侯凡軍，劉科，段傳俊，劉豪杰，車剛

（1.國(guó)網(wǎng)山東省電力公司電力科學(xué)研究院，濟(jì)南250003；2.山東中實(shí)易通集團(tuán)有限公司，濟(jì)南250003）

直吹式制粉系統(tǒng)固定式煤粉取樣裝置研究與應(yīng)用

侯凡軍1，劉科1，段傳俊1，劉豪杰1，車剛2

（1.國(guó)網(wǎng)山東省電力公司電力科學(xué)研究院，濟(jì)南250003；2.山東中實(shí)易通集團(tuán)有限公司，濟(jì)南250003）

對(duì)電廠三種常見(jiàn)送粉管道內(nèi)的風(fēng)粉流動(dòng)特性進(jìn)行分析，并對(duì)幾種煤粉等速取樣原理進(jìn)行研究。比較現(xiàn)在火力發(fā)電廠經(jīng)常使用的幾種固定式煤粉取樣裝置的性能，其中水平藏臂式全截面煤粉取樣裝置可極大提高煤粉取樣的準(zhǔn)確性和代表性，未來(lái)與激光測(cè)量技術(shù)結(jié)合，可生產(chǎn)滿足現(xiàn)場(chǎng)要求的激光粒度在線測(cè)量裝置。

煤粉取樣；直吹式；制粉系統(tǒng)；等速取樣

0　引言

煤粉細(xì)度是影響鍋爐燃燒效率和制粉電耗的重要參數(shù)。與中儲(chǔ)式制粉系統(tǒng)相比，直吹式制粉系統(tǒng)要進(jìn)行煤粉取樣后才能進(jìn)行煤粉細(xì)度化驗(yàn)，因而煤粉取樣的準(zhǔn)確性和代表性直接影響煤粉細(xì)度的化驗(yàn)結(jié)果。常見(jiàn)的煤粉取樣裝置有全自動(dòng)煤粉取樣裝置、便攜式煤粉取樣裝置和固定式煤粉取樣裝置，前兩種煤粉取樣裝置適合于科研院所進(jìn)行科學(xué)研究和性能試驗(yàn)［1］。固定式煤粉取樣裝置安裝固定在直吹式制粉系統(tǒng)送粉管道上，適合電廠每天或每周對(duì)不同機(jī)組各臺(tái)磨煤機(jī)的煤粉細(xì)度進(jìn)行取樣分析。與移動(dòng)式煤粉取樣裝置相比，固定式煤粉取樣裝置具有不同的特點(diǎn)和要求。1）由于固定安裝在煤粉管道上，要求固定式煤粉取樣裝置要具備防磨功能。2）要有防堵功能，對(duì)于移動(dòng)式煤粉取樣裝置，由于取樣槍可以從煤粉管道中取出，即使取樣槍堵塞，也可以取下來(lái)進(jìn)行疏通，而對(duì)于固定式煤粉取樣裝置，取樣槍無(wú)法取下，因此要求要有防堵功能。3）要具備基本的等速功能，符合氣固兩相流中顆粒等速取樣的原理。4）操作要簡(jiǎn)便，結(jié)構(gòu)要簡(jiǎn)單。

1　抽氣速度對(duì)煤粉取樣準(zhǔn)確性影響

電廠鍋爐煤粉取樣就是利用取樣探頭從一次風(fēng)管道中取出少量含塵氣體，用分離設(shè)備將這部分氣體中煤粉分離出來(lái)進(jìn)行稱重或篩分。

對(duì)氣固兩相流進(jìn)行取樣時(shí)，不同情況煤粉取樣偏差如圖1所示，會(huì)出現(xiàn)以下4種情況［2］：吸入速度等于來(lái)流速度；吸入速度小于來(lái)流速度；吸入速度大于來(lái)流速度；吸入速度雖與來(lái)流速度相等，但取樣探頭沒(méi)有正對(duì)氣流方向。后3種情況都會(huì)使探頭進(jìn)口附近的氣流流線改變方向。由于固體顆粒的密度比氣體顆粒的密度大得多，所以當(dāng)取樣時(shí)吸入速度和來(lái)流速度不相等時(shí)，固體顆粒會(huì)因慣性力的作用而脫離彎曲的氣流流線，造成取樣誤差。

