CN114354431A - 风送管道风、粉二相流测量系统及二相流测量方法 - Google Patents

Abstract

一种风送管道风、粉二相流测量系统由二相流测量装置、给煤机、一次风风重测量装置及数据采集控制器构成。该测量系统涉及风送物料的在线测量，特别涉及燃煤电站风送煤粉重量和风重量的在线测量。该系统的二相流测量装置安装在燃煤电站风送供粉系统的20多个风送供粉管道上，用以实现对管道内二相流煤粉重量、风重量以及风/粉比在线测量，为锅炉供粉均匀化、配风最优化控制，提供了最重要依据，这对锅炉运行的稳定性、经济性、安全性以及降耗减排都有重要意义。本专利还公开了依据二相流测量技术、软测量技术和流体力学原理建立起来的二相流测量方法。

Description

风送管道风、粉二相流测量系统及二相流测量方法

技术领域

本发明涉及风送物料二相流重量的测量，特别涉及燃煤电站供粉系统风送管道风、粉重量二相流的测量及二相流的测量方法。

背景技术

风送物料如风送煤粉、烟丝、塑料颗粒、粮食等，都是用给料机或喂料机供料，均用风通过管道将物料送至目的地，而测量出管道二相流物料重量对生产管理或生产控制极为重要。现以电站供粉系统风送管道风、粉二相流风重和煤粉重量的测量为例，说明如下。

燃煤电站供粉系统普遍采用多层(4-6层)，每层有一台磨煤机带有四个风送管道给4个燃烧器供粉供风(称一次风)，另有四个配风管道给4个燃烧器配风(称二次风)，四个燃烧器采用四角喷射技术将粉、一次风和二次风喷入炉内，电站供粉系统各层设备相同。图1给出一层供粉系统示意图。

目前电站供粉系统没有风送管道二相流测量设备，给不出20多个风送管道二相流风、粉重量值和风-粉比，20多个煤粉重量偏差、风重偏差过大(达20％、30％)，造成炉内燃烧分布不均，中心火焰偏斜，水冷壁局部过热，高温腐蚀加剧，严重时还会发生火焰冲刷炉墙、结渣堵管等事故。

各支路管道风-粉比偏大，会造成煤粉燃烧过度或不足，燃烧质量下降、排放烟气热损失量大，最终导致燃烧效率低、热效率低、排放量大。

多年来本领域技术人员采用多种方法，解决风送管道的二相流煤粉重和风重检测问题，如热平衡法、能量法、光电检测法、电容法、电容层析成像法、激光法、超声波法、微波法、静电感应法等，但由于风送管道内风-粉二相流高温、高压、高速、高摩擦和燃粉负荷量小、粒度变化分布不均、运动轨迹多变等难题，导致上述方法尚未得到广泛应用。

发明内容

本专利公开了一种风送管道风-粉二相流测量系统及二相流测量方法，该系统是采用根据二相流测量技术、软测量技术和流体力学原理而建立起来的二相流测量方法，用以实现风送管道风、粉二相流在线测量的。

一种风送管道风、粉二相流测量系统，可应用于燃煤电站风送煤粉系统，对各支路风送管道内煤粉重量、风的重量及风重/粉重进行在线测量。二相流测量系统的特点在于，包括：

1)一个或多个二相流测量装置，安装在一个或多个风送管道上，用于测量风送管道内二相流风、粉重量变化信号U，U＝f(W_粉W_风)或U₁＝f(W_粉)，U₂＝f(W_风)；

2)给煤机(供粉系统设备)安装在磨煤机前方，用于测量入磨煤机燃煤重量W_煤；

3)风重测量装置(供粉系统设备)安装在入磨煤机前一次风风送管道上，用于测量一次风(含冷风和热风)的风重W_1风；

4)数据采集控制器，用于接收二相流测量装置信号U或U₁、U₂、给煤机给煤重量信号W_煤和风重测量装置的风重信号W_1风，并按数学模型计算出二相流风重W_n风、粉重W_n粉和

图2给出了该系统构成示意图。

一种风送管道风、粉二相流测量系统其特点在于，还包括燃煤热值、灰分、水分在线测量仪，安装在电站供粉系统的下料管和给煤机间，用于测量入磨煤机燃煤的热值Q_煤、灰分A_煤和水分M_煤，数据采集控制器接收Q_煤、A_煤、M_煤信号并用软测量技术得到风送总管道和支路各管内煤粉重量所具有的Q_煤＝f(Q_煤)，A_煤＝f(A_煤)，M_煤＝f(M_煤)，根据已测得各支路风送管道的煤粉重量W_n粉(n＝A，B，C，D是各支路管道序号)，进一步计算出各支路管道的煤粉热量J_n粉＝Q_粉×W_n粉，灰分重量W_n灰＝A_粉×W_n粉，水分重量W_n水＝M_粉×W_n粉，实现二相流多参数测量。

