CN105424557A - 锅炉煤粉颗粒参数的在线测量装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及锅炉煤粉颗粒参数的在线测量装置及方法。该装置包括：光信号采集单元，用于采集由于煤粉颗粒流经测量区域导致的光信号，包括两路光源、探针和光电元件，光源用于发射光，以照射测量区域，两路探针插入锅炉煤粉管道中，光电元件用于接收流经测量区域的煤粉颗粒的光信号并且将光信号转换成电信号；以及数据处理单元，与光信号采集单元连接，用于对光信号采集单元所采集的信号进行处理，数据处理单元包括数据采集系统与分析处理系统，数据采集系统用于记录并保存光信号采集单元所采集的信号，数据处理单元对数据采集系统所记录并保存的信号进行处理，所处理的结果被保存于数据采集系统中。本发明具有结构原理简单、灵敏度高等优点。

Description

锅炉煤粉颗粒参数的在线测量装置及方法

技术领域

本发明属于热工测量领域，具体涉及一种双激光传感器联用的电厂锅炉煤粉参数在线测量装置及方法。

背景技术

提高火力发电电厂锅炉效率、降低污染物排放是国家实施节能减排和环境保护的关键问题之一。其中，电厂锅炉的煤粉管道中的煤粉颗粒浓度、速度和粒度的实时在线测量对于节能减排、优化控制起到重要作用。但是，由于其作为气固两相流流动状况十分复杂，给测量带来了很多困难。

目前，常用的煤粉颗粒浓度、速度和粒度的在线测量方法有超声法、图像法等。

但是，超声法测量所需的物性参数随工况变化较大；图像法测量则对气固两相浓度等有具体要求。

发明内容

本发明克服现有技术中的某种或某些缺陷，提供了一种双激光传感器联用的电厂锅炉煤粉参数在线测量装置及方法，实现电厂锅炉内煤粉管道内煤粉颗粒参数的实时在线测量。

本发明的一个方面提供了一种锅炉煤粉颗粒参数的在线测量装置，包括：

光信号采集单元，用于采集由于煤粉颗粒流经测量区域导致的光信号，光信号采集单元包括两路光源、探针和光电元件，光源用于发射光，以照射测量区域，两路探针插入锅炉煤粉管道中，光电元件用于接收流经测量区域的煤粉颗粒的光信号并且将光信号转换成电信号；以及

数据处理单元，与光信号采集单元连接，用于对光信号采集单元所采集的信号进行处理，数据处理单元包括数据采集系统与分析处理系统，数据采集系统用于记录并保存光信号采集单元所采集的信号，数据处理单元对数据采集系统所记录并保存的信号进行处理，所处理的结果被保存于数据采集系统中。

根据本发明，有效地提高了电厂锅炉煤粉管道内煤粉参数装置的简易度，同时提高了可靠性和测量灵敏度。

根据本发明的一个实施例，光电元件布置在探针上，并且设置在探针的插入锅炉煤粉管道中的端部附近。光源布置在探针内，并且设置在探针的与布置光电元件的端部相对的端部附近。光源为激光器。这样设置的测量装置具有结构紧凑性并且能够进一步提高测量的可靠性。

根据本发明的一个实施例，测量区域为设置在探针上的凹槽，凹槽设置在光电元件附件，并且从探针主体的外部沿径向方向向内凹陷，这样能够使得测量装置结构简单并且方便操作

根据本发明的一个实施例，利用保护材料对光电元件进行密封保护，这样能够进一步提供测量装置的可靠性并延长测量装置的使用寿命。

根据本发明的一个实施例，两路探针在锅炉煤粉管道内沿煤粉颗粒的运动方向呈上下游布置，并且分别与数据处理单元相连接。

根据本发明的另一方面，提供了一种锅炉煤粉颗粒参数的在线测量方法，该方法利用以上所述的锅炉煤粉颗粒参数的在线测量装置来进行测量，并且包括以下步骤：

将光信号采集单元插入锅炉煤粉管道内；

打开光源，使得光源照射到煤粉流过的测量区域；

利用光电元件来接收流经测量区域的煤粉颗粒的光信号并且将光信号转换成电信号；

将所转换的电信号的数据传输至数据处理单元的数据采集系统；

将所采集的信号通过分析处理系统进行处理，得到颗粒参数，并将处理得到的颗粒参数存储于数据采集系统。

根据本发明的方法，能够对电厂锅炉煤粉颗粒的参数进行实时测量，具有实施方式简单且灵敏度高等优点。

根据本发明的优选实施例，本发明的测量装置的数据处理单元对光脉动信号进行处理，并且根据比尔朗伯特定律：

$\mathrm{\Γ}=\ln \left(\frac{I_t}{I_0}\right)=-LN({\mathrm{\πD}}^2/4)k_{ext}(\mathrm{\λ},m,D)=-({\mathrm{\πD}}^2/4)(n/A)k_{ext}(\mathrm{\λ},m,D)$

