CN111781107B - 一种基于电荷感应的煤粉细度在线测量装置和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提出一种基于电荷感应的煤粉细度在线测量装置，包括法兰、第一感应电极、第二感应电极、弯管导流槽、信号调理单元和信号采集运算单元，法兰、弯管导流槽分别安装在煤粉管道的外、内侧壁，第一感应电极、第二感应电极贯穿煤粉管道侧壁安装在法兰上，且第二感应电极伸入弯管导流槽，第一感应电极、第二感应电极接入信号调理单元，信号调理单元的输出端连接信号采集运算单元。本发明还提出一种基于电荷感应的煤粉细度在线测量方法，利用不同细度的颗粒在流经弯道时的惯性不同，根据对正常运动煤粉颗粒的感应电荷和流经弯道时煤粉颗粒的感应电荷的计算，实现在线测量煤粉细度，测量周期短，满足锅炉实时调整的需要。
Description
技术领域
本发明属于气力输送稀相气固两相流技术领域，尤其是一种基于电荷感应的煤粉细度在线测量装置和方法。
背景技术
为了提高电站锅炉运行的经济性，需要合理控制入炉煤粉细度。煤粉细度过大，燃烧不完全，会降低锅炉效率；煤粉细度过小会导致磨煤机电耗增加，除尘效果降低。因此，煤粉细度应根据燃烧煤种的燃烧特性对煤粉细度的要求，以及磨煤机等运行费用两方面进行综合考虑后确定。通过煤粉细度的在线测量系统,准确掌握煤粉细度的准确变化趋势,在锅炉燃烧调整及运行过程中，根据测量结果指导调试与运行人员适时调整磨煤机的运行工况，将有助于锅炉燃烧优化。
目前取样离线分析法仍是广泛采用的煤粉细度测量方法，技术人员按照一定的操作流程，利用特定的取样装置对煤粉管路中煤粉取样，并利用筛分法、激光粒度仪、静态图像法进行离线分析，获得煤粉细度。一般用R90表示煤粉细度的大小，这种取样离线方法测量周期长，维护成本高，不能满足锅炉实时调整需要。
发明内容
本发明针对目前煤粉细度测量周期长、不能满足锅炉实时调整需要的问题，提供了一种基于电荷感应的煤粉细度在线测量装置和方法，利用不同细度的颗粒在流经弯道时的惯性不同，根据对正常运动煤粉颗粒的感应电荷和流经弯道时煤粉颗粒的感应电荷的计算，实现在线测量煤粉细度，测量周期短，满足锅炉实时调整的需要。
实现本发明目的的技术解决方案为：
一种基于电荷感应的煤粉细度在线测量装置，包括法兰、第一感应电极、第二感应电极、弯管导流槽、信号调理单元和信号采集运算单元，其中：法兰固定安装在煤粉管道的一外侧壁，弯管导流槽安装在煤粉管道的一内侧壁，第一感应电极、第二感应电极分别通过第一电极安装座、第二电极安装座固定安装在法兰上，且第一感应电极贯穿煤粉管道的侧壁并伸入煤粉管道内，第二感应电极贯穿煤粉管道的侧壁并伸入弯管导流槽出口段内，且第二感应电极与弯管导流槽之间电气绝缘；第一感应电极位于煤粉管道内煤粉流向的上游，弯管导流槽位于煤粉管道内煤粉流向的下游，第一感应电极的中轴线与弯管导流槽的入口段中心线所在平面与煤粉流向平行；弯管导流槽分为入口段、出口段以及连接入口段与出口段的连接段，所述入口段、出口段均与煤粉流向平行，连接段与入口段、出口段之间的夹角为115°～165°；第一感应电极、第二感应电极分别通过第一屏蔽信号电缆、第二屏蔽信号电缆接入信号调理单元，信号调理单元用于对第一感应电极和第二感应电极的电信号进行放大、滤波以及信号变换，信号调理单元的输出端与信号采集运算单元连接。
进一步的，本发明的基于电荷感应的煤粉细度在线测量装置，所述第一感应电极包括第一金属电极、第一绝缘保护套、第一电极安装座、第一绝缘柱和第一接线柱，其中，第一金属电极的顶端通过第一接线柱与第一屏蔽信号电缆连接，第一接线柱外通过包裹式的第一绝缘柱与第一电极安装座形成电气绝缘，第一金属电极外通过包裹式的第一绝缘保护套与第一电极安装座形成电气绝缘。
