CN103776743B - 交流电荷感应式煤粉细度在线监测方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种交流电荷感应式煤粉细度在线监测方法及装置，利用交流电荷感应技术、数字信号处理技术和交相关原理，提供一种全新的煤粉细度在线测量装置，包括安装在管道上的一对相互平行且与管道垂直的电荷感应式传感器，电荷感应式传感器的探头位于管道内，电荷感应式传感的接线端位于管道外且分别与信号处理单元的两个输入端连接。本发明可直接在线测量煤粉细度的相对变化值，通过人工标定，可实现煤粉细度绝对值的在线测量，具有不受介质工况参数变化的影响，且具有免维护的特征。

Description

交流电荷感应式煤粉细度在线监测方法及装置

技术领域

本发明属于气力输送稀相气固两相流技术领域，涉及一种固体成份相对细度值的在线监测装置，特别是火电厂煤粉气流细度的在线监测。

背景技术

煤粉细度是火电厂锅炉运行中严格控制的一项指标，也是优化燃烧、提高锅炉运行经济性的重要参数。为了使电站锅炉燃用合格的煤粉，获得较高的燃烧效率，使锅炉在安全、经济的状态下运行，必须对煤粉细度进行连续监测。

传统的煤粉细度测量采用人工定期化验方法，具体是采用等速取样方法进行煤粉取样，取样后筛分称重，算出煤粉细度值。对于以前300MW的机组，制粉系统大多采用静态分离器，随着磨煤机负荷的变化、煤粉细度变化不大，人工定期取样化验法可以满足过程需要。目前，600MW以上的机组成为主力发电机组，制粉系统大多采用动态旋转分离器，随着磨煤机负荷的变化，动态分离器转速也在变化，煤粉细度随时发生变化，所以煤粉细度需要实时监测，传统的人工化验方法周期长、化验结果滞后严重，已不能满足生产过程的需要。

目前，各国工程技术人员都在研究多种技术进行煤粉细度在线测量，工业实际应用都不理想。主要有微波技术、激光图像技术、超声波技术。微波技术的测量方法，易受煤质变化、煤粉湿度等影响，测量结果极不稳定；激光图像技术由于光源衰减、镜头易被粉尘覆盖等原因，维护量大，作为工业在线测量装置，实际应用不理想；超声波技术的测量方法，由于超声波是机械波，易受煤粉管道压力、煤粉浓度、温度变化的影响，测量结果极不稳定。

发明内容

为解决当前煤粉细度测量方法周期长、测量结果不稳定的技术问题，本发明提供一种基于交流电荷感应的煤粉细度在线监测装置及检测方法。

本发明的具体解决方案如下：

一种交流电荷感应式燃煤锅炉煤粉细度在线监测方法：其特殊之处在于：包括以下步骤：

1】在煤粉传输管道上安装电荷感应式传感器；

2】同步采集煤粉气流流经电荷感应传感器时，在传感器探头上产生的随机交流感应电荷信号；

3】对随机交流感应电荷信号进行信号处理得到随机信号序列；

4】对随机信号序列利用自相关算法得到随机序列的自相关函数；

5】计算自相关函数的主峰波形面积S(t)，用主峰波形面积除以煤粉气流同步流速V(t)得到煤粉细度相对值R(t)；

6】人工化验确定标定系数A，按照以下公式计算煤粉细度绝度值：

R(t)=A×S(t)÷V(t)