图3给出了多参数测量系统的构成示意图。

一种风送管道风、粉二相流测量系统采用的测量方法是依据二相流测量技术、软测量技术和流体力学原理而建立的二相流测量方法，其特点在于包括如下步骤：

1)根据流体力学原理，电站供粉风送系统其各环节管路、横截面的二相流流量相等，并确定二相流源头为给煤机给煤重量W_煤和一次风风重W_风；

2)分析磨煤机工作特点，即燃煤W_煤进入磨煤机，需经制粉时间t_s制成煤粉后，才能被一次风带入总风送管道(7)，燃煤重量经制粉时间t_s延时后，以W_煤(t_s)表示，因此进入总管道二相流为W_粉＝W_煤(t_s)，W_风＝W_1风；

3)二相流测量装置测量出所在各支路管道的二相流重量变化信号U_n＝f(W_粉W_风)或U_n1＝f(W_粉)，U_n2＝f(W_风)；

4)根据流体力学原理，总风送管道(7)与各支路管道(7A、7B、7C、7D)之间关系有：

n＝A，B，C，D

n＝A，B，C，D

5)求出W_粉与

W_风与

变化关系，并拟合，可得：

W_n粉＝a+bU_n1 n＝A，B，C，D

a-拟合直线截距，b-拟合直线斜率

W_n风＝c+dU_n2 n＝A，B，C，D

c-拟合直线截距，d-拟合直线斜率

这里风重信号U₂＝f(W_风)也可用，在各支路管道上设置二相流流量、温度、压力测量装置测出风的重量W_n风或只测量二相流风速，再采用经验公式计算W_n风；

6)进一步还包括根据燃煤热值、灰分、水分测量仪测得的燃煤热值Q_煤，灰分A_煤，水分M_燃，结合磨煤机工作特点(磨煤机是一个大的均化器)，其输出煤粉的重量都有相同的热值、灰分、水分，即：

Q_粉＝f(Q_煤)，A_粉＝f(A_煤)，M_粉＝f(M_煤)

因为总风送管道和各支路风送管道的煤重量的煤质参数热值、灰分、水分与磨煤机输出煤粉的参数Q_粉、A_粉、M_粉相同，根据以前测得的各支路风送管道的煤粉重量W_n粉，进一步可计算出：

煤粉重量J_n粉＝Q_粉×W_n粉

灰分重量W_n灰＝A_粉×W_n粉

水分重量W_n水＝M_粉×W_n粉

n＝A，B，C，D

风送管道风、粉二相流测量系统中的二相流测量装置，其特点在于，所述二相流测量装置是微波式二相流测量装置，或是光电式二相流测量装置，或是电容式二相流测量装置，或是电容层析法式二相流测量装置，或是激光式二相流测量装置，或是静电感应二相流测量装置，或是辐射式二相流测量装置，或是流量式二相流测量装置，或是浓度式二相流流量装置，本专利推荐采用辐射式二相流测量装置。图4给出了辐射式二相流测量示意图。

附图说明

图1电站风送供粉系统示意图(一层)

1——下料管

2——给煤机

3——一次风风机

4——一次风风重测量装置

5——磨煤机

6——粗、细粉分离器

7——总风送管道

8——煤粉分配器

7A、7B、7C、7D——各支路风送管道

9A、9B、9C、9D——各支路燃烧器

10——锅炉

图2风送管道风、粉二相流重量测量系统示意图

101A、101B、101C、101D——二相流测量装置

102——数据采集控制器

图3风送管道风、粉二相流煤粉多参数测量系统示意图

101A、101B、101C、101D——二相流测量装置

102——数据采集控制器

103——燃煤热值、灰分、水分在线测量仪

图4辐射式二相流测量装置示意图

201——管道连接器

202——辐射源

203——辐射探测器

204——二相流测速装置

205——支架、外壳

206——连接法兰盘

图5入给煤机燃煤重量W_煤延时t_s时间后，磨煤机输出煤煤重量W_煤(t_s)，即输出煤粉重量。

具体实施方式

以下结合附图对实施方案做进一步阐述。

图1是燃煤电站风送煤粉系统一层主要设备构成示意图。一种风送管道风、粉二相流测量系统的二相流测量装置，安装在电站风送煤粉系统的各支路风送管道上，并与风送煤粉系统中的设备给煤机和一次风重测量装置构成了风送管道风、粉二相流风重、煤粉重和风重/粉重在线测量系统。

