李永明，　蘇明旭，　周健明，　袁安利，　蔡小舒

(上海理工大學(xué) 能源與動(dòng)力工程學(xué)院，顆粒與兩相流測(cè)量技術(shù)研究所，上海 200093)

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超聲波測(cè)量電廠煤粉管道內(nèi)煤粉體積分?jǐn)?shù)的研究

李永明，蘇明旭，周健明，袁安利，蔡小舒

(上海理工大學(xué) 能源與動(dòng)力工程學(xué)院，顆粒與兩相流測(cè)量技術(shù)研究所，上海 200093)

摘要：提出了一種管內(nèi)煤粉體積分?jǐn)?shù)的超聲波測(cè)量方法，設(shè)定中心頻率為31 kHz的一體式超聲波探針，基于聲散射理論模型，利用數(shù)值模擬結(jié)果擬合出超聲波衰減系數(shù)隨煤粉體積分?jǐn)?shù)的變化關(guān)系，并對(duì)某電廠煤粉輸運(yùn)管道進(jìn)行了管內(nèi)不同深度測(cè)點(diǎn)煤粉體積分?jǐn)?shù)的在線測(cè)量實(shí)驗(yàn)，通過(guò)對(duì)超聲波信號(hào)分析得到對(duì)應(yīng)的衰減系數(shù)值，分析超聲波信號(hào)與煤粉體積分?jǐn)?shù)之間的關(guān)系，得到煤粉體積分?jǐn)?shù).結(jié)果表明：衰減系數(shù)與煤粉體積分?jǐn)?shù)存在線性關(guān)系；實(shí)驗(yàn)段煤粉管道內(nèi)煤粉體積分?jǐn)?shù)基本在0.09%～0.14%浮動(dòng)；所提方法可為管內(nèi)煤粉體積分?jǐn)?shù)的實(shí)時(shí)在線測(cè)量提供一種行之有效的手段.

關(guān)鍵詞：超聲波； 測(cè)量； 煤粉； 體積分?jǐn)?shù)

在燃煤電廠運(yùn)行中，對(duì)管道內(nèi)煤粉濃度的在線檢測(cè)與控制直接關(guān)系到鍋爐爐膛的燃燒效率，從而影響電廠運(yùn)行效率.管道內(nèi)煤粉濃度不均會(huì)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)荷以消除堵塞，從而影響電廠安全運(yùn)行.同時(shí)，各燃燒器中煤粉濃度相差太大，會(huì)引起火焰偏斜、結(jié)焦等安全性問(wèn)題.隨著火電機(jī)組向大型化發(fā)展，考慮到電廠運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性以及國(guó)家環(huán)保要求的提高，迫切需要對(duì)燃煤電廠進(jìn)行燃燒優(yōu)化，提高燃燒效率，降低煙塵、NOx和SOx的排放，減少制粉系統(tǒng)能耗.

目前，煤粉濃度主要是通過(guò)給煤機(jī)的總給煤量和各管道總風(fēng)量來(lái)推算的.圍繞這一問(wèn)題，國(guó)內(nèi)外針對(duì)在線煤粉濃度測(cè)量進(jìn)行了很多研究[1]，如采用靜電法[2]、光學(xué)法[3-4]、圖像法[5]、熱力學(xué)法、電容法、X射線法和微波法等[6-8].上述測(cè)量方法各有優(yōu)點(diǎn)，但大多存在應(yīng)用范圍狹窄的問(wèn)題，且在準(zhǔn)確性、安全性和經(jīng)濟(jì)性方面也有不足之處.鑒于聲音在傳播中具有比光更強(qiáng)的穿透能力，加之其波長(zhǎng)通常遠(yuǎn)大于微米級(jí)顆粒，受散射效應(yīng)影響較小，同時(shí)聲音傳播速度有限且與煤粉濃度緊密相關(guān)，亦可提供煤粉濃度和粒度信息，可考慮采用聲學(xué)方法對(duì)其進(jìn)行測(cè)量.筆者基于超聲波衰減理論對(duì)管道內(nèi)煤粉體積分?jǐn)?shù)的在線測(cè)量技術(shù)進(jìn)行研究.

