电站锅炉煤粉管道内的煤粉浓度测量有多种方法。有些研究者开发了能自动进行全截面煤粉浓度测量的等速取样法 , 测量速度尽管比单点等速取样测量煤粉浓度后再平均的方法快捷 ,但仍耗时耗力;对于中间贮仓式系统, 采用热平衡方法测量煤粉浓度[ 1] 在国内得到了比较广泛的应用 ;对于乏气送粉系统,开发了基于压差的煤粉浓度测量方法[ 2];对于直吹式制粉系统,开发了基于静电法[ 3]、电容法[ 4]、光学法[ 5] 等原理的煤粉浓度在线测量方法 。

本文开发了一种基于超声波被动接收方法的测量管内气固两相流浓度的方法及装置 , 该方法是在煤粉的弯头外侧装设超声波接收器, 通过接收气固两相流内固体颗粒撞击弯头管壁产生的超声波信号, 经过增益器将信号传送到计算机, 计算机对超声波信号处理后,根据不同固体浓度下信号特征的变化获得管内气固两相流的浓度 。这种测量方法是一种非接触测量方法,可以实现气固两相流中固体浓度的连续在线测量。

1 工作原理

电站锅炉输粉系统中有很多弯头, 气固两相流在流过弯头时 ,由于气固两相的惯性不同,固相颗粒被惯性力甩到弯头外侧,与弯头内壁发生碰撞 ,这种碰撞一方面使颗粒改变了运动方向, 实现了气固两相流的转向 ,另一方面 , 在碰撞过程中 ,有一部分能量以声能的方式透过管壁传递出来,这部分声能一部分为超声波 ,由于频率大于 20 kHz 的超声波具有对金属穿透性好 ,但在空气中传播能力弱等优点 , 非常适合作为测量信号 。

在粉管的弯头管壁外侧安装超声波接收器 , 超声波接收器和管壁之间采用耦合剂进行耦合, 可以测量不同固体浓度下颗粒撞击到弯头壁面上发出的超声波信号,该信号通过增益器进行放大,再通过数据采集器送入计算机 ,由计算机对采集获得的超声波信号进行参数分析,或通过频谱分析和小波分析等手段获得超声波信号的特征 ,从而反推即可获得固体颗粒的浓度。

气固两相流固相浓度超声波测量系统如图 1 所示 。该系统采用中心频率为 150 kHz 的声发射接收传感器,前置放大器增益为 40 db , 主放大器为多通道放大器,可以对经过前置放大器后的 24 通道的声波信号进行放大, 增益 1 、10 、100 倍可调 。采用 PCI 数据采集卡 ,最高采样速度 20 MHz, 精度 12 位 。

气固两相流试验台如图 2 所示 ,主要由高压风机、螺旋给粉机 、风管 、旋风分离器 、料斗 、锁气器、布袋除尘器等组成。系统给粉量由调速电机控制, 最大给粉量为(2 ～ 3)t /h 。粉管内径为 150 mm , 水平段长度为5 m ,垂直段长度为 3 m 。水平段与垂直段之间的弯头弯曲半径 R =150 mm ,管壁厚度 4. 5 mm 。

 

该试验台模拟某300 MW 机组的输粉系统,模化比例为1 ∶2. 708 。经模化计算 ,选取了滑石粉作为固相材料,滑石粉密度为2 700 kg /m3,平均粒径为 25 μm ,管内风速 25 m /s 。由于旋风分离器对大颗粒的分离效果较好,而对细颗粒的分离效果差 ,会导致料斗中的粉料越来越粗,从而导致分离效果变化。为此,采用将布袋除尘器分离下来的细灰返回到料斗,并定期换料, 测试结果表明,试验物料粒径分布基本不变。

