CN102095605A - 双调节静压不平衡煤粉等速取样系统及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种双调节静压不平衡煤粉等速取样系统及其方法，它结构简单，使用方便，可真正实现自动等速取样，极大提高了煤粉取样的准确性，得到真实可靠的煤粉浓度和煤粉细度的测试数据，使锅炉的燃烧调整做到有根据，避免盲目调整。其结构为：它包括静压取样装置，静压取样装置通过电加热取样管路和取样阀与电加热分离设备连接，电加热分离设备通过取样管路与双调节装置连接，双调节装置入口与压缩气源连接；同时压缩气源还通过差压获取装置与静压取样装置连接；控制器分别控制双调节装置和差压获取装置。

Description

双调节静压不平衡煤粉等速取样系统及其方法

技术领域

本发明涉及一种煤粉取样系统和方法，尤其涉及一种双调节静压不平衡煤粉等速取样系统及其方法。

背景技术

煤粉浓度和煤粉细度是燃煤火力发电厂燃烧调整的重要参数，对锅炉的安全经济运行具有重大影响。随着国家对火力发电机组环保和节能要求的逐步提高，采用直吹式制粉系统的大型机组得到了广泛应用。直吹式制粉系统中煤粉浓度和细度监测一直是困扰电厂锅炉技术人员的难题。在直吹式制粉系统中，一台磨煤机同时有多根出口煤粉管，各煤粉管道的煤粉浓度是不同的。若煤粉浓度偏差过大，会影响各燃烧器的风煤比，造成燃烧效率下降、燃烧不稳定、结渣、NOx排放增加等问题。煤粉细度对燃烧和磨煤机单耗也有较大影响，煤粉过粗，飞灰含碳量就会变大，锅炉燃烧效率会下降；煤粉过细，机组制粉系统出力下降，制粉系统单耗会升高，在飞灰含碳量变化不大的情况下，整个锅炉机组效率也会下降。煤粉取样逐渐成为电厂节能减排的关键技术而受到重视。

目前国内外都在开展煤粉在线测量技术研究，如微波法、电容法、超生波法等。但这些方法不能适应现场复杂多变的环境，通用性和实用性不强。由于没有成熟的在线测量技术，电厂在运行过程中一直无法对直吹式制粉系统中的煤粉运行状况进行连续监测。现在普遍采用的方法还是直接从气固两相流中对煤粉颗粒进行取样，以确定煤粉浓度和煤粉细度。

对气固两相流进行取样时，会出现以下四种情况：吸入速度等于、小于或大于来流速度；或吸入速度虽与来流速度相等，但取样探头没有正对气流方向。后三种情况都会使探头进口附近的气流流线改变方向。由于固体颗粒的密度比气体颗粒的密度大得多，所以当取样使吸入速度和来流速度不相等时，固体颗粒会因惯性力的作用而脱离弯曲的气流流线，造成取样误差。因此要提高煤粉取样的准确性，必须实现等速取样。所谓等速取样，即让进入取样探头进口的吸气速度与探头前的来流速度相等。常用的煤粉等速取样方法有静压平衡式煤粉等速取样方法和预测流速式煤粉等速取样方法，依据不同取样方法，也制造了不同形式的煤粉取样装置，目前国内应用的直吹式制粉系统煤粉取样装置有以下几种形式：

(1)德国的AKOMA静压平衡式煤粉取样装置

采用静压平衡式等速取样方法，可以实现对煤粉管道的全截面取样，煤粉代表性好，但其价格昂贵，适合试验研究，不适合于电厂现场应用，同时由于其取样原理的限制，存在系统取样误差。

(2)丹麦的PFS煤粉取样装置

属于便携式煤粉取样装置，采用预测流速式等速取样方法，其主要不足是存在转动设备，结构复杂，设备故障率高，适合试验研究。

(3)固定式煤粉取样装置

现在很多电厂安装了固定式煤粉取样装置，其结构简单，操作方便，缺点是无法真正实现等速，所取煤粉样代表性差，而且设备容易生锈卡涩、取样管堵塞而无法使用。

煤粉等速取样有静压平衡式和预测流速式两种方法。

预测流速式煤粉等速取样方法所采用的取样枪有单点弯头式、单点平头式和多点式。以单点弯头式为例，预先用皮托管测出一次风管道内各采样点处的流速，并按所选用的采样探头内径计算出等速情况下各点所需的采样流量，然后将取样装置放入一次风管道，调节抽气流量至计算得到的采样流量，即可实现等速取样。当采用节流装置监测抽气流量时，需要对所测风量进行温度和压力修正，根据所测得的一次风状态参数，把采样流量换算到气体流量计所在位置处气体状态参数下的抽气流量。若需对多点取样，就要预先测量每一点的流速，可见预测流速法是比较复杂的，计算繁琐，适应性差。