其中：R(t)—t时段煤粉细度绝度值；

A—标定系数；

S(t)—自相关函数的主峰波形的面积；

V(t)—t时段煤粉气流同步流速。

上述步骤5】中煤粉气流同步流速的计算方法如下：

1】在煤粉传输管道上选定两个采集点，在两个采集点处安装一对相互平行且与管道垂直的电荷感应式传感器；所述电荷感应式传感器之间的距离L小于50cm；

2】煤粉气流先后流经两个电荷感应式传感器的传感器探头；同步采集两个传感器探头分别感应产生的两组随机交流感应电荷信号；

3】对两组随机交流感应电荷信号进行信号处理得到两组随机信号序列；根据交相关数学模型计算两组随机信号序列的高精度时差△t；

4】利用公式V(m/s)＝L(m)÷△t(s)计算出煤粉气流同步流速。

上述所采集的每组随机交流感应电荷信号各包含1024-8192个数据。

上述所采集的每组随机交流感应电荷信号各包含4096个数据。

上述每组随机交流感应电荷信号在经过信号调理、A/D变换、由数字信号处理器高速同步采集，得到随机信号序列。

上述电荷感应式传感器之间的距离为10cm-20cm。

上述电荷感应式传感器包括传感器碳棒6、绝缘管7、保护套管8、固定螺母9、电气壳体10、接线端子11，所述接线端子位于电气壳体10内，所述保护套管的一端与电气壳体10相连，另一端通过固定螺母9固定在管道的安装座5上；所述绝缘管设置在保护套管内且一端伸出保护套管，所述绝缘管的另一端伸入电气壳体10内；所述传感器碳棒6设置在绝缘管内且一端伸出绝缘管；所述传感器碳棒6的另一端与接线端子11连接。

一种交流电荷感应式燃煤锅炉煤粉细度在线监测装置，包括信号采集单元、信号处理单元，

其特殊之处在于：所述信号采集单元包括安装在管道上的一对相互平行且与管道垂直的电荷感应式传感器，

所述电荷感应式传感器的探头位于管道内，所述电荷感应式传感的接线端位于管道外且分别与信号处理单元的两个输入端连接，

所述信号处理单元用于对电荷感应式传感器传感器探头上所产生的两组随机交流感应电荷进行采集、调理、变换得到对应上下游传感器的两组随机信号序列，并通过自相关算法得到各自随机序列的自相关函数。

上述电荷感应式传感器包括传感器碳棒6、绝缘管7、保护套管8、固定螺母9、电气壳体10、接线端子11，所述接线端子位于电气壳体10内，所述保护套管的一端与电气壳体10相连，另一端通过固定螺母9固定在管道的安装座5上；所述绝缘管设置在保护套管内且一端伸出保护套管，所述绝缘管的另一端伸入电气壳体10内；所述传感器碳棒6设置在绝缘管内且一端伸出绝缘管；所述传感器碳棒6的另一端与接线端子11连接；所述电荷感应式传感器之间的距离小于50cm；所述传感器碳棒的材料为钨钴合金。

上述电荷感应式传感器之间的距离为10cm-20cm。

本发明与现有技术相比，优点是：

1、本发明通过煤粉气流与传感器探头感应的交流电荷随机信号测量煤粉相对细度。由于交流感应技术的系统本身探测的是一种电荷不规则的扰动性，不受探头表面被粉尘覆盖，探头表面涂层的影响，所以本发明的监测方法及装置不受介质温度、压力、湿度、煤质变化的影响，且具有免维护特征。

2、本发明在计算煤粉细度时完全剔除掉了流速的影响，所得到煤粉相对细度值稳定性好。

附图说明

图1为本发明的传感器结构图；

图2为本发明监测装置原理图；

图3为自相关函数的波形图；

其中，附图标记为：1-上游传感器、2-下游传感器、3-信号处理单元、4-信号电缆、5-传感器安装底座、6-传感器探棒、7-绝缘管、8-保护套管、9-固定螺母、10-电气壳体、11-接线端子。

具体实施方式

本发明根据交流电荷感应原理，即在动态状况下，任何两种不同物质将相互感应产生电荷。交流电荷感应式燃煤锅炉煤粉细度在线监测方法，包括以下步骤：

1】在煤粉传输管道上安装电荷感应式传感器传感器；

2】同步采集电荷感应式传感器探头上的随机交流感应电荷信号；

3】对随机交流感应电荷信号进行信号处理得到随机信号序列；

4】对随机信号序列利用自相关算法得到随机序列的自相关函数；

5】计算自相关函数的主峰波形面积，用主峰波形面积除以煤粉气流同步流速得到稳定的煤粉细度相对值；自相关函数的波形如图3所示，横轴代表时间，纵轴代表相关程度，无量纲。

6】人工化验确定标定系数，按照以下公式计算煤粉细度绝度值：

R(t)=A×S(t)÷V(t)

