CN107356612A - 可在线标定的旁路取样式微波测飞灰含碳量设备及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了属于火电厂烟气微波测量设备范围的一种可在线标定的旁路取样式微波测飞灰含碳量设备及方法。是采用旁路取样,用微波测量技术测量火电厂烟道中飞灰含碳量的在线检测和标定的设备。其由微波测量装置、取样装置、标定装置组成；其中旁路样品管通过四通管分别连接隔断阀、标定阀和吹扫阀；隔断阀由管道经上安装法兰与取样嘴连接，标定阀与标准灰样瓶连接构成可在线标定的旁路取样装置。与以往的测量方式相比，以往的测量方式通常只以功率衰减表征飞灰含碳量，测量精度不高；用双参量函数表征飞灰含碳量，有效的消除一些干扰因素，能够获得更高的测试精度。
Description
技术领域
本发明属于火电厂烟气微波测量设备范围；特别涉及一种可在线标定的旁路取样式微波测飞灰含碳量设备及方法。具体是用旁路取样,采用微波测量技术测量火电厂烟道中飞灰含碳量的在线检测和标定的设备。
背景技术
在已有的技术中，利用微波进行烟道飞灰含碳量检测的设备，主要分为两种:谐振腔法，烟道式衰减测量法。
利用微波谐振腔法测量飞灰含碳量的中国专利00240532,通过测量谐振腔品质因数来确定飞灰含碳量。而谐振腔的负载会影响Q值，负载越大，Q值越低，灰样管也是负载，所以为了使灰样管负载变小必须限制灰样管的直径，该专利选择了的最大内径为8mm,最小为4mm。灰样管很细，就会很容易堵灰，飞灰颗粒细小，质量低，易粘附管壁，越积越厚形成堵灰。
采用微波衰减法测量飞灰含碳量，通常采用在烟道两侧安装微波发射天线和微波接收天线，通过测量发射信号经过烟道内飞灰对微波能量的吸收，使得在另一端接收天线接收到的信号功率衰减，再由检测装置将这种衰减换算为飞灰含碳量的值。例如中国专利ZL01210622.4.这类专利虽然避免了堵灰问题，但是又存在很多其他的严重问题：
1)反射问题。烟道内壁都是金属材料，对入射波全部反射，接收端接收到的信号中含有多次反射的干扰信号，会导致较大的测量误差。
2)无法进行标定。在实际环境中测量需要对飞灰含碳量和微波功率衰减之间的关系曲线进行标定，但是由于测量空间就是烟道本身，这种方式难以进行标定。且测量过程中，煤种变化后也无法进行在线重新标定。测量的准确度无法保证。
发明内容
本发明的目的是提供一种可在线标定的旁路取样式微波测飞灰含碳量设备及方法，该设备由微波测量装置、取样装置、标定装置组成；其中微波测量装置由微波源、定向耦合器、发射天线、接收天线、幅相检测模块和飞灰含碳量处理模块组成；并且发射天线和接收天线相对安装在样品两边；其特征在于，该设备是采用旁路取样,用微波测量技术测量火电厂烟道中飞灰含碳量的在线检测和标定的设备；其中定向耦合器分别和发射天线、幅相检测模块连接；接收天线与幅相检测模块连接；并且发射天线3和接收天线5相对安装在旁路样品管4两边；旁路样品管4通过四通管分别连接隔断阀12、标定阀13和吹扫阀14；隔断阀12由管道17经上安装法兰11与取样嘴9连接，标定阀13与标准灰样瓶8连接构成可在线标定的旁路取样装置。
所述上安装法兰11将取样嘴9固定在烟道内壁上。
所述吹扫阀14通过三通管分别连接压缩空气阀15和射流阀16，射流阀16通过三通管分别连接旁路样品管4和射流器19，射流器19与下安装法兰18连接，下安装法兰18将排灰口10固定在烟道内壁上。