1實(shí)驗(yàn)原理和實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

1.1實(shí)驗(yàn)原理

超聲波在煤粉空氣兩相介質(zhì)中傳播，會(huì)發(fā)生吸收、散射和耗散等現(xiàn)象，聲波幅值減小，產(chǎn)生超聲波衰減.超聲波與煤粉顆粒相互作用引起的衰減主要有：(1)散射.主要為超聲波入射至顆粒，而向不同方向散射所致；(2)黏性損失.由顆粒相與連續(xù)相間密度差異，顆粒對(duì)氣體的相對(duì)滑動(dòng)產(chǎn)生摩擦所致；(3)熱損失.由顆粒表面附近的溫度梯度所致.Epstein等[9-11]從微體積元的質(zhì)量、能量和動(dòng)量守恒出發(fā)，建立了能夠準(zhǔn)確描述球形顆粒在兩相離散系中聲波動(dòng)的ECAH模型，將聲衰減計(jì)算歸結(jié)為一個(gè)6階線性方程組的求解，模型較為復(fù)雜.因此根據(jù)Evans的耦合相模型和Wang等[12]的改進(jìn)方法預(yù)測(cè)懸浮體的衰減系數(shù)α0：

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

(6)

(7)

(8)

(9)

式中：ω為角頻率；ρ為密度；μ為運(yùn)動(dòng)黏度；φn為半徑an的顆粒的體積分?jǐn)?shù)；φv為顆粒體積分?jǐn)?shù)；φvρs為顆粒的質(zhì)量濃度；cp為比定壓熱容；λ為導(dǎo)熱系數(shù)；δv為黏性邊界層厚度；δt為熱邊界層厚度；γ為比熱比；下標(biāo)f和s分別代表連續(xù)相和顆粒相.

考慮到實(shí)際電廠中，從磨煤機(jī)出來(lái)的煤粉顆粒通常具有不規(guī)則的形狀且表面不光滑，采用式(10)對(duì)衰減系數(shù)進(jìn)行修正：

(10)

式中：τv為黏性弛豫時(shí)間；D和D0分別為非球形表面不光滑懸浮顆粒和球形光滑懸浮顆粒的分形維數(shù)，D-D0的值可以代表懸浮顆粒的不規(guī)則度和聚合度對(duì)分形維數(shù)的影響.

圖1為根據(jù)式(1)和式(10)得到的超聲波衰減系數(shù)、顆粒粒徑和體積分?jǐn)?shù)之間的關(guān)系，即在58 ℃時(shí)，煤粉和空氣的物性參數(shù)在超聲波頻率為31 kHz下的數(shù)值計(jì)算結(jié)果.從圖1可以看出，顆粒粒徑越小時(shí)，衰減系數(shù)隨顆粒體積分?jǐn)?shù)的變化趨勢(shì)越大.

圖1　衰減系數(shù)、顆粒粒徑和體積分?jǐn)?shù)的關(guān)系

Fig.1Relationship among ultrasonic attenuation coefficent, particle size and concentration

1.2實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

1.2.1一體式超聲波探針

筆者研制了一種不銹鋼一體式超聲波探針，具體探針結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖2.該探針采用同軸布置、設(shè)計(jì)中心頻率相同的超聲換能器.超聲換能器采用耐高溫復(fù)合振子結(jié)構(gòu)，金屬外殼內(nèi)壁附著一層隔振耦合材料，避免收發(fā)換能器的超聲波振動(dòng)信號(hào)直接沿管壁傳播，探針內(nèi)超聲換能器的間隙用固定灌封膠填充，黏性耦合材料布置在超聲換能器和金屬貼面保護(hù)層之間，克服了匹配阻抗差的缺點(diǎn)，保證信號(hào)的有效傳播，金屬貼面保護(hù)層能保護(hù)超聲波復(fù)合振子不受測(cè)量介質(zhì)的磨損.實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，測(cè)試了一系列不同頻率超聲換能器隨不同體積分?jǐn)?shù)顆粒的響應(yīng)，權(quán)衡不同超聲換能器的噪聲和衰減，采用中心頻率為31 kHz的超聲波探針用于煤粉顆粒兩相實(shí)驗(yàn)，同軸布置的2個(gè)超聲換能器的間距為67 mm，探針直徑為25 mm.硬件資源還包括用于產(chǎn)生脈沖信號(hào)的信號(hào)發(fā)生電路、數(shù)據(jù)采集電路和計(jì)算機(jī).此外，基于LabVIEW軟件編寫(xiě)超聲波信號(hào)采集和處理軟件.