其中：R(t)—t时段煤粉细度绝度值；

A—标定系数；

S(t)—自相关函数的主峰波形的面积；

V(t)—t时段煤粉气流同步流速。

步骤5】中煤粉气流同步流速的计算方法如下：

1】在煤粉传输管道上选定两个采集点，在两个采集点处安装一对相互平行且与管道垂直电荷感应式传感器；电荷感应式传感器之间的距离小于50cm；

2】煤粉气流先后流经两个电荷感应式传感器的传感器探头；同步采集两个传感器探头分别感应产生的两组随机交流感应电荷信号；

3】对两组随机交流感应电荷信号进行信号处理得到两组随机信号序列；根据交相关数学模型计算两组随机信号序列的高精度时差△t；

4】利用公式V(m/s)＝L(m)÷△t(s)计算出煤粉气流同步流速。

如图2所示，本发明在进行煤粉细度监测时所采用的装置包括安装在管道上的一对相互平行且与管道垂直的电荷感应式传感器，相互平行是为了测量流速时，距离恒定，是区间测速的概念。与煤粉管道垂直是为了正交获取信号，减少信号间的重叠。电荷感应式传感器的探头位于管道内，电荷感应式传感的接线端位于管道外且分别与信号处理单元的两个输入端连接。

为了避免感应电荷在传输过程中被短路，本发明可使用如图1所示的传感器，传感器探棒6和保护套管8之间由陶瓷材料制成的绝缘管7隔离，传感器探棒6一端伸入绝缘管7空腔内并与接线端子11连接，保护套管8套在绝缘管7的一端并与电器壳体10、固定螺母9焊接在一起。由于绝缘管7的绝缘作用，电荷信号不被保护套管8短路，信号只能传送到电器壳体10的接线端子上11，通过信号电缆4传送到信号处理单元3。

本发明中两个电荷感应式传感器之间的距离可小于50cm，最好在10cm-20cm之间，如果两个传感器之间的距离小于10cm，煤粉气流冲击上游传感器后形成的涡街紊流，会在下游传感器上感应叠加一个低频紊流扰动，如果两个传感器之间的距离大于20cm，对煤粉管道的直管段要求就会变大，另外上下游传感器两组信号的相关性就会变差，煤粉流速的测量精度就会降低。

为了提高煤粉细度测量值的准确性，本发明中信号处理单元以100K的速率高速同步采集感应电荷信号，采集的数据量太小，则函数所呈现的规则性不清晰，如果采集的数据量过大，则增加了信号处理的运算量。因此在本发明中，信号处理单元每次采集两组1024-8192个同步数据，最好每次采集两组4096个同步数据，即能获得高质量的函数，又能减小信号处理量。

本发明的原理是：煤粉气流介质在流经两个传感器时，在上下游传感器探头上感应随机电荷信号，感应的随机电荷信号属于各态历经的平稳随机信号，两组随机信号同时传至信号处理单元，在信号处理单元中经过信号调理、A/D变换、由数字信号处理器高速同步采集，得到对应上下游传感器的两组随机信号序列，通过自相关算法得到随机序列的自相关函数。由于随机信号序列的自相关函数的傅里叶变换就是随机信号序列的功率密度谱函数，因此信号序列的自相关函数包含有全部煤粉细度的信息。

经过大量实验和数据分析，两组随机信号序列的自相关函数的主峰波形（以零点为对称）的面积值，与煤粉相对细度值成正比例关系，同时与煤粉气流同步流速成正比例关系。即表明在煤粉流速不变的前提下，煤粉相对细度值可用随机信号序列的自相关函数的主峰波形面积来表征，用同步煤粉流速去除主峰波形面积，可以完全剔除掉流速的影响因素，得到稳定的煤粉相对细度值，再通过人工化验确定标定系数，就可得到煤粉细度的绝对值。

Claims (10)

1.一种交流电荷感应式燃煤锅炉煤粉细度在线监测方法：其特征在于：包括以下步骤：

1】在煤粉传输管道上安装电荷感应式传感器；

2】同步采集煤粉气流流经电荷感应传感器时，在传感器探头上产生的随机交流感应电荷信号；

3】对随机交流感应电荷信号进行信号处理得到随机信号序列；

4】对随机信号序列利用自相关算法得到随机序列的自相关函数；

5】计算自相关函数的主峰波形面积S(t)，用主峰波形面积除以煤粉气流同步流速V(t)得到煤粉细度相对值R(t)；

6】人工化验确定标定系数A，按照以下公式计算煤粉细度绝度值：

R(t)=A×S(t)÷V(t)