若取樣速度低于來(lái)流速度（取樣速度為W，來(lái)流速度為W0），則進(jìn)入探頭的流量將小于管道中原來(lái)的流量，部分氣流繞向探頭外側(cè)，氣流流線向外擴(kuò)張。探頭邊緣氣流中的微小顆粒就會(huì)隨氣體向外繞流，而相同位置的較大顆粒卻由于慣性沖入取樣探頭內(nèi)，造成取樣濃度偏高和樣品中的粗顆粒組分增加，平均粒徑變大，見(jiàn)圖1（b）；若取樣速度大于來(lái)流速度，探頭入口附近的氣流流線收縮，結(jié)果與上面相反，導(dǎo)致取樣濃度比實(shí)際濃度低，且所取樣品偏細(xì)，見(jiàn)圖1（c）；當(dāng)取樣探頭不正對(duì)來(lái)流方向時(shí)，氣流進(jìn)入探頭時(shí)要改變流向，探頭邊緣部分氣流中較大顆粒因慣性會(huì)無(wú)法進(jìn)入取樣探頭內(nèi)，造成取樣濃度偏低，樣品偏細(xì)，見(jiàn)圖1（d）；當(dāng)只有當(dāng)取樣速度與來(lái)流速度相等時(shí)，所取樣品的數(shù)量和大小才與實(shí)際一致，見(jiàn)圖1（a）。

圖1　不同情況煤粉取樣偏差

2　送粉管道中煤粉速度和濃度分布

送粉管道中煤粉濃度分布和氣流速度分布對(duì)固定式煤粉取樣裝置的設(shè)計(jì)、安裝、運(yùn)行具有重要影響?；鹆Πl(fā)電廠常見(jiàn)的送粉管道有豎直管道、水平管道和彎頭后管道。

2.1豎直管道風(fēng)粉分布

豎直管道一般指鍋爐本體燃燒器附近的送粉管道，管道內(nèi)風(fēng)粉分布特點(diǎn)如圖2、圖3所示。在豎直管道中，除了極靠近管壁的區(qū)域，在大部分區(qū)域內(nèi)風(fēng)速分布和濃度分布比較均勻。

2.2水平管道風(fēng)粉分布

水平管道一般指運(yùn)轉(zhuǎn)層上磨煤機(jī)出口至鍋爐本體間的水平送粉管道，管道內(nèi)風(fēng)粉分布特點(diǎn)如圖4、圖5所示。在水平管道中，風(fēng)速分布呈現(xiàn)上大下小的特點(diǎn)，而濃度分布呈現(xiàn)上小下大的特點(diǎn)。

圖2　豎直管道風(fēng)速分布

圖3　豎直管道煤粉濃度分布

圖4　水平管道風(fēng)速分布

圖5　水平管道煤粉濃度分布

2.3彎頭后管道風(fēng)粉分布

彎頭后的管道是指運(yùn)轉(zhuǎn)層上方的豎直管道，其前面一般都有一個(gè)彎頭，造成管道內(nèi)風(fēng)粉分布呈現(xiàn)獨(dú)有的特點(diǎn)。當(dāng)風(fēng)粉混合物流過(guò)彎頭后，由于受慣性和離心力的作用，固體顆粒會(huì)向后偏移，圖6給出了在內(nèi)徑為150 mm的彎頭后垂直管道中煤粉平均直徑為35 μm，密度為1 380 kg/m3，速度為14 m/s，氣粉比為1.7的質(zhì)量流量等值線［3］。可見(jiàn)在離開(kāi)彎頭后的較短距離內(nèi)，煤粉偏移嚴(yán)重，只有當(dāng)?shù)竭_(dá)17.2 d位置后，煤粉又在氣流中分布均勻，重新恢復(fù)到典型垂直管中風(fēng)粉流動(dòng)狀況，如圖7所示。

