CN116359086B - 一种基于测量装置的煤粉粒径与质量浓度测量方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种基于测量装置的煤粉粒径与质量浓度测量方法，测量方法包括：获取煤粉颗粒离散后的半径值，并根据半径值确定煤粉颗粒的经验粒度分布；根据煤粉颗粒的经验粒度分布和半径值计算煤粉颗粒的体积浓度；获取预测的声衰减谱，并基于预测的声衰减谱与实际测量的声衰减谱构建误差函数；对误差函数进行求解，得到煤粉颗粒的粒径分布；根据煤粉颗粒的粒径分布计算煤粉颗粒的质量浓度。
Description
技术领域
本发明属于燃煤锅炉煤粉监测技术领域，尤其涉及一种基于测量装置的煤粉粒径与质量浓度测量方法。
背景技术
燃煤电站锅炉在运行过程中，燃烧工况的优劣很大程度上影响着燃煤锅炉的经济性与安全性。而燃烧工况的优劣与煤粉粒径及煤粉浓度有很大关系。
目前未有能同时实时监测煤粉粒径与浓度的在线监测装置，针对燃煤锅炉煤粉粒径与煤粉浓度的测量，国内外提出了各种方法，如采样法、激光法、电容法、压降法等。随着激光技术和光学仪器的发展，激光用于煤粉和颗粒物检测的应用也越来越多，目前利用光学原理测量的主要方法有消光法、光散射法等。消光法的原理为采用单一波长激光光源和一个固定角度的探测器，通过测量颗粒散射、吸收作用引起的入射光强衰减程度，即颗粒物消光来反映颗粒物的平均浓度。激光消光法具有原理简单，易于操作实施的优点，被广泛运用于燃煤电厂等固定污染源排放监测领域。但传统的消光系统在测量颗粒物浓度时，受到煤粉粒径的影响较大。在中国专利公布号为CN 113109227A，发明名称为“一种利用激光透射法监测煤粉浓度偏差的装置及方法”的发明专利，公开了一种监测浓度偏差的方法，巧妙地通过测试不同煤粉管道上光功率接收器接收到的激光强度，反映不同煤粉管道煤粉浓度的偏差。
然而，该方法相对容易获得偏差值，但在测量煤粉浓度的绝对值上存在困难，需要定期手工测量标定粒径进行修正。超声法可以较好的测量煤粉颗粒的粒径。超声波通过被测气固两相介质后会产生衰减和相位变化，通过分析超声波的衰减情况，可以反演得到颗粒粒度。
发明内容
本发明提供一种基于测量装置的煤粉粒径与质量浓度测量方法，用于解决现有激光消光法测量煤粉颗粒浓度受颗粒粒径分布影响大的技术问题。
本发明提供一种基于测量装置的煤粉粒径与质量浓度测量方法，所述测量装置包括激光光源、光功率探测器、超声信号发生器、超声信号接收器以及分别与所述光功率探测器和所述超声信号接收器连接的数据处理器；
所述光功率探测器用于接收所述激光光源向管道内煤粉发出的单色激光穿过半反半透镜形成的透射光，并获取所述透射光的透射光强 ；
所述超声信号接收器用于接收所述超声信号发生器向管道内煤粉发出的超声波信号，并获取所述超声信号的信号强度；
所述数据处理器用于根据接收的所述透射光强和所述信号强度/>测量管道内煤粉中颗粒的粒径和质量浓度；
其中，对管道内煤粉中颗粒的粒径与质量浓度进行的测量方法包括：
获取煤粉颗粒离散后的半径值，并根据所述半径值/>确定煤粉颗粒的经验粒度分布/>，其中，所述经验粒度分布/>的表达式为：
，
式中，为颗粒特征尺寸，/>为煤粉颗粒的粒径对数平均值，/>为对数标准差，/>为煤粉颗粒离散后的半径值；
根据煤粉颗粒的经验粒度分布和所述半径值/>计算煤粉颗粒的体积浓度，其中，计算煤粉颗粒的体积浓度/>的表达式为：
，
获取预测的声衰减谱，并基于预测的声衰减谱与实际测量的声衰减谱/>构建误差函数，其中，/>为声衰减系数，所述误差函数的表达式为：/>，/>为超声频率，/>为参数矢量；
对所述误差函数进行求解，得到煤粉颗粒的粒径分布，其中，/>为颗粒直径；
根据煤粉颗粒的粒径分布计算煤粉颗粒的质量浓度/>。
在本发明的一些实施方式中，所述根据煤粉颗粒的粒径分布计算煤粉颗粒的质量浓度/>包括：
根据煤粉颗粒的粒径分布确定煤粉颗粒的消光系数/>，其中，计算煤粉颗粒的消光系数/>的表达式为：
，
式中，为颗粒特征尺寸，且/>，/>为颗粒直径，/>为入射光波长，/>为第一Mie因子，/>为第二Mie因子；
计算煤粉颗粒的质量浓度，其中，计算煤粉颗粒的质量浓度/>的表达式为：
，