静压平衡式煤粉等速取样所用取样枪有弯头式和平头式两种。以弯头式取样枪为例介绍一下静压平衡式煤粉等速取样原理。弯头式取样探头的结构如图1所示。探头外侧开有测压孔用于测量来流静压，探头内侧开有测压孔用于测量探头内气流静压。若认为被取样流体为理想气体，不考虑阻力的影响，根据伯努里方程：

$\frac{{\mathrm{\ρ}}_0{w}_0^2}{2}+p_0=\frac{\mathrm{\ρ}{w}^2}{2}+p_n$ (公式1)

式中p₀，p_n-来流和探头内的静压，Pa；

    w₀，w-来流速度和吸入速度，m/s；

    ρ₀，ρ-来流和探头内气体密度，kg/m³。

气体被吸入前后温度相同，探头内外的气体密度相等，ρ₀＝ρ，当取样探头内的静压和探头外的静压相等，即p₀＝p_n时，由上式可得w₀＝w，即吸入速度与来流速度相等，可以实现等速取样。德国进口AKOMA煤粉等速取样装置即采用上面的取样原理。

但实际上只保持内外静压相等往往达不到等速取样的目的，原因是实际气流都具有粘性，在从取样进口至内静压孔一段距离内存在各项阻力损失，阻力损失的绝对值虽然很小，但是足以影响等速取样的准确性。考虑阻力影响后，伯努里方程变为：

$\frac{{\mathrm{\ρ}}_0{w}_0^2}{2}+p_0=\frac{\mathrm{\ρ}{w}^2}{2}+p_n+\mathrm{\Σ\Δp}$ (公式2)

式中∑Δp-各项阻力损失之和，Pa；

总阻力损失∑Δp为探头进口阻力损失、沿程摩擦阻力损失及速度再分布损失之和。总阻力损失可以采取措施适当减小，但却不可避免。

由于阻力损失的存在，当p₀＝p_n时，由上式可得w₀＞w，即吸入速度小于来流速度，其相对不等速程度可高达-25.1～-29.5％，远远地偏离了等速取样工况，造成取样不准。只有在p₀＞p_n时才能达到等速的要求。

为了减小因阻力损失造成的取样误差，以前的研究者通过增大探头入口流通面积的方法，降低流速，增加静压，自动补偿探头进口段的总阻力损失。图2为补偿式静压平衡式等速取样探头的结构图，在进口段后紧接着是一扩压段，在扩压段内的静压p₂大于无扩压段时的静压p_n，当增加的静压等于进口至静压测孔间的阻力损失时，就可以实现静压零位等速取样，即p₂-p₀＝0时，w₁＝w₀。以上分析都是在气体单相流的条件下进行的，但进行煤粉取样时，实际气体为气固两相流。在气固两相流状态下，流动状态非常复杂，要想精确计算出各项阻力损失并设计出相应探头结构是非常困难的。因此即使采用补偿式静压零位探头，也不能保证实现等速取样。

显然，在如何实现等速取样的问题上，先前的研究者一直拘泥于如何实现静压平衡，即p₀-p_n＝0，但如前面所述，由于气固两相流阻力损失的影响，无法实现真正等速。

实际上，根据公式(2)，只要使差压不平衡，即保证p₀-p_n＝∑Δp，就可以使w＝w₀，从而实现静压不平衡等速取样，但其中有两个关键问题要解决：

一是∑Δp的准确数值。在纯空气流过时，可以根据阻力计算公式计算出总阻力损失的大小，试验结果表明，在正常一次风速范围内，在不同流速条件下，总阻力损失值变化不大。当实际气固两相流流经取样探头时，总阻力损失∑Δp与纯空气时不同，要想在气固两相流状态下计算出总阻力损失在理论上是非常困难的。

