CN103235014A - 一种生物质与煤粉混燃过程参数检测装置 - Google Patents

一种生物质与煤粉混燃过程参数检测装置 Download PDF

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CN103235014A CN2013101401283A CN201310140128A CN103235014A CN 103235014 A CN103235014 A CN 103235014A CN 2013101401283 A CN2013101401283 A CN 2013101401283A CN 201310140128 A CN201310140128 A CN 201310140128A CN 103235014 A CN103235014 A CN 103235014A
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张立峰
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Abstract

一种生物质与煤粉混燃过程参数检测装置，属检测技术领域。其技术方案是，它包括检测电路和安装在被测燃料管道不同位置上的两个电容极板阵列传感器，每个传感器包括绝缘管和多个检测电极，所述绝缘管串接在燃料管道上，多个检测电极沿周向均布于绝缘管的外壁上并分别与检测电路的不同输入端电连接。本发明利用两个传感器的检测电极间的电容测量值计算生物质与煤粉混合颗粒的质量流量，很好地解决了生物质与煤粉颗粒混燃过程参数的检测难题，为生物质及煤粉混合流动及燃烧特性的研究创造了条件，该装置具有非侵入、响应速度快、结构简单等优点。

Description

一种生物质与煤粉混燃过程参数检测装置
技术领域
本发明涉及一种基于电容成像技术的生物质与煤粉混燃过程参数检测装置，属于检测技术领域。
背景技术
目前，电力行业的能源消耗主要是煤炭，随着电力需求的急剧增加，煤炭资源日益短缺，而生物质能源是取之不尽用之不竭的可再生能源，生物质在CO2总量上实现了“零排放”，消除了产生温室效应的根源，开展生物质发电技术研究对于节能减排具有重大意义。
直接燃烧发电是生物质发电的主流技术，但由于生物质燃烧的稳定性较差，因此通常在生物质中掺入一定量的煤粉进行混合燃烧。生物质与煤粉相比具有不同的特征：如生物质的含水量、挥发份和金属氧化物含量高于煤粉，但其密度和热当量比煤粉低，导致混烧过程经常出现火焰稳定性差、热效率低、渣化和结垢等问题。
与此同时，燃料管道中的空气、生物质和煤粉属于气固固三相流。由于生物质和煤粉的物理特性存在较大差异，从而造成燃料在管道中分布不均匀，使得最终到达燃烧器各喷口的生物质和煤粉的混合比例偏离预设值，进而影响混烧过程的燃烧状况。显然，准确测量两种燃料的混燃过程参数是对生物质及煤粉混合流动及燃烧特性进行深入研究的前提，但由于目前还没有一种理想的检测装置，限制了该项研究的深入进行。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术之弊端，提供一种生物质与煤粉混燃过程参数检测装置，检测生物质及煤粉混合流动及燃烧特性相关参数，为锅炉燃烧自动调节及优化燃烧操作提供数据。
本发明所述问题是以下述技术方案实现的：
一种生物质与煤粉混燃过程参数检测装置，构成中包括检测电路和安装在被测燃料管道不同位置上的两个电容极板阵列传感器，每个传感器包括绝缘管和多个检测电极，所述绝缘管串接在燃料管道上，多个检测电极沿周向均布于绝缘管的外壁上并分别与检测电路的不同输入端电连接，所述检测电路按下列步骤测量燃料管道内混合燃料的质量流量：
a. 对每个电容极板阵列传感器，分别测量其检测电极间的电容值                                                
Figure 862608DEST_PATH_IMAGE001
；
b. 利用电容成像图像重建算法获得生物质煤粉混合分布图像，计算相浓度
设煤粉和生物质的介电常数分别为
Figure 573075DEST_PATH_IMAGE002
和
Figure 317040DEST_PATH_IMAGE003
，
Figure 429353DEST_PATH_IMAGE004
，每个电容极板阵列传感器的检测电极数为N，则重建图像中第k个像素的灰度g(k)可表示为：
， 
其中：
Figure 211550DEST_PATH_IMAGE006
为管内充满空气时的电容值；
为管内充满生物质时的电容值；
       为管内存在生物质及煤粉混合物时电极i，j间的测量电容值；
       