进一步的，本发明的基于电荷感应的煤粉细度在线测量装置，所述第二感应电极包括第二金属电极、第二绝缘保护套、第二电极安装座、第二绝缘柱、第二电极接线柱和电极引出线，其中，第二金属电极设置在导流侧板与侧板绝缘层之间，且第二金属电极外通过包裹式的第二绝缘保护套与导流侧板形成电气绝缘，第二金属电极的顶端通过电极引出线与第二电极接线柱的一端连接，第二电极接线柱的另一端与第二屏蔽信号电缆连接，第二电极接线柱外通过包裹式的第二绝缘柱与第二电极安装座形成电气绝缘。
进一步的，本发明的基于电荷感应的煤粉细度在线测量装置，所述弯管导流槽由两块导流侧板和两块侧板绝缘层构成，所述两块导流侧板相对非接触式设置，且导流侧板为折弯的矩形金属板，两块侧板绝缘层分别安装在两块导流侧板的内壁，且侧板绝缘层的形状与导流侧板的形状相同；第二感应电极位于煤粉管道内的一段设置在弯管导流槽出口段的导流侧板与侧板绝缘层之间，且第二感应电极与侧板绝缘层之间为电气绝缘。
进一步的，本发明的基于电荷感应的煤粉细度在线测量装置，所述第一感应电极插入煤粉管道内的长度与弯管导流槽的长度相同，第一感应电极的直径小于弯管导流槽的开口尺寸。
一种基于电荷感应的煤粉细度在线测量方法，包括以下步骤：
步骤1：在煤粉管道的直管段安装第一感应电极、第二感应电极和弯管导流槽，其中第一感应电极的检测段位于煤粉管道内煤粉流向的上游，弯管导流槽位于煤粉管道内煤粉流向的下游，第二感应电极的检测段位于弯管导流槽内的出口段；
步骤2：第一感应电极、第二感应电极分别检测流经的煤粉颗粒的感应电荷，并将电信号导入到信号调理单元中进行放大、滤波和信号变换；
步骤3：信号采集运算单元同时采集第一感应电极、第二感应电极的感应电荷信号一段时间，并对信号进行累积处理，分别记为S1、S2；
步骤4：计算煤粉细度值R90：
K为标定系数，根据实验获得，其中式一适用于第二感应电极设置在迎向煤粉流向的一侧的情况，式二适用于第二感应电极设置在背向煤粉流向的一侧的情况。
本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：
1、本发明的基于电荷感应的煤粉细度在线测量装置能够实现在线测量煤粉细度，满足锅炉实时调整的需要。
2、本发明的基于电荷感应的煤粉细度在线测量方法测量周期短，维护成本低。
附图说明
图1是本发明的基于电荷感应的煤粉细度在线测量装置的结构示意图。
图2是本发明的实施例1的煤粉管道内部的结构俯视图。
图3是本发明的基于电荷感应的煤粉细度在线测量装置的第一感应电极的结构示意图。
图4是本发明的基于电荷感应的煤粉细度在线测量装置的煤粉颗粒流动示意图，其中(a)为细粒度煤粉颗粒流动示意图，(b)为粗粒度煤粉颗粒流动示意图。
图5是本发明的实施例2的煤粉管道内部的结构俯视图。
附图标记含义：1：煤粉管道，2：法兰，3：第一感应电极，3-1：第一金属电极，3-2：第一绝缘保护套，3-3：第一电极安装座，3-4：第一绝缘柱，3-5：第一电极接线柱，4：弯管导流槽，4-1：导流侧板，4-2：侧板绝缘层，5：第二感应电极，5-1：第二金属电极，5-2：第二绝缘保护套，5-3：第二电极安装座，5-4：第二绝缘柱，5-5第二电极接线柱，5-6：电极引出线，6：第一屏蔽信号电缆，7：第二屏蔽信号电缆，8：信号调理单元，9：信号采集运算单元。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施方式，所述实施方式的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。
一种基于电荷感应的煤粉细度在线测量装置，包括法兰2、第一感应电极3、第二感应电极5、弯管导流槽4、信号调理单元8和信号采集运算单元9，其中，法兰2固定安装在煤粉管道1的一外侧壁，弯管导流槽4安装在煤粉管道1的一内侧壁，第一感应电极3、第二感应电极5分别通过第一电极安装座3-3、第二电极安装座5-3固定安装在法兰2上，且第一感应电极3贯穿煤粉管道1的侧壁并伸入煤粉管道1内，第二感应电极5贯穿煤粉管道1的侧壁并伸入弯管导流槽4出口段内，且第二感应电极5与弯管导流槽4之间电气绝缘；第一感应电极3位于煤粉管道1内煤粉流向的上游，弯管导流槽4位于煤粉管道1内煤粉流向的下游，第一感应电极3的中轴线与弯管导流槽4的入口段中心线所在平面与煤粉流向平行；弯管导流槽4分为入口段、出口段以及连接入口段与出口段的连接段，所述入口段、出口段均与煤粉流向平行，连接段与入口段、出口段之间的夹角为115°～165°；第一感应电极3、第二感应电极5分别通过第一屏蔽信号电缆6、第二屏蔽信号电缆7接入信号调理单元8，信号调理单元8用于对第一感应电极3和第二感应电极5的电信号进行放大、滤波以及信号变换，信号调理单元8的输出端与信号采集运算单元9连接。