能够得到颗粒粒度与浓度，并将处理得到的颗粒粒度与浓度结构存储于分析处理系统，其中，Γ称为对数透射率，是透射光强I_t与入射光强I₀的对数比；L是测量光束在测量区内的光程；N是单位体积颗粒数浓度，当光束面积为A时，该时刻激光照射颗粒数n＝NAL；D是颗粒的平均粒径；k_ext是消光系数，它是入射光波长λ、颗粒平均粒径D和颗粒相对折射率m的函数，可由米氏散射理论求得。据此，结合通过测量区域的颗粒数满足泊松分布，最终可以得到颗粒粒度与浓度。

数据处理单元还能够以两路光脉动信号作为互相关分析的随机信号x(t)和y(t)，开展两信号的互相关函数分析：

$R_{xy}\left(\mathrm{\τ}\right)=\underset{T\→\mathrm{\∞}}{\lim }\frac{1}{T}{\∫}_0^{T}x\left(t\right)y\left(t+\mathrm{\τ}\right)dt$

其中T为积分平均时间，τ为时间变量，R_xy(τ)在τ＝τ₀达到最大值，互相关信号的渡越时间为τ₀。从而能够获得颗粒平均速度v∶v＝d/τ₀，其中d为双激光传感器之间的距离，并将处理得到的颗粒速度存储于分析处理系统中。

本发明提供了一种双激光传感器联用的电厂锅炉煤粉参数在线测量装置及方法，实现电厂锅炉内煤粉管道内煤粉颗粒浓度、速度、粒度的实时在线测量，有效提高现有电厂锅炉煤粉管道内煤粉参数装置的简易度，同时提高测量灵敏度。

附图说明

图1是本发明的双激光传感器联用的电厂锅炉煤粉参数在线测量装置的结构示意图；以及

图2是本发明的双激光传感器联用的电厂锅炉煤粉参数在线测量方法的流程图。

具体实施方式

下面结合附图详细地描述本发明的双激光传感器联用的电厂锅炉煤粉参数在线测量装置的结构。

本领域技术人员应当理解，下面描述的实施例仅是对本发明的示例性说明，而非用于对其做出任何限制。

图1为本发明的双激光传感器联用的电厂锅炉煤粉参数在线测量装置的结构示意图，该测量装置用于测量电厂锅炉煤粉管道内煤粉颗粒的粒度、浓度与速度。

如图1所示，双激光传感器联用的电厂锅炉煤粉参数在线测量装置100包括光信号采集单元1和数据处理单元2，光信号采集单元1通过电缆线15与数据处理单元2连接。

光信号采集单元1插入电厂锅炉煤粉管道10中，用于采集由于煤粉颗粒流经该光信号采集单元1的测量区域所导致的光(脉动)信号。

数据处理单元2对光信号采集单元1的所采集的信号进行处理，以得到颗粒粒度、浓度与速度等颗粒参数，并且记录并保存光信号采集单元1的光(强)信号以及数据处理结果。

光信号采集单元1包括两路探针12，两路探针12插入电厂锅炉煤粉管道10中，并且在煤粉颗粒运动的方向上以上下游的方式布置于电厂锅炉煤粉管道10中。光信号采集单元1还包括布置在探针12内的作为光源的激光器11以及布置上探针12上的光电元件14。光电元件14布置在探针12上，并且设置在探针12的插入锅炉煤粉管道10中的端部附近。激光器11布置在探针12内，并且设置在探针12的与布置光电元件14的端部相对的端部附近，激光器11发射激光并且用于照射到测量区域13。测量区域13位于探针12上，煤粉颗粒可以流经该测量区域13，测量区域13可以为位于探针12上的凹槽，凹槽从探针主体的外部沿径向方向向内凹陷。光电元件14利用保护材料进行密封保护，能够接收到流经测量区域13中的煤粉颗粒的随机变化的光(脉动)信号，并且能够将光信号转化为电信号。所转化的电信号能够通过电缆线15被传送至数据处理单元2。

数据处理单元2包括数据采集系统22与分析处理系统21。数据采集系统22用于记录并保存光信号采集单元1所采集的光(强)信号。两路光(脉动)信号通过电缆线15传输至数据采集系统22，信号数据被采集之后，通过电缆线23传输至分析处理系统21进行最终结果的分析与处理，并且将分析处理系统的处理结果保存于数据采集系统22中。

图2为本实施例中的双激光传感器联用的电厂锅炉煤粉参数在线测量方法的流程图。

以下简要描述本发明的在线测量装置的构成。提供具有凹槽结构的煤粉探针12，在探针12的靠近其中一个端部处设置有凹槽，该凹槽作为测量区域13。将光电元件14布置于探针12上，并且设置在探针12的具有凹槽的端部附近，并且用保护材料对光电元件14进行密封保护。同时在探针12内布置作为光源的激光器11，激光器11位于探针12的与设置光电元件14的端部相对的端部附近。再将两路煤粉探针12分别插入电厂锅炉煤粉管道10内，并且沿煤粉颗粒的运动方向上呈上下游布置，并通过电缆线15将两路探针12与数据处理部分2相连接。

