燃煤鍋爐中煤粉流量的超聲波在線檢測(cè)

侯懷書, 陳朝雷, 朱兵兵, 嚴(yán)禎榮(. 上海應(yīng)用技術(shù)大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院, 上海 048; . 上海鍋爐廠有限公司, 上海 0045)

燃煤鍋爐中煤粉流量的超聲波在線檢測(cè)

侯懷書1, 陳朝雷1, 朱兵兵1, 嚴(yán)禎榮2
(1. 上海應(yīng)用技術(shù)大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院, 上海 201418; 2. 上海鍋爐廠有限公司, 上海 200245)

以ECAH理論模型為基礎(chǔ)，分析了煤粉氣固兩相流中煤粉體積分?jǐn)?shù)與超聲波衰減系數(shù)之間的關(guān)系，通過兩支同軸且軸線與煤粉管道軸線成45°夾角的超聲波探頭測(cè)試煤粉的流速與煤粉顆粒的體積分?jǐn)?shù)，實(shí)現(xiàn)了煤粉氣固兩相流中煤粉流量的在線檢測(cè)。結(jié)果表明：采用超聲波方法在線檢測(cè)氣固兩相流中的煤粉流量與實(shí)際試驗(yàn)測(cè)試平臺(tái)所設(shè)定的給煤量吻合較好，表明了該方法在線檢測(cè)煤粉流量的可行性與可靠性。

氣固兩相流；煤粉流量；超聲波；在線檢測(cè)；ECAH理論模型

火力發(fā)電是目前我國主要的發(fā)電方式，電站鍋爐作為火力電發(fā)站的3大主機(jī)設(shè)備之一，伴隨著我國火電行業(yè)的發(fā)展而發(fā)展，其中火力發(fā)電所使用的煤，占工業(yè)用煤總量的50%以上。據(jù)統(tǒng)計(jì)，全國大約90%的SO2排放和80%的CO2排放由火力發(fā)電用煤產(chǎn)生。燃煤鍋爐各燃燒器之間煤粉含量的不均勻會(huì)對(duì)鍋爐的燃燒產(chǎn)生很大影響，若各個(gè)燃燒器中的煤粉含量相差太大，則燃燒不能很好的組織，會(huì)引起火焰偏斜、結(jié)焦、燃燒不穩(wěn)、排放增加等問題，嚴(yán)重時(shí)還會(huì)造成鍋爐部件損壞[1-2]。此外，煤粉含量不均勻還有可能造成煤粉管道堵塞，嚴(yán)重時(shí)電廠將被迫停機(jī)或減負(fù)荷運(yùn)行以消除堵塞，從而給電廠造成重大經(jīng)濟(jì)損失，同時(shí)影響電廠的安全運(yùn)行。因此，實(shí)現(xiàn)煤粉流量的在線檢測(cè)對(duì)于實(shí)現(xiàn)鍋爐燃燒優(yōu)化，提高燃燒效率，降低污染排放具有十分重要的作用。

目前，多數(shù)燃煤鍋爐運(yùn)行過程中的煤粉含量是從給煤機(jī)的總給煤量和各管道的總風(fēng)量來推算的。近些年來，國內(nèi)外在煤粉含量和流量的在線檢測(cè)方面進(jìn)行了較多的研究，如采用微波法[3]、電容法[4]、激光法[5]、電磁法[6]、熱平衡法[7]、輻射法[8]、超聲波法[9]等。在上述方法中，超聲波法具有明顯的檢測(cè)優(yōu)勢(shì)，具體表現(xiàn)如下：①取樣量大，有較好的代表性；②超聲波穿透能力強(qiáng)，可用于檢測(cè)較高含量的煤粉；③能經(jīng)受較高溫度及劇烈的溫度變化等。筆者主要介紹了在鍋爐測(cè)試試驗(yàn)平臺(tái)安裝超聲波檢測(cè)裝置實(shí)現(xiàn)煤粉流量在線檢測(cè)的方法，以供參考。

1 檢測(cè)原理

超聲波在線檢測(cè)煤粉流量由兩部分組成：首先測(cè)定煤粉含量，然后測(cè)定煤粉流速，在已知煤粉管道直徑的前提下，利用下式計(jì)算得到煤粉流量：

式中：Q為煤粉流量；v為煤粉流速；A為管道橫截面積；φ為煤粉體積分?jǐn)?shù)。

1.1 煤粉含量測(cè)定

超聲波在煤粉氣固兩相流中的傳播過程中會(huì)產(chǎn)生衰減，衰減原因較為復(fù)雜，而黏性損失、熱損失、散射損失和內(nèi)部吸收損失起主要作用。ECAH(Epstein,Carhart,Allegra,Hawley)理論模型[10-13]全面考慮了黏性損失、熱損失、散射損失以及內(nèi)部吸收損失等損失機(jī)制，從微體積元中的質(zhì)量、動(dòng)量以及能量守恒定律出發(fā)，精確描述了球形顆粒在兩相介質(zhì)中的聲波動(dòng)行為，利用該模型建立了聲衰減系數(shù)與煤粉顆粒體積分?jǐn)?shù)之間的理論關(guān)系：