实施例1
一种基于电荷感应的煤粉细度在线测量装置，包括法兰2、第一感应电极3、第二感应电极5、弯管导流槽4、信号调理单元8和信号采集运算单元9。第一感应电极3、第二感应电极5分别通过第一屏蔽信号电缆6、第二屏蔽信号电缆7接入信号调理单元8，信号调理单元8用于对第一感应电极3和第二感应电极5的电信号进行放大、滤波以及信号变换，信号调理单元8的输出端与信号采集运算单元9连接。
如图1所示，法兰2固定安装在煤粉管道1的一外侧壁，弯管导流槽4安装在煤粉管道1的一内侧壁。第一感应电极3、第二感应电极5分别通过第一电极安装座3-3、第二电极安装座5-3固定安装在法兰2上，第一感应电极3贯穿煤粉管道1的侧壁并伸入煤粉管道1内，第二感应电极5贯穿煤粉管道1的侧壁并伸入弯管导流槽4出口段内，且第二感应电极5与弯管导流槽4之间电气绝缘。第一感应电极3位于煤粉管道1内煤粉流向的上游，弯管导流槽4位于煤粉管道1内煤粉流向的下游，如图2所示，第一感应电极3的中轴线与弯管导流槽4的入口段中心线所在平面与煤粉流向平行。第一感应电极3插入煤粉管道1内的长度与弯管导流槽4的长度相同，第一感应电极3的直径小于弯管导流槽4的开口尺寸。
如图3所示，第一感应电极3包括第一金属电极3-1、第一绝缘保护套3-2、第一电极安装座3-3、第一绝缘柱3-4和第一接线柱3-5。其中，第一金属电极3-1的顶端通过第一接线柱3-5与第一屏蔽信号电缆6连接，第一接线柱3-5外通过包裹式的第一绝缘柱3-4与第一电极安装座3-3形成电气绝缘，第一金属电极3-1外通过包裹式的第一绝缘保护套3-2与第一电极安装座3-3形成电气绝缘。所述第一感应电极3插入煤粉管道1内的部分的横截面形状可以是圆形、菱形、矩形、三角形等，为便于生产制造，优选圆形。第一金属电极3-1材质为金属导体，优选不锈钢材质。绝缘保护套3-2材质为绝缘材料，可以是聚四氟乙烯、特氟龙、氮化硅、陶瓷等，优选陶瓷材料。电极安装座3-3为金属材料，可以对第一感应电极3接收的感应电信号起到屏蔽作用。
第二感应电极5包括第二金属电极5-1、第二绝缘保护套5-2、第二电极安装座5-3、第二绝缘柱5-4、第二电极接线柱5-5和电极引出线5-6。其中，第二金属电极5-1设置在导流侧板4-1与侧板绝缘层4-2之间，且第二金属电极5-1外通过包裹式的第二绝缘保护套5-2与导流侧板4-1形成电气绝缘，第二金属电极5-1的顶端通过电极引出线5-6与第二电极接线柱5-5的一端连接，第二电极接线柱5-5的另一端与第二屏蔽信号电缆7连接，第二电极接线柱5-5外通过包裹式的第二绝缘柱5-4与第二电极安装座5-3形成电气绝缘。第二金属电极5-1的材质为金属导体，横截面形状为矩形。第二电极安装座5-3为金属材料，可以对第二金属电极5-1接收的感应电信号起到屏蔽作用。
弯管导流槽4分为入口段、出口段以及连接入口段与出口段的连接段，所述入口段、出口段均与煤粉流向平行，连接段与入口段、出口段之间的夹角为115°～165°。
弯管导流槽4由两块导流侧板4-1和两块侧板绝缘层4-2构成。所述两块导流侧板4-1相对非接触式设置，且导流侧板4-1为折弯的矩形金属板，折弯角度为115°-165°。两块侧板绝缘层4-2分别安装在两块导流侧板4-1的内壁，且侧板绝缘层4-2的形状与导流侧板4-1的形状相同。侧板绝缘层4-2的材质可以是聚四氟乙烯、特氟龙、氮化硅、陶瓷等，优选陶瓷材料。第二感应电极5位于煤粉管道1内的一段设置在弯管导流槽4出口段的导流侧板4-1与侧板绝缘层4-2之间，且第二感应电极5与侧板绝缘层4-2之间为电气绝缘。弯管导流槽4的内部平面弯曲形状可以是折线形，也可以是圆滑的弧形过渡，其细度检测的原理都相同。
