CN109000763A - 风送管道煤粉重量测量仪及其测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种风送管道煤粉重量测量仪，它由风‑粉二相流测量装置、风速测量装置及数据采集控制器构成。风‑粉二相流测量装置测量出二相流物质重量W_风‑粉，风速测量装置测出风‑粉的速度v，数据采集控制器接收W_风‑粉、v信号并按数学模型计算出风送煤粉重量W_粉。本发明还公开了其测量方法，采用该方法完成所建煤粉重量测量数学模型中各种系数标定，以实现煤粉重量在线测量。本发明解决了多年来一直困扰的风送煤粉重量测量问题，它为实现多管道煤粉重量均衡供粉、优化配风创造了有利条件，对提高锅炉热效率、降耗减排有重要意义。

Description

风送管道煤粉重量测量仪及其测量方法

技术领域

本发明涉及风送物料重量测量，特别涉及风送管道煤粉重量测量及其测量方法。

背景技术

风送物料是指以风为载体，经过管道将固态颗粒，如塑料、烟丝、片烟、粮食、煤粉等物料进行输送的一种方式。例如，大型热力锅炉、大型火电锅炉、水泥窑炉等，均用风送管道向锅炉输送煤粉。

现有燃煤大型锅炉普遍采用多层(3-6层)供粉、配风，每层设一台磨煤机，带有四个风送管道向燃烧器供粉，另有四个配风管道向燃烧器配风，四个燃烧器采用四角喷射技术，将粉和风喷入炉内。每层设备相同，图1给出制粉、供粉系统的一层主要设备示意图，以下，以一层为例表述。

一台锅炉由十几个或二十几个风送管道同时供粉、配风，如果这些管道供粉不均、配风不均，将直接影响煤粉燃烧质量和燃烧效率。现有供粉系统没有风送管道煤粉重量测量手段，不能实时给出各管道煤粉的重量及其重量偏差，更不能实时调节进入各管道煤粉重量，以实现均衡供粉，因而造成同层四个管道和各层多个管道供粉不均，重量偏差过大，煤粉燃烧不均，中心火焰偏斜，热负荷和烟气温度分布不均、不稳，水冷壁局部过热，高温腐蚀加剧，严重时会造成火焰冲刷炉墙、结渣等事故，致使燃烧质量下降，热效率下降，煤耗大，排放量高。

入炉煤粉重量测量一直是要解决的重要课题。多年来本领域技术人员先后采用各种二相流测量技术研发出了各种风-粉二相流测量装置，诸如辐射式、微波式、静电感应式、激光式、电容式、光-电式、超声波式等风-粉二相流测量装置，以解决风-粉二相流中的煤粉重量的测量问题，但至今尚未较好的解决。

上述多种二相流测量方法，从本质上讲均是利用其测量原理，研制出二相流传感器，利用其发出的信号与风-粉二相流物质相互作用产生的信号变化关系，来确定二相流物质的重量W_风-粉或煤粉浓度D，显然W_风-粉或D均为煤粉重量和空气重量的二元函数，所以只用单一二相流测量，得不出煤粉重量。

本发明解决的关键问题是：采用二相流测量装置及风速测量装置构成风送煤粉重量测量仪，再采用本发明的测量方法实现风送煤粉的重量测量。

发明内容

一种风送管道煤粉重量测量仪，安装在风送煤粉管道上，用以测量管道内煤粉重量W_粉；解决的技术问题有：

1)采用风-粉二相流测量装置测量出风-粉二相流介质的重量W_风-粉或煤粉浓度D，

2)采用风速测量装置，安装在风送管道上，用以测量风速v，从而获得风的重量W_风＝s×ρ_空×v×t，式中s为风送管道截面积，ρ_空为空气密度，t为测量时间；

3)风-粉二相流测量装置测出风-粉二相流物质的重量W_风-粉，与此同时风速测量装置测出二相流速度v，并由此可得到风的重量，W_风＝s×v×ρ_空×t，前者W_风-粉＝W_二相流粉+W_二相流风，此处，W_风应该等于W_二相流风，但实际上两者是不相等的，为此引入空气重量修正系数K_空，使二者相等，即：