圖6　彎頭后垂直管道10 d位置處煤粉濃度分布

圖7　彎頭后垂直管道17.2 d位置處煤粉濃度分布

3　實(shí)現(xiàn)煤粉等速取樣的方法

通過(guò)長(zhǎng)期的煤粉取樣實(shí)踐，認(rèn)為要保證煤粉取樣的代表性，必須要遵守兩條原則。

1）全截面取樣。由于送粉管道中的風(fēng)粉分布并不均勻，煤粉取樣應(yīng)采用全截面取樣，才能保證樣品的代表性。圖8為ISO9931規(guī)定的圓形送粉管道煤粉取樣測(cè)點(diǎn)分布［4］，圖9為德國(guó)AKOMA取樣裝置規(guī)定代表點(diǎn)。

圖8　ISO9931規(guī)定的取樣代表點(diǎn)

圖9　德國(guó)AKOMA取樣裝置規(guī)定代表點(diǎn)

鍋爐本體附近的豎直管道內(nèi)風(fēng)粉分布基本均勻，可以采用直線多點(diǎn)取樣代替全截面取樣，是比較理想的煤粉取樣位置；水平管道風(fēng)粉分布不太均勻，適合采用全截面取樣。由于水平管道一般離運(yùn)轉(zhuǎn)層太高，并不適合安裝固定式煤粉取樣裝置。彎頭后風(fēng)粉分布極不均勻，甚至存在渦流區(qū)，必須采用全截面取樣，固定式煤粉取樣裝置安裝時(shí)必須避開(kāi)渦流區(qū)。

2）等速取樣。由煤粉取樣技術(shù)原理可知，當(dāng)取粉口的抽氣速度和煤粉管道內(nèi)的氣流速度不相同時(shí)，就會(huì)帶來(lái)取樣誤差。要想真正實(shí)現(xiàn)等速，只有采用自動(dòng)控制裝置，人工調(diào)節(jié)的方法無(wú)法實(shí)現(xiàn)等速。煤粉等速取樣的方法有靜壓平衡式煤粉取樣、靜壓不平衡式煤粉取樣和預(yù)測(cè)流速式煤粉等速取樣。

3.1靜壓平衡式煤粉等速取樣原理

靜壓平衡式等速取樣彎頭式取樣槍所用探頭的結(jié)構(gòu)如圖10所示。探頭外側(cè)開(kāi)有測(cè)壓孔用于測(cè)量來(lái)流靜壓，探頭內(nèi)側(cè)開(kāi)有測(cè)壓孔用于測(cè)量探頭內(nèi)氣流靜壓。若認(rèn)為被取樣氣體為理想流體，不考慮阻力的影響，根據(jù)伯努里方程：

圖10　靜壓平衡式取樣探頭

式中：p0，pn為來(lái)流和探頭內(nèi)的靜壓，Pa；w0，w為來(lái)流速度和吸入速度，m/s；ρ0，ρ為來(lái)流和探頭內(nèi)氣體密度，kg/m3。

氣體被吸入前后溫度相同，探頭內(nèi)外的氣體密度相等，ρ0=ρ。當(dāng)取樣探頭內(nèi)的靜壓和探頭外的靜壓相等，即p0=pn時(shí)，由上式可得w0=w，即吸入速度與來(lái)流速度相等，可以實(shí)現(xiàn)等速取樣。

3.2靜壓不平衡式煤粉等速取樣原理

實(shí)際上只保持內(nèi)外靜壓相等往往達(dá)不到等速取樣的目的，原因是實(shí)際氣流都具有粘性，在從取樣進(jìn)口至內(nèi)靜壓孔一段距離內(nèi)存在各項(xiàng)阻力損失，阻力損失的絕對(duì)值雖然很小，但是足以影響等速取樣的準(zhǔn)確性。考慮阻力影響后，伯努里方程變?yōu)椋?/p>

式中：∑Δp為各項(xiàng)阻力損失之和，Pa。

總阻力損失∑Δp為探頭進(jìn)口阻力損失、沿程摩擦阻力損失及速度再分布損失之和。根據(jù)公式（2），只要使差壓不平衡，即保證p0-pn=∑Δp，就可以使w=w0，從而實(shí)現(xiàn)靜壓不平衡等速取樣，但其中有兩個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題要解決。

