CN105547762A - 锅炉煤粉取样细度在线测量方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及锅炉煤粉取样细度在线测量方法和装置。该装置包括：机械传动单元，用于提供机械动力并传递机械动力，包括位于锅炉管道内部的旋转器和锅炉管道外部的电机；取样单元，由机械传动单元驱动，用于提取锅炉煤粉的样本，包括位于旋转器上并且随之旋转的取样探头；光电转换单元，与取样单元连接，包括光源、探测区和光电转换器，光源用于照射所提取的煤粉样本，光电转换器用于将所提取的煤粉样本的光信号转换为电压信号；数据采集和处理单元，与光电转换单元连接，用于对由光电转换单元的光电转换器所转换的电压信号进行采集和处理并且计算出颗粒细度。本发明提供的锅炉煤粉细度在线测量装置与方法具有结构简单、在线测量、灵敏度高的优点。

Description

锅炉煤粉取样细度在线测量方法和装置

技术领域

本发明属于热工测量领域，具体涉及一种电厂锅炉煤粉细度在线测量方法与装置。

背景技术

随着电力工业的迅猛发展，对电厂运行的清洁、安全、经济性提出了更高的要求。但由于电厂系统结构和运行工况的复杂性，锅炉的运行涉及面大。其中，煤粉颗粒的细度是影响着锅炉运行的关键参数之一，所以需要对煤粉的细度进行实时准确测量，从而对锅炉设备进行适当的调整和维护，提高锅炉的安全性以及电厂运行的经济性。

但是，目前市场上现有的设备只有在通过取样后，将煤粉送到相关部门进行检测，因此，其流程周期长，运行成本也高，也不能做到实时反馈。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中的某种或某些缺陷，提供一种能够实现在电厂直吹式煤粉系统一次风管中提取具有代表性的煤粉颗粒并且及时进行煤粉细度测量的煤粉取样细度在线测量方法和装置。

本发明的一个方面提供了一种锅炉煤粉取样细度在线测量装置，包括：

机械传动单元，用于提供机械动力并且对所提供的机械动力进行传递，包括位于锅炉管道内部的旋转器和位于锅炉管道外部的电机，由电机提供动力来驱动旋转器进行旋转；

取样单元，由机械传动单元驱动，用于提取锅炉煤粉的样本，包括位于旋转器上并且随旋转器一起旋转的取样探头；

光电转换单元，与取样单元连接，包括光源、探测区和光电转换器，光源用于照射所提取的煤粉样本，光电转换器用于将所提取的煤粉样本的光信号转换为电压信号；以及

数据采集和处理单元，与光电转换单元连接，用于对由光电转换单元的光电转换器所转换的电压信号进行采集和处理，并且计算出所提取的煤粉样本的颗粒细度。

根据本发明，煤粉取样是能取到具有代表性的颗粒，对煤粉细度的分析准确可靠，实时在线测量。

根据本发明的一个实施例，取样单元还包括由电机驱动的气泵，用于使取样探头能够进行煤粉的取样，该气泵使取样探头中产生负压，从而有利于对煤粉进行取样。

根据本发明的一个实施例，取样单元还包括位于锅炉管道外部的分离器，分离器用于分离出所提取的煤粉样本中的煤粉颗粒，并将所分离出的煤粉颗粒提供到光电转换单元的探测区。该分离器将煤粉颗粒与所取样的煤粉中的气体分离开来，从而对煤粉颗粒的细度进行测量。

根据本发明的一个实施例，光源为激光器。

根据本发明的一个实施例，取样探头上布置有取样孔，并且取样孔与分离器相通，以提取煤粉样本。混合有空气的煤粉从取样探头的取样孔到达分离器，由分离器进行气固分离，从而取得煤粉颗粒，以进行煤粉果粒粒径的在线测量。