其中：R(t)—t时段煤粉细度绝度值；

A—标定系数；

S(t)—自相关函数的主峰波形的面积；

V(t)—t时段煤粉气流同步流速。

2.根据权利要求1所述的交流电荷感应式燃煤锅炉煤粉细度在线监测方法：其特征在于：所述步骤5】中煤粉气流同步流速的计算方法如下：

1】在煤粉传输管道上选定两个采集点，在两个采集点处安装一对相互平行且与管道垂直的电荷感应式传感器；所述电荷感应式传感器之间的距离L小于50cm；

2】煤粉气流先后流经两个电荷感应式传感器的传感器探头；同步采集两个传感器探头分别感应产生的两组随机交流感应电荷信号；

3】对两组随机交流感应电荷信号进行信号处理得到两组随机信号序列；根据交相关数学模型计算两组随机信号序列的高精度时差△t；

4】利用公式V(m/s)＝L(m)÷△t(s)计算出煤粉气流同步流速。

3.根据权利要求1或2所述的交流电荷感应式燃煤锅炉煤粉细度在线监测方法：其特征在于：所采集的每组随机交流感应电荷信号各包含1024-8192个数据。

4.根据权利要求3所述的交流电荷感应式燃煤锅炉煤粉细度在线监测方法：其特征在于：所采集的每组随机交流感应电荷信号各包含4096个数据。

5.根据权利要求3所述的交流电荷感应式燃煤锅炉煤粉细度在线监测方法，其特征在于：每组随机交流感应电荷信号在经过信号调理、A/D变换、由数字信号处理器高速同步采集，得到随机信号序列。

6.根据权利要求2所述的交流电荷感应式燃煤锅炉煤粉细度在线监测方法，其特征在于：

所述电荷感应式传感器之间的距离为10cm-20cm。

7.根据权利要求1或2所述的交流电荷感应式燃煤锅炉煤粉细度在线监测方法，其特征在于：所述电荷感应式传感器包括传感器碳棒（6）、绝缘管（7）、保护套管（8）、固定螺母（9）、电气壳体（10）、接线端子（11），所述接线端子位于电气壳体（10）内，所述保护套管的一端与电气壳体（10）相连，另一端通过固定螺母（9）固定在管道的安装座（5）上；所述绝缘管设置在保护套管内且一端伸出保护套管，所述绝缘管的另一端伸入电气壳体（10）内；所述传感器碳棒（6）设置在绝缘管内且一端伸出绝缘管；所述传感器碳棒（6）的另一端与接线端子（11）连接。

8.一种交流电荷感应式燃煤锅炉煤粉细度在线监测装置，包括信号采集单元、信号处理单元，

其特征在于：所述信号采集单元包括安装在管道上的一对相互平行且与管道垂直的电荷感应式传感器，

所述电荷感应式传感器的探头位于管道内，所述电荷感应式传感的接线端位于管道外且分别与信号处理单元的两个输入端连接，

所述信号处理单元用于对电荷感应式传感器传感器探头上所产生的两组随机交流感应电荷进行采集、调理、变换得到对应上下游传感器的两组随机信号序列，并通过自相关算法得到各自随机序列的自相关函数。

9.根据权利要求8所述的交流电荷感应式燃煤锅炉煤粉细度在线监测装置，其特征在于：所述电荷感应式传感器包括传感器碳棒（6）、绝缘管（7）、保护套管（8）、固定螺母（9）、电气壳体（10）、接线端子（11），所述接线端子位于电气壳体（10）内，所述保护套管的一端与电气壳体（10）相连，另一端通过固定螺母（9）固定在管道的安装座（5）上；所述绝缘管设置在保护套管内且一端伸出保护套管，所述绝缘管的另一端伸入电气壳体（10）内；所述传感器碳棒（6）设置在绝缘管内且一端伸出绝缘管；所述传感器碳棒（6）的另一端与接线端子（11）连接；所述电荷感应式传感器之间的距离小于50cm；所述传感器碳棒的材料为钨钴合金。

10.根据权利要求9所述的交流电荷感应式燃煤锅炉煤粉细度在线监测装置，其特征在于：所述电荷感应式传感器之间的距离为10cm-20cm。