CN104236957A - 取样测枪、颗粒取样系统及颗粒流率的双向测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种取样测枪、颗粒取样系统及颗粒流率的双向测量方法，所述取样测枪包括中空的第一取样管(11)和第二取样管(12)，所述第一取样管(11)具有第一取样端(11a)和第一抽气端(11b)，所述第二取样管(12)具有第二取样端(12a)和第二抽气端(12b)，所述第一取样端(11a)的端面开口的开口方向不同于所述第二取样端(12a)的端面开口的开口方向，所述第一抽气端(11b)和第二抽气端(12b)用于连接抽气装置。本发明取样测枪抽取的颗粒具有代表性，能够得到准确的颗粒流率测量结果，并且其结构简单，可靠性高，适合于工业应用场合。

Description

取样测枪、颗粒取样系统及颗粒流率的双向测量方法

技术领域

本发明涉及气相中固体颗粒的测量技术，具体地，涉及用于循环流化床锅炉内颗粒的取样测枪、颗粒取样系统和颗粒流率的测量方法。

背景技术

循环流化床(CFB)锅炉作为一种清洁高效的燃煤发电技术，目前正朝着容量大型化和蒸汽高参数化的方向发展。CFB锅炉炉膛内的颗粒浓度大大高于煤粉锅炉，同时CFB锅炉炉膛内还存在剧烈的颗粒内循环，即颗粒在炉膛水冷壁表面形成絮状颗粒团贴壁下滑。CFB锅炉炉膛内的局部颗粒流动参数主要包括颗粒浓度、颗粒速度和颗粒流率，颗粒流动分布不仅影响着颗粒在炉膛内的停留时间和循环倍率，还影响颗粒与受热面的传热强度，进而影响锅炉的受热面布置。如何在大型电站CFB锅炉开展测试获得炉膛内的颗粒流动分布一直是国内外相关工程技术人员所关注的问题。

在实验室条件下，研究者们研发了多种技术用于测量CFB内的颗粒流动分布，如光纤探针技术、静电感应技术、粒子图像技术和多普勒激光测速技术等，但是这些技术通常设备比较复杂，对测量条件要求比较苛刻，很难在电站CFB锅炉工程中获得普遍的实际应用。

在无法直接测量颗粒浓度和颗粒速度的情况下，颗粒流率是反映炉膛颗粒流动分布的一个重要参数，其数值为颗粒浓度和颗粒速度的乘积，物理意义是在单位时间内通过炉膛单位截面积的颗粒质量。

在众多测量技术中，等速取样法具有设备简单、可靠性和准确性相对较高的特点，被应用于电站锅炉的煤粉、飞灰取样以及颗粒浓度测量方面，如专利申请CN 102749225A。该申请基于等速取样原理提出CFB锅炉水冷飞灰取样装置，在CFB锅炉分离器进、出口高温环境下进行颗粒等速取样，由于该装置需要利用靠背管测量环境气速以调整其抽气流量，而CFB内较高的颗粒浓度容易造成靠背管因颗粒堵塞而损毁，因此该装置很难真正工程应用于CFB锅炉炉膛的颗粒浓度测量。另外，CFB锅炉炉膛内的颗粒流动属于气固快速流化床，其特点是气流与颗粒之间存在较大的气固相对速度，因此采用上述等速取样方法测量颗粒浓度无法得到准确结果。此外，CFB锅炉炉膛内同时存在向上和向下运动的颗粒，因此上述单向的颗粒取样也无法保证所取样品的代表性。

可见，现有技术存在设备复杂，对测量条件要求苛刻的问题，或者测量的准确性不高、设备易损毁的问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种颗粒取样装置，该颗粒取样装置可以测量CFB锅炉炉膛的颗粒流率，测量准确性高，结构简单可靠，使用方便。

为了实现上述目的，本发明提供一种取样测枪，该取样测枪包括中空的第一取样管和第二取样管，所述第一取样管的两端分别为第一取样端和第一抽气端，所述第二取样管的两端分别为第二取样端和第二抽气端，所述第一取样端的端面开口的开口方向不同于所述第二取样端的端面开口的开口方向，所述第一抽气端和第二抽气端用于连接抽气装置以分别抽取流入所述第一取样端和第二取样端的取样样本。

