侯懷書, 陳朝雷, 朱兵兵, 嚴禎榮(. 上海應用技術(shù)大學 機械工程學院, 上海 048; . 上海鍋爐廠有限公司, 上海 0045)

燃煤鍋爐中煤粉流量的超聲波在線檢測

侯懷書1, 陳朝雷1, 朱兵兵1, 嚴禎榮2
(1. 上海應用技術(shù)大學 機械工程學院, 上海 201418; 2. 上海鍋爐廠有限公司, 上海 200245)

以ECAH理論模型為基礎，分析了煤粉氣固兩相流中煤粉體積分數(shù)與超聲波衰減系數(shù)之間的關(guān)系，通過兩支同軸且軸線與煤粉管道軸線成45°夾角的超聲波探頭測試煤粉的流速與煤粉顆粒的體積分數(shù)，實現(xiàn)了煤粉氣固兩相流中煤粉流量的在線檢測。結(jié)果表明：采用超聲波方法在線檢測氣固兩相流中的煤粉流量與實際試驗測試平臺所設定的給煤量吻合較好，表明了該方法在線檢測煤粉流量的可行性與可靠性。

氣固兩相流；煤粉流量；超聲波；在線檢測；ECAH理論模型

火力發(fā)電是目前我國主要的發(fā)電方式，電站鍋爐作為火力電發(fā)站的3大主機設備之一，伴隨著我國火電行業(yè)的發(fā)展而發(fā)展，其中火力發(fā)電所使用的煤，占工業(yè)用煤總量的50%以上。據(jù)統(tǒng)計，全國大約90%的SO2排放和80%的CO2排放由火力發(fā)電用煤產(chǎn)生。燃煤鍋爐各燃燒器之間煤粉含量的不均勻會對鍋爐的燃燒產(chǎn)生很大影響，若各個燃燒器中的煤粉含量相差太大，則燃燒不能很好的組織，會引起火焰偏斜、結(jié)焦、燃燒不穩(wěn)、排放增加等問題，嚴重時還會造成鍋爐部件損壞[1-2]。此外，煤粉含量不均勻還有可能造成煤粉管道堵塞，嚴重時電廠將被迫停機或減負荷運行以消除堵塞，從而給電廠造成重大經(jīng)濟損失，同時影響電廠的安全運行。因此，實現(xiàn)煤粉流量的在線檢測對于實現(xiàn)鍋爐燃燒優(yōu)化，提高燃燒效率，降低污染排放具有十分重要的作用。

目前，多數(shù)燃煤鍋爐運行過程中的煤粉含量是從給煤機的總給煤量和各管道的總風量來推算的。近些年來，國內(nèi)外在煤粉含量和流量的在線檢測方面進行了較多的研究，如采用微波法[3]、電容法[4]、激光法[5]、電磁法[6]、熱平衡法[7]、輻射法[8]、超聲波法[9]等。在上述方法中，超聲波法具有明顯的檢測優(yōu)勢，具體表現(xiàn)如下：①取樣量大，有較好的代表性；②超聲波穿透能力強，可用于檢測較高含量的煤粉；③能經(jīng)受較高溫度及劇烈的溫度變化等。筆者主要介紹了在鍋爐測試試驗平臺安裝超聲波檢測裝置實現(xiàn)煤粉流量在線檢測的方法，以供參考。

1 檢測原理

超聲波在線檢測煤粉流量由兩部分組成：首先測定煤粉含量，然后測定煤粉流速，在已知煤粉管道直徑的前提下，利用下式計算得到煤粉流量：

式中：Q為煤粉流量；v為煤粉流速；A為管道橫截面積；φ為煤粉體積分數(shù)。

1.1 煤粉含量測定

超聲波在煤粉氣固兩相流中的傳播過程中會產(chǎn)生衰減，衰減原因較為復雜，而黏性損失、熱損失、散射損失和內(nèi)部吸收損失起主要作用。ECAH(Epstein,Carhart,Allegra,Hawley)理論模型[10-13]全面考慮了黏性損失、熱損失、散射損失以及內(nèi)部吸收損失等損失機制，從微體積元中的質(zhì)量、動量以及能量守恒定律出發(fā)，精確描述了球形顆粒在兩相介質(zhì)中的聲波動行為，利用該模型建立了聲衰減系數(shù)與煤粉顆粒體積分數(shù)之間的理論關(guān)系：

式中：α為聲衰減系數(shù)；R為煤粉顆粒半徑；n為與粒徑分布相關(guān)的線性方程的數(shù)目；An為與粒徑分布相關(guān)的線性方程組系數(shù)；Re表示復數(shù)的實部；Kc為縱波復波數(shù)；ω為超聲波角頻率;c為聲速;αL為煤中的縱波聲衰減系數(shù);i為虛部符號。

從式(2)可以看出，當已知煤粉顆粒的粒徑分布和超聲波的有效頻率范圍時，如果獲得了氣固兩相流中的聲衰減系數(shù)，就可以求出煤粉顆粒的體積分數(shù)。

1.2 煤粉流速檢測

已知超聲波在煤粉氣固兩相流中的傳播路徑長度L，空氣中的超聲波速度C，以及聲波方向與兩相流運動方向的夾角θ，則超聲波順著兩相流流動方向的傳播時間(以下簡稱聲時)為：