W_二相流风＝K_空×W_风＝K_空×s×v×ρ_空×t

4)确定K_空方法：

A、以不同的空气量(i＝1，2，3……n)，通过风送管道，由风-粉二相流测量装置测出风的重量W_{二相流风i}(i＝1，2，3……n)，风速测量装置测出风速v_i(i＝1，2，3……n)；

B、数据采集控制器按公式计算出K_空1、K_空2……K_空n，其中ρ_空、s均为常数，t为测量时间；

C、对v_i和K_空i变化关系进行线性拟合，得出K_空i＝a+b×v_i，其中a-拟合直线截距，b-拟合直线斜率。

5)风送管道煤粉重量测量仪测量二相流中煤粉重量的数学模型是：

W_粉测i＝W_二相流粉＝W_风-粉i-s×ρ_空×(a+b×v_i)×v_i×t

该公式的含义是利用风速测量装置测出的风速v_i，并依此得到风的重量：W_风＝s×ρ_空×(a+b×v_i)×v_i×t，来代替二相流测量装置测量W_二相流风，从而求得二相流中煤粉重量W_粉测。

6)采用煤粉重量值作为标准值对W_粉测进行标定，W_粉＝K_粉×W_粉测，用不同的煤粉重量值作为标准值，即W_粉标1，W_粉标2……W_粉标n，由空气载体将其送入风管道，风-粉二相流测量装置测出风-粉二相流物质重量W_风-粉i(i＝1，2，3……n)；风速测量装置测出风-粉速度v_i(i＝1，2，3……n)；数据采集控制器按公式W_粉测i＝W_风-粉i-s×ρ_空×(a+b×v_i)×v_i×t计算出W_粉测i(i＝1，2，3……n)，以及按公式计算出K_粉i(i＝1，2，3……n)；对K_粉i与W_粉测i变化关系进行线性拟合得出：K_粉i＝c+d×W_粉测i，其中c为拟合直线截距，d为拟合直线斜率。

7)风送管道煤粉重量测量仪测量的数学模型是：

W_粉i＝(c+d×W_测)×W_粉测i

W_粉测i＝W_风-粉i-s×ρ_空×(a+b×v_i)×v_i×t_i

一种风送管道煤粉重量测量仪，其特征在于包括：

风-粉二相流测量装置，安装在风送煤粉管道上，用于测量风-粉二相流物质的重量W_风-粉或煤粉浓度D，

风速测量装置安装在风送煤粉管道上，用于测量风-粉二相流的速度v_i；

数据采集控制器，用于接收W_风粉或D、v信号，依据v计算出风的重量：

W_风＝s×v×ρ_空×K_空×t

并按数学模型计算出煤粉重量W_粉，数学模型是：

W_粉i＝K_粉i×W_粉测i…………(1)

W_粉测i＝[W_风-粉i-s×v_i×ρ_空×K_空i×t]…………(2)

或W_粉i＝K_粉i×W_粉测i…………(1)

W_粉测i＝D_i×s×v_i×ρ_空×K_空i×t]…………(3)

式中：i-瞬时值；W_粉-煤粉重量；W_粉测-煤粉重量测量仪测量的二相流中煤粉重量；K_粉-以W_粉标对W_粉测进行标定的标定系数；W_风-粉-风-粉二相流物质重量；D-煤粉浓度，s-风送管道截面面积，d-管道直径；v-风-粉的速度；ρ_空-空气密度；K_空-空气重量修正系数；t-测量时间。

所述风送管道煤粉重量测量仪，其特征在于，风-粉二相流测量装置是辐射式二相流测量装置，或是微波式二相流测量装置，或是静电式二相流测量装置，或是电容式二相流测量装置，或是超声波式二相流测量装置，或是激光式二相流测量装置，或是光-电式二相流测量装置。