所述可在线标定的旁路取样式微波测飞灰含碳量的测量方法，微波源1产生固定频率的微波，经过定向耦合器2分成了两路信号，一路测量信号送入到发射天线3里，另一路直接送入幅相检测模块6作为参比信号；发射天线3将导行的电磁波转化成空间中平面波，经过有飞灰流动的旁路样品管4；其飞灰中的未燃尽碳粒转化为石墨态，对微波有很好的吸收作用，导致微波的功率衰减和相位偏移；信号穿过飞灰和样品管后，辐射信号被接收天线5接收，转化成导行波，进入幅相检测模块6，另一路参比信号直接送入幅相检测模块6。与进入幅相检测模块6的参比信号进行幅值和相位的比较，得到功率衰减和相位移。最后将两个信号发送至飞灰含碳量计算模块7，计算出双参量函数f(衰减，相移)，再根据f(衰减，相移)和飞灰含碳量的关系获得飞灰含碳量；与以往的测量方式相比，以往的测量方式通常只以功率衰减表征飞灰含碳量，测量精度不高；用双参量函数表征飞灰含碳量，有效的消除一些干扰因素，能够获得更高的测试精度。
所述旁路样品管选用透波的石英玻璃管，介电损耗在0.005以下，对微波信号的吸收很小，同时样品管的横截面积应为天线口面面积的三倍以上。
所述的幅相检测模块需要同时采集由接收天线接收的测量信号和定向耦合器分出的参比信号，比较两者功率衰减和相位差；不同于以往单一参量的检测，本测量模块采用了衰减和相移两个参量来计算飞灰含碳量。
所述旁路取样装置需安装在空气预热器前，旁路取样装置由取样器，旁路样品管和射流装置组成；取样器通过射流装置引流作用从烟道中取出灰样，即射流装置利用了文丘里效应，在样品管内形成负压，在负压的作用下，灰样被吸入样品管,之后再继续由负压作用到达排灰口重新回到烟道；这就在主烟道外建立了一个小的旁路样品管，其中的飞灰保持和主烟道相同的流速和浓度，且因为烟气是不断流动的，旁路会保持一定的温度。这样能有效的克服温度过低造成的结露堵灰。
所述标定装置是实现在线标定的核心设计，主要是在取样器之后的管道到旁路样品管之间，设置了一个四通管路和三个阀：隔断阀，标定阀和吹扫阀；打开隔断阀，关闭另外两个，此时系统处于测量状态，一旦关闭隔断阀，系统停止实时采样。在打开吹扫阀，利用压缩空气对残余在管道中的飞灰进行吹扫，防止其污染标准灰样，影响标定结果，吹扫时间约为3min,吹扫完成再打开标定阀，标准灰样经过标定阀由引流单元引流，经过样品管进行在线标定，之后再继续由负压作用到达排灰口重新回到烟道；更换不同含碳量的标准灰样，即可得到完整的标定结果，当煤种发生变化时，需要更换标准灰样，重新标定。所述的标准灰样为实际所在电厂取得的飞灰，在马弗炉中灼烧产生的不含碳的灰样和纯度99.99％的石墨进行配比得到。
本发明有益效果是：
第一旁路样品管采用透波材料，有效减少了烟道式测量中的反射问题，避免了测量信号被反射信号淹没的问题，提高测量信号的准确度。
第二取样装置安装在空预器的上方，烟气的温度较高，且采用旁路取样，保证高温的烟气在旁路中处于流动状态，自加热管道，所以不会结露。另外样品管的尺寸比谐振腔法大的多，减少了管径小引起的堵灰问题。
第三用两种参量同时测量的方式，得到微波信号的功率衰减和相位变化，送入飞灰含碳量计算单元计算得到飞灰含碳量，这样可以得到更好的线性标定曲线。
第四采用旁路管道，通过关闭隔断阀，打开标定阀，能在线进行标定工作，标定完成后，可以随时打开隔断阀，关闭标定阀，转换至测量状态。旁路取样可以解决烟道直接测量无法完成的标定工作。