式中，为入射光强，/>为透射光强，/>为消光距离，/>为颗粒密度，/>为颗粒粒径的下限，/>为颗粒粒径的上限。
在本发明的一些实施方式中，所述根据煤粉颗粒的粒径分布确定煤粉颗粒的消光系数/>包括：
获取Mie因子集合，并根据所述Mie因子集合确定煤粉颗粒的消光系数，其中，所述Mie因子集合中包括第一Mie因子、第二Mie因子、第三Mie因子、第四Mie因子以及第五Mie因子；
计算第一Mie因子的表达式为：
，
式中，为第一Mie因子，/>为颗粒折射率，/>为第四Mie因子，/>为颗粒特征尺寸，/>为波长，/>为参变量为n-1时的第四Mie因子，/>为参变量为n-1，自变量为x时的第四Mie因子，/>为计算参数，计算参数取值为/>之间的自然数，/>为参变量为n，自变量为x时的第四Mie因子，/>为参变量为n，自变量为mx时的第四Mie因子，/>为参变量为n-1，自变量为x时的第三Mie因子，/>为参变量为n，自变量为x时的第三Mie因子；
计算第二Mie因子的表达式为：
，
式中，为第二Mie因子；
计算第三Mie因子的表达式为：
，
式中，为第三Mie因子，/>为第四Mie因子，/>为虚数符号，/>为第五Mie因子；
计算第四Mie因子的表达式为：
，
式中，=mx，/>为参变量为n-1，自变量为z时的第四Mie因子，/>参变量为n-2，自变量为z时的第四Mie因子；
计算第五Mie因子的表达式为：
。
在本发明的一些实施方式中，计算煤粉颗粒的粒径分布的表达式为：
，
式中，为当/>取/>，/>取/>时，煤粉颗粒的经验粒度分布，/>为/>取值集合中第k个值，/>为煤粉颗粒的对数标准差，/>为颗粒半径，/>为/>取值集合中第i个值，为煤粉颗粒的粒径对数平均值。
在本发明的一些实施方式中，所述单色激光的波长为800 nm~1950 nm。
在本发明的一些实施方式中，所述超声信号发生器的频率为100 KHz~1000 KHz。
在本发明的一些实施方式中，在同一管道上布置有两组测量单元，每组测量单元在同一水平面内，其中，一组测量单元包括激光光源、光功率探测器、超声信号发生器与超声信号接收器。
在本发明的一些实施方式中，所述一组测量单元的出光方向和另一组测量单元的出光方向相互垂直，且所述一组测量单元的出声方向和另一组测量单元的出声方向相互垂直。
在本发明的一些实施方式中，所述激光光源、所述光功率探测器、所述超声信号发生器与所述超声信号接收器通过安装座设置在所述管道上。
本申请的一种基于测量装置的煤粉粒径与质量浓度测量方法，通过将激光消光法与超声法耦合，利用激光消光法的基础上，增加了超声测量装置，通过超声法测得煤粉颗粒的粒径分布，从而对激光消光法进行实时修订，从而使得颗粒的质量浓度的测量更加准确；并且利用光源探测器实时获取单色激光的光强，从而避免了温度和器件老化对激光光源的影响而造成的测量误差。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明一实施例提供的测量装置的整体结构图；
图2为本发明一实施例提供的一种基于测量装置的煤粉粒径与质量浓度测量方法的流程图。
其中，上述附图包括以下附图标记：
1、激光光源；2、半反半透镜；3、光源强度探测器；4、光功率探测器；5、数据处理器；6、超声信号发生器；7、超声信号接收器；8、测速模块。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
请参阅图1，其示出了本申请的测量装置的整体结构图。测量装置，包括激光光源、光功率探测器、超声信号发生器、超声信号接收器以及数据处理器；
所述激光光源用于向光散射测量区的煤粉发出单色激光，并形成透射光，所述激光光源使用红外光源，与可见光及紫外光相比较，红外光波长更长，散射能力更强，在高浓度煤粉中具有较好的穿透能力，适合作为煤粉浓度测量的激光光源；所选单色激光的波长为800 nm~1950 nm。
所述光功率探测器的探测方向朝向激光光源，所述光功率探测器用于获得透射光强；所述超声信号发生器用于向煤粉发出超声波信号；所述超声信号发生器布置方向与对应激光光源相同；所述超声信号接收器的探测方向朝向超声信号发生器，所述超声信号接收器用于获得超声信号强度/>；所述激光光源与光功率探测器相对布置；所述装置包括光源强度探测器，所述光源强度探测器的输出端连接计算中枢的第三输入端，所述光源强度探测器用于获取单色激光的光强/>；