∑Δp的準(zhǔn)確數(shù)值。在純空氣流過(guò)時(shí)，可以根據(jù)阻力計(jì)算公式計(jì)算出總阻力損失的大小，試驗(yàn)結(jié)果表明，在正常一次風(fēng)速范圍內(nèi)，在不同流速條件下，總阻力損失值變化不大。當(dāng)實(shí)際氣固兩相流流經(jīng)取樣探頭時(shí)，總阻力損失∑Δp與純空氣時(shí)不同，要想在氣固兩相流狀態(tài)下計(jì)算出總阻力損失在理論上是非常困難的。可以采用試驗(yàn)標(biāo)定的辦法解決此問(wèn)題：讓已知細(xì)度的煤粉顆粒流經(jīng)一次風(fēng)管路，在不同差壓下進(jìn)行煤粉取樣并分析樣品細(xì)度，樣品細(xì)度與原樣品細(xì)度最接近工況下的差壓即為在氣固兩相流狀態(tài)下總阻力損失∑Δp。

如何保證差壓始終維持與總阻力損失相同。事實(shí)證明，靠人工調(diào)節(jié)是無(wú)法滿足要求的，只有采用先進(jìn)的控制技術(shù)和方法才能滿足要求。

3.3預(yù)測(cè)流速式煤粉等速取樣技術(shù)原理

預(yù)測(cè)流速法等速取樣所采用的取樣槍有單點(diǎn)彎頭式、單點(diǎn)平頭式和多點(diǎn)式。以單點(diǎn)彎頭式為例，預(yù)先用皮托管測(cè)出一次風(fēng)管道內(nèi)各采樣點(diǎn)處的流速，并按所選用的采樣探頭內(nèi)徑計(jì)算出等速情況下各點(diǎn)所需的采樣流量，然后放入取樣裝置，調(diào)節(jié)抽氣流量到計(jì)算得到的采樣流量，即可實(shí)現(xiàn)等速取樣。當(dāng)采用節(jié)流裝置監(jiān)測(cè)抽氣流量時(shí)，需要對(duì)所測(cè)風(fēng)量進(jìn)行溫度和壓力修正，根據(jù)所測(cè)得的一次風(fēng)狀態(tài)參數(shù)，把采樣流量換算到氣體流量計(jì)所在處氣體狀態(tài)參數(shù)下的抽氣流量。若需對(duì)多點(diǎn)取樣，就要預(yù)先測(cè)量每一點(diǎn)的流速。

4　常見(jiàn)固定式煤粉取樣裝置技術(shù)特點(diǎn)

山東省內(nèi)火力發(fā)電廠常用的固定式煤粉取樣裝置有螺旋推進(jìn)直線取樣、豎直藏壁直線取樣和全截面自動(dòng)煤粉取樣。

4.1螺旋推進(jìn)直線取樣裝置

螺旋推進(jìn)直線取樣裝置在很多電廠都有應(yīng)用，結(jié)構(gòu)如圖11所示，主要由取樣管、分離器、收集瓶、引射器、乏氣管、手輪、螺桿、電子微差壓計(jì)等組成［5］。其工作原理為：先用壓縮空氣對(duì)取樣管反吹，同時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)手輪，螺桿轉(zhuǎn)動(dòng)，帶動(dòng)取樣管進(jìn)入煤粉管道。停止反吹，讓壓縮空氣通入引射器，產(chǎn)生負(fù)壓，含粉氣流通過(guò)取樣管入口進(jìn)入取樣管，在分離器內(nèi)發(fā)生離心分離，煤粉下落進(jìn)入收集瓶，氣流進(jìn)入引射器與壓縮空氣混合后通過(guò)乏氣管又回到煤粉管道。

其主要特點(diǎn)為：1）其取樣口為坡口形狀或在圓管壁上開(kāi)孔，顆粒存在無(wú)規(guī)律的碰撞，不符合兩相流中顆粒取樣原理，顆粒取樣的重復(fù)性差。2）由圖11看出，其只能實(shí)現(xiàn)直線多點(diǎn)取樣，不能實(shí)現(xiàn)全截面取樣，當(dāng)一次風(fēng)管道內(nèi)風(fēng)粉分布不均勻時(shí)，采用直線取樣的代表性變差，取樣誤差變大，適合于安裝在鍋爐本體附近的豎直送粉管道。3）由于取樣管路長(zhǎng)，而且取樣管路大部分在一次風(fēng)管外，受環(huán)境溫度影響，取樣管路容易結(jié)露堵塞，造成取樣不準(zhǔn)或根本無(wú)法取樣。