超聲波逆著兩相流流動方向的聲時為：

由式(4)和式(5)可以得到：

式(6)中，超聲波傳播距離L和角度θ均為定值，因此，影響煤粉顆粒相流速的主要因素為超聲波順兩相流流動方向的聲時tv和逆兩相流流動方向的聲時tr。tv和tr作為測定值，恰當?shù)男盘柼幚矸绞绞潜ＷC其準確性的關(guān)鍵[14]，其影響因素主要有以下幾個方面：①一對超聲波探頭發(fā)射面之間的平行度，主要影響超聲波信號的相位計算，該研究中檢測部分為單獨加工后整體安裝到煤粉主管道上，保證了探頭發(fā)射面之間的平行度；②探頭發(fā)射表面的粗糙度(主要防止探頭表面煤粉的粘結(jié))，主要影響超聲波信號的相位計算以及由于超聲波傳播距離改變導致聲時變化，該研究中在兩只超聲波探頭前面分別增加了吹風口，避免了煤粉在探頭表面的粘結(jié)；③信號采集過程中的分辨率，直接影響超聲波信號的聲時計算，該研究中所采用的采樣頻率為40 MHz，遠遠超過檢測超聲波的頻率，分辨率滿足檢測要求。

2 檢測裝置

該研究中的檢測裝置主要由低頻超聲波探頭、超聲波信號發(fā)生接收器、A/D卡、工業(yè)計算機以及檢測軟件組成，檢測系統(tǒng)組成示意圖如圖1所示。

圖1 煤粉流量超聲波檢測系統(tǒng)示意圖Fig.1 Sketch of ultrasonic testing system for pulverized coal flux

如圖1所示，兩支超聲波探頭在安裝時，應使探頭軸線同心，與煤粉管道軸線成45°夾角，探頭A發(fā)射超聲波后由探頭B接收，可以測試順煤粉流動方向的聲時，探頭B發(fā)射超聲波后由探頭A接收，可以測試逆煤粉流動方向的聲時。測定煤粉氣固兩相流中的超聲波衰減系數(shù)時固定選用一個探頭接收的超聲波信號進行分析。測定超聲波的衰減系數(shù)時，首先測得空氣中的超聲波信號作為背景信號，然后測試在煤粉中通過后的超聲波信號，超聲波衰減系數(shù)按照下式計算：

式中：α為超聲波衰減系數(shù)；A1為煤粉氣固兩相流中的超聲波信號幅值；A0為空氣中的超聲波信號幅值；L為兩探頭之間的距離。

3 試驗材料與方法

試驗中所選用的超聲波探頭中心頻率為200 kHz，兩支探頭的距離為210 mm，煤粉管道內(nèi)徑為78 mm，設定煤粉氣固兩相流的溫度為80 ℃，所測煤粉的粒徑分布范圍為60～100 μm。

4 試驗結(jié)果與討論

首先測得空氣通過測試段時的超聲波信號如圖2所示。對該超聲波信號作快速傅里葉(FFT)變換，得到其頻譜信號如圖3所示?？梢?，空氣超聲波信號主要頻率成分為95～140 kHz，峰值超聲波頻率為110 kHz。

圖2 空氣背景超聲波信號Fig.2 Ultrasonic signal while air transit

圖3 空氣超聲波信號頻譜圖Fig.3 Spectrum of ultrasonic signal while air transit

順煤粉流動方向和逆煤粉流動方向的超聲波信號分別如圖4和圖5所示。分析圖4和圖5，求得順煤粉流動方向與逆煤粉流動方向的聲時分別為0.524 4 ms和0.587 6 ms，代入式(6)求出煤粉的流動速率為11.313 3 m·s-1。

圖4 順煤粉流動方向的超聲波信號Fig.4 Ultrasonic signal in the pulverized coal flow direction

圖5 逆煤粉流動方向的超聲波信號Fig.5 Ultrasonic signal against the pulverized coal flow direction

利用ECAH理論，分析煤粉顆粒粒徑分布在60～100 μm時，超聲波有效頻率為95～140 kHz情況下，顆粒相的體積分數(shù)與超聲波衰減系數(shù)之間的關(guān)系，如圖6所示。

圖6 煤粉顆粒體積分數(shù)-超聲波衰減系數(shù)曲線Fig.6 Pulverized coal particle volume fraction-ultrasonic attenuation coefficient curve

以二階方程擬合圖6曲線得到如下公式：

y=-0.000 004 38+0.003 859 41x+

式中：y為煤粉顆粒的體積分數(shù)，x為超聲波衰減系數(shù)。

利用圖2所得的110 kHz空氣背景下超聲波信號和圖4所得的煤粉超聲波信號計算得出該時刻超聲波衰減系數(shù)為0.371 539 Np·m-1，代入式(8)，計算得到煤粉顆粒的體積分數(shù)為0.143%，將求得的煤粉流速與含量代入式(1)得到煤粉的流量為0.000 071 567 9 m3·s-1，按照煤粉密度1 400 kg·m-3計算，可得出相應的煤粉質(zhì)量流量約為0.100 195 kg·s-1，該測定結(jié)果與上海鍋爐廠有限責任公司鍋爐試驗平臺所控制的煤粉輸送量360 kg·h-1相吻合，圖7所示為某個時間段內(nèi)煤粉流量的實時檢測曲線。

