CN110631975B - 一种基于静电法的一次风在线浓度测量方法 - Google Patents

一种基于静电法的一次风在线浓度测量方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于静电法的一次风在线煤粉浓度测量算法,首先对采集到的静电信号进行电荷电压转换,然后滤波、放大。信号处理后使用互相关算法得到相关系数最大时,两个静电探针之间的时间差,两个静电棒之间的距离固定,由此得到一次风的速度;静电信号有效值
Figure 312573DEST_PATH_IMAGE002
与煤粉浓度和煤粉速度都有关系,静电信号有效值
Figure 636238DEST_PATH_IMAGE002
是可测的,使用互相关法测到速度后,得到煤粉相对浓度。本发明测量精度高,测量结果准确、可靠、稳定。进而可以指导燃烧优化系统进行调节、优化,使锅炉燃烧效果最优,降低煤耗,节能减排。

Description

一种基于静电法的一次风在线浓度测量方法
技术领域
本发明属于工业测量领域,具体说是一种基于静电法的一次风在线浓度测量方法。
背景技术
当前国内外燃煤电厂一次风浓度测量主要使用超声、微波、静电等方法,有许多厂商推出基于上述三种原理的了一次风浓度测量产品,但在现场应用后发现,这些产品容易被环境影响,都存在测量不准、探头易被煤粉污染、测量稳定性不好等问题。采用本发明算法,在使用静电传感器的情况下,可以明显提高浓度测量精度,稳定性。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于静电法的一次风在线浓度测量方法,以便在线进行一次风浓度测量,得到一次风相对浓度,进而可以指导燃烧优化系统进行调节、优化,使锅炉燃烧效果最优,降低煤耗,节能减排。
本发明的目的通过以下技术方案实现:
一种基于静电法的一次风在线浓度测量方法,其特征在于:安装在燃煤电厂一次风管道上的静电传感器有上下游两个探针,分别采集两路电荷信号,通过转换电路,将煤粉携带的电荷信号转换为电压信号,然后滤波、放大,送入运算单元进行运算。通过理论分析和实验验证,静电信号有效值
Figure 480053DEST_PATH_IMAGE001
不仅与一次风浓度c有关,而且与一次风速度v有关。静电信号有效值
Figure 866035DEST_PATH_IMAGE001
是与一次风浓度c和一次风速度都有关的一个函数,可表示为:
Figure DEST_PATH_IMAGE002
式1
为了方便处理,先考虑一次风浓度不变的情况下,一次风速度与有效值的关系,通过实验取得多组静电信号有效值
Figure 711019DEST_PATH_IMAGE001
与一次风速度测试数据,通过多组实验数据拟合测到的静电信号有效值与一次风速度符合高斯曲线,如下:
Figure 699703DEST_PATH_IMAGE003
式2
式中,
Figure 982917DEST_PATH_IMAGE001
为保持煤粉浓度不变的情况下,静电传感器有效值,
Figure DEST_PATH_IMAGE004
为一次风速度,p1、p2、p3是影响静电信号有效值的三个参数,可通过三次以上测量实验进行一次标定,测量环境允许的情况下可多次标定取均值,通常这三个参数会随着测量环境变化而产生较大改变。
当一次风速度不变,一次风浓度与有效值的关系,通过多组实验数据拟合,符合一元二次多项式,可以表示为:
Figure 867697DEST_PATH_IMAGE005
式3
式中,
Figure 728205DEST_PATH_IMAGE001
为保持一次风速度不变的情况下,静电传感器有效值,c为一次风浓度,k1、k2、k3是影响静电信号有效值测量的三个参数,可通过三次以上测量实验进行一次标定,测量环境允许的情况下可多次标定取均值。
式1中,静电信号有效值
Figure 661526DEST_PATH_IMAGE001
和一次风速度v是可以通过采集信号计算得到的值,那么由式1可得关于一次风浓度的一元二次多项式:
Figure DEST_PATH_IMAGE006
式4
式4中
Figure 392722DEST_PATH_IMAGE001
和v是可以通过计算得到的,k1、k2、k3、p1、p2、p3为实验标定得到的常数,那么
Figure 979561DEST_PATH_IMAGE007
可以计算得到,令
Figure DEST_PATH_IMAGE008
,因此一次风浓度计算可转换为求解一元二次多项式
Figure 937153DEST_PATH_IMAGE009
