风送煤粉发热量在线测量仪及其测量方法与流程

本发明涉及燃煤发热量测量，特别涉及风送煤粉发热量的在线测量。

背景技术：

大型热力锅炉、大型火电锅炉、水泥窑炉等均采用风送管道输粉、供粉，特别是大型火电锅炉都采用多层(3-6层)，每层四个风送管道供粉，见图1。整个锅炉有十几个或二十几个风送管道供粉，多个管道内煤粉热量(热量＝重量×发热量)多少及多管道煤粉热量不均匀性都直接影响炉内热量的调节与控制，直接影响炉内燃烧的稳定性，直接影响燃烧效率、煤耗、减排效果。为此，风送管道内煤粉重量、发热量测量一直是要解决的重要课题。多年来本领域的技术人员先后采用多种二相流测量技术研发出相应的测量装置，诸如辐射式、微波式、静电感应式、激光式、光-电式等测量装置，企图解决风送煤粉重量及发热量测量问题，但是由于风送管道内煤粉的高温、高压、高速、高摩擦、负荷量小、运动轨迹多变以及风-粉二相流物质粉/风比例不稳定等测量难题，至今风送煤粉重量、发热量的测量尚未得到较好的解决。

解决风送煤粉发热量在线测量，可在发电所需预定热负荷j情况下，根据在线测量的发热量q，计算出所需煤粉重量w，根据w值精确的控制入炉煤粉重量而达到煤粉的燃烧热量与所需热负荷量相适应，对减小煤粉热量扰动、降低煤耗，提高燃烧效率、减少排放等都具有重要意义。

针对风送煤粉发热量测量难题，本发明公开了一种风送煤粉发热量在线测量仪，它采用取样器，从风送煤粉管道上分流出部分风-粉二相流物质，以实现取样测量，采用风-粉分离装置将分流出的风-粉二相流物质中的风与煤粉分离，达到将二相流的测量转变为单一介质煤粉的测量，从而避开风送煤粉发热量测量难题，并建立了测量所需的数学模型，实现了煤粉发热量的在线测量。

技术实现要素：

一种风送煤粉发热量在线测量仪，安装在风送煤粉管道上，用于检测风送煤粉发热量。本发明解决的技术问题有：

1)采用取样器、分离器、锁风器将风送管道内风-粉二相流物质发热量测量转化成单一介质——煤粉的测量，避开了风-粉二相流测量难题；

2)建立发热量测量机构，寻求测量方法，建立测量数学模型；

3)如何将测量后煤粉返回至原风送煤粉管道。

一种风送煤粉发热量在线测量仪，其特征在于，包括：

取样器(2)，安装在风送煤粉管道(1)上，用于分流取出风-粉二相流物质试样；

风-粉分离器(3)，安装在取样风送管道(11)的末端，用于分离风-粉二相流物质，分离后的风通过回风管道(12)返回风送煤粉管道(1)，分离后的煤粉送至锁风器(4)；

锁风器(4)，上端与风-粉分离器(3)相连，下端与测量管(5)相连，用于锁风；

取样风送管道(11)，前端与取样器(2)相连，末端与风-粉分离器(3)相连，用于输送分流出的风-粉物质；

测量管(5)上端连接锁风器(4)，下端连接输送机(9)，并在测量管(8)上安装相应的测量装置对煤粉发热量进行测量；

灰分测量装置(6)，安装在测量管(5)上或输送机(9)的上方和下方，用于测量煤粉灰分a测；

挥发分离线或在线测量装置(7)，安装在测量管(5)上，用于测量煤粉挥发分v测；

煤粉取样器(10)，安装在测量管(5)上或输送机(9)上，用于取出被测量后煤粉煤样；

输送机(9)，其入料口与测量管(5)相连，出料口与风送煤粉管道(1)相连，用于将被测煤粉返回风送煤粉管道(1)；

数据采集控制器(8)，用于接收信号a测、v测并按数学模型：

q粉＝kq×q测…………………………(1)

q测＝c-k1×a测-k2×v测…………(2)

或q粉＝kq×q测…………………………(1)

q测＝c-k1×a测-k2×v测-k3×m测…………(3)

计算出煤粉发热量q粉，

式中：q粉-煤粉发热量；q测-按公式(2)或公式(3)测量出的煤粉发热量；c、k1、k2、k3-制成粉的燃煤种类的相关系数；kq-煤粉标定系数；a测-煤粉灰分；v测-煤粉挥发分，m测-煤粉水分，见图2。