附图说明
图1为可在线标定的旁路取样式微波测碳装置示意图。
图2(a)为飞灰含碳量和微波功率衰减关系图。
图2(b)为飞灰含碳量和衰减、相移双参量函数f的关系图。
图3为样品管和天线口面尺寸关系图。
具体实施方式
本发明提供一种可在线标定的旁路取样式微波测飞灰含碳量设备及方法，可在线标定的旁路取样式微波测飞灰含碳量设备由微波测量装置、取样装置、标定装置组成。下面结合附图和实施例对本发明做出更清晰的解释和说明。
如图1所示为可在线标定的旁路取样式微波测碳装置示意图。该设备由微波测量装置、取样装置、标定装置组成。图中，微波源1、定向耦合器2和发射天线3串联，定向耦合器2再和幅相检测模块6、接收天线5串联；并且发射天线3和接收天线5相对安装在旁路样品管4两边；飞灰含碳量处理模块7与幅相检测模块6连接组成微波测量装置；旁路样品管4通过四通管分别连接隔断阀12、标定阀13和吹扫阀14；隔断阀12由管道17经上安装法兰11与取样嘴9连接，标定阀13与标准灰样瓶8连接构成可在线标定的旁路取样装置。其中上安装法兰11将取样嘴9固定在烟道内壁上。吹扫阀14通过三通管分别连接压缩空气阀15和射流阀16，射流阀16通过三通管分别连接旁路样品管4和射流器19，射流器19与下安装法兰18连接，下安装法兰18将排灰口10固定在烟道内壁上。
所述可在线标定的旁路取样式微波测飞灰含碳量的测量方法，微波源1产生固定频率的微波，经过定向耦合器2分成了两路信号，一路测量信号送入到发射天线3里，另一路直接送入幅相检测模块6作为参比信号；发射天线3将导行的电磁波转化成空间中平面波，经过有飞灰流动的旁路样品管4；其飞灰中的未燃尽碳粒转化为石墨态，对微波有很好的吸收作用，导致微波的功率衰减和相位偏移；信号穿过飞灰和样品管后，辐射信号被接收天线5接收，转化成导行波，进入幅相检测模块6，和参比信号进行幅值和相位的比较，得到功率衰减和相位移，最后将两个信号发送至信号处理模块7，计算出双参量函数f(衰减，相移)，再根据f(衰减，相移)和飞灰含碳量的关系获得飞灰含碳量(如图2(b)所示飞灰含碳量和衰减、相移双参量函数f的关系图)；不同于以往单一参量的检测(如图2(a)所示的飞灰含碳量和微波功率衰减关系图)，本幅相检测模块需要同时采集由接收天线接收的测量信号和定向耦合器分出的参比信号，采用了衰减和相移两个参量来计算飞灰含碳量；以往的测量方式通常只以功率衰减表征飞灰含碳量，测量精度不高；用双参量函数表征飞灰含碳量，有效的消除一些干扰因素，能够获得更高的测试精度。
如图3所示，旁路样品管选用透波的石英玻璃管，介电损耗在0.005以下，对微波信号的吸收很小，同时样品管的横截面积应为天线口面面积的三倍以上；
所述旁路取样装置由取样器，样品管和射流装置组成；取样器通过射流装置引流作用从烟道中取出灰样，即射流装置利用了文丘里效应，在样品管内形成负压，在负压的作用下，灰样被吸入样品管,之后再继续由负压作用到达排灰口重新回到烟道；该旁路取样装置需安装在空气预热器前，此处烟气温度较高，一般在300℃以上，抽出的飞灰烟气在整个管道和旁路样品管4中时刻流动更新，也可以外加装保温材料，进一步保持烟气高温，加热管路，这就在主烟道外建立了一个小的旁路样品管，其中的飞灰保持和主烟道相同的流速和浓度，且因为烟气是不断流动的，旁路会保持一定的温度，这样能有效的克服了类似谐振腔测量方式中温度过低结露造成的堵灰。