二是如何保证差压始终维持与总阻力损失相同。事实证明，靠人工调节是无法满足要求的，只有采用先进的控制技术和方法才能满足要求。

发明内容

本发明的目的就是为解决上述问题，提供一种双调节静压不平衡煤粉等速取样系统及其方法，它结构简单，使用方便，可真正实现自动等速取样，极大提高了煤粉取样的准确性，得到真实可靠的煤粉浓度和煤粉细度的测试数据，使锅炉的燃烧调整做到有根据，避免盲目调整。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种双调节静压不平衡煤粉等速取样系统，它包括静压取样装置，静压取样装置通过电加热取样管路和取样阀与电加热分离设备连接，电加热分离设备与双调节装置连接，双调节装置与压缩气源连接；同时压缩气源还通过差压获取装置与静压取样装置连接；控制器分别控制双调节装置和差压获取装置。

所述差压控制装置包括一对传压管，压缩气源分别通过电磁阀A、电磁阀B与两传压管连通；同时两传压管还分别通过电磁阀C、电磁阀D与电磁阀E的两端连接，电磁阀E的两端还与差压变送器连接，差压变送器与控制器连接。

所述双调节装置包括调节阀A、调节阀B和射气抽气器，调节阀A通过取样管路与射气抽气器吸气口相连，调节阀B与射气抽气器入口相连；同时调节阀A和调节阀B分别与控制器连接。

一种双调节静压不平衡煤粉等速取样方法，它的步骤为：

第1步，煤粉取样前，对电加热分离设备和电加热取样管路进行电加热，加热到设定温度后保持温度恒定；

第2步，将静压取样装置通入压缩空气，压缩空气通过射气抽气器后产生负压，关闭取样阀，检查电加热分离设备的真空，防止空气泄漏；

第3步，真空检查完毕后，将静压取样装置放入一次风管道中，准备取样；

第4步，通过控制器输入所需要的差压定值，然后打开取样阀，控制器开始取样；

第5步，对传压管和静压取样装置的静压孔吹扫，将差压变送器输入差压归零，然后将静压取样装置所测静压输入差压变送器进行测量；测量后重新吹扫，重复本过程直至取样结束；

控制器将变送器差压信号与输入差压定值进行比较，并采用双调节差压控制方式：

若实测差压值大于差压定值，表明静压取样装置抽吸速度小于管道流速，控制器发出信号，同时开大调节阀A和调节阀B，使抽吸速度增大，直至恢复到差压定值；

若实测差压值小于差压定值，表明静压取样装置抽吸速度大于管道流速，控制器发出信号，同时关小调节阀A和调节阀B，使抽吸速度减小，直至恢复到差压定值；

第6步，到达设定的取样时间后，取样会自动停止，所有电动阀将不再动作；将静压取样装置从管道中取出，打开电加热分离设备，将煤粉取出进行称重和筛分，完成一次完整的煤粉取样工作。

所述第5步中，当调节阀A的开度超出其线性范围后，通过改变调节阀B的开度，改变压缩空气压力，使调节阀A重新回到线性范围；当调节阀B的开度超出其线性范围后，通过改变调节阀A的开度，改变压缩空气压力，使调节阀B重新回到线性范围。

所述第5步中，差压测量过程为：首先关闭电磁阀C和电磁阀D，打开电磁阀A和电磁阀B对传压管和取样探头上的静压孔进行吹扫，数秒后关闭电磁阀A和电磁阀B，然后打开电磁阀E，使差压变送器输入差压为零，然后关闭电磁阀E；打开电磁阀C和电磁阀D，将所测静压输入差压变送器进行测量，几十秒后，关闭电磁阀C和电磁阀D，停止测量；然后打开电磁阀A和电磁阀B重新进行吹扫，重复进行上述过程直至取样结束。

本发明的煤粉取样装置主要由煤粉取样枪、电加热取样管、取样阀、电加热分离设备、射气抽气器、传压管、差压变送器、控制器、调节阀A、调节阀B、电磁阀A、电磁阀B、电磁阀C、电磁阀D、电磁阀E组成。