圖11　螺桿推進(jìn)直線取樣裝置

4.2豎直藏壁直線取樣裝置

豎直藏壁直線取樣裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，操作方便，具有防磨功能，在一些電廠得到了應(yīng)用，其結(jié)構(gòu)如圖12所示，主要由笛型管取樣槍、豎直防磨槽、進(jìn)口隔離閥、旋風(fēng)分離器、煤粉收集罐、射氣抽氣器、回氣隔離閥、轉(zhuǎn)輪、壓力表等組成。其工作原理為：先通入壓縮空氣對(duì)笛型管取樣槍進(jìn)行反吹，同時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)輪，將笛型管旋至水平位置。停止吹掃，壓縮空氣通入射氣抽氣器，射氣抽氣器產(chǎn)生抽吸力，含粉氣流依次進(jìn)入取樣槍和旋風(fēng)分離器，在旋風(fēng)分離器內(nèi)發(fā)生離心分離，煤粉下落進(jìn)入收集罐，氣流進(jìn)入引射器與壓縮空氣混合后通過(guò)回氣管又回到煤粉管道。取樣結(jié)束后，轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)輪，將笛型管旋至防磨槽內(nèi)的豎直位置。

其主要特點(diǎn)為：1）只能實(shí)現(xiàn)直線取樣，不能實(shí)現(xiàn)全截面取樣，適用于直管段很長(zhǎng)的豎直管道上，在其它取樣位置，由于管路內(nèi)風(fēng)粉分布不均，采用直線取樣就無(wú)法保證取樣的代表性。2）豎直藏臂式直線取樣裝置無(wú)測(cè)量抽吸流量的裝置，只是根據(jù)壓縮空氣壓力進(jìn)行粗調(diào)，當(dāng)取樣管路積灰后，取樣管路的流量特性發(fā)生改變，無(wú)法實(shí)現(xiàn)等速取樣。3）不取樣時(shí)，取樣槍可放在防磨槽內(nèi)，具有良好的防磨功能。

圖12　豎直藏臂直線取樣裝置

4.3全截面自動(dòng)煤粉取樣裝置

全截面自動(dòng)煤粉取樣裝置為新一代固定式煤粉取樣裝置，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，操作方便，其結(jié)構(gòu)如圖13所示。主要由取樣槍、防磨槽、進(jìn)口隔離閥、旋風(fēng)分離器、煤粉收集罐、射氣抽氣器、回氣隔離閥、電機(jī)、控制系統(tǒng)等組成。本裝置有兩種工作模式，全截面模式和固定位置模式。在全截面模式下：煤粉取樣槍依次停留在截面的不同位置，射氣抽氣器通入壓縮空氣產(chǎn)生抽吸力，含粉氣流依次進(jìn)入取樣槍和旋風(fēng)分離器，在旋風(fēng)分離器內(nèi)發(fā)生離心分離，煤粉下落進(jìn)入收集罐，所取樣品為全截面上混合樣，代表性好。固定位置模式下：煤粉取樣槍停留在某一固定位置進(jìn)行煤粉取樣，可在5～6個(gè)不同固定位置取樣，然后與全截面取樣的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，確定最佳位置，以后取樣，取樣槍轉(zhuǎn)到最佳位置取樣即可。取樣結(jié)束后，取樣槍自動(dòng)回到防磨槽內(nèi)。