所述标定装置是实现在线标定的核心设计，主要是在取样器之后的管道到旁路样品管之间，设置了一个四通管路和三个阀：隔断阀，标定阀和吹扫阀。一般是打开隔断阀，关闭另外两个，此时系统处于测量状态，一旦关闭隔断阀，系统停止实时采样。在打开吹扫阀，利用压缩空气对残余在管道中的飞灰进行吹扫，防止其污染标准灰样，影响标定结果，吹扫时间约为3min,吹扫完成再打开标定阀，标准灰样经过标定阀由引流单元引流，经过样品管进行在线标定，之后再继续由负压作用到达排灰口重新回到烟道；更换不同含碳量的标准灰样，即可得到完整的标定结果，当煤种发生变化时，需要更换标准灰样，重新标定。所述的标准灰样为实际所在电厂取得的飞灰，在马弗炉中灼烧产生的不含碳的灰样和纯度99.99％的石墨进行配比得到。
在线检测和标定主要工作过程如下：在在线检测时，打开隔断阀12、压缩空气阀15、射流阀16，关闭标定阀13和吹扫阀14，压缩空气经过压缩空气阀15、射流阀16达到射流器19产生负压使得取样嘴9处出现负压,从而飞灰颗粒可以进入取样嘴9，通过隔断阀12流经旁路样品管4，由射流器19吸引作用到达排灰口10排回烟道中。当需要切换到标定状态，首先需要将管道中的测试灰样排除，先要进行吹扫。由检测状态切换到吹扫状态，需关闭隔断阀12，打开吹扫阀14，其他维持不变，这时源源不断的压缩空气经过吹扫阀14进入旁路样品管4，将整个管路中的残余飞灰全部排除到烟道中。吹扫一段时间后，就可以切换标定状态了，此时需要关闭吹扫阀14，打开标定阀13，其他维持不变。这时压缩空气经射流阀16形成负压，而标准灰样8由于负压作用，被吸引流经旁路样品管4再经过射流器19，最终到排灰口10进入烟道。依次标定从0％到20％的标准灰样，每次标定一种含碳量的灰样,一次标定完后，需要重新切换至吹扫状态吹扫，排除残余在管路内的前一种标准灰样的影响。然后再切换至标定状态继续标定，如此重复直至标定完成。这种标定过程可以直接在线完成，解决了烟道直接测量式无法标定的问题。且当煤种变化时，可以实时更换标准灰样，标定出不同煤种的含碳量曲线，保证测量的准确性。
所述天线和和测量管道用黑箱封装，黑箱内壁贴吸波材料，减少周围的电磁波干扰和其他反射干扰。，阀门和管路之间，旁路样品管4和管道17间连接处均涂密封胶，防止细小飞灰溢出进入测量设备。
Claims (8)
1.一种可在线标定的旁路取样式微波测飞灰含碳量设备，其中微波测量装置由微波源、定向耦合器、发射天线、接收天线、幅相检测模块和飞灰含碳量处理模块组成；并且发射天线和接收天线相对安装在样品两边；其特征在于，该设备是采用旁路取样,用微波测量技术测量火电厂烟道中飞灰含碳量的在线检测和标定的设备；其中定向耦合器分别和发射天线、幅相检测模块连接；接收天线与幅相检测模块连接；并且发射天线和接收天线相对安装在旁路样品管两边；旁路样品管通过四通管分别连接隔断阀、标定阀和吹扫阀；隔断阀由管道经上安装法兰与取样嘴连接，标定阀与标准灰样瓶连接构成可在线标定的旁路取样装置。
2.根据权利要求1所述可在线标定的旁路取样式微波测飞灰含碳量设备，其特征在于，所述上安装法兰将取样嘴固定在烟道内壁上。
3.根据权利要求1所述可在线标定的旁路取样式微波测飞灰含碳量设备，其特征在于，所述吹扫阀通过三通管分别连接压缩空气阀和射流阀，射流阀通过三通管分别连接旁路样品管和射流器；射流器与下安装法兰连接，下安装法兰将排灰口固定在烟道内壁上。