圖2　一體式超聲波探針結(jié)構(gòu)圖

1.2.2實(shí)驗(yàn)方法

實(shí)驗(yàn)在江蘇太倉(cāng)協(xié)鑫發(fā)電廠3號(hào)機(jī)組上進(jìn)行，測(cè)量點(diǎn)選在3號(hào)爐B磨煤機(jī)1號(hào)出煤粉管.圖3為選定的燃煤電廠煤粉測(cè)量管道現(xiàn)場(chǎng)圖，測(cè)量段管徑約500 cm，氣流攜帶煤粉從下而上運(yùn)動(dòng).圖4為測(cè)量時(shí)探針插入管段的橫截面示意圖.

圖3　測(cè)量管段的現(xiàn)場(chǎng)圖

圖4　測(cè)量時(shí)管段的橫截面示意圖

實(shí)驗(yàn)中，把一體式超聲波探針沿管徑伸入煤粉管道內(nèi)在距離外管壁不同位置處進(jìn)行測(cè)量，分別距離外管壁為10 cm、15 cm、20 cm、25 cm、30 cm、35 cm、40 cm和45 cm，共8個(gè)測(cè)點(diǎn).每個(gè)測(cè)點(diǎn)測(cè)量時(shí)間持續(xù)1～2 min，測(cè)量頻率為10次/s.測(cè)量過(guò)程中，安置在一體式超聲波探針中的超聲換能器發(fā)出超聲波，經(jīng)過(guò)煤粉介質(zhì)時(shí)信號(hào)強(qiáng)度和相位均發(fā)生變化，然后被布置在對(duì)面的換能器接收，為達(dá)到實(shí)時(shí)同步測(cè)量，信號(hào)發(fā)生電路會(huì)送一路同步信號(hào)至數(shù)據(jù)采集卡，記錄各個(gè)測(cè)點(diǎn)上的信號(hào)，留待后續(xù)處理.由于超聲波信號(hào)受溫度影響，因而必須考慮進(jìn)入爐膛燃燒的一次風(fēng)及其攜帶的煤粉的溫度，經(jīng)熱電偶測(cè)量，此段煤粉輸運(yùn)管道的溫度約為58 ℃，而本文所用方法的準(zhǔn)確度與背景信號(hào)息息相關(guān)，因此，計(jì)算中所用背景信號(hào)均為一體式超聲波探針在此溫度下的超聲波信號(hào).圖5和圖6給出了58 ℃時(shí)背景信號(hào)的波形圖和頻譜分析圖.

圖5　58 ℃時(shí)背景信號(hào)的波形圖

圖6　58 ℃時(shí)背景信號(hào)的頻譜分析圖

2結(jié)果與討論

2.1數(shù)值分析結(jié)果

表1給出了數(shù)值模擬計(jì)算中采用的煤粉和58 ℃時(shí)空氣的物性參數(shù).

在顯微鏡下觀察得到煤粉樣品的平均直徑為55.9 μm，圖7給出了顯微鏡觀察到的煤粉顆粒粒徑分布圖.數(shù)值模擬中設(shè)定煤粉體積分?jǐn)?shù)變化范圍為0.000 1%～1%，圖8給出了此條件下衰減系數(shù)與煤粉體積分?jǐn)?shù)的關(guān)系，根據(jù)數(shù)值模擬所得結(jié)果進(jìn)行最小二乘擬合，圖中實(shí)線即為擬合得到的衰減系數(shù)與煤粉體積分?jǐn)?shù)關(guān)系曲線.由圖8可知，隨著煤粉體積分?jǐn)?shù)的增大，衰減系數(shù)呈線性遞增.

表1　煤粉和空氣的物性參數(shù)

圖7　煤粉顆粒粒徑分布柱狀圖

圖8　衰減系數(shù)與煤粉體積分?jǐn)?shù)的關(guān)系

實(shí)驗(yàn)中，氣固兩相流的衰減系數(shù)α按照式(11)進(jìn)行計(jì)算：

(11)

式中：L為聲程,即發(fā)射與接收探頭之間的距離；A0和A1分別為空氣(背景)和煤粉分別經(jīng)過(guò)測(cè)量區(qū)時(shí)，超聲換能器接收的超聲波聲壓幅值.

根據(jù)理論模型和數(shù)值模擬分析的結(jié)果可知，對(duì)于給定頻率，在一定體積分?jǐn)?shù)范圍內(nèi)，衰減系數(shù)與煤粉體積分?jǐn)?shù)φ之間存在線性關(guān)系，即

(12)

其中，m和n為常數(shù).