风送煤粉发热量在线测量仪，其特征在于，还包括一个开、关闸门(14)，安装在测量管(5)上，用于“开”-煤粉下料，“关”-煤粉停止下料，见图6。

风送煤粉发热量在线测量仪，其特征在于，还包括一煤粉分流管(13)，上端连接在测量管(5)上，用于分流、调整、维持测量管(5)内煤粉料量，见图6。

风送煤粉发热量在线测量仪，其特征在于，所述取样器是分流式取样器或导流式取样器或冲击板式取样器；所述风-粉分离器是旋风式分离器或过滤式分离器或冲击板式分离器；所述锁风器是重锤式锁风器或草帽式锁风器或旋转格式锁风器或锁风喂料机或气力输送卸料阀或锁风给料机。

风送煤粉发热量在线测量仪，其特征在于，所述灰分测量装置(6)是辐射式灰分测量装置，或是微波式灰分测量装置，或是激光式灰分测量装置。

以上给出了本发明所需硬件，此外还必须建立发热量测量数学模型。在煤质理论中，对煤质分析有元素分析与工业分析两种方法，在工业分析方法中确定煤发热量q与煤灰分、水分、挥发分有关，q＝f(m，a，v)，我国科学工作者根据各产地、各种煤种的特点，研发出一套较适应我国情况的经验公式，并选入国家标准gb/t2589-81，命名为煤科院公式，北京煤化所和北京物资学院在煤科院公式基础上分析了两千多个测试煤样，得出煤低位发热量计算公式，简称创新公式，如下：

(1)褐煤

qnet.ad＝31733-70.5vad-321.6aad-388.4mad…………(3)

(2)烟煤

qnet.ad＝35860-73.7vad-395.7aad-702.0mad+173.6crc………(4)

(3)无烟煤(含氢)

qnet.ad＝32347-161.5vad-345.8aad-360.3+1042had…………(5)

(4)无烟煤(不含氢)

qnet.ad＝34814-24.7vad-382.2aad-563.0mad…………(6)

上述创新公式是适用所有煤种，具有普遍性，而且是静态单次的计算公式，如何将其应用于在线测量(动态)并针对具体被测煤种建立在线具体被测煤种的数学模型。

本发明的测量数学模型是根据q＝f(m，a，v)及具体被测煤种特点并参照创新公式而建立起来的，其数学模型是：

q粉＝kq×q测…………………………(1)

q测＝c-k1×a测-k2×v测…………(2)

或q粉＝kq×q测…………………………(1)

q测＝c-k1×a测-k2×v测-k3×m测…………(3)

式中：q粉-煤粉发热量；q测-按公式(2)或(3)测量出的煤粉发热量；c、k1、k2、k3-制成粉的燃煤种类的相关系数；kq-煤粉标定系数；a测-煤粉灰分；v测-煤粉挥发分，m测-煤粉水分。采用公式(1)解决了普遍性到具体(个性)问题。

数学模型公式(1)、(2)或(3)的核心是如何确定模型中的系数c、k1、k2或c、k1、k2、k3及kq。

1)c、k1、k2的确定：

方法1，根据制成粉的燃煤种类，参照创新公式相应的煤种确定c、k1、k2系数，由此得q测为：

q测＝c-k1×a-k2×v…………(9)

方法2，取n个被测煤粉煤样，用静态(离线)测量仪器对n个煤样进行测量，可得n个q、a、v值，建立n/2个二元方程组合如：

q1＝c-k1×a1-k2×v1…………(7)

q2＝c-k1×a2-k2×v2…………(8)

其中，q1、q2、c、a1、a2、v1、v2均为已知，解(7)(8)联立方程可求得此组合的k1、k2值，依此可求得n/2个组合的n/2个k1、k2值，以其n/2个k1、k2值的平均值确定为公式(2)中的k1、k2值，即

对公示(3)中c、k1、k2、k3的确定与上述方法相同，以下均以公式(1)、(2)论述。

2)kq的确定：

必须将公式(9)中的a和v与本发明测量系统中的灰分测量装置所测量的a测和挥发分测量装置测量的v测联系起来，应用于在线具体被测煤粉上，计算出q测，即：

q粉＝kq×q测…………………………(1)

q测＝c-k1×a测-k2×v测………………(2)