所述风送管道煤粉重量测量仪，其特征在于，风速测量装置是靠背管式测速装置，或是笛形管式测速装置，或是皮托管式测速装置，或是双喉径文丘里管式测速装置，或是压差式测速装置。

所述风送管道煤粉重量测量仪，其特征在于，公式(2)或(3)中的空气重量修正系数K_空是用以下方法确定：

A、以不同的空气量(i＝1，2，3……n)通过风送管道，由风-粉二相流测量装置测出风的重量W_{二相流风i}(i＝1，2，3……n)；风速测量装置测出风速v_i(i＝1，2，3……n)；

B、数据采集控制器按公式计算出K_空1，K_空2……K_空n，其中s、ρ均为常数，t为测量时间；

C、对v_i和K_空i变化关系进行线性拟合，得出：K_空i＝a+b×v_i，其中a为拟合直线截距，b为拟合直线斜率。

所述风送管道煤粉重量测量仪，其特征在于，公式(1)中K_粉i是用以下方法确定：

A、选取不同煤粉重量值作为标准值，即W_粉标1，W_粉标2……W_粉标n，以风为载体送入风送管道，风速测量装置测出风-粉二相流的速度v_i(i＝1，2，3……n)；风-粉二相流测量装置测出风-粉二相流物质重量W_风-粉i(i＝1，2，3……n)；

B、数据采集控制器按公式W_粉测i＝W_风-粉i-s×ρ_空×(a+b×v_i)×v_i×t计算出W_粉测1，W_粉测2……W_粉测n，以及按公式计算出K_粉1，K_粉2……K_粉n；

C、对K_粉i与W_粉测i变化关系进行线性拟合得出：K_粉i＝c+d×W_粉测i，其中c为拟合直线截距，d为拟合直线斜率。

风送管道煤粉重量测量仪的测量方法是：

步骤1，将权利要求1-4所述煤粉重量测量仪安装在风送管道上；

步骤2，建立风送管道煤粉重量测量数学模型：

W_粉i＝K_粉i×W_粉测i…………(1)

W_粉测i＝[W_风-粉i-s×v_i×ρ_空×K_空i×t]…………(2)

式中：i-瞬时值；W_粉-煤粉重量；W_粉测-煤粉重量测量仪测量的二相流中煤粉重量；K_粉-以W_粉标对W_粉测进行标定的标定系数；W_风-粉-风-粉二相流物质重量；s-风送管道截面面积；ρ_空-空气密度；v-风-粉速度；K_空-空气重量修正系数；

步骤3，公式(2)中K_空i是用以下方法确定：

步骤3.1，以不同的空气量(i＝1，2，3……n)通过风送管道；

步骤3.2，风速测量装置测出风速v_i(i＝1，2，3……n)；

步骤3.3，风-粉二相流测量装置测出t时间的W_{二相流风i}(i＝1，2，3……n)；

步骤3.4，数据采集控制器按公式计算出K_空1，K_空2……K_空n，其中s、ρ均为常数；

步骤3.5，对v_i和K_空i变化关系进行线性拟合，得出K_空i＝a+b×v_i，其中a为拟合直线截距，b为拟合直线斜率；

步骤4，公式(1)中的K_粉i是用以下方法确定：

步骤4.1，选取不同煤粉重量值作为标准值，即W_粉标1，W_粉标2……W_粉标n，以风为载体送入风送管道；

步骤4.2，风速测量装置测出二相流的风速v_i(i＝1，2，3……n)；

步骤4.3，风-粉二相流测量装置测量出二相流物质重量W_风-粉i(i＝1，2，3……n)；

步骤4.4，数据采集控制器按公式

W_粉测i＝W_风-粉i-s×ρ_空×(a+b×v_i)×v_i×t

计算出W_粉测i(i＝1，2，3……n)；

步骤4.5，数据采集控制器根据计算出K_粉i(i＝1，2，3……n)；

步骤4.6，对K_粉i与W_粉测i变化关系进行线性拟合得出：K_粉i＝c+d×W_粉测i，其中c为拟合直线截距，d为拟合直线斜率；

步骤5，风送管道煤粉重量测量仪按以下数学模型进行测量，数学模型是：

W_粉i＝(c+d×W_粉测i)×W_粉测i…………(4)

