应用的 输灰方式是管道水力输灰，灰渣经捞渣机，碎渣机处理进入灰沟，渣与灰被激流 喷嘴喷出的高压水携带，由灰渣泵输送至灰场。灰渣与水按一定比例混合由活 塞式高压泵经管道输送至灰场。 管道水力输送以液体( 通常为水) 为载体通过封闭管道输送固体物料，它具有效 率高、成本低、占地少、无污染、安全可靠和可合理配置等优点，因此被广泛应 用但是电厂中水力输灰也有一定的弊端：水力输灰管道在输送含氧化钙较高的 灰渣时，灰渣中的氧化钙c a o 与冲灰水中的碳酸氢钙c a l i c 0 3 作用产生化学反应 在管道内壁上聚积结成坚硬的灰垢。管道内垢物的形态和特征，是随着各种不同 的条件而变化的，就是在同一条管道上，各段的垢物情况和垢层的厚薄也不相 i 华北电力大学硕士学位论文 同。由于除灰管道内垢层不断地增加，有效的流通截面积在逐渐的减小，以致除 灰管道的阻力增大，从而使除灰设备的输送能力降低。如某电厂一条内径为 2 5 0 r a m 的灰管，经过一年多的运行，垢层即达5 0 m m ，与新管运行时相比，排灰能 力降低了4 0 ，所以管道极易发生堵塞现象。为此，要增开一台灰渣泵才能满足排 灰的需要，这样不仅增加了除灰用电的消耗，而且使灰渣泵的磨损和检修维护工 作量也相应增加，除灰系统的安全运行受到影响堙1 。 堵塞会造成以下两方面影响：一方面是渣浆泵。在外界大气压的作用下，灰 浆从进灰浆管通过进灰浆阀门从上方的出灰浆口流出，活塞在圆筒中上下往复运 动，不断将灰浆抽出。堵塞发生时，活塞泵只进不出，这会造成泵体损坏。电厂 的活塞式高压泵由于要求较高，往往都是直接定制，从生产到运输栽倒安装一般 都需要两个月以上的时间，设备不能及时更新，将影响电厂的正常运行；另外堵 塞会造成输灰管道局部承受过高压力，连接法兰处极易爆裂，修复过程更是耗时 耗力。 终上所述，找到适当的检测方法及时发现管道中固液两相流的堵塞现象是十 分重要的，这样可以有效保护渣浆泵核输灰管道，这也是本文主要解决的问题。堵 塞要发生时，发出报警信号，工作人员就可以在必要时采取人工敲打、机械钻凿、 酸洗管道等方法进行疏通，防止造成严重的经济损失。 1 2 燃煤电厂水力输灰管道检测研究现状 输灰管道中是电厂中产生的灰渣与水混合的固液两相流，常常因为固液两相 流固相浓度分布不均；流态不定；加速度造成测量偏差；堵塞与磨损，尤其在是 结垢现象的发生等因素对测量精度有很大的影响，使得对管道中固液两相流测量 难度增大。目前常用的几种测量方法如下，仍有许多需要解决的问题。下面依次对 这几种管道堵塞检测方法进行介绍。 1 2 1 超声波多普勒技术 超声多普勒技术测量是利用声波的多普勒效应来进行测量的：当波源与观察 者之间有相对运动时观察者所接收到的频率与波源的真实频率不同，接收信号频 率与声源频率之差，称为多普勒频移，它的大小由两者之间的相对速度决定n 1 2 华北电力大学硕士学位论文 图1 1 超声波多普勒测速原理图 原理图见图l l ：当多普勒超声波流量计的发射换能器以一定的角度0 向流体 发射频率为石的连续超声波时，流体中的悬浮颗粒体将超声波反射到接受换能器， 以悬浮颗粒的运动为例，反射的超声波将产生多普勒频移y ，设频移后接受换能 器收到的超声波频率为五，超声波在流体中速度为c ，悬浮颗粒与流体速度相同且 都为“，则多普勒频移、流速分布为公式( 1 1 ) 和( 1 2 ) v = 正一石= ( 2 u f c o s o ) l c “= 上v “= 一凹 2 f , c o s 8 7 ( 1 1 ) ( 1 2 ) 超声波多普勒测速的优点川： i 可以将检测元件置于管壁外而不与被测流体直接接触，不破坏流体的流 场，没有压力损失： i i 外夹式超声多普勒流量计的安装、检修均不影响管路系统及设备的正常运 行；一每t i u 超声多普勒流量测量精度受流体温度、压力、粘度、密度等参数的影响 小； 尤其适合测量腐蚀性液体、高粘度液体以及非导电性液体的流量； v 多声道技术可缩短要求的直管段长度而仍然能保证较高测量精度； 可以从厚的金属管道外侧测量管内流体的流速，无需对原有管道进行任何 加工，尤其适合应用于大管径、大流量场合。 