,求解可得一次风浓度为:
Figure DEST_PATH_IMAGE010
式5
式1中静电信号有效值
Figure 736481DEST_PATH_IMAGE001
是通过如下方法得到的:使用静电传感器上、下游探针采集信号分别为
Figure 118921DEST_PATH_IMAGE011
,上、下游静电探针有效值分别是:
Figure DEST_PATH_IMAGE012
Figure 608153DEST_PATH_IMAGE013
式6
一台静电传感器有两个静电探针,我们使用上下游两个静电棒信号的平均值来表示总体静电信号有效值,如下式所示:
Figure DEST_PATH_IMAGE014
式7
式7中,
Figure 912095DEST_PATH_IMAGE015
分别为上、下游棒状静电传感器电压信号的有效值。
式1中一次风速度v是通过如下方法得到的:静电传感器有两根静电探针,分别为上游探针和下游探针,分别采集上下游两路信号,上下游信号的时间差为
Figure DEST_PATH_IMAGE016
、上下游探针的距离为L,那么一次风速度:
Figure 390481DEST_PATH_IMAGE017
式8
式8中上下游信号时间差
Figure 627427DEST_PATH_IMAGE016
通过如下方法得到:先使用式9计算上下游信号之间的互相关系数
Figure DEST_PATH_IMAGE018
,然后将下游信号移位,再与上游信号一起计算互相关系数
Figure 24911DEST_PATH_IMAGE019
,再次移位,再次计算互相关系数
Figure DEST_PATH_IMAGE020
,重复上述步骤,一直到
Figure 81728DEST_PATH_IMAGE021
Figure DEST_PATH_IMAGE022
式9
式9中,
Figure 222860DEST_PATH_IMAGE023
Figure DEST_PATH_IMAGE024
分别为上、下游静电探针采集到的实时信号值,每次运算需要采集n组值,
Figure 783154DEST_PATH_IMAGE025
Figure DEST_PATH_IMAGE026
分别为上、下游静电传感器采集到n组信号的平均值。[0009]从上述计算得到的
Figure 617118DEST_PATH_IMAGE027
中选出最大的互相关系数
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE028
,最大互相关系数对应的上下游信号时间差即为
Figure 771019DEST_PATH_IMAGE029
。n为每次运算需要采集电压信号数据总数,m作为计算互相关系数的总数,小于等于n值。
式5计算的是一台磨煤机上某一根一次风管道中煤粉浓度值,发电厂磨煤机上一般有多根一次风管道,可以使用式10计算一台磨煤机上某一根一次风管道相对煤粉浓度(与其他管道的相对比值),为燃烧优化提供调控参数。
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE030
式10
其中,j为1~4。
Figure 718771DEST_PATH_IMAGE031
为一台磨煤机中4根一次风管中某一根管道相对煤粉浓度值。
对于一台磨煤机有6根一次风管道或其他数量管道的系统,同样适用。
本发明用于火力发电厂一次风管道上测量煤粉和空气混合物的浓度,利用一次风流动时,煤粉颗粒与管道碰撞会产生静电,使用安装在一次风管道上静电传感器的两个探针对煤粉颗粒产生的静电信号进行采集。
本发明主要用于燃煤电厂一次风管道上在线测量一次风浓度,测量精度高,测量结果准确、可靠、稳定。可以解决燃煤电厂一次风不平衡导致的锅炉火焰偏移、水冷壁结焦、甚至爆管等问题,测量结果可用于指导燃烧优化,进一步保证运行安全、降低煤耗。
附图说明
图1为燃煤电厂燃料处理、运输示意图;
图2为静电传感器示意图;
图3为浓度不变时,速度与有效值关系曲线图;
图4为速度不变时,浓度与有效值关系曲线图;
图5为速度、浓度都变化时,速度、浓度与有效值的关系。
具体实施方式
下面结合附图和具体的实施例对本发明做进一步的详细说明。
图1为燃煤电厂燃料处理、运输示意图,由图可知燃煤煤块通过给煤机送入到磨煤机中,磨煤机将煤块磨成um级别的粉末,通过热风从下向上吹出,通过分离器分配到多根一次风管道中,粉末状燃煤通过一次风管风力运输到燃烧器,进行燃烧发电。为了保证锅炉火焰中心不偏移,燃烧效率高,需要测量一台磨煤机多根一次风管中速度、浓度是否一致,因此在一次风管道上安装静电传感器用于测量一次风速度、浓度。