W_粉测i＝W_风-粉i-s×ρ_空×(a+b×v_i)×v_i×t…………(5)

式中，W_粉i-煤粉重量，W_粉测i-重量测量仪测出的二相流中煤粉重量；

步骤6，风送管道煤粉重量测量仪按公式(4)、公式(5)对管道内煤粉重量进行测量。

附图说明

图1-现有煤粉制备、供粉系统主要设备示意图：

1-原煤仓，2-输送带，3-给煤机，4-磨煤机，5-一次风风机，6-粗细粉分离器，7-煤粉分配器，8A、8B、8C、8D-风送管道，9A、9B、9C、9D-煤粉燃烧器，10-锅炉，11-二次风风机，12-二次风风箱，13A、13B、13C、13D-一二次风配风管道。

图2-煤粉重量测量仪构成示意图：

101-风-粉二相流测量装置，102-风速测量装置，103-数据采集控制器，8A、8B、8C、8D-风送管道。

图3-采用辐射式风-粉二相流测量装置的煤粉重量测量仪构成示意图：

101-辐射式风-粉二相流测量装置，101-1-辐射源，101-2-辐射探测器，101-3-支架，101-4-管道连接器，101-5-速度测量仪，101-6-数据采集处理控制器，101-7-法兰盘。

图4(a)-无物料时辐射探测器输出信号U₀；

图4(b)-空气以速度v通过风送管道时，辐射探测器输出信号U_风；

图4(c)-风-粉二相流通过风送管道时，辐射探测器输出信号U_风-粉；

图中：101-1-辐射源，101-2-辐射探测器，8A、8B、8C、8D-风送管道。

具体实施方式

结合附图对本发明的技术方案做进一步说明如下：

图1是现有煤粉制备供粉系统的一层、一台磨煤机、四个送风管道和四个配风管道给锅炉供粉、配风主要设备示意图；

图2是本发明风送管道煤粉重量测量仪结构示意图；

图3是采用辐射式风-粉二相流测量装置构成的风送管道煤粉重量测量仪，安装在风送管道上的示意图；

现以图3，由辐射式风-粉二相流测量装置构成的煤粉重量测量仪为例，对本发明技术方案实施做进一步说明：

辐射式二相流传感器由辐射源(101-1)和辐射探测器(101-2)构成，辐射源(101-1)和辐射探测器(101-2)分别安装在风送管道(8A、8B、8C、8D)两侧，上下或左右，辐射源(101-1)发出射线穿过风送管道内风-粉二相流物质，与风-粉二相流物质发生相互作用，其中一部分被二相流物质吸收，一部分穿过物质达至辐射探测器，探测器给出输出信号U；

图4(a)，图4(b)，图4(c)给出了辐射探测器在风送管道内无风-粉、有风、有风-粉三种情况下辐射探测器输出信号U₀、U_风、U_风-粉，这些信号代表了射线与被测物质相互作用后信号的变化；

根据物质对射线吸收定律，及信号的变化，可确定被测物质的物料负荷F(公斤/米)，其中F_风-风送管道单位长度上风的重量，F_风-粉-风送管道单位长度上风-粉二相流物质重量；

根据F_风与F_风-粉，辐射式风-粉二相流测量装置可计算出风通过风送管道时风的重量：

风-粉二相流通过风送管道时二相流物质重量：

式中：Δt-采集时间，N-采集次数，W_二相流风-二相流中风的重量，W_风-粉-二相流物质的重量；

根据W_二相流风与W_风-粉及风速测量装置测量的风-粉速度v_i，可确定具有辐射式风-粉二相流测量装置的风送管道煤粉重量测量仪数学模型：

W_粉＝K_粉×W_粉测…………(6)