Figure 497672DEST_PATH_IMAGE008
为像素k对电极i，j间电容的灵敏度，其定义为：
    ，
其中：
Figure 799657DEST_PATH_IMAGE010
为由像素
Figure 152141DEST_PATH_IMAGE011
面积决定的系数，即， 
Figure 812799DEST_PATH_IMAGE012
，
其中，
Figure 250733DEST_PATH_IMAGE013
为像素k的面积，
Figure 140192DEST_PATH_IMAGE014
为成像区域截面面积；
生物质与煤粉混合颗粒的相浓度
Figure 612761DEST_PATH_IMAGE015
为：
此处需给出相浓度的表达式：
Figure 195053DEST_PATH_IMAGE016
,
其中,M为成像区域总像素数；
c. 通过互相关计算获得生物质与煤粉混合颗粒流速
从测得的两个传感器的电极间电容数据中提取出反映介质流动状况的特征数据，分别设为
Figure 120283DEST_PATH_IMAGE017
和（x，y信号可以取为所有电容测量值的平均值，也可以取为某个电容值），两路信号的互相关函数
Figure 593039DEST_PATH_IMAGE019
为：
Figure 877390DEST_PATH_IMAGE020
，
Figure 758758DEST_PATH_IMAGE019
取得最大值处所对应的
Figure 786757DEST_PATH_IMAGE021
值即为流体经过上、下游传感器截面的渡越时间，设两传感器间距为L，则生物质与煤粉混合颗粒流速v可按下式计算获得：
       
Figure 437181DEST_PATH_IMAGE022
； 
d.计算生物质与煤粉混合颗粒的质量流量
将生物质与煤粉混合颗粒的相浓度与其速度v相乘，获得混合颗粒的质量流量。
上述生物质与煤粉混燃过程参数检测装置，所述电容极板阵列传感器的相邻检测电极之间设置有屏蔽电极，每个屏蔽电极均与多个检测电极外部的屏蔽罩电连接。
上述生物质与煤粉混燃过程参数检测装置，每个电容极板阵列传感器的检测电极数为8～16之间的偶数。
上述生物质与煤粉混燃过程参数检测装置，在屏蔽罩与绝缘管之间的空隙内设置有填充材料。
本发明通过测量各传感器的检测电极间的电容值，根据电容成像图像重建算法获得管道截面生物质与煤粉的实时分布图像，从而计算出生物质与煤粉混合颗粒浓度，将两个截面的重建图像进行互相关计算获得相关流速，进而获得颗粒质量流量。
本发明很好地解决了生物质与煤粉颗粒混燃过程参数的检测难题，为生物质及煤粉混合流动及燃烧特性的研究创造了条件，该装置具有非侵入、响应速度快、结构简单等优点。
附图说明
下面结合附图对本发明作进一步说明。
图1是本发明的检测原理图；
图2是传感器结构示意图；
图3是图1中数据采集系统的结构原理图。
图中各标号清单为：1、检测电极，2、填充材料，3、径向屏蔽电极，4、屏蔽罩，5、绝缘管。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。
图1为本发明提供的基于电容成像的生物质与煤粉混燃过程参数检测装置原理图，它包括：传感器部分、数据采集部分和计算部分。图2为本发明装置的传感器截面示意图，传感器设置两个，二者的间距为L（本实施例中L=50mm），每个传感器的检测电极数为8～16之间（本实施例中电极数为12）的偶数，检测电极沿周向均匀分布在绝缘管5的外表面，本实施例中绝缘管5的内径为50mm，相邻检测电极1间设有径向屏蔽电极3，屏蔽电极3与外部的金属屏蔽罩4相连，传感器的两端可以通过法兰安装在燃料管道中。
电容成像系统实质上是实现电磁场的分析和求逆问题，其研究的是一个具有特殊边界条件的电场，对于图2所示传感器敏感场域，可用下式描述：
                   