激光光源与光功率探测器在同一管道上布置两组；超声信号发生器与超声信号接收器在同一管道上布置两组。两组出光方向、出声方向相互垂直，可以相互检验，提高检测结果准确性；同组激光光源、光功率探测器、超声信号发生器、超声信号接收器在同一水平面内；两组激光光源与超声信号发生器相间布置，使激光测量与声波测量的探测区域接近，保证结果的准确性；所述激光光源布置在超声信号发生器前，减小超声波测量过程中动量交换导致的能量损失对测量结果的影响；所述激光光源、光功率探测器、超声信号发生器与超声信号接收器布置位置靠近炉膛出口，使测量结果更接近进入炉膛的真实值；
所述煤粉管道上设置安装座，安装座与煤粉管道通过螺纹连接。激光光源、光功率探测器、超声信号发生器与超声信号接收器安装在安装坐上方便安装与拆卸，有利于维护与更换；此外，布置激光光源、光功率探测器、超声信号发生器与超声信号接收器的管道与管道其他部分法兰连结，有利于设备成套更换；
所述测速模块布置在同一管道内侧，用于获得煤粉流速，燃煤锅炉运行时，可以根据煤粉浓度测量结果与流速测量结果，调整气体流速，控制煤粉浓度；
所述光功率探测器的输出端连接计算中枢的第一输入端；所述超声信号接收器的输出端连接计算中枢的第二输入端；所述计算中枢用于根据透射光强以及超声信号强度，获得煤粉中颗粒的粒径和质量浓度。
请参阅图2，其示出了本申请的一种基于测量装置的煤粉粒径与质量浓度测量方法的流程图。
如图2所示，对管道内煤粉中颗粒的粒径与质量浓度进行的测量方法包括：
步骤S101，获取煤粉颗粒离散后的半径值，并根据所述半径值/>确定煤粉颗粒的经验粒度分布/>。
在本步骤中，所述经验粒度分布的表达式为：
，
式中，为颗粒特征尺寸，/>为煤粉颗粒的粒径对数平均值，/>为对数标准差，/>为煤粉颗粒离散后的半径值；
步骤S102，根据煤粉颗粒的经验粒度分布和所述半径值/>计算煤粉颗粒的体积浓度/>。
在本步骤中，计算煤粉颗粒的体积浓度的表达式为：
，
步骤S103，获取预测的声衰减谱，并基于预测的声衰减谱与实际测量的声衰减谱/>构建误差函数。
在本步骤中，其中，为声衰减系数，所述误差函数的表达式为：/>，/>为超声频率，/>为参数矢量。
步骤S104，对所述误差函数进行求解，得到煤粉颗粒的粒径分布。
在本步骤中，其中，为颗粒直径。由煤粉颗粒经验分布，选择一组/>与一组/>的取值集合，即/>与/>。
确定误差函数的最小值，此时，/>，则，
式中，为当/>取/>，/>取/>时，煤粉颗粒的经验粒度分布，/>为/>取值集合中第k个值，/>为煤粉颗粒的对数标准差，/>为颗粒半径，/>为/>取值集合中第i个值，/>为煤粉颗粒的粒径对数平均值。
步骤S105，根据煤粉颗粒的粒径分布计算煤粉颗粒的质量浓度/>。
在本步骤中，首先，根据煤粉颗粒的粒径分布确定煤粉颗粒的消光系数/>，其中，计算煤粉颗粒的消光系数/>的表达式为：
，
式中，为颗粒特征尺寸，且/>，/>为颗粒直径，/>为入射光波长，/>为第一Mie因子，/>为第二Mie因子。
具体地，获取Mie因子集合，并根据所述Mie因子集合确定煤粉颗粒的消光系数，其中，所述Mie因子集合中包括第一Mie因子、第二Mie因子、第三Mie因子、第四Mie因子以及第五Mie因子；
计算第一Mie因子的表达式为：
，
式中，为第一Mie因子，/>为颗粒折射率，/>为第四Mie因子，/>为颗粒特征尺寸，/>为波长，/>为参变量为n-1时的第四Mie因子，/>为参变量为n-1，自变量为x时的第四Mie因子，/>为计算参数，计算参数取值为/>之间的自然数，/>为参变量为n，自变量为x时的第四Mie因子，/>为参变量为n，自变量为mx时的第四Mie因子，/>为参变量为n-1，自变量为x时的第三Mie因子，/>为参变量为n，自变量为x时的第三Mie因子；
计算第二Mie因子的表达式为：
，
式中，为第二Mie因子；
计算第三Mie因子的表达式为：
，
式中，为第三Mie因子，/>为第四Mie因子，/>为虚数符号，/>为第五Mie因子；
计算第四Mie因子的表达式为：