超声波流量计目前所存在的缺点； ( 1 ) 超声波流量计的测量线路比一般流量计复杂这是因为一般工业计量中 液体的流速常常是每秒几米，而声波在液体中的传播速度约为1 5 0 0 n v s 左右，被测 流体流速( 流量) 变化带给声速的变化量最大也是1 0 d 数量级若要求测量流速的准 确度为l ，则对声速的测量准确度需为1 0 - 5 1 0 击数量级，因此必须有完善的测量 线路才能实现。 ( 2 ) 输灰管道管壁容易结垢，主要是碳酸钙等坚硬物质，在这种的情况下， 回波信号很小不容易捕捉，会产生极大的误差 3 华北电力大学硕士学位论文 所以，多普勒管道流量测量一般用在对测量精准度要求不高的场合，用在输 灰管道测量方面难度很大。 1 2 2 差压式仪表测量 文丘里管是典型的差压式测量结构，可以由产生的差压测得瞬时流量，分析 出管道堵塞情况。文丘里管差压式流量计测量各种浆状流体的流量，例如水煤 浆、泥浆等已有几十年的历史。它能够有效的保证节流装置不沉积固相颗粒，但 是仍需注意文丘里管喉部的磨蚀问题以及导压管被浆状物质堵塞问题i 】。 差压式流量计d p f 是根据安装于管道中流量检测元件产生的差压、已知的流 体条件和检测件与管道的几何尺寸来测量流量的仪表。充满管道的流体，当它流 经管道内节流件时，流束将在节流件处形成局部收缩。因而流速增加，静压力降 低，于是在节流件前后便产生了压差，流体流量愈大，产生的压差愈大，因而可 依据压差来衡量流量的大小。这种测量方法是以流动连续性方程( 质量守恒定律) 和伯努利方程( 能量守恒定律) 为基础的，压差大小不仅与流量还与其它许多因素 有关，如节流装置型式、流体的物理性质( 密度、粘度等) 以及雷诺数等。d p f 由 一次装置( 检测件) 和二次装置( 差压转换和流量显示仪表) 组成。通常以检测件 的型式对d p f 分类，如孔板流量计、文丘里管流量计及均速管流量计等。二次装 置为各种机械、电子、机电一体式差压计，差压变送器和流量显示及计算仪表， 它已发展为系列化、通用化及标准化程度很高的一大类仪表。 图1 2 所示为一个用于矿浆流量测量的文丘里管，图中所示的文丘里管作水平 布置，在喉部装有用耐磨材料制成的可更换的圆套筒，如果喉部不装设圆套筒， 则由一半碳钢制成的喉部每月磨蚀l m m ，装上防磨蚀圆套筒后，可使文丘里管的 运行期延长好几倍。 图1 2 测矿浆流量的文丘里管结构 文丘里管测量流量的主要优点： ( 1 ) 结构易于复制，简单牢固，性能稳定可靠，使用期长，价格低廉： 4 华北电力大学硕士学位论文 ( 2 ) 应用范围广泛，全部单相流体，包括液、气、蒸汽皆可测量，部分混相 流，如气固、气液、液固等亦可应用，一般生产过程的管道直径，工作状态( 压力 和温度) 皆有产品； 文丘里管测量流量现存的缺点： ( 1 ) 测量的重复性，精确度在流量计中属中等水平，由于密度、粘度、雷诺 数等众多因素的影响错综复杂，难以精确掌握，精确度提高比较困难； ( 2 ) 范围度窄，一般为3 ：1 或4 ：1 ； ( 3 ) 现场安装条件要求较高，如需较长直管段长度，一般较难满足； ( 4 ) 检测件与差压显示仪表之间的引压管线为薄弱环节，易产生泄漏、堵 塞、冻结及信号失真等故障； ( 5 ) 对于输灰管道的测量，积垢问题无法解决，喉部较细部分受阻塞。 