同样，用不同风量通过风送管道，求出K_空1，K_空2……K_空n与v₁，v₂……v_n变化关系进行线性拟合得到K_空i＝a+b×v_i；

利用不同煤粉重量值作为标准值，即W_粉标1，W_粉标2……W_粉标n，以风为载体送入风送管道，可得到W_粉测1，W_粉测2，……W_粉测n，与K_粉1，K_粉2……K_粉n变化关系，并对K_粉i与W_粉测i进行线性拟合可得K_粉i＝c+d×W_粉测i；

依此完成了对辐射式风送管道煤粉重量测量仪数学模型中系数的标定，风送管道煤粉重量测量仪按这一标定好的数学模型进行测量。

辐射传感器的辐射源(101-1)可选择γ射线辐射源或X射线辐射源；辐射探测器可选择长电离室、阵列电离室、塑料闪烁计数器、或半导体探测器；速度测量装置可选择

喉径文丘里管风速测量仪或靠背管式风速测量装置；管道连接器101-4选用对射线吸收小的材料制成，如塑料或铝管。

本发明解决了多年来一直未能较好解决的风送管道煤粉重量测量问题，它为实现多管道煤粉重量均衡供粉与优化配风创造了有利条件，对提高煤粉燃烧质量，降耗减排有重要意义，本发明也适用风送其他物料的重量在线测量。

Claims (6)

1.一种风送管道煤粉重量测量仪其特征在于，包括：

风-粉二相流测量装置安装在风送煤粉管道上，用于测量风-粉二相流物质的重量W_风-粉或煤粉浓度D，

风速测量装置安装在风送煤粉管道上，用于测量风-粉二相流的速度v_i；

数据采集控制器，用于接收W_风粉或D、v信号，依据v计算出风的重量：

W_风＝s×v×ρ_空×K_空×t

并按数学模型计算出煤粉重量W_粉，数学模型是：

W_粉i＝K_粉i×W_粉测i…………(1)

W_粉测i＝[W_风-粉i-s×v_i×ρ_空×K_空i×t]…………(2)

或W_粉i＝K_粉i×W_粉测i…………(1)

W_粉测i＝D_i×s×v_i×ρ_空×K_空i×t]…………(3)

式中：i-瞬时值；W_粉-煤粉重量；W_粉测-煤粉重量测量仪测量的二相流中煤粉重量；K_粉-以W_粉标对W_粉测进行标定的标定系数；W_风-粉-风-粉二相流物质重量；D-煤粉浓度，s-风送管道截面面积，d-管道直径；v-风-粉的速度；ρ_空-空气密度；K_空-空气重量修正系数；t-测量时间。

2.根据权利要求1，所述风送管道煤粉重量测量仪其特征在于，风-粉二相流测量装置是辐射式二相流测量装置，或是微波式二相流测量装置，或是静电式二相流测量装置，或是电容式二相流测量装置，或是超声波式二相流测量装置，或是激光式二相流测量装置，或是光-电式二相流测量装置。

3.根据权利要求1，所述风送管道煤粉重量测量仪其特征在于，风速测量装置是靠背管式测速装置，或是笛形管式测速装置，或是皮托管式测速装置，或是双喉径文丘里管式测速装置，或是压差式测速装置。

4.根据权利要求1，所述风送管道煤粉重量测量仪其特征在于，公式(2)或(3)中的空气重量修正系数K_空是用以下方法确定：

A、以不同的空气量(i＝1，2，3……n)通过风送管道，由风-粉二相流测量装置测出风的重量W_{二相流风i}(i＝1，2，3……n)；风速测量装置测出风速v_i(i＝1，2，3……n)；

