燃粉浓度测量装置和测量方法与流程

本发明涉及一种燃粉浓度测量装置和测量方法。

背景技术：

目前，发电企业的大中型锅炉多数采用煤粉与空气混合燃烧方式，燃烧器均布在锅炉内，根据锅炉规模不同，燃烧器数量不同，中型以上规模的锅炉中通常布置十几到几十个燃烧器。煤粉由磨煤机研磨原煤制成，包含一定直径范围颗粒，与空气混合形成一定煤粉浓度的混合物，由管道输送到锅炉内的不同燃烧器中。研究发现，燃烧器的燃烧效率以及燃烧产物的成分构成依赖于混合物中煤粉的浓度。

锅炉燃烧室设计时，为了达到高的燃烧效率，需要每个燃烧器的燃烧效率高，这就要求每个燃烧器中煤粉的浓度相同。我国电力行业标准《火力发电厂煤粉制备系统设计标准和计算方法》(DL/T5154-2002)第8.1条中明确规定，对中速磨直吹式制粉系统，同层燃烧器各一次风管之间的煤粉和空气应均匀分配，其风量偏差不大于±8％，煤粉分配偏差不大于±10％。事实上,由于空气与煤粉的混合过程、混合物的输运过程等均会造成每个燃烧器中煤粉的浓度以及煤粉的分布不同。目前，我国绝大多数机组普遍存在各燃烧器煤粉分配不均，风煤比偏差大的问题，最多的可达±30％以上(偏离50％也很常见)，从而引发了生产中的许多问题。因此，科学的煤粉流速及煤粉浓度对锅炉的高效、低氮、安全燃烧具有十分重大的意义。

煤粉与空气的混合物在输送管道中的流动属于气固两相流动，由于受到诸如管道几何形状、气流温湿度、煤粉物性参数等的影响，煤粉流动过程极为复杂，因此，煤粉流动参数的测量极具挑战性。传统方法主要包括采样测量方法和混合物浓度估算法。在采样测量方法中，将取样器直接伸入煤粉输送管道中，在一定时间内采集流入采样器内的煤粉，然后取出称重，以此推算煤粉的浓度。在混合物浓度估算法中，根据磨煤机磨出的煤粉量以及加入的空气量，来估算出混合物中煤粉的浓度。由于混合过程和输送过程中，煤粉的在管道截面的分布并不均匀，而且管道沿程不同位置的分布也不一样，因此，采样测量方法在一个位置测量的浓度，误差已经很大，且不能代表不同截面的浓度，另外，此法属于接触式测量，由于管道中煤粉浓度大，对于采样器的磨损大，采样测量方法不适合实时监测。混合物浓度估算法根据的是源头处测量的煤粉量和风量，不考虑具体的混合和输运过程，其给出的煤粉浓度仅具有参考价值，不代表管道中的实际煤粉浓度值。

上世纪90年代开始，国内外许多研究机构、工业组织都试图开发可商业化应用的锅炉煤粉浓度测量系统，出现了众多煤粉浓度的测量技术，主要包括：热平衡法，能量法、光学法、电容法、传热法、微波法、超声波法、静电法，等等。各个测量方法都有自己的特点，但也不可避免地存在一定的缺点：如，热平衡法只适用于热风和煤粉有较大温度差的中间储仓式热风送粉系统，但是对于煤粉与热风的混合长度的确定纯在困难；能量法的比例系数中包含了众多难以确定的复杂因素，如颗粒群摩擦系数、速度比和悬浮速度等，该法仅用于气力输送系统的定性分析和工程计算；光学方法仪器价格昂贵，操作维护困难，在工业中应用有一定困难；电容法存在灵敏度分布不均匀性问题，使测量结果不仅与煤粉浓度有关，而且受煤粉分布和流型变化的影响很大，测量误差较大；传热法具有对煤粉变化反应灵敏，受其他因素干扰小，对现场管道改造小和测试仪表价格低廉等优点，但数学关系式或图表曲线的确定存在困难。超声波法、静电法已有少量应用，由于价格昂贵，国内电力企业难于承受。其他方法多还处于实验阶段。

虽然已出现众多煤粉浓度的测量技术和产品，考虑到工业现场恶劣的工作条件，真正能在工业现场可靠应用的测量技术是极少的。

技术实现要素：

本发明提供一种燃粉浓度测量装置和测量方法，能够精确地实时监控燃粉浓度。

本发明的燃粉浓度测量装置包括支撑部件、光源、CCD相机和摩阻天平，所述支撑部件包括与燃粉运输管道同直径的直管段和焊接于所述直管段两端的用于与燃粉运输管道连接的法兰盘，所述光源、CCD相机和摩阻天平以位于同一截面上的方式彼此间隔地配置于所述直管段的管壁上，并且所述光源、CCD相机和摩阻天平均分别与测量控制系统相连。

优选所述光源为1个，所述CCD相机为2台，所述摩阻天平为4个，它们的配置方式为：直管段中间位置的圆周开设有7个安装孔，设定最上面的安装孔的中心线位置为0°，所述光源配置于该0°位置的安装孔中，沿顺时针方向，4个摩阻天平分别配置在45°，90°，135°，180°位置的安装孔中，2个CCD相机在225°，315°位置的安装孔中。