另外，差压变送器中的楔形流量计也适于测量液固两相流量，国内有一些应 用经验。采用带法兰膜片隔离的差压变送器和带吹洗液的取压管，能使取压管有 效防堵。楔形流量计在实际使用中的困难是楔形节流件顶部的快速磨蚀，而且= 经磨蚀就无法用文丘里管更换套筒的方法恢复其准确度，只能整体更新，因此运 行成本高。 对于应用差压法测量液固两相流量的研究工作进行得还不够，由于两相流中，一 轻相的流速要比重相流速快，此两相之间的滑动现象引入一定的误差，所以这样 的应用比测量单相流量时误差大，不确定度一般可达5 另外，对于电厂水力 输灰管道的结垢问题还是没有得到很好的应对措施，碳酸钙垢层坚硬极容易堵塞 喉部，达到准确测量有很大难度。 1 2 3 电磁流量计 测量矿浆、煤浆、泥浆、纸浆等一类电导率较高的液体，电磁流量计具有独 特的优越性。 通常电磁流量计的应用有以下特点 引： ( 1 ) 测量准确度高，可比差压式流量计高若干倍； ( 2 ) 完全用不着考虑堵塞问题，因为选用与工艺管道等直径的流量传感器， 不增加阻力； ( 3 ) 耐磨蚀问题也强调将测量管安装在垂直管道上不仅磨蚀一致，而且不 易在流速低时发生重相沉积现象 但是我们测的输灰管道多为水平安装，所以还有流体沉积和结垢的现象存在， 另外电极部分被垢物堵塞导致绝缘，无法取得测量信号 5 华北电力大学硕士学位论文 1 2 4 人工神经网络预测垢层厚度 随着人工智能的快速发展，已经有人将人工神经网络应用到电厂输灰管道的垢 层预测。火电厂水力冲灰管道结垢影响因素错综复杂，如灰种、冲灰水水质、运 行工况、管材及管道布局等都将影响到垢的形成及其分布阳。从中选择几个重要影 响因素，进行正交实验设计： ( 1 ) 灰中活性氧化钙含量： ( 2 ) 冲灰原水 c a 2 + 】； ( 3 ) 冲灰原水中碳酸盐浓度； ( 4 ) 冲灰原水的p h 值； ( 5 ) 水灰比； ( 6 ) 灰水流速( 实验中以搅拌机的转速表示) ； ( 7 ) 灰水在管道中的运行时间。 人工神经网络技术直接从成垢的各种影响因素出发，找出成垢的规律性，建立 符合实际运行状况的模型，它将摒弃以往化学平衡以及物料平衡等烦琐的反应 式，省略推算的各个环节，从而达到正确预测冲灰管道结垢量和结垢速率的目 的。在得知结垢量的情况下及时除垢，就可以防止堵塞情况的发生。 但是人工神经网络预测中设计的因素随时在变，不同的煤种要做不同的成分分 析，模型也处在尝试阶段，模型结构有待进一步完善，不能保证1 0 0 的正确预 测。现在对神经网络研究领域的理解和把握还远远不够，对神经网络技术的最新 发展也不能很好的捕捉和理解，因而我们对网络的改进和应用不一定就是最佳 的。 1 2 5 比较出口压力 一种比较简单的测量是否堵塞的方法是，测出仓泵出口压力( 等同于灰管压 力) ，当压力高到设定值时p l c 判断为堵管信号。自动停止仓泵运行；该方法简单 不用增加额外设备，因为灰大部分都是热的，除非是停炉时间长了，灰变冷了， 容易堵塞。但是这种方法受到锅炉负荷变化的情况误差比较大，当锅炉负荷升高 时还要相应把设定值抬高，此设定值不易把握，而且压力变送器的引压管极容易堵 塞。 1 3 电磁法测速的研究现状 可以看出，检测输灰管道的方法仍有待改进本文以电磁法为突破口，重要 在改善电磁测量的不利之处，结合输灰管道的具体工况设计出合理的新型测速装 6 华北电力大学硕士学位论文 置。 利用电磁感应原理测量流速流量是最普遍的方法之一。