图2为静电传感器结构示意图,静电传感器由2根静电探针1、2个绝缘陶瓷套2、安装基座3、连接法兰4、连接线5以及测量单元6组成。静电探针用来采集一次风煤粉携带的电荷,绝缘陶瓷套保证静电棒采集的电荷不泄露,通过连接线将采集的电荷传递到测量单元进行下一步处理。静电传感器的壳体必须使用金属材料,通过连接法兰安装到基座上,与金属一次风管道良好接触,可以起到屏蔽作用,形成屏蔽层7,保护采集到的微弱的电荷信号不受干扰。因为一次风管道中煤粉的冲蚀作用,因此静电探针必须选用耐冲蚀材料制作,至少保证2-4年的寿命。
图3为每次实验时浓度不变,横轴为一次风速度,纵轴为静电信号有效值,共进行8次不同浓度下,一次风速度与静电信号有效值的实验,记录实验数据,拟合得到的曲线图。从下向上8条曲线的浓度分别是:0.132kg/m3、0.263kg/m3、0.395kg/m3、0.526kg/m3、0.658kg/m3、0.789kg/m3、0.921kg/m3、1.053kg/m3,拟合得到如下公式:
Figure DEST_PATH_IMAGE032
其中,
Figure 399151DEST_PATH_IMAGE033
为煤粉浓度不变时静电信号有效值;v为一次风速度,通过静电互相关法测量得到;p1、p2、p3为三个参数,可以通过测量速度,取样煤粉得到浓度的方式标定。
图4为每次试验时速度不变,横轴为一次风浓度,纵轴为静电信号有效值,共进行11次不同速度下,一次风浓度与静电信号有效值的实验,记录实验数据,拟合得到的曲线图。从下向上11条曲线的速度分别是:14.716m/s、17.006m/s、19.428m/s、21.682m/s、23.99m/s、26.32m/s、28.346m/s、30.452m/s、32.47m/s、34.248m/s、35.97m/s,拟合得到如下公式:
Figure DEST_PATH_IMAGE034
其中,
Figure 138436DEST_PATH_IMAGE033
为煤粉速度不变时静电信号有效值;c为一次风浓度;k1、k2、k3为三个参数,可以通过测量速度和有效值,取样煤粉得到浓度的方式标定。
在一次风管道中,静电传感器采集到的静电信号有效值不仅仅与一次风浓度有关,而且随着一次风速度的变化而变化,因此想要通过静电信号有效值计算得到一次风浓度,必须考虑一次风速度的影响,也就是说,必须要拟合出一次风速度、一次风浓度与静电信号有效值的二元函数,才能通过一次风速度与静电信号有效值,计算得到一次风浓度。将图3与图4表示的两种情况结合,使用实验数据进行拟合,拟合的二元曲面如图5所示,拟合公式为:
Figure 169846DEST_PATH_IMAGE035
上式中,有效值
Figure 59305DEST_PATH_IMAGE033
和速度v是可以测量得到的,k1、k2、k3、p1、p2、p3六个参数可以在一次风管道上通过煤粉取样和测量速度方式得到多组浓度c和速度v值,然后代入上式计算反推得到k1、k2、k3、p1、p2、p3的值。通过上式可得到一元二次多项式如下:
Figure DEST_PATH_IMAGE036
对此一元二次多项式求解即可得到与静电信号有效值相关的一次风浓度值。假设一台磨煤机有4根一次风管,使用上式计算的一次风浓度值分别是
Figure 859771DEST_PATH_IMAGE037
,那么一台磨煤机4根一次风管道中相对一次风浓度可用下式计算:
Figure DEST_PATH_IMAGE038
其中,j为1~4,
Figure 769958DEST_PATH_IMAGE039
为一台磨煤机中4根一次风管中某一根管道相对一次风浓度值。
对于一台磨煤机有6根一次风管道或其他数量管道的系统,同样适用。
使用本发明测量得到的一次风速度精度可达2%,相对一次风浓度精度可达5%,与其他方法测量得到的速度、相对浓度相比,测量精度高,测量结果准确、可靠、稳定。本发明测量一次风速度和浓度,可以发现燃煤锅炉一次风不平衡现象,进而指导燃烧优化系统对各个一次风管道速度、浓度进行调节、优化,调平一次风,使锅炉燃烧效果最优,降低煤耗,节能减排。

Claims (5)

1.一种基于静电法的一次风在线浓度测量方法,其特征在于:利用安装在一次风管道上的静电传感器的上下游探针采集煤粉携带的电荷信号,电荷信号通过连接线传送至测量单元,获得一次风速度v和静电信号有效值
Figure DEST_PATH_IMAGE001
;一次风浓度c与静电信号有效值
Figure 887809DEST_PATH_IMAGE002