主要特點(diǎn)有：1）真正實(shí)現(xiàn)了等速取樣。通過(guò)風(fēng)量測(cè)量裝置可對(duì)抽吸風(fēng)量進(jìn)行實(shí)際測(cè)量，通過(guò)調(diào)節(jié)壓縮空氣壓力，進(jìn)而可以調(diào)節(jié)抽吸量，保證探頭抽吸速度于管內(nèi)風(fēng)速一致，實(shí)現(xiàn)了等速取樣。2）實(shí)現(xiàn)全截面取樣。實(shí)現(xiàn)全截面取樣后，固定式取樣裝置的安裝條件大大放寬，提高了其對(duì)現(xiàn)場(chǎng)條件的適應(yīng)能力。3）實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)取樣，操作簡(jiǎn)單，無(wú)污染，3 min就可以完成一次采樣。4）具有自標(biāo)定功能?？梢韵冗M(jìn)行全截面取樣，然后再與單個(gè)位置的取樣結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，從而確定煤粉取樣槍的代表位置，大大簡(jiǎn)化了操作，極大提高了取樣的準(zhǔn)確性。5）防磨損功能。取樣結(jié)束后，取樣槍會(huì)自動(dòng)回到保護(hù)槽內(nèi)，防止取樣探頭磨損，延長(zhǎng)使用壽命。6）使用前后，可以利用壓縮空氣對(duì)取樣管路進(jìn)行吹掃，防止積粉；取樣管路結(jié)構(gòu)緊湊，風(fēng)粉混合物經(jīng)過(guò)分離后乏氣又返回一次風(fēng)管內(nèi)，取樣管路不易結(jié)露。

圖13　全截面自動(dòng)煤粉取樣裝置

5　結(jié)語(yǔ)

煤粉細(xì)度在線測(cè)量是未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)。煤粉細(xì)度在線測(cè)量有微波法、電容法、電荷法、超聲法等，有的在現(xiàn)場(chǎng)也有初步應(yīng)用，但這些方法總體準(zhǔn)確性差、通用性不強(qiáng)，無(wú)法在火力發(fā)電廠生產(chǎn)實(shí)際中得到有效應(yīng)用［6-8］。激光粒度測(cè)量采用激光衍射的原理測(cè)量顆粒的粒度分布，具有測(cè)試范圍寬、測(cè)試速度快、重復(fù)性好等優(yōu)點(diǎn)，在實(shí)驗(yàn)室已得到較廣泛的應(yīng)用。激光在線測(cè)量煤粉細(xì)度目前在國(guó)內(nèi)還沒(méi)有成功的應(yīng)用，主要原因在于現(xiàn)場(chǎng)煤粉取樣的復(fù)雜性。如果通過(guò)固定式煤粉取樣裝置所取得的煤粉樣品代表性差，即使再準(zhǔn)確的激光粒度測(cè)量方法也無(wú)法得到準(zhǔn)確的測(cè)量結(jié)果。

現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果表明，全截面自動(dòng)煤粉取樣裝置取樣代表性好，已經(jīng)解決了火力發(fā)電廠煤粉取樣代表性和準(zhǔn)確性差的問(wèn)題。如果能和激光粒度測(cè)量技術(shù)相結(jié)合，可生產(chǎn)滿足現(xiàn)場(chǎng)要求的激光粒度在線測(cè)量裝置。

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Research and Application of Fixed Pulverized Coal Samplers for Direct-firing Type Pulverizing System

HOU Fanjun1，LIU Ke1，DUAN Chuanjun1，LIU Haojie1，CHE Gang2
（1.State Grid Shandong Electric Power Research Institute，Jinan 250003，China；2.Shandong Zhongshi Yitong GroupCo.，Ltd.，Jinan 250003，China）

Flow characteristics of three kinds of pulverized coal feeding ducts are analyzed and several principles of isokinetic sampling are studied.Performances of several fixed sampling devices used in power plants are compared.Among them，the horizontal hidden-arm isokinetic sampling device in the whole cross section can greatly improve the accuracy and representativeness of pulverized coal sampling.Moreover，combined with the laser measurement technology，it can be produced to be the online-laser particle size measurement device meeting plants requirements.

pulverized coal sampling；direct-firing type；pulverizing system；isokinetic sampling

TM621.7

A

1007－9904（2015）12－0010－05

2015-09-15

侯凡軍（1971），男，高級(jí)工程師，從事電廠鍋爐性能試驗(yàn)及煤粉燃燒工作；

劉科（1986），男，工程師，從事電廠鍋爐性能試驗(yàn)及煤粉燃燒工作。