它能够测量多种形状 流道内导电液体的流速和流量，是法拉第电磁感应定律的应用。它的测量精度 高，而且它不仅可以应用于单相的导电性液体，也可以测量液固两相介质，而不 受被测介质的温度、粘度、密度、压力、比重以及电导率( 在一定的范围内) 等物 理参数变化的影响，是冶金、电力、石化、环保等工业过程中的重要的自动化仪 表装置。 1 3 1 电磁法的发展及应用 电磁法测量的发展要追溯到1 8 3 l 溶液在置于直流磁场中的一个不导电圆管内 流动，检测圆管两电极间的直流电压与流速成正比，这种装置成为一种简单的电 磁流量计争幢。 1 9 5 0 年，荷兰人首先在挖泥船上使用电磁流量计测量泥浆流量。 2 0 世纪6 0 年代初，希克里夫在柯林等前人无限长均匀磁场的电磁流量计的数 学解析基础上，完成了有限长均匀磁场下等流速情况的数学解析，并用权重函数 的理论揭示了产生感生电动势的微观特性，使得电磁流量计有了系统的基础理 论。 - 一 、一 2 0 世纪6 0 年代后期到7 0 年代中期，随着对三维权重函数的深入研究，出现了 权重分布磁场的电磁流量计，使得有限的磁场长度大大缩短，并在一定程度上改 善了测量对流速的不敏感性同时，也有利于流量计制造简化与降低成本谛 2 0 世纪8 0 年代以来，微电子技术和计算机技术更加成熟和完善，使其领域更 加扩大。 1 3 2 电磁法测量的特点 电磁法测量仪表由传感器和转换器组成。基于它的原理和结构，传感器主要 有以下特点川： ( 1 ) 结构简单，无活动部件和阻碍被测介质流动的扰动件或节流件，不会发 生管道堵塞、磨损等问题。因此，这特别适合于测量液固两相流介质，譬如带有 悬浮物、固体颗粒、纤维或粘性较大的导电性的浆液，可以用来测量泥浆、污 水、矿浆、纸浆、化学纤维浆等介质的流量。选用适当的材料和结构，可以使变 送器耐磨损。使用寿命长 ( 2 ) 由于没有节流部件，被测介质在变送器的测量管内流过时，几乎没有压 头损失，仅消耗i o , - , 2 0 w 的电功率，这点与有节流装置的流量计相比，具有很大的 优点。 7 华北电力大学硕士学位论文 ( 3 ) 它不受被测介质的温度、粘度、密度、压力、比重以及电导率( 在一定 的范围内) 等物理参数变化的影响。因此，只需经水标定以后，就可以用来测量其 他导电性液体或液固两相介质的流量，而不需要附加修正值。这也是其他类型的 装置所不具备的优点。 ( 4 ) 量程范围极宽。测量范围可涵盖紊流和层流状态两种速度分布状态，这 是差压式流量计、涡轮式、涡街等流量计不能与之比拟的。 ( 5 ) 无机械惯性，反应灵敏，可以测量瞬时脉动流量，而且线性好，可以直 接进行等分刻度。因此，可将测量信号直接用转换器线性地转换成标准信号输 出，既可以就地指示，也可以将信号远距离输送，直接与电动单元组合仪表配 套，组成各种自动检测和自动调节系统，并且可以通过接口装置与自动巡回检测 装置、程序控制系统或电子计算机配套。 ( 6 ) 安装方便。变送器可以水平安装，也可以垂直安装，并且对前置直管段 的要求较低( 一般说，从电极中心至上游侧阀门或弯头等管件的距离为测量管直径 的五倍即可) ，对下游侧无要求。它不像孑l 板、文丘利管那样，对前后直管段都有 严格的要求，否则会直接影响测量精度。 ( 7 ) 耐腐蚀性能好。与被测液体接触的部分只有测量管衬里和电极表面，因 此可根据被测介质的物理化学性质来选择合适的材料。 ( 8 ) 使用维护方便，使用寿命较长。但是应用在实际情况中仍然有很多困 难，尤其是在电厂输灰管道管壁结垢的情况下，容易堵塞电极，干扰磁场，所以 结合实际工况仍有许多问题有待改进。 