本实施新型的另一方面还提供一种锅炉煤粉取样细度在线测量方法，该方法利用锅炉煤粉取样细度在线测量装置来进行测量，并且包括以下步骤：

根据待测煤粉的速度范围确定机械传动单元的旋转器的速度；

利用取样单元中的取样探头对煤粉进行取样；

将所取样的煤粉提供到光电转换单元的探测区，利用光源照射探测区中所取样的煤粉颗粒，并且由光电转换器将所取样的煤粉颗粒的光信号转换为电压信号；

利用数据采集和处理单元实时记录光电转换器的所转换的电信号，并且计算求得煤粉的颗粒细度。

根据本发明提供的方法，克服了样品测量周期长等缺点，可以实现对煤粉颗粒的粒径的及时可靠且安全稳定的测量，并且该方法具有结构简单、在线测量和灵敏度高等优点。

附图说明

图1是本发明的电厂锅炉煤粉细度在线测量装置的结构示意图；

图2是本发明的电厂锅炉煤粉细度在线测量方法的流程图。

具体实施方式

首先，概略描述本发明的电厂锅炉煤粉细度在线测量的基本原理。

本发明通过将取样枪伸入煤粉管道，利用反吹射流原理，对取样枪进行抽吸流量控制。取样枪上连接一个取样探头，通过电机控制，使取样探头能够在垂直煤粉流动的平面内旋转，从而做到均匀取样。使抽取到的煤粉进入带有旋风分离功能的竖直测量区内，首先将煤粉中的气体分离出，然后通过光脉动方法对进入竖直测量区内的颗粒进行细度测量。

基于上述的发明原理，本发明是在抽取一次风管中有代表性的煤粉后，经旋风分离器分离得到的煤粉进入测量区，在测量区内设置光学测量元件，当激光照射到测量区内的煤粉时，由于测量区内的颗粒数是随时间变化的，便会产生造成透射光强出现脉动信号，将接收到的透射光转换成电压信号，经模数转换后送入计算机进行分析处理得到煤粉细度参数，实现利用光脉动法对测量区内煤粉细度的在线测量。

因此，本发明可以如下进行实施：

1、当气固两相流在管道内流动速度较高且充分分布时，管道中煤粉的颗粒分布在管道截面上可以认为是以中心对称分布的，因而沿直管某直径方向取得一定量的煤粉即可获得煤粉的细度特性；

2、探头连接取样枪的一端，采样时由电机控制以旋转方式对一次风管道某个界面均匀采样；

3、取样枪中间部分是电机以及由电机带动的可调节气泵，使探头内产生一个负压，将一次风管内的煤粉吸进；

4、取样枪的另一端装有与之垂直的有旋风分离器作用的竖管，竖管的上头接有乏气排除软管，将乏气排回一次风管；

5、煤粉在竖管内被分离开来，并进入测量区；

6、激光器与光电探测元件安装在测量区内；

7、根据以下方法计算出煤粉颗粒的细度：

假定经过颗粒后透射光衰减量符合Beer-Lambert定律：

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

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。

定义S_ext为颗粒的消光面积：

S_ext＝k_ext(πD²/4)(2)

代入式(1)得：

$\mathrm{\Γ}=\ln \left(\frac{I_t}{I_0}\right)=-(n/A)S_{ext}---\left(3\right)$

若减小光束的截面积A，某一时刻被照射颗粒数n也会相应减小，当n减至一定程度时呈现随机性，相应的透射光强出现脉动信号。可以认为n符合泊松分布，可得E(n)＝D(n)，因此可以建立对数透射率Γ与颗粒数n之间的统计学关系：

$E\left(n\right)=\frac{{\left(E\right(\mathrm{\Γ}\left)\right)}^2}{D\left(\mathrm{\Γ}\right)}---\left(4\right)$

将式(3)代入式(4)可求得颗粒消光面积值S_ext，由此便可计算颗粒的平均粒径D为：

$D=\sqrt{4S_{ext}/\left({\mathrm{\πk}}_{ext}\right)}---\left(5\right)$

因此，通过测量入射光强与透射光强信号，依据建立的颗粒粒径参数与光脉动信号的关系，便可实现对气固两相流颗粒粒径的在线测量。

下面结合附图进一步详细地描述本发明的电厂锅炉煤粉细度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为本发明的电厂锅炉煤粉细度在线测量装置的结构示意图。

如图1所示，电厂锅炉煤粉细度在线测量装置包括机械传动单元、取样单元、光电转换单元、数据采集系统以及数据处理单元。

机械传动单元包括插入煤粉管道1内的旋转机构3、位于煤粉管道1外部的电机5以及连接旋转机构3和电机5的传动杆4。

取样单元位于机械传动单元和光电转换单元之间，包括位于旋转机构3上并且与旋转机构3一起旋转的取样探头2、旋风式分离器6以及连接分离器6与取样探头2的输运管路。取样探头2上均匀布满有取样孔，取样孔与旋风分离器6相通，以分离出锅炉管道内的煤粉颗粒。