或q测＝c-k1平×a测-k2平×v测…………(2)

kq具体确定方法是：

a、采集n个风-粉二相流煤粉样，通过煤粉发热量测量仪，测量仪按公式(2)测量出n个q测i(i＝1，2……n)；

b、在测量的同时，取样器(13)取出n个煤粉样，静态(离线)发热量测量仪测出n个煤样的发热量值q粉1、q粉2……q粉\；

c、以静态测量值q粉i为标准值即q粉标1、q粉标2……q粉标\对q测1、q测2……q测\进行标定，即：得kq1、kq2……kqn；

d、将kqi和q测i的变化关系进行线性拟合得：kqi＝a+b×q测i，其中a-拟合直线截距；b-拟合直线斜率；

e、得到测量的数学模型是：

q粉i＝kqi×q测i＝[a+b×q测i]×q测i…………(1)

q测i＝c-k1×a测-k2×v测…………………………(2)

综上所述，确定本发明的测量方法是：

步骤1，将风送煤粉发热量在线测量仪安装在风送管道上；

步骤2，建立煤粉发热量测量数学模型：

q粉＝kq×q测…………………………(1)

q测＝c-k1×a测-k2×v测…………(2)

步骤3，确定c、k1、k2系数；

步骤3.1根据制成粉的燃煤种类，参照创新公式确定c、k1、k2；

或步骤3.2取n个煤粉煤样，用静态发热量、灰分、挥发分测量仪离线测量出n个：q粉1、q粉2……q粉\，n个a1、a2……a\，n个v1、v2……v\；建立n/2个二元方程式组合，如：

q粉1＝c-k1×a1-k2×v1…………(7)

q粉2＝c-k1×a2-k2×v2…………(8)

其中，q粉1、q粉2、c、a1、a2、v1、v2均为已知，解(7)(8)联立方程可求得此组合的k1、k2值，依此可求得n/2个组合的n/2个k1、k2值，以其n/2个k1、k2值的平均值确定为公式(2)中的k1、k2值，即

步骤4确定kq

步骤4.1采集n个风-粉二相流煤样，通过风送煤粉发热量在线测量仪，测量仪测得n个q测值，q测1、q测2……q测\；

步骤4.2在测量的同时，取样器(13)取出n个煤粉煤样；

步骤4.3静态发热量测量仪，离线测得n个煤样的发热量值q粉1、q粉2……q粉\；

步骤4.4以静态测量值做为标准值即q粉标1、q粉标2……q粉标\对q测1、q测2……q测\进行标定，即：得kq1、kq2……kq\；

步骤4.5将kqi和q测i的变化关系进行线性拟合得：kqi＝a+b×q测i，其中a-拟合直线截距；b-拟合直线斜率；

步骤5确定测量数学模型：

q粉i＝kqi×q测i＝[a+b×q测i]×q测i…………(1)

q测i＝c-k1×a测i-k2×v测i…………(2)

式中，i-瞬时值；

t测量时间测量值：

δt-采集时间。

附图说明

图1现有火电厂锅炉一层制粉供粉系统主要设备示意图

101——原煤仓；102——输送带；103——给煤机；104——磨煤机；105——一次风风机；106——粗细粉分离器；107——煤粉分配器；108——风送总管道；108a、108b、108c、108d——风送支路管道；109a、109b、109c、109d——燃烧器；110——锅炉；111——二次风风机；112——二次风风箱；113a、113b、113c、113d——二次配风管道。

图2风送煤粉发热量在线测量仪构成示意图

1——风送煤粉管道；2——取样器；3——风-粉分离器；4——锁风器；5——测量管；6——灰分测量装置；7——挥发分离线或在线测量装置；8——数据采集控制器；9——螺旋输送机；10——煤粉取样器；11——取样风送管道；12——回风管道。

图3风-粉二相流取样器示意图

图3(a)分流式取样器示意图，2-1——风-粉二相流分流管；

图3(b)导流式取样器示意图，2-2——风-粉二相流导流管；

图3(c)冲击板式取样器示意图，2-3——冲击板；；2-4——煤粉收集管。

图4采用冲击板式风-粉取样、分离的风送煤粉发热量在线测量仪示意图

2——冲击板取样器；2-3——冲击板；2-4——煤粉收集管。

图5采用辐射式灰分测量装置的风送煤粉发热量在线测量仪示意图

2——采样器；2-2——导流管；6-1——辐射式灰分测量装置的辐射源；6-2——辐射式灰分测量装置的辐射探测器；7——离线挥发分测量仪；14——开、关闸门，“开”-下料，“关”-停止下料，10——煤粉取样器。