、一次风速度v之间的关系式为:
Figure DEST_PATH_IMAGE003
式中:k1、k2、k3、p1、p2、p3为常数,常数p1、p2、p3,是在一次风管道浓度不变的情况下,通过实验取得若干组一次风速度v和静电信号有效值
Figure 729863DEST_PATH_IMAGE004
,并拟合测到的静电信号有效值
Figure 593914DEST_PATH_IMAGE004
与一次风速度v符合高斯曲线
Figure DEST_PATH_IMAGE005
获得;常数k1、k2、k3,是在一次风管煤粉速度不变情况下,通过实验取得若干组一次风浓度c和静电信号有效值
Figure 470603DEST_PATH_IMAGE004
测试数据,并拟合得到一次风浓度c与静电信号有效值
Figure 620962DEST_PATH_IMAGE004
符合一元二次多项式
Figure 622416DEST_PATH_IMAGE006
获得;
Figure DEST_PATH_IMAGE007
,因此一次风浓度计算转换为求解一元二次多项式
Figure DEST_PATH_IMAGE009
,求解可得一次风浓度c:
Figure 211529DEST_PATH_IMAGE010
2.根据权利要求1所述的基于静电法的一次风在线浓度测量方法,其特征在于:所述静电传感器设有两根静电探针,分别设置于一次风管上下游,上游静电探针采集信号为
Figure DEST_PATH_IMAGE011
,下游静电探针采集信号为
Figure 614829DEST_PATH_IMAGE012
,那么上游静电探针上的静电信号有效值
Figure DEST_PATH_IMAGE013
,下游静电探针上的静电信号有效值
Figure 667580DEST_PATH_IMAGE014
,所述的静电传感器采集的静电信号有效值
Figure DEST_PATH_IMAGE015
,为上下游两个静电探针信号有效值的平均值,即:
Figure 484226DEST_PATH_IMAGE016
3.根据权利要求1所述的基于静电法的一次风在线浓度测量方法,其特征在于:所述一次风速度v,根据静电传感器两根静电探针的上下游信号时间差
Figure DEST_PATH_IMAGE017
、上下游探针的距离为L,由以下公式计算获得:
Figure 283555DEST_PATH_IMAGE018
4.根据权利要求3所述的基于静电法的一次风在线浓度测量方法,其特征在于:所述的上下游信号时间差
Figure 400415DEST_PATH_IMAGE017
,由一组上、下游静电传感器采集到的电压信号即时值与平均值进行运算,得到一组互相关系数
Figure DEST_PATH_IMAGE019
,从中选出最大的互相关系数
Figure 892577DEST_PATH_IMAGE020
,最大互相关系数
Figure DEST_PATH_IMAGE021
对应的上下游信号时间差为
Figure 196519DEST_PATH_IMAGE022
所述的
Figure DEST_PATH_IMAGE023
,对应的由如下公式计算:
Figure 533959DEST_PATH_IMAGE024
式中:
Figure DEST_PATH_IMAGE025
Figure 239747DEST_PATH_IMAGE026
分别表示上、下游静电传感器采集到的电压信号数组中的一个值,
Figure 43755DEST_PATH_IMAGE027
Figure DEST_PATH_IMAGE028
分别为上、下游静电传感器采集到的电压信号平均值,n为每次运算需要采集电压信号数据总数,m作为上述公式计算互相关系数的总数,小于等于n值。
5.根据权利要求1所述的基于静电法的一次风在线浓度测量方法,其特征在于:针对发电厂磨煤机上多根一次风管道煤粉浓度计算后,对任一风管煤粉相对浓度的计算,为燃烧优化提供调控参数;所述任一风管煤粉相对浓度表示为:
Figure 837923DEST_PATH_IMAGE029
式中:1≤j≤n,为磨煤机设置一次风管道数量的对应风管编号,
Figure DEST_PATH_IMAGE030
Figure 713475DEST_PATH_IMAGE031
为第j根一次风管道中的煤粉浓度,
Figure 804928DEST_PATH_IMAGE031
为第j根一次风管道相对煤粉浓度。
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