圖7 某時段內(nèi)煤粉流量實時監(jiān)測曲線Fig.7 The pulverized coal flux real-time monitoring curve during a certain period of time

該研究中，每秒檢測一次煤粉流量，由圖7可見，在第8秒、第9秒以及第16秒時，分別出現(xiàn)了流量的短暫上升，明顯與實際情況不吻合，造成這種現(xiàn)象的原因極有可能為煤粉顆粒出現(xiàn)團聚現(xiàn)象，導致超聲波衰減系數(shù)異常增大，因此在線檢測得到的煤粉流量出現(xiàn)波動，但持續(xù)時間非常短暫，不會對整體煤粉流量的實時檢測造成影響。

5 結(jié)論

采用基于ECAH理論模型的超聲波方法在線檢測煤粉氣固兩相流中的煤粉流量，檢測結(jié)果與實際煤粉輸送量吻合較好，證明了該檢測方法的可行性與可靠性。

[1] 敖哲. 鍋爐水冷壁爆管原因分析[J].理化檢驗-物理分冊,2014,50(4):296-298.

[2] 黃衛(wèi)沖.鍋爐對流管開裂原因分析[J].理化檢驗-物理分冊,2014,50(5):365-367.

[3] YAN Y.Mass flow measurement of bulk solids in pneumatic pipelines[J].Measurement Science and Technology,1996,7(12):1687-1706.

[4] 劉仁學,金鋒,陸增喜,等.高爐噴吹煤粉總管質(zhì)量流量的在線連續(xù)測量[J].鋼鐵,2000,35(1):9-12.

[5] 秦授軒,蔡小舒.在線測量煤粉粒度分布和濃度的實驗研究[J].中國電機工程學報,2010,30(32):30-34.

[6] 廖宏楷,周昊,楊華,等.風煤在線測量的鍋爐燃燒優(yōu)化系統(tǒng)[J].動力工程,2005,25(4):559-562.

[7] 方彥軍,李敏.火電廠鍋爐一次風風速及給粉濃度在線監(jiān)測系統(tǒng)[J].動力工程,1998,18(6):47-49.

[8] BARRATT I R,YAN Y,BYRNE B,etal.Mass flow measurement of pneumatically conveyed solids using radiometric sensors[J].Flow Measurement and Instrumentation,2000,11(3):223-235.

[9] 侯懷書,段廣彬,蘇明旭,等.煤粉氣-固兩相流的超聲波衰減特性[J].中國粉體技術(shù),2012,18(6):39-41.

[10] EPSTEIN P S,CARHART R R.The absorption of sound in suspensions and emulsions I Water fog in air[J].The Journal of the Acoustical Society of America,1953,25(3):553-565.

[11] ALLEGRA J R.Attenuation of sound in suspensions and emulsions:Theory and experiments[J].The Journal of the Acoustical Society of America,1972,51(5):1545-1564.

[12] MCCLEMENTS D J.Principles of ultrasonic droplet size determination in emulsions[J].Langmuir,1996,12(14):3454-3461.

[13] SU M X,XUE M H,CAI X S,etal.Particle size characterization by ultrasonic attenuation spectra[J].Particuology,2008,6(4):276-281.

[14] 侯懷書,蔡小舒,蘇明旭,等.利用LabVIEW確定超聲波相速度譜和反射波相位譜[J].無損檢測,2008,30(10):716-718.

On-line Ultrasonic Measurement of Pulverized Coal Flux in Coal-powder Boilers

HOU Huai-shu1, CHEN Chao-lei1, ZHU Bing-bing1, YAN Zhen-rong2
(1. College of Mechanical Engineering, Shanghai Institute of Technology, Shanghai 201418, China;2. Shanghai Boiler Works Ltd., Shanghai 200245, China)

Based on ECAH theoretical model, the relationship between the pulverized coal volume fraction and the ultrasonic attenuation coefficient in pulverized coal solid-gas two-phase flow was analyzed. The pulverized coal flow velocity and volume fraction were measured with two ultrasonic probes whose axes were concentric with a 45° angle to the pulverized coal pipeline axis, and the on-line measurement of pulverized coal flux of pulverized coal solid-gas two-phase flow was realized. The results show that the test results obtained by ultrasonic method agreed well with the actual supply quantity of pulverized coal pre-set on the test platform, which indicated that measuring the pulverized coal flux with this method was feasible and reliable.

gas-solid two-phase flow; pulverized coal flux; ultrasonic; on-line measurement; ECAH theoretic model

2016-09-01

上海市質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督局科研計劃資助項目(2013-51)

侯懷書(1972-)，男，副教授，博士，主要從事超聲波檢測的研究，hhs927@126.com。

10.11973/lhjy-wl201702008

TG115.28

A

1001-4012(2017)02-0110-04