1 4 内容安排及创新点 1 4 1 内容安排 第一章引言。介绍了研究燃煤电厂疏灰管道堵塞工况检测方法的重要意义和 本课题的选题背景；回顾了火力发电厂的疏灰管道堵塞情况检测的发展和存在的问 题，并总结现今的主要方法；同时介绍了电磁流量计的发展过程，提出了本文的主 要研究任务和主要创新点。 第二章输灰管道中固液两相流的流动情况分析介绍了疏灰管道中流体流动 情况，针对特定的物理化学性质进行分析，找出检测方法的障碍和难点。最终根据 管道中心流速最大的实际情况，和根据电厂实际需求，我们只要想办法确定中心位 置是否堵塞就可以达到报警的效果，以此取代了传统电磁流量计测得连续量的想 法 第三章电磁法测量管道堵塞的研究。对电磁流量计的原理、结构介绍，说明 3 华北电力大学硕士学位论文 设计新型电磁流量计的主要选取参数。包括传感器部分和变送器即信号处理部分 等。 第四章总体构想和设计介绍总体设计方案及各部分设计的创新点和选材。测 量管选择非导磁不锈钢材质；衬里选择氧化铝陶瓷：电镀环氧树脂的钕铁硼作为永 磁铁来产生直流励磁；以及结构和材料都有创新的电极。 第五章总结与展望。对全文进行总结，进一步提出研究的设想和建议。 1 4 2 创新点 基于输灰管道的流动情况和流体的物理化学性质的分析，本文对电磁法测量进 行改进，提出了以下几个创新点。 根据牛顿热力学流体的流动公式推倒出电厂输灰管道的浆液按非牛顿流 体规律流动，且沿内壁呈均匀圈状结垢，所以中间流速最大。因此本文采用以中间 流速来表征管道堵塞与否的状态量，返回开关量信号确定堵塞状态 对传统电磁流量计进行改进，设计新型电极直接延伸直靠近管道中心位置， 并可以根据需求测量的堵塞情况调整电极的长短。 选用电镀环氧树脂的钕铁硼作为永磁铁来产生直流励磁，使仪表结构简单， 价格相对较低廉。 。 采用快速变化的交变电场能抑制传统直流励磁测量非金属流体时严重的极 化和状态反馈两种方法结合，达到有效抑制极化电压的目的。这样可以在励磁模块 零功耗的条件下有效检出流量信号，能有效提高电磁流量计的响应速度。 一 9 华北电力大学硕士学位论文 第二章输灰管道中固液两相流的流动情况分析 输灰管道内流体为灰渣与冲灰水的混合物，是典型的固液两相流，其流动流特 点复杂，而且管道内壁易结垢。若能分析出管道内流动情况，对我们研究新方法是 很有利的。管道中的灰渣是煤在炉内燃烧后，从炉膛落下的炉渣经过下部渣斗排 出，渣斗出口设有闸门或水封装置，以防冷风从该处漏入炉内影响燃烧。炽热的 灰渣，需经浇水熄灭或水浸之后才能排除。首先从灰渣的物理和化学性质开始分 析，得出管道内结垢的原因，然后根据非牛顿流体在管道中的流动特征得出整体流 动状态。 2 1 粉煤灰的特性及结垢原因 2 1 1 粉煤灰的特性 粉煤灰浆体特性主要有以下几方面：粉煤灰颗粒特性、浆体化学不稳定性、 流变特性、沉降特性以及浆体稳定性等。粉煤灰浆体是由粉煤灰颗粒与水混合而 成的两相流体，浆体的主要特性取决于粉煤灰颗粒特性、水的性能及浆体浓度 粉煤灰的物理性质包括颗粒形状、细度、密度和承压强度等。粉煤灰因含有 多种成分又经高温煅烧，其颗粒形状、粒径大小差别很大，有的为表面光滑的玻 璃球，有的为不规则的玻璃体或球形的破碎体卜1 颗粒表面有很多空隙和裂缝， 这样的空隙结构对水的吸附能力很强。炉渣的物理性质：炉渣是一种不规则的片 状和粒状的绿色玻璃晶体，其粒度为：5 m m 以上的颗粒占2 5 s2 5 5 m m 的颗粒 占3 2 8 5 ；1 2 5 2 5 m m 的颗粒占2 0 9 ；0 3 1 1 2 5 r a m 的颗粒占4 2 8 5 ： 0 3 l m m 以下的颗粒占0 9 所以粉煤灰颗粒主要以细微粒为主，细微粒多为球体 颗粒。