式中：α為聲衰減系數(shù)；R為煤粉顆粒半徑；n為與粒徑分布相關(guān)的線性方程的數(shù)目；An為與粒徑分布相關(guān)的線性方程組系數(shù)；Re表示復(fù)數(shù)的實(shí)部；Kc為縱波復(fù)波數(shù)；ω為超聲波角頻率;c為聲速;αL為煤中的縱波聲衰減系數(shù);i為虛部符號(hào)。

從式(2)可以看出，當(dāng)已知煤粉顆粒的粒徑分布和超聲波的有效頻率范圍時(shí)，如果獲得了氣固兩相流中的聲衰減系數(shù)，就可以求出煤粉顆粒的體積分?jǐn)?shù)。

1.2 煤粉流速檢測(cè)

已知超聲波在煤粉氣固兩相流中的傳播路徑長度L，空氣中的超聲波速度C，以及聲波方向與兩相流運(yùn)動(dòng)方向的夾角θ，則超聲波順著兩相流流動(dòng)方向的傳播時(shí)間(以下簡稱聲時(shí))為：

超聲波逆著兩相流流動(dòng)方向的聲時(shí)為：

由式(4)和式(5)可以得到：

式(6)中，超聲波傳播距離L和角度θ均為定值，因此，影響煤粉顆粒相流速的主要因素為超聲波順兩相流流動(dòng)方向的聲時(shí)tv和逆兩相流流動(dòng)方向的聲時(shí)tr。tv和tr作為測(cè)定值，恰當(dāng)?shù)男盘?hào)處理方式是保證其準(zhǔn)確性的關(guān)鍵[14]，其影響因素主要有以下幾個(gè)方面：①一對(duì)超聲波探頭發(fā)射面之間的平行度，主要影響超聲波信號(hào)的相位計(jì)算，該研究中檢測(cè)部分為單獨(dú)加工后整體安裝到煤粉主管道上，保證了探頭發(fā)射面之間的平行度；②探頭發(fā)射表面的粗糙度(主要防止探頭表面煤粉的粘結(jié))，主要影響超聲波信號(hào)的相位計(jì)算以及由于超聲波傳播距離改變導(dǎo)致聲時(shí)變化，該研究中在兩只超聲波探頭前面分別增加了吹風(fēng)口，避免了煤粉在探頭表面的粘結(jié)；③信號(hào)采集過程中的分辨率，直接影響超聲波信號(hào)的聲時(shí)計(jì)算，該研究中所采用的采樣頻率為40 MHz，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過檢測(cè)超聲波的頻率，分辨率滿足檢測(cè)要求。

2 檢測(cè)裝置

該研究中的檢測(cè)裝置主要由低頻超聲波探頭、超聲波信號(hào)發(fā)生接收器、A/D卡、工業(yè)計(jì)算機(jī)以及檢測(cè)軟件組成，檢測(cè)系統(tǒng)組成示意圖如圖1所示。

圖1 煤粉流量超聲波檢測(cè)系統(tǒng)示意圖Fig.1 Sketch of ultrasonic testing system for pulverized coal flux

如圖1所示，兩支超聲波探頭在安裝時(shí)，應(yīng)使探頭軸線同心，與煤粉管道軸線成45°夾角，探頭A發(fā)射超聲波后由探頭B接收，可以測(cè)試順煤粉流動(dòng)方向的聲時(shí)，探頭B發(fā)射超聲波后由探頭A接收，可以測(cè)試逆煤粉流動(dòng)方向的聲時(shí)。測(cè)定煤粉氣固兩相流中的超聲波衰減系數(shù)時(shí)固定選用一個(gè)探頭接收的超聲波信號(hào)進(jìn)行分析。測(cè)定超聲波的衰減系數(shù)時(shí)，首先測(cè)得空氣中的超聲波信號(hào)作為背景信號(hào)，然后測(cè)試在煤粉中通過后的超聲波信號(hào)，超聲波衰減系數(shù)按照下式計(jì)算：

式中：α為超聲波衰減系數(shù)；A1為煤粉氣固兩相流中的超聲波信號(hào)幅值；A0為空氣中的超聲波信號(hào)幅值；L為兩探頭之間的距離。

3 試驗(yàn)材料與方法

試驗(yàn)中所選用的超聲波探頭中心頻率為200 kHz，兩支探頭的距離為210 mm，煤粉管道內(nèi)徑為78 mm，設(shè)定煤粉氣固兩相流的溫度為80 ℃，所測(cè)煤粉的粒徑分布范圍為60～100 μm。

4 試驗(yàn)結(jié)果與討論

首先測(cè)得空氣通過測(cè)試段時(shí)的超聲波信號(hào)如圖2所示。對(duì)該超聲波信號(hào)作快速傅里葉(FFT)變換，得到其頻譜信號(hào)如圖3所示?？梢姡諝獬暡ㄐ盘?hào)主要頻率成分為95～140 kHz，峰值超聲波頻率為110 kHz。