优选地，所述第一取样管和所述第二取样管平行并间隔布置。

优选地，所述第一取样端的端面开口和所述第二取样端的端面开口的开口面积相同。

优选地，该取样测枪还包括冷却水套，所述冷却水套包括冷却腔室、进液口和出液口，所述第一取样端和第二取样端从所述冷却水套的一端伸入所述冷却腔室内，并从所述冷却水套的另一端的周壁伸出。

优选地，所述冷却水套包括管径不同且同轴设置的外冷却套管和内冷却套管；所述内冷却套管的一端开口，另一端闭合，所述内冷却套管的所述开口端插入所述外冷却套管的内腔中，所述内冷却套管的所述闭合端露出于所述外冷却套管的管端外；所述第一取样管和第二取样管从所述内冷却套管的所述闭合端插入该内冷却套管内，并从所述内冷却套管的所述开口端伸出，伸出的所述第一取样端和第二取样端分别从所述外冷却套管内向外伸出；所述进液口和出液口分别设置在所述外冷却套管和所述内冷却套管的远离所述取样端的端部的周壁上。

优选地，所述出液口设置有用于监测冷却液温度的温度计。

优选地，所述第一取样端的端面开口的开口方向和所述第二取样端的端面开口的开口方向相反设置。

本发明还提供一种颗粒取样系统，该系统包括第一分离器、第二分离器、抽气泵和上述取样测枪，所述第一抽气端连接所述第一分离器，所述第一分离器和所述抽气泵连接的管路中设置有第一抽气阀和第一流量计，所述第二抽气端连接所述第二分离器，所述第二分离器和所述抽气泵连接的管路中设置有第二抽气阀和第二流量计。

本发明还提供一种颗粒流率的双向测量方法，该测量方法包括：

步骤1：采用上述颗粒取样系统，将所述取样测枪的所述取样端插入CFB锅炉的炉膛内，其中所述第一取样端的端面开口和所述第二取样端的端面开口分别朝向所述炉膛的顶部和底部；

步骤2：启动所述抽气泵，开启并调节所述第一抽气阀和第二抽气阀，使得所述第一流量计和第二流量计的流速相同后进行抽气取样；

步骤3：经过设定取样周期T的抽气取样后，停止所述抽气泵，分别称量第一分离器和第二分离器中分离出来的颗粒质量M₁和M₂；

步骤4：计算向下流动的颗粒流率向上流动的颗粒流率和总颗粒流率G＝G₁+G₂，其中，S₁为第一取样端(11a)的端面开口的面积，S₂为第二取样端(12a)的端面开口的面积。

优选地，上述方法还包括步骤5：计算颗粒的净流率G＝G₁-G₂。

优选地，上述方法还包括步骤5’：计算颗粒的总流率G’＝G₁+G₂。

优选地，在抽气取样的步骤中，所述第一取样管和第二取样管中抽气速度控制在0～25米/秒。

优选地，所述抽气泵的排气口连接到所述锅炉的炉膛内。

通过上述技术方案，在被检测区域比如锅炉炉膛内，气流与颗粒之间存在较大的气固相对速度，并且同时存在向上和向下运动以及向其它方向运动的颗粒，在不同方向上颗粒的运动速度不一样，由于设置有第一取样管和第二取样管，其第一取样端和第二取样端的端面开口方向分别朝向所述炉膛的顶部和底部，在控制相同抽气速率的条件下，能够实现对炉膛内不同方向运动的颗粒进行非等速取样，使得取样具有代表性，从而能够得到准确的颗粒流率测量结果；另外所述取样测枪的主要工作部件仅有并列布置的第一取样管和第二取样管，其结构简单，可靠性高，并且该装置操作方便，尤其适合于工业应用场合。

本发明的其他特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。

附图说明

附图是用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本发明，但并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1是本发明取样测枪的结构示意图。