由圖8擬合數(shù)據(jù)，得出式(12)的具體表達(dá)式為α=10 479.57φ+0.83.通過(guò)實(shí)驗(yàn)分別測(cè)得聲壓幅值A(chǔ)0和A1，再根據(jù)式(11)計(jì)算衰減系數(shù)α，代入式(12)即可得到煤粉的體積分?jǐn)?shù).

2.2煤粉體積分?jǐn)?shù)計(jì)算結(jié)果

燃燒器橫截面上煤粉體積分?jǐn)?shù)的分布主要取決于煤粉在管道內(nèi)的流動(dòng)特性.橫截面煤粉體積分?jǐn)?shù)分布不均，會(huì)引起局部缺氧、著火困難、燃燒不穩(wěn)定、噴嘴局部燒壞和爐內(nèi)結(jié)渣等現(xiàn)象.而通過(guò)檢測(cè)煤粉輸運(yùn)管道截?cái)嗝婷悍垠w積分?jǐn)?shù)的分布情況，可以間接地診斷管道供給燃燒器入口的煤粉在橫截面上是否均勻，實(shí)驗(yàn)中通過(guò)移動(dòng)一體式超聲波探針來(lái)對(duì)煤粉管道橫截面的體積分?jǐn)?shù)進(jìn)行測(cè)量，以達(dá)到診斷目的.

對(duì)采集的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，將每個(gè)測(cè)點(diǎn)獲得的數(shù)據(jù)取平均值，表2給出了8個(gè)測(cè)點(diǎn)的測(cè)量結(jié)果.從表2可以看出，總的來(lái)說(shuō)，這8個(gè)測(cè)點(diǎn)的平均幅值沒(méi)有太大區(qū)別，而在管道截面上，兩端靠近壁面處獲得的超聲波信號(hào)平均幅值比管道中央的平均幅值偏大.而沿管徑方向的煤粉平均體積分?jǐn)?shù)基本在0.095%～0.13%內(nèi)變化，相對(duì)來(lái)說(shuō)煤粉在管道截面內(nèi)的分布還是比較均勻的，明顯在一次風(fēng)作用下，可以基本忽略壁面黏性力和其他阻力對(duì)煤粉體積分?jǐn)?shù)分布的影響，判斷此處管道給料均勻，一次風(fēng)管道輸運(yùn)情況良好.

表2　測(cè)點(diǎn)測(cè)量結(jié)果

圖9給出了插入管道內(nèi)部30 cm測(cè)點(diǎn)的煤粉體積分?jǐn)?shù)在1 min內(nèi)的變化情況.由圖9可知，此測(cè)點(diǎn)處煤粉體積分?jǐn)?shù)基本在0.09%～0.14%內(nèi)浮動(dòng).圖9(a)給出了每0.5 s隨機(jī)選擇一個(gè)采樣得到的數(shù)據(jù)所得的煤粉體積分?jǐn)?shù)隨時(shí)間的變化情況，平均體積分?jǐn)?shù)為0.118 3%，標(biāo)準(zhǔn)偏差為0.011 4%；圖9(b)給出了每0.5 s采樣得到的5個(gè)數(shù)據(jù)取平均之后的煤粉體積分?jǐn)?shù)隨時(shí)間的變化情況，平均體積分?jǐn)?shù)為0.119 1%，標(biāo)準(zhǔn)偏差為0.008 7%.說(shuō)明通過(guò)平均處理之后得到的煤粉體積分?jǐn)?shù)的變化情況更穩(wěn)定.

(a)

(b)

為了進(jìn)一步研究管道內(nèi)的煤粉參數(shù)特征，對(duì)煤粉管道進(jìn)行了較長(zhǎng)時(shí)間的測(cè)量，圖10給出了管道內(nèi)部30 cm測(cè)點(diǎn)的煤粉體積分?jǐn)?shù)在1 h內(nèi)的變化趨勢(shì)，圖中實(shí)驗(yàn)值是通過(guò)平均處理之后得到的值.從圖10可以看出，此處煤粉的體積分?jǐn)?shù)基本在0.09%～0.14%內(nèi)波動(dòng)，平均體積分?jǐn)?shù)為0.122%，標(biāo)準(zhǔn)偏差為0.013 3%，平均處理之后的平均體積分?jǐn)?shù)為0.120%，標(biāo)準(zhǔn)偏差為0.010 0%.煤粉體積分?jǐn)?shù)的波動(dòng)反映了風(fēng)速對(duì)體積分?jǐn)?shù)的影響，由于一次風(fēng)行進(jìn)過(guò)程中吹掃風(fēng)和管路風(fēng)的流入，使得氣流變得不穩(wěn)定，導(dǎo)致煤粉體積分?jǐn)?shù)波動(dòng)范圍增大，但均值基本保持不變.從圖10還可以看出，此一次風(fēng)煤粉管道輸運(yùn)的煤粉體積分?jǐn)?shù)均勻性良好，而此處一次風(fēng)及其攜帶的煤粉距離爐膛入口已非常近，穩(wěn)定、均勻的煤粉體積分?jǐn)?shù)非常有利于爐膛內(nèi)部的燃燒.