4.根据权利要求1所述可在线标定的旁路取样式微波测飞灰含碳量设备，其特征在于，所述旁路样品管选用透波的石英玻璃管，介电损耗在0.005以下，对微波信号的吸收很小，同时旁路样品管的横截面积应为天线口面面积的三倍以上。
5.一种可在线标定的旁路取样式微波测飞灰含碳量的测量方法，其特征在于，微波源(1)产生固定频率的微波，经过定向耦合器(2)分成了两路信号，一路测量信号送入到发射天线(3)里，另一路直接送入幅相检测模块(6)作为参比信号；发射天线(3)将导行的电磁波转化成空间中平面波，经过有飞灰流动的旁路样品管(4)；其飞灰中的未燃尽碳粒转化为石墨态，对微波有很好的吸收作用，导致微波的功率衰减和相位偏移；信号穿过飞灰和旁路样品管后，辐射信号被接收天线(5)接收，转化成导行波，进入幅相检测模块(6)，和参比信号进行幅值和相位的比较，得到功率衰减和相位移，最后将两个信号发送至信号处理模块(7)，计算出双参量函数f其中双参量为衰减和相移；再根据双参量函数f和飞灰含碳量的关系获得飞灰含碳量；另一路参比信号直接送入幅相检测模块(6)；与进入幅相检测模块(6)的参比信号进行幅值和相位的比较，得到功率衰减和相位移。最后将两个信号发送至飞灰含碳量计算模块(7)，计算出双参量函数f，再根据f和飞灰含碳量的关系获得飞灰含碳量；相比于以往的测量方式通常只以功率衰减表征飞灰含碳量，测量精度不高；用双参量函数表征飞灰含碳量，有效的消除一些干扰因素，能够获得更高的测试精度。
6.根据权利要求5所述可在线标定的旁路取样式微波测飞灰含碳量的测量方法，其特征在于，所述的幅相检测模块需要同时采集由接收天线接收的测量信号和定向耦合器分出的参比信号，比较两者功率衰减和相位差；不同于以往单一参量的检测，本测量模块采用了衰减和相移两个参量来计算飞灰含碳量。
7.根据权利要求5所述可在线标定的旁路取样式微波测飞灰含碳量的测量方法，其特征在于，所述旁路取样装置需安装在空气预热器前，旁路取样装置由取样器，旁路样品管和射流装置组成；取样器通过射流装置引流作用从烟道中取出灰样，即射流装置利用了文丘里效应，在样品管内形成负压，在负压的作用下，灰样被吸入样品管,之后再继续由负压作用到达排灰口重新回到烟道；这就在主烟道外建立了一个小的旁路样品管，其中的飞灰保持和主烟道相同的流速和浓度，且因为烟气是不断流动的，旁路会保持一定的温度。这样能有效的克服温度过低造成的结露堵灰。
8.根据权利要求5所述可在线标定的旁路取样式微波测飞灰含碳量的测量方法，其特征在于，所述标定装置是实现在线标定的核心设计，主要是在取样器之后的管道到旁路样品管之间，设置了一个四通管路和三个阀：隔断阀，标定阀和吹扫阀；打开隔断阀，关闭另外两个，此时系统处于测量状态，一旦关闭隔断阀，系统停止实时采样,再打开吹扫阀，利用压缩空气对残余在管道中的飞灰进行吹扫，防止其污染标准灰样，影响标定结果，吹扫时间约为3min,吹扫完成再打开标定阀，标准灰样经过标定阀由引流单元引流，经过样品管进行在线标定，之后再继续由负压作用到达排灰口重新回到烟道；更换不同含碳量的标准灰样，即可得到完整的标定结果，当煤种发生变化时，需要更换标准灰样，重新标定。所述的标准灰样为实际所在电厂取得的飞灰，在马弗炉中灼烧产生的不含碳的灰样和纯度99.99％的石墨进行配比得到。
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