一种基于电荷感应的煤粉细度在线测量方法，包括以下步骤：
步骤1：在煤粉管道1的直管段安装第一感应电极3、第二感应电极5和弯管导流槽4，其中第一感应电极3的检测段位于煤粉管道1内煤粉流向的上游，弯管导流槽4位于煤粉管道1内煤粉流向的下游，第二感应电极5的检测段位于弯管导流槽4内的出口段；
步骤2：第一感应电极3、第二感应电极5分别检测流经的煤粉颗粒的感应电荷，并将电信号导入到信号调理单元8中进行放大、滤波和信号变换；
步骤3：信号采集运算单元9同时采集第一感应电极3、第二感应电极5的感应电荷信号一段时间，并对信号进行累积处理，分别记为S1、S2；
步骤4：计算煤粉细度值R90：
K为标定系数，根据实验获得，其中式一适用于第二感应电极5设置在迎向煤粉流向的一侧的情况，如图2所示；式二适用于第二感应电极5设置在背向煤粉流向的一侧的情况，如图5所示。
实施例2
煤粉流经本方案在线测量装置时的工作原理如下：
带有煤粉的气流流经第一感应电极3后再流过弯管导流槽4。制粉系统正常运行时，煤粉气流的流速一般在15-32米/秒，煤粉气流属于气固两相流，且为稀相流，煤粉在被破碎以及气力传输过程中煤粉颗粒表面会产生电荷，当煤粉颗粒流经第一感应电极3以及第二感应电极5周围时会在对应的金属电极上形成感应电荷，这些感应电荷通过第一屏蔽信号电缆6、第二屏蔽信号电缆7导入到信号调理单元11中，通过内部电子电路分别探测到第一感应电极3以及第二感应电极5上的电荷量的多少。
弯管导流槽4的内部形状为一段反S形弯道，煤粉气流进入到弯管导流槽4内后必然要改变流动方向，由于煤粉管道中的煤粉气流速度较快，而煤粉颗粒具有一定的质量，因此，粒度细的煤粉质量较小，惯性较小，气流的跟随性较好；而粒度粗的煤粉由于质量大，惯性大，气流跟随性差。在煤粉气流流经反S形弯道时，粒度粗的煤粉更加集中向第二金属电极5-1的一侧偏移，物理现象示意如图4(b)所示，而粒度细的煤粉则偏移较少，这种物理现象示意如图4(a)所示。
本发明方案利用不同细度颗粒在流经弯道时的惯性不同，从而出现颗粒偏移量不同的物理现象，在弯管导流槽4的弯道尾部布置第二感应电极5来检测偏移煤粉颗粒的感应电荷，煤粉颗粒偏移越大则越贴近第二感应电极5，从而第二感应电极5上电荷感应信号则越强。
信号采集运算单元9同时采集第一感应电极3和第二感应电极5上的感应电荷信号一段时间，并对信号进行累积处理，分别记为S1和S2，从而计算煤粉细度R90的值为：
1)若第二感应电极放置在迎向煤粉流的一侧，如图2所示，则煤粉细度的值为：
R90＝K*(S2/S1)1/2
其中K值为标定系数，根据试验获得。由煤粉细度R90的计算公式可见，煤粉颗粒越粗R90值越大。
2)若第二感应电极放置在背向煤粉流的一侧，如图5所示，则煤粉细度的值为：
R90＝K*(S1/S2)1/2
其中K值为标定系数，根据试验获得。
以上所述仅是本发明的部分实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进，这些改进应视为本发明的保护范围。
Claims (4)
1.一种基于电荷感应的煤粉细度在线测量装置，其特征在于，包括法兰(2)、第一感应电极(3)、第二感应电极(5)、弯管导流槽(4)、信号调理单元(8)和信号采集运算单元(9)，其中：
法兰(2)固定安装在煤粉管道(1)的一外侧壁，弯管导流槽(4)安装在煤粉管道(1)的一内侧壁，第一感应电极(3)、第二感应电极(5)分别通过第一电极安装座(3-3)、第二电极安装座(5-3)固定安装在法兰(2)上，且第一感应电极(3)贯穿煤粉管道(1)的侧壁并伸入煤粉管道(1)内，第二感应电极(5)贯穿煤粉管道(1)的侧壁并伸入弯管导流槽(4)出口段内，且第二感应电极(5)与弯管导流槽(4)之间电气绝缘；第一感应电极(3)位于煤粉管道(1)内煤粉流向的上游，弯管导流槽(4)位于煤粉管道(1)内煤粉流向的下游，第一感应电极(3)的中轴线与弯管导流槽(4)的入口段中心线所在平面与煤粉流向平行；