粉煤灰颗粒较细，输送时容易悬浮：球体颗粒形状比较规则，因此颗粒之 间、颗粒与管壁之间的摩擦力相对较小，这种特点利于水力输灰。 2 1 2 粉煤灰的结垢原理 粉煤灰含有的c a o 、m g o 等溶于水的活性成分对于浆体的沉降、灰水的p h 值 超标及管道结垢有着重要的影响。浆体的化学不稳定性是指粉煤灰中的可溶性活 性成分在水体中溶出后与水及水中含有的化学物质发生反应，从而引起灰水性质 的改变粉煤灰中活性成分含量越高，浆体越不稳定越不利于水力输送浆体 的化学不稳定性主要体现在粉煤灰中溶于水的活性物质对于浆体的沉降、灰水的 p h 值及灰管结垢等方面的影响。粉煤灰化学成分及变化范围主要取决于煤质。 1 0 华北电力大学硕士学位论文 影响灰水p h 值的因素很多，主要有：粉煤灰中游离氧化钙含量、燃煤含硫 量、除尘方式、冲灰原水水质、灰水比及输灰距离等。其中最主要的因素是粉煤 灰中游离氧化钙含量。 在灰管中，由于粉煤灰游离氧化钙和碱性物质的溶出，灰浆的p h 值逐渐上 升，在上升过程中，湿式除尘器灰浆的p h 值在上升到一定程度后可能会出现一个 短暂的停滞阶段。这是由于当灰浆的p h 值上升到一定阶段后，灰浆中发生碳酸钙 沉淀反应：c a 2 十+ h c o 一一c a c 0 3 + h + 。 此反应释放的h + 阻止了灰浆的p h 值继续上升。从灰与水混合开始灰浆的p h 值便会很快上升，碳酸钙沉淀反应一开始也已发生，只是其对p h 值的影响被掩 盖。 碳酸钙垢物生成的机理是：灰渣中含有游离的氧化钙c a o ，经水解后生成氢氧 化钙c a ( h o ) 2 与冲灰水中的碳酸氢钙c a ( h c 0 3 ) 2 反应所生成的，其化学反应式如 下： c a o + h 2 0 = c a ( h o ) 2 c a ( h o ) 2 + c a ( h c 0 3 ) 2 = 2 c a c 0 3 + 2 h 2 0 当p h 值大于8 5 时，就会出现碳酸钙结晶现象因此只要灰中游离氧化钙 含量和水中的重碳酸盐硬度达到一定数值时，灰管的结垢就不可避免。 影响灰管结垢的主要因素有：氧化钙c a o 的含量；灰水的p h 值；冲灰水 c a ( h c 0 3 ) 2 含量以及管壁粗糙程度等。 水力除灰是以水为介质输送的，其介质由排渣、冲灰、碎渣、输送等设备， 以及除灰管道等组成。水力输灰存在以下几个问题引： ( 1 ) 灰渣与水混合后，将失去其松散性能，灰渣所含的氧化钙，氧化硅等物 质亦要引起变化，活性降低，不利于灰渣的综合利用； ( 2 ) 灰渣中的氧化钙含量较高时，易在灰管内结成垢物，堵塞灰管，难以清 除。 ( 3 ) 除灰水与灰渣混合多呈碱性，必须采取回收或处理措施。 2 2 管道中的流动情况 2 2 固液两相流的流动特点 固液两相流的流动结构非常复杂，不仅受到固液两相密度、固相含量、流速 变化以及管道形状和布置方式的影响，而且还受到固体颗粒尺寸的影响。它和气 固两相流很相似，在表明垂直上升气固两相流的流动结构，如图2 1 ，如将气体换 成液体，即可变为液力输送固体颗粒的流动结构示意图引。当然，在固液两相流 华北电力大学硕士学位论文 中出现这些流动结构的具体工作参数上是和气固两相流不同的，水平管道中的固 液两相流的流动结构如图2 2 所示。当流速低于临界流速时，固相会发生沉淀，当 超过临界流速时，混合物可成为浮游流动。 