圖2 空氣背景超聲波信號(hào)Fig.2 Ultrasonic signal while air transit

圖3 空氣超聲波信號(hào)頻譜圖Fig.3 Spectrum of ultrasonic signal while air transit

順煤粉流動(dòng)方向和逆煤粉流動(dòng)方向的超聲波信號(hào)分別如圖4和圖5所示。分析圖4和圖5，求得順煤粉流動(dòng)方向與逆煤粉流動(dòng)方向的聲時(shí)分別為0.524 4 ms和0.587 6 ms，代入式(6)求出煤粉的流動(dòng)速率為11.313 3 m·s-1。

圖4 順煤粉流動(dòng)方向的超聲波信號(hào)Fig.4 Ultrasonic signal in the pulverized coal flow direction

圖5 逆煤粉流動(dòng)方向的超聲波信號(hào)Fig.5 Ultrasonic signal against the pulverized coal flow direction

利用ECAH理論，分析煤粉顆粒粒徑分布在60～100 μm時(shí)，超聲波有效頻率為95～140 kHz情況下，顆粒相的體積分?jǐn)?shù)與超聲波衰減系數(shù)之間的關(guān)系，如圖6所示。

圖6 煤粉顆粒體積分?jǐn)?shù)-超聲波衰減系數(shù)曲線Fig.6 Pulverized coal particle volume fraction-ultrasonic attenuation coefficient curve

以二階方程擬合圖6曲線得到如下公式：

y=-0.000 004 38+0.003 859 41x+

式中：y為煤粉顆粒的體積分?jǐn)?shù)，x為超聲波衰減系數(shù)。

利用圖2所得的110 kHz空氣背景下超聲波信號(hào)和圖4所得的煤粉超聲波信號(hào)計(jì)算得出該時(shí)刻超聲波衰減系數(shù)為0.371 539 Np·m-1，代入式(8)，計(jì)算得到煤粉顆粒的體積分?jǐn)?shù)為0.143%，將求得的煤粉流速與含量代入式(1)得到煤粉的流量為0.000 071 567 9 m3·s-1，按照煤粉密度1 400 kg·m-3計(jì)算，可得出相應(yīng)的煤粉質(zhì)量流量約為0.100 195 kg·s-1，該測(cè)定結(jié)果與上海鍋爐廠有限責(zé)任公司鍋爐試驗(yàn)平臺(tái)所控制的煤粉輸送量360 kg·h-1相吻合，圖7所示為某個(gè)時(shí)間段內(nèi)煤粉流量的實(shí)時(shí)檢測(cè)曲線。

圖7 某時(shí)段內(nèi)煤粉流量實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)曲線Fig.7 The pulverized coal flux real-time monitoring curve during a certain period of time

該研究中，每秒檢測(cè)一次煤粉流量，由圖7可見，在第8秒、第9秒以及第16秒時(shí)，分別出現(xiàn)了流量的短暫上升，明顯與實(shí)際情況不吻合，造成這種現(xiàn)象的原因極有可能為煤粉顆粒出現(xiàn)團(tuán)聚現(xiàn)象，導(dǎo)致超聲波衰減系數(shù)異常增大，因此在線檢測(cè)得到的煤粉流量出現(xiàn)波動(dòng)，但持續(xù)時(shí)間非常短暫，不會(huì)對(duì)整體煤粉流量的實(shí)時(shí)檢測(cè)造成影響。

5 結(jié)論

采用基于ECAH理論模型的超聲波方法在線檢測(cè)煤粉氣固兩相流中的煤粉流量，檢測(cè)結(jié)果與實(shí)際煤粉輸送量吻合較好，證明了該檢測(cè)方法的可行性與可靠性。

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On-line Ultrasonic Measurement of Pulverized Coal Flux in Coal-powder Boilers

HOU Huai-shu1, CHEN Chao-lei1, ZHU Bing-bing1, YAN Zhen-rong2
(1. College of Mechanical Engineering, Shanghai Institute of Technology, Shanghai 201418, China;2. Shanghai Boiler Works Ltd., Shanghai 200245, China)

Based on ECAH theoretical model, the relationship between the pulverized coal volume fraction and the ultrasonic attenuation coefficient in pulverized coal solid-gas two-phase flow was analyzed. The pulverized coal flow velocity and volume fraction were measured with two ultrasonic probes whose axes were concentric with a 45° angle to the pulverized coal pipeline axis, and the on-line measurement of pulverized coal flux of pulverized coal solid-gas two-phase flow was realized. The results show that the test results obtained by ultrasonic method agreed well with the actual supply quantity of pulverized coal pre-set on the test platform, which indicated that measuring the pulverized coal flux with this method was feasible and reliable.

gas-solid two-phase flow; pulverized coal flux; ultrasonic; on-line measurement; ECAH theoretic model

2016-09-01

上海市質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督局科研計(jì)劃資助項(xiàng)目(2013-51)

侯懷書(1972-)，男，副教授，博士，主要從事超聲波檢測(cè)的研究，hhs927@126.com。

10.11973/lhjy-wl201702008

TG115.28

A

1001-4012(2017)02-0110-04