煤粉取样枪的的作用一方面是将煤粉颗粒从气固两相流中抽取出来，另一方面是通过取样探头的两个静压孔测量差压信号。电加热取样管的作用是将煤粉取样枪与电加热分离设备连接起来。取样阀的作用是打开或关闭取样管路。电加热分离设备的作用是将煤粉颗粒从气固两相流中分离出来。射气抽气器的作用是当压缩空气流过时会产生足够大的负压，将送粉管道中的风粉气流抽吸出来与压缩空气混合后排入大气。传压管的作用是是将煤粉取样枪所测静压信号输入差压变送器。差压变送器的作用是将煤粉取样枪所测差压信号转换为标准电信号后输入控制器。控制器的作用是输入差压定值、实现煤粉取样装置的差压自动控制和电磁阀组的顺序控制。调节阀A的作用是接受控制器输出信号调节抽气量的大小。调节阀B的作用是接受控制器输出信号调节射气抽气器前压缩空气压力大小。电磁阀A和电磁阀B的作用是对传压管和静压孔进行吹扫，防止管路积粉。电磁阀C和电磁阀D的作用是在管路吹扫时关闭以保护差压变送器超量程损坏，在吹扫结束后打开，接通测量管路使差压变送器正常测量。电磁E的作用是在差压变送器每次测量前打开使两边静压平衡。

本发明工作过程和原理如下所述：煤粉取样前，对煤粉分离设备和取样管路进行电加热，加热到设定温度后保持温度恒定。将取样装置通入压缩空气，压缩空气通过射气抽气器后会产生负压，关闭取样阀，检查电加热煤粉分离设备的真空，防止空气泄漏。真空检查完毕后，将煤粉取样枪放入一次风管道中，准备取样。控制器接通电源，通过控制器画面输入所需要的差压定值，然后打开取样阀，按控制器开始取样按钮开始正式取样。控制器工作主要包括顺序控制和自动控制。顺序控制过程如下：首先关闭电磁阀C和电磁阀D，打开电磁阀A和电磁阀B对传压管和取样探头上的静压孔进行吹扫，数秒后关闭电磁阀A和电磁阀B，然后打开电磁阀E，使差压变送器输入差压为零，然后关闭电磁阀E。打开电磁阀C和电磁阀D，将所测静压输入差压变送器进行测量，几十秒后，关闭电磁阀C和电磁阀D，停止测量。然后打开电磁阀A和电磁阀B重新进行吹扫，重复进行上述过程直至取样结束。自动控制过程如下：在正常测量阶段，控制器将变送器差压信号值与输入差压定值相比较。若实测差压值大于差压定值，表明取样枪探头抽吸速度小于管道流速，控制器发出信号，同时开大调节阀A和调节阀B，使抽吸速度增大，实测差压值会逐渐变小直至恢复到差压定值；若实测差压值小于差压定值，表明取样枪探头抽吸速度大于管道流速，控制器发出信号，同时关小调节阀A和调节阀B，使抽吸速度减小，实测差压值会逐渐变大直至恢复到差压定值。差压定值一般很小，精确控制难度很大，因此采用了双调节差压控制方式，即同时控制调节阀A和调节阀B。当调节阀A的开度超出其线性范围后，可通过改变调节阀B的开度，改变压缩空气压力，使调节阀A重新回到线性范围，这样就极大提高了差压控制精度。到达设定的取样时间后，取样会自动停止，所有电动阀将不再动作。将煤粉取样枪从管道中取出，打开电加热分离设备，将煤粉取出进行称重和筛分，就完成了一次完整的煤粉取样工作。

本发明的有益效果是：

1提出了静压不平衡等速取样新方法，突破了传统静压平衡等速取样方法存在的局限，解决了传统取样方法因阻力损失造成的取样误差大的问题，极大地提高了取样精度。

2通过双调节差压控制技术，提高了差压控制精度，满足了静压不平衡等速取样对差压控制的要求，并开发了新型煤粉自动取样装置，填补了国内在该装置上的空白。

3新型自动煤粉自动取样装置控制功能全面，易于拓展，应用范围广。可适用于静压平衡式单点煤粉取样、预测式单点和多点煤粉取样；可适用于采用布袋除尘和旋风分离除尘等不同分离方式的煤粉取样装置。