图2是本发明颗粒取样系统的结构示意图。

附图标记说明

10     取样测枪                     11    第一取样管

12     第二取样管                   13    外冷却套管

14     内冷却套管                   15    进液口

16     出液口                       17    温度计

21     第一分离器                   22    第二分离器

31     第一抽气阀                   32    第二抽气阀

41     第一流量计                   42    第二流量计

50     抽气泵                       60    炉膛

11a    第一取样端                   11b   第一抽气端

12a    第二取样端                   12b   第二抽气端

具体实施方式

以下结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。

在本发明中，在未作相反说明的情况下，使用的方位词如“上、下、左、右”通常是指参考附图所示的上、下、左、右；“内、外”是指相对于各部件本身的轮廓的内、外。

参见图1所示，根据本发明的一个方面，提供一种取样测枪，该取样测枪10包括中空的第一取样管11和第二取样管12，所述第一取样管11的两端分别为第一取样端11a和第一抽气端11b，所述第二取样管12的两端分别为第二取样端12a和第二抽气端12b，所述第一取样端11a的端面开口的开口方向不同于所述第二取样端12a的端面开口的开口方向，所述第一抽气端11b和第二抽气端12b用于连接抽气装置以分别抽取流入所述第一取样端11a和第二取样端12a的取样样本。所述第一取样端11a和第二取样端12a的端面开口的开口方向是指垂直于其端面开口的法线方向。

在被检测区域比如锅炉炉膛内，烟气气流与颗粒之间存在较大的气固相对速度，并且同时存在向上和向下运动以及向其它方向运动的颗粒，而且在不同方向上颗粒的运动速度不一样，如果仅在一个方向上取样，取样的代表性不强，不能准确反映整体的颗粒流动状况。本发明设置了两根取样管并且取样端的开口方向不同，在取样操作时，第一取样端11a和第二取样端12a能够抽取不同方向的颗粒，因此取样的代表性强，测量的颗粒流率准确性高。此外，本发明取样测枪的主要工作部件仅有并列布置第一取样管和第二取样管，其结构简单，因而可靠性高，并且该装置操作方便，不需要严苛的测量条件，尤其适合于工业应用场合。

优选地，所述第一取样管11和所述第二取样管12平行并间隔布置。采用平行设置，可以使结构紧凑，节省取样测枪的总体体积。

优选地，所述第一取样端11a的端面开口和所述第二取样端12a的端面开口的开口面积相同。第一取样端和第二取样端的端面开口的面积相同，可以保证从不同方向抽取颗粒时取样的截面积相同，使得取样更具有代表性。第一取样端11a和第二取样端12a的端面开口可以为相同内径的圆形，进一步端面开口可以与所在的取样管的内径一致。在这种情况下，第一取样管11和第二取样管12具有相同的内径。

为了使取样测枪能在高温中工作，比如从锅炉炉膛内取样，该取样测枪还设置冷却水套，所述冷却水套包括冷却腔室、进液口15和出液口16，所述第一取样端11a和第二取样端12a从所述冷却水套的一端伸入所述冷却腔室内，并从所述冷却水套的另一端的周壁伸出。冷却液比如冷却水从进液口15进入冷却水套，从出液口16回流。

进一步优选地，所述冷却水套包括管径不同且同轴设置的外冷却套管13和内冷却套管14；所述内冷却套管14的一端开口，另一端闭合，所述内冷却套管14的所述开口端插入所述外冷却套管13的内腔中，所述内冷却套管14的所述闭合端露出于所述外冷却套管13的管端外，外冷却套管保持密封。所述第一取样管11和第二取样管12从所述内冷却套管14的所述闭合端插入该内冷却套管14内，并从所述内冷却套管14的所述开口端伸出，伸出的所述第一取样端11a和第二取样端12a分别从所述外冷却套管13内向外伸出，即伸出到外冷却套管13之外，可以从外冷却套管13的端部伸出，也可以从外冷却套管13端部附件的周壁上伸出，当从端部附件的周壁上伸出时，取样端可以设置为与取样管成90°的弯头形状。第一取样端11a和第二取样端12a的端面开口的开口方向朝向不同的方向。所述进液口15和出液口16分别设置在所述外冷却套管13和所述内冷却套管14的远离所述取样端的端部的周壁上。采用该双层冷却套管的结构，冷却液从进液口15进入外冷却套管13和内冷却套管14之间的通道，在内冷却套管14的开口的一端进入内冷却套管，然后从出液口16回流，第一取样管11和第二取样管12位于内冷却套管14内，能够获得双层冷却液的保护。

优选地，所述出液口16设置有用于监测冷却液温度的温度计17，在出液口16处设置温度计，方便随时监测冷却液在出口处的温度，当温度偏离预定值范围时调整冷却液的流量，以保证取样管内温度在控制的范围内。