光电转换单元位于旋风分离器6和数据采集系统以及数据处理单元10之间，光电转换单元包括位于测量区的发射端的激光器7、探测区8和位于测量区的接收端的光电转换器9。激光器7产生激光，以照射探测区8内的煤粉颗粒。光电转换器9用于将所照射到的煤粉颗粒的光(脉动)信号转换为电压信号。

数据采集系统以及数据处理单元10的一端和光电转换单元中的光电转换器9连接。数据采集系统和数据处理单元10用于记录、保存以及处理光电转换器输出的煤粉颗粒的电压信号，并且计算出煤粉颗粒的细度。

如示出本实施例中的电厂锅炉煤粉细度测量方法的流程图的图2所示，电厂锅炉煤粉细度测量方法主要包括以下步骤：

S1：根据待测煤粉气固两相流流场(煤粉管道1)的速度范围确定旋转机构3的速度；

S2：利用取样单元中的取样器2进行煤粉颗粒的取样，并且将取样的煤粉送入旋风分离器6进行煤粉与气体的分离；

S3：所分离出的煤粉颗粒进入探测区8，此时激光器7和光电转换器9开始工作，并且由光电转换器9将煤粉颗粒的光信号转换为电压信号；

S4：数据采集系统以及数据处理单元10实时记录光电转换器9的电压信号，并经数据处理单元处理求得煤粉颗粒的细度。

由于本发明利用光散射原理为基础，将照射在颗粒上的激光产生散射脉动信号作为测量信号源实现煤粉细度的测量，使得本发明提供的电厂锅炉煤粉细度在线测量装置与方法克服了样品测量周期长等缺点，具有结构简单、在线测量、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 (6)

1.一种锅炉煤粉取样细度在线测量装置，包括：

机械传动单元，用于提供机械动力并且对所提供的机械动力进行传递，包括位于锅炉管道内部的旋转器和位于锅炉管道外部的电机，由电机提供动力来驱动旋转器进行旋转；

取样单元，由机械传动单元驱动，用于提取锅炉煤粉的样本，包括位于旋转器上并且随旋转器一起旋转的取样探头；

光电转换单元，与取样单元连接，包括光源、探测区和光电转换器，光源用于照射所提取的煤粉样本，光电转换器用于将所提取的煤粉样本的光信号转换为电压信号；以及

数据采集和处理单元，与光电转换单元连接，用于对由光电转换单元的光电转换器所转换的电压信号进行采集和处理，并且计算出所提取的煤粉样本的颗粒细度。

2.根据权利要求1所述的锅炉煤粉取样细度在线测量装置，其中，取样单元还包括由电机驱动的气泵，用于使取样探头能够进行煤粉的取样。

3.根据权利要求1或2所述的锅炉煤粉取样细度在线测量装置，其中，取样单元还包括位于锅炉管道外部的分离器，分离器用于分离出所提取的煤粉样本中的煤粉颗粒，并将所分离出的煤粉颗粒提供到光电转换单元的探测区。

4.根据权利要求1所述的锅炉煤粉取样细度在线测量装置，其中，光源为激光器。

5.根据权利要求3所述的锅炉煤粉取样细度在线测量装置，其中，取样探头上布置有取样孔，并且取样孔与分离器相通，以提取煤粉样本。

6.一种锅炉煤粉取样细度在线测量方法，该方法利用权利要求1至5中任一项所述的锅炉煤粉取样细度在线测量装置来进行测量，并且包括以下步骤：

根据待测煤粉的速度范围确定机械传动单元的旋转器的速度；

利用取样单元中的取样探头对煤粉进行取样；

将所取样的煤粉提供到光电转换单元的探测区，利用光源照射探测区中所取样的煤粉颗粒，并且由光电转换器将所取样的煤粉颗粒的光信号转换为电压信号；

利用数据采集和处理单元实时记录光电转换器的所转换的电信号，并且计算求得煤粉的颗粒细度。