本发明提供一种燃粉浓度测量方法，是采用权利要求1或2所述的燃粉浓度测量装置的测量方法，其包括：步骤一，启动光源，同时开启CCD相机捕捉管道截面内光束散射图像；步骤二，将图像传输至测量控制系统的图像处理软件中，首先提取出管道截面内燃粉流动的非分离区，然后根据燃粉浓度不同而散射效应不同的原理识别非分离区中燃粉浓度不同的若干区域；步骤三，通过测量控制系统的数据采集功能，获取划分出的不同燃粉浓度区域中的摩阻天平的数据，并传输至测量控制系统进行数据处理；步骤四，依据现有的燃粉浓度与摩阻值之间的关系数据库，得到不同区域的燃粉浓度值，取平均作为该次采样中的管道截面燃粉浓度值。

按照时间间隔，重复上述步骤一至步骤四，能够实时监控管道内燃粉浓度值的变化情况。

本发明充分考虑了管道内同一截面上不同区域燃粉浓度不同的情况，结合空气动力学领域的摩阻测量技术，可以极大提高测量精度。运用该方法能实时监控管道内燃粉浓度变化，并通过改变采样时间间隔，能调整测量精度。

本发明采用空气动力学试验上成熟的米氏散射技术和摩阻测量技术，简单易行，精度高，价格便宜。对于待测管道内燃粉浓度的影响小，可以实时测量。

附图说明

图1是燃粉浓度测量装置的结构示意图。图2是燃粉浓度测量装置是连接到管道上的安装示意图。

图3是燃粉浓度测量装置与测量控制系统的连接示意图。

具体实施方式

本发明提供一种燃粉浓度测量装置，其依托于米式散射、摩阻测量等原理，与测量控制系统结合对燃粉浓度进行测量。

如图1所示，燃粉浓度测量装置是通过在支撑部件1配置光源2、CCD相机3和摩阻天平4构成的。

支撑部件1包括与锅炉输送管道同样直径的直管段和焊接于直管段两端的两法兰，通过两端的法兰能够将整个燃粉浓度测量装置安装在锅炉输送管道上。

光源2、CCD相机3和摩阻天平4分别配置于支撑部件1的直管段上，各自的配置方式、位置和数量可以根据实际需要而定。本发明中选择利用1个光源2，2个CCD相机3和4个摩阻天平4，如图1所示，将它们均配置在直管段的中间位置。具体配置方式为沿直管段中间位置的圆周开设7个安装孔。设定最上面的安装孔的中心线位置为0°，沿顺时针方向，其余孔位置分别为45°，90°，135°，180°，225°，315°。将光源2配置于0°位置的安装孔中。按顺时针的方向依次在各安装孔中配置4个摩阻天平4，然后配置2个CCD相机3。即，4个摩阻天平4分别安装于45°、90°、135°和180°位置的安于装孔中。2个CCD相机分别安装在225°和315°位置的安装孔中。

上述配置方式是由于运输个管道是利用弯管连接了上下的竖直管道和左右的横向管道，在靠近弯管的横向管道的截面上，燃粉浓度从上至下是按层变化，即，在同高度位置的燃粉浓度大致相同，并且截面的最上部区域，有可能产生流体与管壁分离的区域。

燃粉浓度测量装置在锅炉管道系统的安装位置如图2所示，测量控制系统包括一台主机、4套燃粉浓度测量有关的应用软件，一台显示器和连接线路。光源2、CCD相机3、摩阻天平4分别通过连接线路与测量控制系统相连，如图3所示。

具体测量过程为：

1)启动光源2，同时开启CCD相机捕捉管道截面内光束散射图像；

2)将图像传输至测量控制系统的图像处理软件中，首先提取出管道截面内燃粉流动的非分离区，然后根据燃粉浓度不同而散射效应不同的原理识别非分离区中燃粉浓度不同的若干区域；

当燃粉和气体混合在管道中输送的过程中，管道横截面上燃粉浓度分布是不同的，尤其经过弯管部分之后，有可能产生流体与管道壁分离的情况，在测量中需要剔除该部分得数据，即，不采用处于分离区的摩阻天平4的数据，只采用非分离区的摩阻天平4的数据。

3)通过测量控制系统的数据采集功能，获取划分出的不同燃粉浓度区域中的摩阻天平的数据，并传输至测量控制系统进行数据处理；

4)依据建立的燃粉浓度与摩阻值之间的关系数据库，得到不同区域的燃粉浓度值，取平均值作为该次采样中的管道截面燃粉浓度值；

5)继续下一次时间间隔采样，重复1)至4)的步骤，获取相应燃粉浓度值，则可以实时监控管道内燃粉浓度值的变化情况。

上述燃粉浓度测量装置的安装位置可以根据需要而改变，CCD相机和摩阻天平的数量和配置方式都可以根据需要而改变。

本发明虽然以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以做出可能的变动和修改，因此，本发明的保护范围应当以本发明权利要求所界定的范围为准。