图2给出了该在线测量系统构成示意图，在该测量系统基础上，再设置一燃煤热值、灰分、水分在线测量仪，安装在电站风送煤粉系统的下料管和给煤机间，用于测量进入磨煤机的燃煤热值Q_煤、灰分A_煤和水分M_煤，从而构成风送管道风、粉二相流煤粉多参数在线测量系统，除测出风重、粉重、风重/粉重外进一步可测出煤粉热量、灰分重量、水分重量。

图3给出了该测量系统的构成示意图。一种风送管道风、粉二相流测量系统中所用二相流测量装置，可以是微波式二相流测量装置，或是光电式二相流测量装置，或是电容式二相流测量装置……或是其他任何形式二相流测量装置，只要能测量U，U＝f(W_风W_粉)或U₁，U₁＝f(W_粉)，U₂＝f(W_风)信号，反映出二相流W_风、W_粉变化，都可用来构成本专利测量系统，并用本专利的二相流测量方法实现多管道风、粉二相流的在线测量。本专利推荐采用辐射式二相流测量装置。

图4给出辐射式二相流测量装置构成示意图。以下以X射线二相流测量装置安装在电站一层风送煤粉系统四个风送管道上(如图2)为例，做进一步表述：

X射线二相流测量装置主要由X射线源、X射线探测器、二相流测速装置、支架等构成，为减小管壁对X射线吸收，还包括一个管道连接器。

四个X射线二相流测量装置(101A、101B、101C、101D)的X射线源(202)和X射线探测器(203)分别安装在风送管道(7A、7B、7C、7D)的上面和下面或管道两侧，用于测量风送煤粉重量负荷信号F_A、F_B、F_C、F_D；二相流测速装置(204A、204B、204C、204D)分别安装在风送管道(7A、7B、7C、7D)上面，用于测量管道内二相流速度V_A、V_B、V_C、V_D；

给煤机(2)给出入磨煤机燃煤重量W_煤，一次风风重测量装置给出入磨煤机一次风风重信号W_1风，数据采集控制器(102)接收F_A、F_B、F_C、F_D、V_A、V_B、V_C、V_D、W_煤和W_1风信号，并按数学模型计算各支路管道内二相流的煤粉重量W_n粉、风重量W_n风和

n＝A，B，C，D，支路管道序号。测量系统所用的数学模型是用二相流测量方法建立的，二相流测量方法包括：

1)确定电站风道二相流系统的源头是W_煤和W_1风。进入磨煤机的燃煤W_煤，需经制粉时间t_s磨成煤粉后，才能被一次风带入总管道(7)内，因此W_煤必须延时t_s时间，以W_煤(t_s)表示，磨煤机输出煤粉重量等于W_煤(t_s)，由此可得总管道内二相流煤粉重量W_粉＝W_煤(t_s)，W_风＝W_1风；

2)根据流体力学原理，总管道(7)二相流与各支路管道(7A、7B、7C、7D)有如下关系：

W_粉＝K_粉×(F_A×V_A+F_B×V_B+F_C×V_C+F_D×V_D)

W_风＝K_风×(V_A+V_B+V_C+V_D)

这里，(F_A×V_A+F_B×V_B+F_C×V_C+F_D×V_D)相当于U₁＝f(W_粉)，(V_A+V_B+V_C+V_D)相当于U₂＝f(W_风)。

3)求出W_粉与(F_A×V_A+F_B×V_B+F_C×V_C+F_D×Vx)和W_风与(V_A+V_B+V_C+V_D)变化关系曲线，并进行线性拟合可得：

W_n粉＝a+b(F_n×V_n)

a——拟合直线截距 b——拟合直线斜率

W_n风＝c+dV_n

c——拟合直线截距 d——拟合直线斜率

以及

n＝A、B、C、D。

4)依据燃煤热值、灰分、水分测量仪测量的燃煤热量Q_煤、灰分A_煤、水分M_煤，进一步可以计算各支路管道内煤粉的热量：

煤粉热量J_n粉＝Q_粉×W_n粉

灰分重量W_n灰＝A_粉×W_n粉

水分重量W_n水＝M_粉×W_n粉

n＝A、B、C、D，各支路风送管道序号。

风送管道风、粉二相流测量系统及二相流测量方法，解决了多年以来未能解决的风送管道风重、粉重以及风重/粉重比测量的难题，从而为24个管道供粉均匀化、配风量优化控制，提供了重要依据，这对锅炉运行稳定性、经济性、安全性以及降耗减排都具有重要意义。