Figure 626854DEST_PATH_IMAGE023
                       （1）
式中，
Figure 713627DEST_PATH_IMAGE024
为场域内介电常数分布，
Figure 279738DEST_PATH_IMAGE025
为场域内电势分布函数。
当电极i为激励电极，电极j为测量电极时，电极对i，j之间的电容值
Figure 50248DEST_PATH_IMAGE026
可由下式计算，
Figure 410822DEST_PATH_IMAGE027
     （2）
式中，
Figure 266783DEST_PATH_IMAGE028
为激励电极i与测量电极j的电位差，A为包围电极j的封闭曲面，Q为电极j上的感应电荷量。
线性反投影算法（Linear Back Projection，简记LBP）是电容成像使用的一种成像算法。设介质分布的变化对灵敏场的影响可忽略，若煤粉和生物质的介电常数分别为
Figure 636584DEST_PATH_IMAGE002
和
Figure 996021DEST_PATH_IMAGE003
，
Figure 793076DEST_PATH_IMAGE004
，每个电容极板阵列传感器的检测电极数为N，则重建图像中第k个像素的灰度g(k)可表示为：
Figure 120021DEST_PATH_IMAGE005
           （3）
其中：
Figure 293513DEST_PATH_IMAGE006
为管内充满空气时的电容值；
Figure 773036DEST_PATH_IMAGE007
为管内充满生物质时的电容值；
       
Figure 740992DEST_PATH_IMAGE001
为管内存在生物质及煤粉混合物时电极i，j间的测量电容值；
       
Figure 305966DEST_PATH_IMAGE008
为像素k对电极i，j间电容的灵敏度，其定义为：
                       
Figure 486411DEST_PATH_IMAGE009
                （4）
Figure 351599DEST_PATH_IMAGE010
为由像素
Figure 220284DEST_PATH_IMAGE011
面积决定的系数，即为， 
Figure 803712DEST_PATH_IMAGE012
，
其中，
Figure 522270DEST_PATH_IMAGE013
像素k的面积，
Figure 507543DEST_PATH_IMAGE014
为成像区域截面面积；
数据采集系统结构图如图3所示，检测电极间电容值的测量采用单电极电压激励，单电极测量的方式测量，正弦电压发生器产生频率为500kHz，峰峰值为10V的正弦激励电压，通过开关元件选择十二个检测电极1中的一个作为激励电极，并依次选择其它检测电极作为测量电极，组成测量电容，通过电容测量电路进行测量，通过A/D转换传送给计算机，由于图像重建需要的是一个动态信号，因此必须将空管电容值从所测信号中平衡对消，本系统中补偿信号由数据采集卡的一个12位数模转换器（D/A）产生。各自独立的并行电容测量电路产生的直流测量信号经多路开关选择后同上述直流补偿信号一并进入差分运放。直流可编程增益放大器（DC PGA）满足不同电容变化量的测量要求。数据采集卡采集电压信号送至PC机，PC机将采集到的电压数据转化为一定的投影数据，由电容成像图像重建算法获得反映管内生物质与煤粉混合颗粒分布的实时图像及计算相应的相浓度值，实现管内生物质与煤粉混合状况的实时监测；
从两组传感器测得的电容数据值中提取特征数据，进行互相关计算，得到生物质与煤粉混合颗粒速度，其中，互相关计算方法如下：
数据采集系统采集双截面传感器的电容测量数据之后，提取出反映流动状况的特征数据，分别设为
Figure 754985DEST_PATH_IMAGE017
和，两路信号的互相关函数为：
            （5）
Figure 386506DEST_PATH_IMAGE019
取得最大值处所对应的值即为流体经过上、下游传感器截面的渡越时间，已知两传感器间距为L，则相关速度v可按下式计算获得：
       