弯管导流槽(4)分为入口段、出口段以及连接入口段与出口段的连接段，所述入口段、出口段均与煤粉流向平行，连接段与入口段、出口段之间的夹角为115°～165°；所述弯管导流槽(4)由两块导流侧板(4-1)和两块侧板绝缘层(4-2)构成，所述两块导流侧板(4-1)相对非接触式设置，且导流侧板(4-1)为折弯的矩形金属板，两块侧板绝缘层(4-2)分别安装在两块导流侧板(4-1)的内壁，且侧板绝缘层(4-2)的形状与导流侧板(4-1)的形状相同；第二感应电极(5)位于煤粉管道(1)内的一段设置在弯管导流槽(4)出口段的导流侧板(4-1)与侧板绝缘层(4-2)之间，且第二感应电极(5)与侧板绝缘层(4-2)之间为电气绝缘；
第一感应电极(3)、第二感应电极(5)分别通过第一屏蔽信号电缆(6)、第二屏蔽信号电缆(7)接入信号调理单元(8)，信号调理单元(8)用于对第一感应电极(3)和第二感应电极(5)的电信号进行放大、滤波以及信号变换，信号调理单元(8)的输出端与信号采集运算单元(9)连接；
第二感应电极(5)包括第二金属电极(5-1)、第二绝缘保护套(5-2)、第二电极安装座(5-3)、第二绝缘柱(5-4)、第二电极接线柱(5-5)和电极引出线(5-6)，其中，第二金属电极(5-1)设置在导流侧板(4-1)与侧板绝缘层(4-2)之间，且第二金属电极(5-1)外通过包裹式的第二绝缘保护套(5-2)与导流侧板(4-1)形成电气绝缘，第二金属电极(5-1)的顶端通过电极引出线(5-6)与第二电极接线柱(5-5)的一端连接，第二电极接线柱(5-5)的另一端与第二屏蔽信号电缆(7)连接，第二电极接线柱(5-5)外通过包裹式的第二绝缘柱(5-4)与第二电极安装座(5-3)形成电气绝缘。
2.根据权利要求1所述的基于电荷感应的煤粉细度在线测量装置，其特征在于，所述第一感应电极(3)包括第一金属电极(3-1)、第一绝缘保护套(3-2)、第一电极安装座(3-3)、第一绝缘柱(3-4)和第一接线柱(3-5)，其中，第一金属电极(3-1)的顶端通过第一接线柱(3-5)与第一屏蔽信号电缆(6)连接，第一接线柱(3-5)外通过包裹式的第一绝缘柱(3-4)与第一电极安装座(3-3)形成电气绝缘，第一金属电极(3-1)外通过包裹式的第一绝缘保护套(3-2)与第一电极安装座(3-3)形成电气绝缘。
3.根据权利要求1所述的基于电荷感应的煤粉细度在线测量装置，其特征在于，所述第一感应电极(3)插入煤粉管道(1)内的长度与弯管导流槽(4)的长度相同，第一感应电极(3)的直径小于弯管导流槽(4)的开口尺寸。
4.一种利用权利要求1-3任一所述的基于电荷感应的煤粉细度在线测量装置的测量方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：在煤粉管道(1)的直管段安装第一感应电极(3)、第二感应电极(5)和弯管导流槽(4)，其中第一感应电极(3)的检测段位于煤粉管道(1)内煤粉流向的上游，弯管导流槽(4)位于煤粉管道(1)内煤粉流向的下游，第二感应电极(5)的检测段位于弯管导流槽(4)内的出口段；
步骤2：第一感应电极(3)、第二感应电极(5)分别检测流经的煤粉颗粒的感应电荷，并将电信号导入到信号调理单元(8)中进行放大、滤波和信号变换；
步骤3：信号采集运算单元(9)同时采集第一感应电极(3)、第二感应电极(5)的感应电荷信号一段时间，并对信号进行累积处理，分别记为S1、S2；
步骤4：计算煤粉细度值R90：
K为标定系数，根据实验获得，其中式一适用于第二感应电极(5)设置在迎向煤粉流向的一侧的情况，式二适用于第二感应电极(5)设置在背向煤粉流向的一侧的情况。
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