一喇l 剩阜o i l l 斟阐睡l t 曩l t b ldt d e )1 1 i l d 图2 1 垂直上升气固两相流的流动结构 a 固定床流动结构：b 临界流化床流动结构：c 聚式流化床流动结构；c 1 对称弹状流动结 构；e 不对称弹状流动结构：f 平端部弹状流动结构：g 散布状流动结构 不均质泥浆 均质泥浆 浮 j | 宇流动 滑动流 流速附近的流动完全紊流 堆积流层流 图2 2 水平管内固液两相流体流动结构 2 2 2 管道流速情况分析 管道流体流动的速度分布规律问题可以归为粘性流体力学范畴乜们在粘性流 体力学中，通过粘性把流动流体的应力与变形速率联系起来即牛顿切应力公 式： f ：坐 ( 2 1 ) f = 工f l z 。ij ， 咖 式中f 是法线在y 方向的平面上工方向的切应力p 为流体的粘度 如果流体的切应力与剪切变形速率符合式( 2 1 ) 的线性关系则称为牛顿流 体，切应力与剪切变形速率不成线性关系则称为非牛顿流体。非牛顿流体通常包 括各类泥浆、矿浆、油脂、油漆、涂料、牙膏、血液等 流体在管道中流动时，一般有层流和湍流两种流动状态。层流流动时，管内 1 2 华北电力大学硕士学位论文 流体分层流动，各流层之间互不混杂而平行于管道轴线流动，流层间没有流体质 点的相互交换，流体通过管道的压力降与流量成正比。湍流流动时，管内流体不 再分层流动，流体质点除沿管道轴线方向运动外，还有激烈的径向运动，流体通 过一段管道的压力降与流量的平方成正比。 判断管内流动是层流还是湍流的依据为雷诺数r e ，定义如下：式中 j r e = 生兰；“。是流体管道截面上的平均速度，d 是管道直径，u 为流体的运动粘 u 度，且：1 0 = 兰；式中p 是流体密度。 p 流体由层流向湍流转变的雷诺数为临界雷诺数r e ，且r e = ；当 r e 时，即使存在对流体的强烈扰动，扰动也将因流体的粘度而衰减2 3 ，0 0 流体仍r 保e r e 时，流体为湍流状态。雷诺数在临界雷诺数附近的一个小范围 内时，流动具有间歇性，可能时而为层流，时而为湍流。 2 2 2 1 粘性流体流动的基本方程 研究管道流体的运动规律需根据力学和热力学基本定律建立粘性流体力学的 基本方程和本构方程，然后再根据不同的流体性质和流动状态给出相应的边界条 件及初始条件，从而确定管道流体的速度分布规律。 粘性流体运动的基本方程式如下： ( 1 ) 连续方程： 坐+ p v ：0 d z 。 式中l l 是速度矢量，v 为哈密顿算子，连续方程是质量守恒原理在流体运动中 的表现形式。对于不可压缩流体，d p l d t = 0 ，且p 0 ，所以不可压缩流体的连续 方程可以简化为： v j l l = 0 ( 2 2 ) ( 2 ) 动量万栏： p 鲁叫+ 等 沼3 ) 动量方程是动量守恒原理在流体运动中的表现形式，式中z 为单位质量力， 是应力张量，f ，j = l ，2 , 3 。方程( 2 3 ) 也可写成下面表达式： p 鲁2 p 厂们叮 ( 2 削 ( 3 ) 能量方程： p 去一妒叫枷+ q v 。g ( 2 - 5 ) 1 3 华北电力大学硕士学位论文 式中e 为单位质量流体所具有的内能，p 为流体静压强，中为粘性应力对剪切 变形作的功( 耗散功) ，q 为系统内单位体积流体热量的增量，4 为热通量向量。 能量方程是能量守恒原理在流体运动中的表现形式。 上面所述流体运动的三个基本方程中包含5 个独立的方程式，但未知数有1 5 个，导致方程组不封闭。下面将根据具体的情况建立把应力张量仃。和变形速率张 量e ，联系起来的本构方程使得基本方程封闭。 我们主要讨论输灰管道中的灰渣属于幂律型非牛顿流体。非牛顿流体类型很 多，且不同的类型具有不同的本构关系，本章主要介绍切应力与时间无关的幂律 型非牛顿流体的一些特点，通常大多数泥浆、水泥浆和非稠油等可以近似为幂律 型非牛顿流体。