3 试验结果分析

图 3 给出了不同给粉机转速下通过声发射接收器获得的信号波形。由图可见 , 声发射信号属于连续型信号, 随给粉浓度的增加 ,信号波形变得非常密集 , 说明固相颗粒撞击管壁的频率随固相浓度的增加而迅速增加。由于信号波形非常密集 ,基本无法根据肉眼分辨信号波形 ,需要采用频谱或小波等信号分析手段才能获得比较直观的波形分析图 , 但采用频谱分析或小波分析耗时较多, 比较适合事后的细致分析。为便于现场在线应用,本文利用声发射信号参数分析方法[ 6],采用幅值 、振铃计数、能量、方均根电压等参数对不同给粉浓度下的信号进行了分析 ,分析结果见表 1 。表 1中给粉浓度采用等速取样标定获得。由表 1 可见 , 声发射接收系统对气固两相流中是否带粉非常敏感 , 表现为信号幅值、能量和方均根电压等参数都有数量级上的差距。

 

试验过程中煤粉的细度保持不变, 声发射系统接收到信号特性中的幅值代表了大颗粒的碰撞, 在一定意义上反映了煤粉的最大颗粒度 , 而振铃计数则反映了具有较大能量的颗粒数量, 该参数能在一定程度上反映煤粉的细度分布 。但由表 1 也可知, 对于煤粉浓度测量 ,当气固两相流达到一定浓度后 , 采用信号幅值 、振铃计数等信号分析方法难以获得较清晰的浓度分辨率 ,而采用方均根电压则可以获得较好的分辨率 ,能为在线的管内气固两相流浓度监测提供一种较简单而方便的方法,该方法对管内是否断粉尤为敏感, 非常适合作为管内断粉的监测方法 。

基于超声波接收原理的管内气固两相流固相浓度监测系统具有如下优点:

(1) 可以实现管内是否断粉的在线监测 , 并实现气固两相流中固体浓度的连续在线测量 。

(2)该方法是一种非接触测量方法, 不需要在粉管上开孔及探针插入粉管等 ,一方面减少了工作量 ,另一方面可以避免测量元件磨损或粘污 。

(3)可以利用一台计算机实现多根管道的同时测量,只要在多根管道上安装超声波接收器 ,可以由一台计算机来采集信号并处理 。

(4)不受现场噪声等因素的干扰。

(5)可广泛应用于气力输送领域 ,只要存在弯头的管道上都可方便地实现。

4 结 语

基于超声波被动吸收方法测量管内气固两相流浓度的方法是一种非接触测量方法, 可以实现气固两相流中固体浓度的连续在线测量 。由于气固两相流的测量非常复杂,本文仅是对这种新的测量方法进行的探索。初步研究证明了本方法的可行性 ,仍有大量的工作需要进行 ,如何采用高级的信号分析技术提高信号的分辨率是本课题下一步要研究的重要内容。

 

[ 参 考 文 献]

[ 1] 王凯, 赵海生, 陈增宏. 煤粉浓度监测系统 [ J] . 动力工程, 1994 , 14(3):45 48.

[ 2] 武宝会, 师建斌. 乏气送粉锅炉风速与煤粉浓度测量技术研究 [ J] . 热力发电, 2002, 31(3):21 24.

[ 3] J. Ma , Y. Yan. Design and ev aluatio n o f electr ostaticsensors fo r the measurement of velocity o f pneuma ticallyco nv eyed so lids[ J] . Flow measurement and Instrumentation 2000 , 11(4):195 204.

[ 4] Y. Ya n, A. R. Reed. Experimental ev aluatio n of capacita ncetransducers fo r v olumetric concentratio n measur ement of particulate solids[ J] . Flow mea surement and Inst rumentatio n 1999, 10(1):45 49.

[ 5] 蔡小舒, 潘咏志, 欧阳新, 等. 电厂煤粉管道中煤粉运行状况诊断研究[ J] . 中国电机工程学报, 2001, 21(7):8386.

[ 6] 沈功田, 耿荣生, 刘时风. 声发射信号的参数分析方法[ J] . 无损检测, 2002, 24(2):72 77.