如图2所示，双激光传感器联用的电厂锅炉煤粉参数在线测量方法主要包括以下步骤：

S1：打开激光器11，使得激光照射到测量区域13；

S2：利用光电元件14将光信号转换成电信号；

S3：将信号数据通过电缆线15传输至数据采集系统22；

S4：将信号通过分析处理系统21记录并保存；

S5：数据处理单元2对光脉动信号进行处理，根据比尔朗伯特定律：

$\mathrm{\Γ}=\ln \left(\frac{I_t}{I_0}\right)=-LN({\mathrm{\πD}}^2/4)k_{ext}(\mathrm{\λ},m,D)=-({\mathrm{\πD}}^2/4)(n/A)k_{ext}(\mathrm{\λ},m,D)---\left(1\right)$

能够得到颗粒粒度与浓度，并将处理得到的颗粒粒度与浓度结构存储于分析处理系统，在以上的公式(1)中，Γ称为对数透射率，是透射光强I_t与入射光强I₀的对数比；L是测量光束在测量区内的光程；N是单位体积颗粒数浓度，当光束面积为A时，该时刻激光照射颗粒数n＝NAL；D是颗粒的平均粒径；k_ext是消光系数，它是入射光波长λ、颗粒平均粒径D和颗粒相对折射率m的函数，可由米氏散射理论求得。据此，结合通过测量区域的颗粒数满足泊松分布，最终可以得到颗粒粒度与浓度。

S6：数据处理单元以两路光脉动信号作为互相关分析的随机信号x(t)和y(t)，开展两信号的互相关函数分析：

$R_{xy}\left(\mathrm{\τ}\right)=\underset{T\→\mathrm{\∞}}{\lim }\frac{1}{T}{\∫}_0^{T}x\left(t\right)y(t+\mathrm{\τ})dt$

其中T为积分平均时间，τ为时间变量，R_xy(τ)R_xy(τ)在τ＝τ₀达到最大值，互相关信号的渡越时间为τ₀，并求得信号渡越时间τ₀。并进一步获得颗粒平均速度v：

v＝d/τ₀(2)

在该公式(2)中，d为双激光传感器之间的距离，并将处理得到的颗粒速度存储于分析处理系统中。

本发明提供了一种双激光传感器联用的电厂锅炉煤粉参数在线测量装置与方法，由于本实施例基于比尔朗伯特定律与光散射理论，结合互相关原理，将颗粒流经测量区域所造成的随机光脉动信号进行分析处理，使得本实施例提供的双激光传感器联用的电厂锅炉煤粉参数在线测量装置与方法仅需要两根探针即可获得数据，通过对数据进行处理，可得到电厂锅炉煤粉参数实时测量，克服了具有结构原理简单、灵敏度高的优点。

本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所述的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

Claims (8)

1.一种锅炉煤粉颗粒参数的在线测量装置，包括：

光信号采集单元，用于采集由于煤粉颗粒流经测量区域导致的光信号，光信号采集单元包括两路光源、探针和光电元件，光源用于发射光，以照射测量区域，两路探针插入锅炉煤粉管道中，光电元件用于接收流经测量区域的煤粉颗粒的光信号并且将光信号转换成电信号；以及

数据处理单元，与光信号采集单元连接，用于对光信号采集单元所采集的信号进行处理，数据处理单元包括数据采集系统与分析处理系统，数据采集系统用于记录并保存光信号采集单元所采集的信号，数据处理单元对数据采集系统所记录并保存的信号进行处理，所处理的结果被保存于数据采集系统中。

2.根据权利要求1所述的锅炉煤粉颗粒参数的在线测量装置，光电元件布置在探针上，并且设置在探针的插入锅炉煤粉管道中的端部附近。

3.根据权利要求1或2所述的锅炉煤粉颗粒参数的在线测量装置，其中，光源布置在探针内，并且设置在探针的与布置光电元件的端部相对的端部附近。

4.根据权利要求1或2所述的锅炉煤粉颗粒参数的在线测量装置，其中，光源为激光器。

5.根据权利要求1或2所述的锅炉煤粉颗粒参数的在线测量装置，其中，测量区域为设置在探针上的凹槽，凹槽设置在光电元件附件，并且从探针主体的外部沿径向方向向内凹陷。

6.根据权利要求1或2所述的锅炉煤粉颗粒参数的在线测量装置，其中，利用保护材料对光电元件进行密封保护。

7.根据权利要求1所述的锅炉煤粉颗粒参数的在线测量装置，其中，两路探针在锅炉煤粉管道内沿煤粉颗粒的运动方向呈上下游布置，并且分别与数据处理单元相连接。

8.一种锅炉煤粉颗粒参数的在线测量方法，该方法利用权利要求1至7中任一项所述的锅炉煤粉颗粒参数的在线测量装置来进行测量，并且包括以下步骤：

将光信号采集单元插入锅炉煤粉管道内；

打开光源，使得光源照射到煤粉流过的测量区域；

利用光电元件来接收流经测量区域的煤粉颗粒的光信号并且将光信号转换成电信号；

将所转换的电信号的数据传输至数据处理单元的数据采集系统；

将所采集的信号通过分析处理系统进行处理，得到颗粒参数，并将处理得到的颗粒参数存储于数据采集系统。