优选地，所述第一取样端11a的端面开口的开口方向和所述第二取样端12a的端面开口的开口方向相反设置。采用相反方向设置的端面开口方向，可以最大限度地抽取不同方向的颗粒，使采样颗粒具有代表性。

参见图2所示，根据本发明的另一个方面，提供一种颗粒取样系统，其中，该系统包括第一分离器21、第二分离器22、抽气泵50和本发明的取样测枪，所述第一抽气端11b连接所述第一分离器21，所述第一分离器21和所述抽气泵50连接的管路中设置有第一抽气阀31和第一流量计41，所述第二抽气端12b连接所述第二分离器22，所述第二分离器22和所述抽气泵50连接的管路中设置有第二抽气阀32和第二流量计42。所述第一分离器21和第二分离器22为气固分离器，可以采用常见的旋风分离器。

下面参考图2描述本发明颗粒流率的双向测量方法，该测量方法包括如下步骤：

步骤1：采用上述颗粒取样系统，将所述取样测枪10的所述取样端插入CFB锅炉的炉膛60内，其中所述第一取样端11a的端面开口和所述第二取样端12a的端面开口分别朝向所述炉膛60的顶部和底部；

步骤2：启动所述抽气泵50，开启并调节所述第一抽气阀31和第二抽气阀32，同时观察所述第一流量计41和第二流量计42，使得所述第一流量计41和第二流量计42的流速相同，当调节到流速相同后开始进行抽气取样，其中，在抽气取样过程中两个流量计的流速可根据需要进行同步增大或减小的调整，抽气速度也可以根据需要预先设定一个值；

步骤3：经过设定取样周期T的抽气取样后，关闭所述第一抽气阀31和第二抽气阀32，分别称量第一分离器21和第二分离器22中分离出来的颗粒质量M₁和M₂；

步骤4：计算向下流动的颗粒流率计算向上流动的颗粒流率其中，S₁为第一取样端(11a)的端面开口的面积，S₂为第二取样端(12a)的端面开口的面积。

上述测量方法可以进一步包括步骤5：计算颗粒的净流率G＝G₁-G₂。颗粒的净流率G为矢量，若G为正，表示颗粒净流率方向向下；若G为负，表示颗粒净流率方向向上。

上述测量方法可以进一步包括步骤5’：计算颗粒的总流率G’＝G₁+G₂。颗粒的总流率G’表示了颗粒总的流率大小。

在上述测量方法中，当取样的对象是高温的锅炉炉膛内的颗粒时，优选采用带有冷却水套的的取样测枪，在开始测量之前开启冷却水循环并调节冷却水流量，保证冷却水在出液口16处的温度处于安全范围。

在被检测区域比如锅炉炉膛内，气流与颗粒之间存在较大的气固相对速度，并且同时存在向上和向下运动的颗粒，而且在不同方向上颗粒的运动速度不一样，如果仅在一个方向上取样，取样的代表性不强，不能准确反映整体的颗粒流动状况。在本双向测量方法中，使用了两根取样管并且两根取样管的取样端的开口分别朝向炉膛的顶部和底部，在取样操作步骤中，控制两根取样管的抽气速度相同，由于颗粒在向上和向下的方向上速度不同，故对于颗粒而言进行了非等速取样，并且取样的颗粒运动方向分别朝下和朝上，该取样的代表性强，测量的颗粒流率准确性高。此外，本发明测量方法简单，不需要严苛的测量条件，尤其适合于工业应用场合，而且使得取样测枪的结构简单，可靠性高，操作方便。

优选地，在抽气取样的步骤中，所述第一取样管11和第二取样管12中抽气速度控制在0～25米/秒。

优选地，所述抽气泵50的排气口连接到所述锅炉的炉膛60内。将抽气泵50的排气口连接到所述锅炉的炉膛60内，可以使烟气重新回到炉膛60内燃烧，避免直接排放照成浪费和污染环境。

以上结合附图详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本发明的保护范围。

另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合，为了避免不必要的重复，本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。

此外，本发明的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本发明的思想，其同样应当视为本发明所公开的内容。

Claims (13)

1.一种取样测枪，其特征在于，该取样测枪包括中空的第一取样管(11)和第二取样管(12)，所述第一取样管(11)的两端分别为第一取样端(11a)和第一抽气端(11b)，所述第二取样管(12)的两端分别为第二取样端(12a)和第二抽气端(12b)，所述第一取样端(11a)的端面开口的开口方向不同于所述第二取样端(12a)的端面开口的开口方向，所述第一抽气端(11b)和第二抽气端(12b)用于连接抽气装置以分别抽取流入所述第一取样端(11a)和第二取样端(12a)的取样样本。