图6开、关闸门、煤粉分流管安装示意图

5——测量管；13——煤粉分流管；14——开、关闸门。

图7辐射传感器安装在输送机上示意图

9——输送机；6-1——辐射式灰分测量装置的辐射源；6-2——辐射式灰分测量装置的辐射探测器。

具体实施方式

结合附图对本发明技术方案做进一步说明：

图1是现有火电煤粉制备供粉系统一层一台磨煤机四个送粉管道、四个配风管道主要设备示意图。

风送煤粉发热量在线测量仪安装在总风送管道(108)或支路风送管道(108a)或(108b)或(108c)或(108d)上。

图2是本发明风送煤粉发热量在线测量仪构成示意图，它给出了发热量测量仪所包含的主要部件和测量装置。

由于磨煤机制粉量大、制粉时间长、长时间均化，使磨煤机输出的煤粉具有相同的性能，取样器(2)分流取出的煤粉具有相当足够的代表性，所以取样器取出的煤粉量可是煤粉总流量的几十分之一～百分之一，取样地点可选在总风送管道上或支路风送管道上。取样器、风-粉分离器、锁风器市场上均有相似产品，可根据本测量仪的具体情况进行改造与选择；灰分测量装置(6)目前有多种类型产品，如x射线灰分测量装置、双能γ射线灰分测量装置、中子活化技术灰分测量装置、微波式灰分测量装置、激光式灰分测量装置，本发明可选用其中任何一种灰分测量装置，推荐使用x射线灰分测量装置或双能γ射线灰分测量装置；挥发分测量装置(7)目前在线测量还有困难，推荐采用定时取样，静态测量，定时输入给数据采集控制器(8)工作方式；锁风器(4)推荐采用草帽式锁风器，它动作灵活，煤粉落料均匀，适用于连续测量，它与螺旋输送机(9)配合，螺旋输送机匀速输送物料致使测量管(5)下料均匀，可提高发热量测量准确度。

图3给出了几种类型取样器(2)的示意图，当然还有其他类型取样器，可根据具体情况予以选择。

图4给出了采用冲击板式风-粉取样、分离的风送煤粉发热量在线测量仪示意图，取样器(2)中的冲击板(2-3)既起到将风-粉分离，又通过收集管(2-4)将煤粉收集后取出即取样作用，可谓具有分离作用的取样器。

图5给出了采用辐射式灰分测量装置的风送煤粉发热量在线测量仪示意图，辐射式灰分传感器的辐射源(6-1)和辐射探测器(6-2)分别安装在测量管(5)的两侧，用于测量管(5)内煤粉灰分a测，或安装在输送机(9)的上方和下方，用于测量输送机输送煤粉灰分，见图7；在测量管(5)上还安装开-关闸门(14)，用于控制测量管内煤粉下料，“开”——煤粉下料，“关”——停止下料，在闸门“关”的情况下测量管进料，当料量达到所需测量高度或重量时，发热量在线测量仪开始测量，测量完成后，打开闸门下料，控制闸门的“开”、“关”实现煤粉发热量的静态测量可消除测量管内煤粉输送过程中对测量的影响，提高了测量准确度。

图6是煤粉分流管(13)与开、关闸门(14)安装在测量管(5)上的示意图。

图7是灰分测量装置的辐射源(6-1)和辐射探测器(6-2)安装在输送机(9)上的示意图。

图6、图7给出不同状况下的具体应用。

本专利产生的效果在于可实时检测煤粉发热量，并可根据发电所需热量j及所测煤粉发热量q粉计算出所需煤粉重量w粉，w粉＝j/q粉，根据w粉值控制磨煤机输出煤粉重量w，使w与所需w粉相一致，从而实现按发电所需热量与煤粉给出热量相一致，实现按热量供粉，这对减少煤粉热量扰动、提高煤粉燃烧质量、降低煤耗、提高效率、减少排放具有重要意义。

本领域技术人员可根据本发明的技术特征，即通过取样——风-粉分离——锁风将风送管道内风-粉二相流的测量转化成单一介质煤粉测量。根据本特征可对本发明应用部件进行增减或变形，例如可将取样器与风-粉分离器合为一体制成具有分离功能的取样器，或将风-粉分离器与锁风器合为一体制成具有锁风功能的风-粉分离器，或三功能为一体的取样器等等。凡是在本发明技术特征下的种种变形均在本专利保护范围内。