B、数据采集控制器按公式计算出K_空1，K_空2……K_空n，其中s、ρ均为常数，t为测量时间；

C、对v_i和K_空i变化关系进行线性拟合，得出：K_空i＝a+b×v_i，其中a为拟合直线截距，b为拟合直线斜率。

5.根据权利要求1，所述风送管道煤粉重量测量仪其特征在于，公式(1)中是用以下方法确定：

A、选取不同煤粉重量值作为标准值，即W_粉标1，W_粉标2……W_粉标n，以风为载体送入风送管道，风速测量装置测出风-粉二相流的速度v_i(i＝1，2，3……n)；风-粉二相流测量装置测出风-粉二相流物质重量W_风-粉i(i＝1，2，3……n)；

B、数据采集控制器按公式W_粉测i＝W_风-粉i-s×ρ_空×(a+b×v_i)×v_i×t计算出W_粉测1，W_粉测2……W_粉测n，以及按公式计算出K_粉1，K_粉2……K_粉n；

C、对K_粉i与W_粉测i变化关系进行线性拟合得出：K_粉i＝c+d×W_粉测i，其中c为拟合直线截距，d为拟合直线斜率。

6.风送管道煤粉重量测量仪的测量方法是：

步骤1，将权利要求1-4所述煤粉重量测量仪安装在风送管道上；

步骤2，建立风送管道煤粉重量测量数学模型：

W_粉i＝K_粉i×W_粉测i…………(1)

W_粉测i＝[W_风-粉i-s×v_i×ρ_空×K_空i×t]…………(2)

式中：i-瞬时值；W_粉-煤粉重量；W_粉测-煤粉重量测量仪测量的二相流中煤粉重量；K_粉-以W_粉标对W_粉测进行标定的标定系数；W_风-粉-风-粉二相流物质重量；s-风送管道截面面积；ρ_空-空气密度；v-风-粉速度；K_空-空气重量修正系数；

步骤3，公式(2)中K_空i是用以下方法确定：

步骤3.1，以不同的空气量(i＝1，2，3……n)通过风送管道；

步骤3.2，风速测量装置测出风速v_i(i＝1，2，3……n)；

步骤3.3，风-粉二相流测量装置测出t时间的W_{二相流风i}(i＝1，2，3……n)；

步骤3.4，数据采集控制器按公式计算出K_空1，K_空2……K_空n，其中s、ρ均为常数；

步骤3.5，对v_i和K_空i变化关系进行线性拟合，得出K_空i＝a+b×v_i，其中a为拟合直线截距，b为拟合直线斜率；

步骤4，公式(1)中的K_粉i是用以下方法确定：

步骤4.1，选取不同煤粉重量值作为标准值，即W_粉标1，W_粉标2……W_粉标n，以风为载体送入风送管道；

步骤4.2，风速测量装置测出二相流的风速v_i(i＝1，2，3……n)；

步骤4.3，风-粉二相流测量装置测量出二相流物质重量W_风-粉i(i＝1，2，3……n)；

步骤4.4，数据采集控制器按公式

W_粉测i＝W_风-粉i-s×ρ_空×(a+b×v_i)×v_i×t计算出W_粉测i(i＝1，2，3……n)；

步骤4.5，数据采集控制器根据计算出K_粉i(i＝1，2，3……n)；

步骤4.6，对K_粉i与W_粉测i变化关系进行线性拟合得出：K_粉i＝c+d×W_粉测i，其中c为拟合直线截距，d为拟合直线斜率；

步骤5，风送管道煤粉重量测量仪按以下数学模型进行测量，数学模型是：

W_粉i＝(c+d×W_粉测i)×W_粉测i…………(4)

W_粉测i＝W_风-粉i-s×ρ_空×(a+b×v_i)×v_i×t…………(5)

式中，W_粉i-煤粉重量，W_粉测i-重量测量仪测出的二相流中煤粉重量，W_风-粉i-二相流测量装置测出风-粉二相流物质质量；

步骤6，风送管道煤粉重量测量仪按公式(4)、公式(5)对管道内煤粉重量进行测量。