圖10　煤粉體積分?jǐn)?shù)在1 h內(nèi)的變化

值得強(qiáng)調(diào)的是，超聲波測(cè)量方法測(cè)量獲得的煤粉體積分?jǐn)?shù)是單位體積內(nèi)的煤粉體積，與電廠通常定義的單位體積攜帶的煤粉質(zhì)量是有區(qū)別的，由于煤粉的速度低于一次風(fēng)風(fēng)速，故按此方法測(cè)得的煤粉體積分?jǐn)?shù)會(huì)略大于通常定義的煤粉質(zhì)量濃度.

3結(jié)論

針對(duì)燃煤電廠送粉系統(tǒng)煤粉體積分?jǐn)?shù)的監(jiān)測(cè)，采用一體式超聲波探針對(duì)煤粉輸運(yùn)管道內(nèi)的煤粉體積分?jǐn)?shù)進(jìn)行了測(cè)量，結(jié)果表明：該測(cè)量管道截面煤粉體積分?jǐn)?shù)分布是不均勻的；衰減系數(shù)與煤粉體積分?jǐn)?shù)存在線性關(guān)系；實(shí)驗(yàn)中管道內(nèi)煤粉體積分?jǐn)?shù)基本在0.09%～0.14%內(nèi)波動(dòng).所用超聲波測(cè)量方法可為管內(nèi)煤粉體積分?jǐn)?shù)的實(shí)時(shí)在線測(cè)量提供一種行之有效的手段，具有較高的線性和靈敏度，可應(yīng)用于送粉管一次風(fēng)的煤粉體積分?jǐn)?shù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，在其他與此相關(guān)的顆粒濃度工業(yè)測(cè)量中也具有較高的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值.

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Ultrasonic Measurement of Pulverized-coal Concentration in Power Plant Pipelines

LIYongming,SUMingxu,ZHOUJianming,YUANAnli,CAIXiaoshu

(Institute of Particle and Two-phase Flow Measurement, School of Energy and Power Engineering,University of Shanghai for Science and Technology, Shanghai 200093, China)

Abstract：An ultrasonic method including a one-piece ultrasonic probe with 31 kHz center frequency was proposed for measurement of pulverized-coal concentration in power plant pipelines. Based on the model of acoustic scattering theory, the relationship between ultrasonic attenuation coefficient and pulverized-coal concentration was fitted by numerical simulation. The method was applied to measure the pulverized-coal concentration in different depths of the conveying pipeline in a power plant. Corresponding acoustic attenuation values were acquired by analyzing the oneline measurements of ultrasonic signals, then the pulverized-coal concentration was obtained based on analysis of the relationship between the ultrasonic attenuation coefficients and the pulverized-coal concentration. Results show that there exists a linear relationship between the ultrasonic attenuation coefficient and the pulverized-coal concentration; the volumetric concentration of pulverized coal in the test section of pipeline lies in 0.09%-0.14%. Therefore the proposed method may serve as a reference for online measurement of pulverized-coal concentration in power plant pipelines.

Key words：ultrasonic wave; measurement; pulverized coal; concentration

文章編號(hào)：1674-7607(2016)03-0201-06

中圖分類(lèi)號(hào)：TK31

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A學(xué)科分類(lèi)號(hào)：470.10

作者簡(jiǎn)介：李永明(1989-)，男，四川成都人,碩士研究生，主要從事顆粒與兩相流測(cè)量方面的研究.

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51176128)；上海市研究生創(chuàng)新基金資助項(xiàng)目(JWCXSL1302)

收稿日期：2015-03-20

修訂日期：2015-07-06

蘇明旭(通信作者)，男，教授，博士，電話(Tel.)：021-55274152; E-mail：sumx@usst.edu.cn.