幂律型非牛顿流体的本构方程如下： 1 i i f = 甜二f 埘1 2 4 ( 2 - 6 ) 2 。 式中f 为偏应力张量，护表示张量的迹，稚等于彳张量对角线上三项之和， k ，刀为常数，由实验确定 幂律流体的本构关系也可以表示为： f = ( 穸) 尹 ( 2 7 ) 式中穸为简单切变率，且穸= 幽咖，p ( 穸) 为表观粘度，可以通过简单剪切流动 测定，表达式如下： n - i p ( 力= ”2 ( 2 8 ) 2 2 2 2 牛顿流体管道层流速度分布规律 管道流体速度分布规律用圆柱坐标( ，p ，曲进行描述，当流动状态为层流时， 圆柱坐标及流体的速度分布如图2 3 所示： ， 冶 = = z ：一 - - - - - - - - - - - - - - - - - 图2 - 3 层流流体的速度分布 假设流体是由压强梯度推动的单向定常平行流动，并且沿流动方向是均匀 的，在圆周向轴对称，则“，= 0 ，= 0 ，a a t = 0 。由式( 2 2 ) 得到不可压缩牛顿流体 1 4 华北电力大学硕士学位论文 征圆枉坐杯卜的连续万槿为： 竺+ 生+ ! 盟+ 坠：o( 2 9 ) 即丝：o 。根据式( 2 9 ) ，得到圆柱坐标下的n s 方程： 苏 鲁机警+ 等等+ 叱誓一等= 一吉雾+ u 2 u r 笠r 2 7 2 丽0 u o ，。2 加a ， 警m 警+ 等鲁饥誓+ 等= 一吉言州v 2 一笋+ 7 2 丽0 锄r ，( 2 - 1 0 b ) 盟- i - u r 挚+ 垃塑+ u x 誓：一! 挈+ 诃z “。 o ta r，0 0缸 p 苏 。 ( 2 1 0 c ) 再根据层流流动的假设条件，上面三式简化为： 一! 垒：0 一上鱼：0 一! 塑+ u 婆+ t j 鲨：o p 西p r0 0p 苏 o r 2砌 ( 2 11 ) 边界条件为： “，i ，m2 i ，吩= “，i ，码= 0 ( 2 1 2 ) 由( 2 1 5 ) 的前面两项得到压强p 与坐标，和0 无关，仅是流向x 的函数，即 p = p ( 功，因此由( 2 - 1 5 ) 的最后一个方程式得有： 塞州粤+!鞠_c=常数(2-13)or ro r斑 于是得到叱的微分方程： ，鲁+ 警：一三c 积分求解上式，最终得到管道层流的速度分布规律为： 心= ”一i 卜( 三) 2i l o j ( 2 1 5 ) 式中最大流速“一为管道中心轴线，= 0 处的流速，且： c 磊 2 。1 们 流体管道截面上的平均流速”为： 铲学：扣 协m 管道层流的速度分布曲线如图2 - 4 所亲 1 s 华北电力大学硕士学位论文 、。一。0 、 卜j 。 、，、 1 ：! ：，二、。 。、。3 。i ? ? 。二。 卜+ 一一l i e i a x2 15m l s 乏。二t 。= 二一一 u m a i = 10r i l l s 一- 一u m a x = o5m ，s l m 臼x = 02 5 呐 饭【r n l s i 图2 _ 4 管道层流的速度分布规律 2 2 2 3 幂律型非牛顿流体管流速度分布规律 幂律型非午设流体冒遭恒定流动的i z z 界条件和午垓沉体的情况相同，沉体是 平行直线运动，在圆柱坐标下进行分析，则“，= 0 ，= 0 ，“，= ”( ，- ) 。幂律流体流场的 里夫林一埃里克森张量等于： 4 = 厶= 厶= 厶= 厶- 0 , 如= d u l d r ( 2 - 1 8 ) 根据幂律型非牛顿流体的本构方程式( 2 1 0 ) ，有： 一一_ 一i 靠巴帆l 2 4 ( 2 -