2.根据权利要求1所述的取样测枪，其特征在于，所述第一取样管(11)和所述第二取样管(12)平行并间隔布置。

3.根据权利要求1所述的取样测枪，其特征在于，所述第一取样端(11a)的端面开口和所述第二取样端(12a)的端面开口的开口面积相同。

4.根据权利要求1所述的取样测枪，其特征在于，该取样测枪还包括冷却水套，所述冷却水套包括冷却腔室、进液口(15)和出液口(16)，所述第一取样端(11a)和第二取样端(12a)从所述冷却水套的一端伸入所述冷却腔室内，并从所述冷却水套的另一端的周壁伸出。

5.根据权利要求4所述的取样测枪，其特征在于，所述冷却水套包括管径不同且同轴设置的外冷却套管(13)和内冷却套管(14)；

所述内冷却套管(14)的一端开口，另一端闭合，所述内冷却套管(14)的所述开口端插入所述外冷却套管(13)的内腔中，所述内冷却套管(14)的所述闭合端露出于所述外冷却套管(13)的管端外；

所述第一取样管(11)和第二取样管(12)从所述内冷却套管(14)的所述闭合端插入该内冷却套管(14)内，并从所述内冷却套管(14)的所述开口端伸出，伸出的所述第一取样端(11a)和第二取样端(12a)分别从所述外冷却套管(13)内向外伸出；

所述进液口(15)和出液口(16)分别设置在所述外冷却套管(13)和所述内冷却套管(14)的远离所述取样端的端部的周壁上。

6.根据权利要求4所述的取样测枪，其特征在于，所述出液口(16)设置有用于监测冷却液温度的温度计(17)。

7.根据上述权利要求1-6任意一项所述的取样测枪，其特征在于，所述第一取样端(11a)的端面开口的开口方向和所述第二取样端(12a)的端面开口的开口方向相反设置。

8.一种颗粒取样系统，其特征在于，该系统包括第一分离器(21)、第二分离器(22)、抽气泵(50)和根据权利要求7所述的取样测枪，所述第一抽气端(11b)连接所述第一分离器(21)，所述第一分离器(21)和所述抽气泵(50)连接的管路中设置有第一抽气阀(31)和第一流量计(41)，所述第二抽气端(12b)连接所述第二分离器(22)，所述第二分离器(22)和所述抽气泵(50)连接的管路中设置有第二抽气阀(32)和第二流量计(42)。

9.颗粒流率的双向测量方法，其特征在于，该测量方法包括：

步骤1：采用根据权利要求8所述的颗粒取样系统，将所述取样测枪(10)的所述取样端插入CFB锅炉的炉膛(60)内，其中所述第一取样端(11a)的端面开口和所述第二取样端(12a)的端面开口分别朝向所述炉膛(60)的顶部和底部；

步骤2：启动所述抽气泵(50)，开启并调节所述第一抽气阀(31)和第二抽气阀(32)，使得所述第一流量计(41)和第二流量计(42)的流速相同后进行抽气取样；

步骤3：经过设定取样周期T的抽气取样后，停止所述抽气泵(50)，分别称量第一分离器(21)和第二分离器(22)中分离出来的颗粒质量M₁和M₂；

步骤4：计算向下流动的颗粒流率计算向上流动的颗粒流率其中，S₁为第一取样端(11a)的端面开口的面积，S₂为第二取样端(12a)的端面开口的面积。

10.根据权利要求9所述的颗粒流率的双向测量方法，其特征在于，还包括步骤5：计算颗粒的净流率G＝G₁-G₂。

11.根据权利要求9所述的颗粒流率的双向测量方法，其特征在于，还包括步骤5’：计算颗粒的总流率G’＝G₁+G₂。

12.根据权利要求9-11任意一项所述的颗粒流率的双向测量方法，其特征在于，在抽气取样的步骤中，所述第一取样管(11)和第二取样管(12)中抽气速度控制在0～25米/秒。

13.根据权利要求9-11任意一项所述的颗粒流率的双向测量方法，其特征在于，所述抽气泵(50)的排气口连接到所述锅炉的炉膛(60)内。