4控制方式灵活，调节参数可以人为调节。通过人为改变调节参数，可以对控制方式进行优化，可以作为校验其它类型煤粉取样仪器的标准设备。

5自动控制部分和取样部分分开布置，大大减轻了煤粉取样仪器的体积和重量，减轻了操作人员工作强度。

6可以满足静压不平衡等速取样方法对差压控制的要求。在现场进行煤粉取样时，通过双调节静压不平衡取样装置，保证控制差压为标定得出的总阻力损失，即可实现等速取样。

附图说明

图1为静压平衡式取样探头；

图2为补偿式静压平衡探头；

图3为双调节静压不平衡等速取样系统示意图。

其中，1静压取样枪，2电加热取样管路，3取样阀，4电加热分离设备，5调节阀A，6射气抽气器，7调节阀B，8控制器，9差压变送器，10电磁阀A，11电磁阀B，12电磁阀C，13电磁阀D，14电磁阀E，15传压管，16一次风管道。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本发明做进一步说明。

图3中，它包括静压取样枪1，静压取样枪1通过电加热取样管路2和取样阀3与电加热分离设备4连接，电加热分离设备4通过取样管路与双调节装置连接，双调节装置入口与压缩气源连接；同时压缩气源还通过差压获取装置与静压取样枪1连接；控制器8分别控制双调节装置和差压获取装置。

所述差压获取装置包括一对传压管15，压缩气源分别通过电磁阀A10、电磁阀B11与两传压管15连通；同时两传压管15还分别通过电磁阀C12、电磁阀D13与电磁阀E14的两端连接，电磁阀E14的两端还与差压变送器9连接，差压变送器9与控制器8连接。

所述双调节装置包括调节阀A5、调节阀B7和射气抽气器6，调节阀A5通过取样管路与射气抽气器6吸气口相连，调节阀B7与射气抽气器6入口相连；同时调节阀A5和调节阀B7分别与控制器8连接。

一种双调节静压不平衡煤粉等速取样方法，它的步骤为：

第1步，煤粉取样前，对电加热分离设备4和电加热取样管路2进行电加热，加热到设定温度后保持温度恒定；

第2步，将静压取样枪1通入压缩空气，压缩空气通过射气抽气器6后产生负压，关闭取样阀3，检查电加热分离设备4的真空，防止空气泄漏；

第3步，真空检查完毕后，将静压取样枪1放入一次风管道16中，准备取样；

第4步，通过控制器8输入取样所需要的差压定值，然后打开取样阀3，控制器8开始取样；

第5步，对传压管15和静压取样枪1的静压孔吹扫，将差压变送器9输入差压归零，然后将静压取样枪1所测静压输入差压变送器9进行测量；测量后重新吹扫，重复本过程直至取样结束；

控制器8将变送器差压信号与输入差压定值进行比较，并采用双调节差压控制方式：

若实测差压值大于差压定值，表明静压取样枪1抽吸速度小于管道流速，控制器8发出信号，同时开大调节阀A5和调节阀B7，使抽吸速度增大，直至恢复到差压定值；

若实测差压值小于差压定值，表明静压取样枪1抽吸速度大于管道流速，控制器8发出信号，同时关小调节阀A5和调节阀B7，使抽吸速度减小，直至恢复到差压定值；

第6步，到达设定的取样时间后，取样会自动停止，所有电动阀将不再动作；将静压取样枪1从管道中取出，打开电加热分离设备4，将煤粉取出进行称重和筛分，完成一次完整的煤粉取样工作。

所述第5步中，当调节阀A5的开度超出其线性范围后，通过改变调节阀B7的开度，改变压缩空气压力，使调节阀A5重新回到线性范围；当调节阀B7的开度超出其线性范围后，通过改变调节阀A5的开度，改变压缩空气压力，使调节阀B7重新回到线性范围。

所述第5步中，差压测量过程为：首先关闭电磁阀C12和电磁阀D13，打开电磁阀A10和电磁阀B11对传压管15和静压取样枪1上的静压孔进行吹扫，数秒后关闭电磁阀A10和电磁阀B11，然后打开电磁阀E14，使差压变送器9输入差压为零，然后关闭电磁阀E14；打开电磁阀C12和电磁阀D13，将所测静压输入差压变送器9进行测量，几十秒后，关闭电磁阀C12和电磁阀D13，停止测量；然后打开电磁阀A10和电磁阀B11重新进行吹扫，重复进行上述过程直至取样结束。

