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技術應用
技術問答
電站鍋爐煤粉管道內的煤粉濃度測量有多種方法。有些研究者開發了能自動進行全截面煤粉濃度測量的等速取樣法 , 測量速度盡管比單點等速取樣測量煤粉濃度后再平均的方法快捷 ,但仍耗時耗力;對于中間貯倉式系統, 采用熱平衡方法測量煤粉濃度[ 1] 在國內得到了比較廣泛的應用 ;對于乏氣送粉系統,開發了基于壓差的煤粉濃度測量方法[ 2];對于直吹式制粉系統,開發了基于靜電法[ 3]、電容法[ 4]、光學法[ 5] 等原理的煤粉濃度在線測量方法 。
本文開發了一種基于超聲波被動接收方法的測量管內氣固兩相流濃度的方法及裝置 , 該方法是在煤粉的彎頭外側裝設超聲波接收器, 通過接收氣固兩相流內固體顆粒撞擊彎頭管壁產生的超聲波信號, 經過增益器將信號傳送到計算機, 計算機對超聲波信號處理后,根據不同固體濃度下信號特征的變化獲得管內氣固兩相流的濃度 。這種測量方法是一種非接觸測量方法,可以實現氣固兩相流中固體濃度的連續在線測量。
1 工作原理
電站鍋爐輸粉系統中有很多彎頭, 氣固兩相流在流過彎頭時 ,由于氣固兩相的慣性不同,固相顆粒被慣性力甩到彎頭外側,與彎頭內壁發生碰撞 ,這種碰撞一方面使顆粒改變了運動方向, 實現了氣固兩相流的轉向 ,另一方面 , 在碰撞過程中 ,有一部分能量以聲能的方式透過管壁傳遞出來,這部分聲能一部分為超聲波 ,由于頻率大于 20 kHz 的超聲波具有對金屬穿透性好 ,但在空氣中傳播能力弱等優點 , 非常適合作為測量信號 。
在粉管的彎頭管壁外側安裝超聲波接收器 , 超聲波接收器和管壁之間采用耦合劑進行耦合, 可以測量不同固體濃度下顆粒撞擊到彎頭壁面上發出的超聲波信號,該信號通過增益器進行放大,再通過數據采集器送入計算機 ,由計算機對采集獲得的超聲波信號進行參數分析,或通過頻譜分析和小波分析等手段獲得超聲波信號的特征 ,從而反推即可獲得固體顆粒的濃度。
氣固兩相流固相濃度超聲波測量系統如圖 1 所示 。該系統采用中心頻率為 150 kHz 的聲發射接收傳感器,前置放大器增益為 40 db , 主放大器為多通道放大器,可以對經過前置放大器后的 24 通道的聲波信號進行放大, 增益 1 、10 、100 倍可調 。采用 PCI 數據采集卡 ,最高采樣速度 20 MHz, 精度 12 位 。
2 氣固兩相流試驗臺
氣固兩相流試驗臺如圖 2 所示 ,主要由高壓風機、螺旋給粉機 、風管 、旋風分離器 、料斗 、鎖氣器、布袋除塵器等組成。系統給粉量由調速電機控制, 最大給粉量為(2 ～ 3)t /h 。粉管內徑為 150 mm , 水平段長度為5 m ,垂直段長度為 3 m 。水平段與垂直段之間的彎頭彎曲半徑 R =150 mm ,管壁厚度 4. 5 mm 。
該試驗臺模擬某300 MW 機組的輸粉系統,模化比例為1 ∶2. 708 。經模化計算 ,選取了滑石粉作為固相材料,滑石粉密度為2 700 kg /m3,平均粒徑為 25 μm ,管內風速 25 m /s 。由于旋風分離器對大顆粒的分離效果較好,而對細顆粒的分離效果差 ,會導致料斗中的粉料越來越粗,從而導致分離效果變化。為此,采用將布袋除塵器分離下來的細灰返回到料斗,并定期換料, 測試結果表明,試驗物料粒徑分布基本不變。
3 試驗結果分析
圖 3 給出了不同給粉機轉速下通過聲發射接收器獲得的信號波形。由圖可見 , 聲發射信號屬于連續型信號, 隨給粉濃度的增加 ,信號波形變得非常密集 , 說明固相顆粒撞擊管壁的頻率隨固相濃度的增加而迅速增加。由于信號波形非常密集 ,基本無法根據肉眼分辨信號波形 ,需要采用頻譜或小波等信號分析手段才能獲得比較直觀的波形分析圖 , 但采用頻譜分析或小波分析耗時較多, 比較適合事后的細致分析。為便于現場在線應用,本文利用聲發射信號參數分析方法[ 6],采用幅值 、振鈴計數、能量、方均根電壓等參數對不同給粉濃度下的信號進行了分析 ,分析結果見表 1 。表 1中給粉濃度采用等速取樣標定獲得。由表 1 可見 , 聲發射接收系統對氣固兩相流中是否帶粉非常敏感 , 表現為信號幅值、能量和方均根電壓等參數都有數量級上的差距。
試驗過程中煤粉的細度保持不變, 聲發射系統接收到信號特性中的幅值代表了大顆粒的碰撞, 在一定意義上反映了煤粉的最大顆粒度 , 而振鈴計數則反映了具有較大能量的顆粒數量, 該參數能在一定程度上反映煤粉的細度分布 。但由表 1 也可知, 對于煤粉濃度測量 ,當氣固兩相流達到一定濃度后 , 采用信號幅值 、振鈴計數等信號分析方法難以獲得較清晰的濃度分辨率 ,而采用方均根電壓則可以獲得較好的分辨率 ,能為在線的管內氣固兩相流濃度監測提供一種較簡單而方便的方法,該方法對管內是否斷粉尤為敏感, 非常適合作為管內斷粉的監測方法 。
基于超聲波接收原理的管內氣固兩相流固相濃度監測系統具有如下優點:
(1) 可以實現管內是否斷粉的在線監測 , 并實現氣固兩相流中固體濃度的連續在線測量 。
(2)該方法是一種非接觸測量方法, 不需要在粉管上開孔及探針插入粉管等 ,一方面減少了工作量 ,另一方面可以避免測量元件磨損或粘污 。
(3)可以利用一臺計算機實現多根管道的同時測量,只要在多根管道上安裝超聲波接收器 ,可以由一臺計算機來采集信號并處理 。
(4)不受現場噪聲等因素的干擾。
(5)可廣泛應用于氣力輸送領域 ,只要存在彎頭的管道上都可方便地實現。
4 結 語
基于超聲波被動吸收方法測量管內氣固兩相流濃度的方法是一種非接觸測量方法, 可以實現氣固兩相流中固體濃度的連續在線測量 。由于氣固兩相流的測量非常復雜,本文僅是對這種新的測量方法進行的探索。初步研究證明了本方法的可行性 ,仍有大量的工作需要進行 ,如何采用高級的信號分析技術提高信號的分辨率是本課題下一步要研究的重要內容。
[ 參 考 文 獻]
[ 1] 王凱, 趙海生, 陳增宏. 煤粉濃度監測系統 [ J] . 動力工程, 1994 , 14(3):45 48.
[ 2] 武寶會, 師建斌. 乏氣送粉鍋爐風速與煤粉濃度測量技術研究 [ J] . 熱力發電, 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.
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[ 6] 沈功田, 耿榮生, 劉時風. 聲發射信號的參數分析方法[ J] . 無損檢測, 2002, 24(2):72 77.
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