风送管道二相流测量系统及二相流测量方法，也适用其他风送物料的在线测量，例如烟厂的风送烟丝供料系统，是由喂料机通过4-6个送风管道给4-6台卷烟机供料，采用辐射式二相流测量装置，安装在各风送管道上，并确定二相流源头是喂料机的给料量W_烟和送风风重W_风，采用本专利二相流测量方法，即可实现各管道内的烟丝重量在线测量。

Claims (6)

1.一种风送管道风、粉二相流测量系统，其特征包括：

1)一个或多个二相流测量装置，安装在一个或多个风送管道上，用于测量风送管道内二相流风、粉重量的变化信号U，U＝f(W_粉，W_风)或U₁＝f(W_粉)，U₂＝f(W_风)；

2)给煤机(供粉系统设备)安装在磨煤机前方，用于测量入磨煤机燃煤重量W_煤；

3)风重测量装置(供粉系统设备)安装在入磨煤机前一次风风送管道上(一次风包括冷风和热风)，用于测量一次风风重W_1风；

4)数据采集控制器，用于接收二相流测量装置信号U或U₁，U₂、给煤机给煤重量信号W_煤和风重测量装置信号W_1风，并按数学模型计算出各支路风送管道二相流风重W_n风、煤粉重W_n粉和

n＝A、B、C、D……各支路序号。

2.根据权利要求1所述的二相流测量系统，其特征还包括燃煤热值、灰分、水分在线测量仪，安装在电站供粉系统的下料管和给煤机间，用于测量入磨煤机燃煤的热值Q_煤、灰分A_煤和水分M_煤，数据采集控制器接收Q_煤、A_煤、和M_煤信号并利用软测量技术得到各支路风送管道内二相流煤粉的Q_粉、A_粉、和M_粉，根据已测得的各支路风送管道二相流煤粉重量W_n粉，进一步计算出各支路风送管道煤粉热量J_n粉，J_n粉＝Q_粉×W_n粉，灰分重量W_灰＝A_粉×W_n粉，水分重量W_水＝M_粉×W_n粉，n＝A、B、C、D。

3.根据权利要求1所述的二相流测量系统，其特征是所述二相流测量装置是微波式二相流测量装置，或是光电式二相流测量装置，或是电容式二相流测量装置，或是电容层析法式二相流测量装置，或是激光式二相流测量装置，或是静电感应式二相流测量装置，或是辐射式二相流测量装置，或是流量式二相流测量装置，或是浓度式二相流测量装置。

4.根据权利要求3所述二相流测量系统的辐射式二相流测量装置，其特征是包括辐射式传感器(含辐射源和辐射探测器)、二相流流量计、管道连接器和安装支架等。

5.根据权利要求1所述的二相流测量系统，其特征是所述数学模型是采用二相流测量方法确定的。

6.根据权利要求5所述的二相流测量方法，其特征包括：

1)确定二相流的源头是给煤机给煤量W_煤和入磨煤机的一次风的风重W_1风；

2)根据W_煤、W_1风，结合磨煤机工作特点得到入总风送管道(7)的二相流W_粉＝W_煤(t_s)，W_风＝W_1风，其W_煤(t_s)是W_煤延时t_s时间后之值，t_s-磨煤机制粉时间；

3)二相流测量装置测量出所在风送管道的二相流变化信号

U_n＝f(W_n粉，W_n风)或U_n1＝f(W_n粉)，U_n2＝f(W_n风)，n＝A、B、C、D；

4)根据流体力学原理，总风送管道与各支路管道间有如下关系：

5)求出W_粉与

W_风与

变化关系曲线，并进行线性拟合可得：

W_n粉＝a+bU_n1 n＝A，B，C，D

a-拟合直线截距，b-拟合直线斜率

W_n风＝c+dU_n2 n＝A，B，C，D

c-拟合直线截距，d-拟合直线斜率

进一步还包括根据燃煤热值、灰分、水分测量仪测得燃煤的Q_煤、A_煤、M_煤，用软测量技术可得各支路风送管道的Q_粉、A_粉、M_粉，根据已测得的W_n粉，进一步计算出：

煤粉热量J_n粉＝Q_粉×W_n粉

灰分重量W_n灰＝A_粉×W_n粉

水分重量W_n水＝M_水×W_n粉

其中n＝A，B，C，D。

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