Figure 4887DEST_PATH_IMAGE022
               （6）
将生物质与煤粉混合颗粒的相浓度与其速度进行计算，最终获得质量流量。

Claims (4)

1.一种生物质与煤粉混燃过程参数检测装置，其特征是，它包括检测电路和安装在被测燃料管道不同位置上的两个电容极板阵列传感器，每个传感器包括绝缘管（5）和多个检测电极（1），所述绝缘管（5）串接在燃料管道上，多个检测电极（1）沿周向均布于绝缘管（5）的外壁上并分别与检测电路的不同输入端电连接，所述检测电路按下列步骤测量燃料管道内混合燃料的质量流量：
a. 对每个电容极板阵列传感器，分别测量其检测电极（1）间的电容值                                                
Figure 2013101401283100001DEST_PATH_IMAGE001
；
b. 利用电容成像图像重建算法获得生物质煤粉混合分布图像，计算相浓度
设煤粉和生物质的介电常数分别为
Figure 928463DEST_PATH_IMAGE002
和
Figure 2013101401283100001DEST_PATH_IMAGE003
，
Figure 314445DEST_PATH_IMAGE004
，每个电容极板阵列传感器的检测电极（1）数量为N，则重建图像中第k个像素的灰度g(k)可表示为：
Figure 2013101401283100001DEST_PATH_IMAGE005
，
其中：
Figure 563024DEST_PATH_IMAGE006
为管内充满空气时的电容值；
为管内充满生物质时的电容值；
      
Figure 676342DEST_PATH_IMAGE001
为管内存在生物质及煤粉混合物时电极i，j间的测量电容值；
      
Figure 959556DEST_PATH_IMAGE008
为像素k对电极i，j间电容的灵敏度，其定义为：
，
其中：
Figure 250860DEST_PATH_IMAGE010
为由像素
Figure 2013101401283100001DEST_PATH_IMAGE011
面积决定的系数，即为， 
Figure 986735DEST_PATH_IMAGE012
，
其中，
Figure 2013101401283100001DEST_PATH_IMAGE013
像素k的面积，
Figure 903744DEST_PATH_IMAGE014
为成像区域截面面积；
生物质与煤粉混合颗粒的相浓度
Figure 2013101401283100001DEST_PATH_IMAGE015
为：
Figure 41465DEST_PATH_IMAGE016
，
其中,M为成像区域总像素数；
c. 通过互相关计算获得生物质与煤粉混合颗粒流速
从测得的两个传感器的电极间电容数据中提取出反映介质流动状况的特征数据，分别设为和
Figure 503670DEST_PATH_IMAGE018
，两路信号的互相关函数两路信号的互相关函数
Figure 2013101401283100001DEST_PATH_IMAGE019
为：
Figure 726841DEST_PATH_IMAGE020
   ，
Figure 181962DEST_PATH_IMAGE019
取得最大值处所对应的值即为流体经过上、下游传感器截面的渡越时间，已知两传感器间距为L，则相关速度v可按下式计算获得：
      ；    
d.计算生物质与煤粉混合颗粒的质量流量
将生物质与煤粉混合颗粒的相浓度与其速度v相乘，获得混合颗粒的质量流量。
2.根据权利要求1所述的生物质与煤粉混燃过程参数检测装置，其特征是，所述电容极板阵列传感器的相邻检测电极（1）之间设置有屏蔽电极（3），每个屏蔽电极（3）均与多个检测电极（1）外部的屏蔽罩（4）电连接。
3.根据权利要求1或2所述的生物质与煤粉混燃过程参数检测装置，其特征是，每个电容极板阵列传感器的检测电极（1）数为8～16之间的偶数。
4.根据权利要求3所述的生物质与煤粉混燃过程参数检测装置，其特征是，在屏蔽罩（4）与绝缘管（5）之间的空隙内设置有填充材料（2）。
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