步骤4中，差压定值可以采用试验标定的办法确定：让已知细度的煤粉颗粒流经一次风管路，在不同差压下进行煤粉取样并分析样品细度，样品细度与原样品细度最接近的工况下的差压即为在气固两相流状态下总阻力损失∑Δp。

Claims (6)

1.一种双调节静压不平衡煤粉等速取样系统，其特征是，它包括静压取样装置，静压取样装置通过电加热取样管路和取样阀与电加热分离设备连接，电加热分离设备通过取样管路与双调节装置连接，双调节装置入口与压缩气源连接；同时压缩气源还通过差压获取装置与静压取样装置连接；控制器分别控制双调节装置和差压获取装置。

2.如权利要求1所述的双调节静压不平衡煤粉等速取样系统，其特征是，所述差压获取装置包括一对传压管，压缩气源分别通过电磁阀A、电磁阀B与两传压管连通；同时两传压管还分别通过电磁阀C、电磁阀D与电磁阀E的两端连接，电磁阀E的两端还与差压变送器连接，差压变送器与控制器连接。

3.如权利要求1所述的双调节静压不平衡煤粉等速取样系统，其特征是，所述双调节装置包括调节阀A、调节阀B和射气抽气器，调节阀A通过取样管路与射气抽气器吸气口相连，调节阀B与射气抽气器入口相连；同时调节阀A和调节阀B分别与控制器连接。

4.一种双调节静压不平衡煤粉等速取样方法，其特征是，它的步骤为：

第1步，煤粉取样前，对电加热分离设备和电加热取样管路进行电加热，加热到设定温度后保持温度恒定；

第2步，将静压取样装置通入压缩空气，压缩空气通过射气抽气器后产生负压，关闭取样阀，检查电加热分离设备的真空，防止空气泄漏；

第3步，真空检查完毕后，将静压取样装置放入一次风管道中，准备取样；

第4步，通过控制器输入所需要的差压定值，然后打开取样阀，控制器开始取样；

第5步，对传压管和静压取样装置的静压孔吹扫，将差压变送器输入差压归零，然后将静压取样装置所测静压输入差压变送器进行测量；测量后重新吹扫，重复本过程直至取样结束；

控制器将变送器差压信号与输入差压定值进行比较，并采用双调节差压控制方式：

若实测差压值大于差压定值，表明静压取样装置抽吸速度小于管道流速，控制器发出信号，同时开大调节阀A和调节阀B，使抽吸速度增大，直至恢复到差压定值；

若实测差压值小于差压定值，表明静压取样装置抽吸速度大于管道流速，控制器发出信号，同时关小调节阀A和调节阀B，使抽吸速度减小，直至恢复到差压定值；

第6步，到达设定的取样时间后，取样会自动停止，所有电动阀将不再动作；将静压取样装置从管道中取出，打开电加热分离设备，将煤粉取出进行称重和筛分，完成一次完整的煤粉取样工作。

5.如权利要求4所述的双调节静压不平衡煤粉等速取样方法，其特征是，所述第5步中，当调节阀A的开度超出其线性范围后，通过改变调节阀B的开度，改变压缩空气压力，使调节阀A重新回到线性范围；当调节阀B的开度超出其线性范围后，通过改变调节阀A的开度，改变压缩空气压力，使调节阀B重新回到线性范围。

6.如权利要求4所述的双调节静压不平衡煤粉等速取样方法，其特征是，所述第5步中，差压测量过程为：首先关闭电磁阀C和电磁阀D，打开电磁阀A和电磁阀B对传压管和取样探头上的静压孔进行吹扫，数秒后关闭电磁阀A和电磁阀B，然后打开电磁阀E，使差压变送器输入差压为零，然后关闭电磁阀E；打开电磁阀C和电磁阀D，将所测静压输入差压变送器进行测量，几十秒后，关闭电磁阀C和电磁阀D，停止测量；然后打开电磁阀A和电磁阀B重新进行吹扫，重复进行上述过程直至取样结束。

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