，
式中，=mx，/>为参变量为n-1，自变量为z时的第四Mie因子，/>参变量为n-2，自变量为z时的第四Mie因子；
计算第五Mie因子的表达式为：
。
然后，计算煤粉颗粒的质量浓度，其中，计算煤粉颗粒的质量浓度/>的表达式为：
，
式中，为入射光强，/>为透射光强，/>为消光距离，/>为颗粒密度，/>为颗粒粒径的下限，/>为颗粒粒径的上限。
在一个具体实施例中，本实例以煤粉颗粒进行研究，通过气溶胶发生器产生稳定浓度煤粉颗粒，煤粉气流通过进气管进入测量区。
激光光源1采用1550 nm红外激光光源，光束准直器对光束进行准直后，通过光阑后；在光阑之后，设置有半反半透镜2，其反射方向与单色激光的出射方向的角度为45°，用于将单色激光均分为光强相等的反射的单色激光以及透射的单色激光；在半反半透镜的反射方向设置有光源强度探测器3用于测量光源强度，由于反射的单色激光与透射的单色激光的强度相等，该光源强度探测器获取的光源强度/>相当于透射的单色激光的强度；透射的单色激光通过消光测量区，衰减后的激光被光功率探测器4所接收。
采用的超声信号发生器6发生100KHz的超声波，利用功率放大器放大后，进入测量区域，在超声波穿过煤粉颗粒介质发生衰减后，到达有带通滤波的超声信号接收器7。
测速模块8实时测量管道中煤粉气流的流速。
测量结果汇总到数据处理器5进行处理。
本实施例的装置测量煤粉中颗粒的粒径和质量浓度的过程包括以下步骤：
S1-1.由于本实施例中煤粉的颗粒的粒径经估算60 μm~100 μm之间，估算其对数平均粒径在=80 μm；
S1-2.获得离散后的直径值，其中取值为3，并以此计算粉颗粒的体积浓度/>；
S1-3.根据超声波的频率、气固两相流的物理参数以及体积浓度，获得预测的声衰减谱/>；
S1-4.求解误差函数，得到煤粉颗粒的粒径分布/>。
S2-1.获得煤粉颗粒消光系数；
S2-2.获得煤粉颗粒的质量浓度。
可见，本发明通过将激光消光法与超声法耦合，利用激光消光法的基础上，增加了超声测量装置，通过超声法测得煤粉颗粒的粒径分布，从而对激光消光法进行实时修订，从而使得颗粒的质量浓度的测量更加准确。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
Claims (8)
1.一种基于测量装置的煤粉粒径与质量浓度测量方法，其特征在于，所述测量装置包括激光光源、光功率探测器、超声信号发生器、超声信号接收器以及分别与所述光功率探测器和所述超声信号接收器连接的数据处理器；
所述光功率探测器用于接收所述激光光源向管道内煤粉发出的单色激光穿过半反半透镜形成的透射光，并获取所述透射光的透射光强Ie；
所述超声信号接收器用于接收所述超声信号发生器向管道内煤粉发出的超声波信号，并获取所述超声信号的信号强度Iu；
所述数据处理器用于根据接收的所述透射光强Ie和所述信号强度Iu测量管道内煤粉中颗粒的粒径和质量浓度；
其中，对管道内煤粉中颗粒的粒径与质量浓度进行的测量方法包括：
获取煤粉颗粒离散后的半径值并根据所述半径值R确定煤粉颗粒的经验粒度分布p(R)，其中，所述经验粒度分布p(R)的表达式为：
式中，x为颗粒特征尺寸，μ为煤粉颗粒的粒径对数平均值，σ为对数标准差，R为煤粉颗粒离散后的半径值；
根据煤粉颗粒的经验粒度分布p(R)和所述半径值R计算煤粉颗粒的体积浓度其中，计算煤粉颗粒的体积浓度/>的表达式为：
获取预测的声衰减谱并基于预测的声衰减谱与实际测量的声衰减谱αmeas构建误差函数，其中，α为声衰减系数，所述误差函数的表达式为：/>f为超声频率，P为参数矢量；
对所述误差函数进行求解，得到煤粉颗粒的粒径分布N(D)，其中，D为颗粒直径；
根据煤粉颗粒的粒径分布N(D)计算煤粉颗粒的质量浓度cm，计算煤粉颗粒的质量浓度cm包括：
根据煤粉颗粒的粒径分布N(D)确定煤粉颗粒的消光系数kext，其中，计算煤粉颗粒的消光系数kext的表达式为：
式中，x为颗粒特征尺寸，且D为颗粒直径，λ为入射光波长，an为第一Mie因子，bn为第二Mie因子；
计算煤粉颗粒的质量浓度cm，其中，计算煤粉颗粒的质量浓度cm的表达式为：
式中，Ie0为入射光强，Ie为透射光强，l为消光距离，ρ为颗粒密度，a为颗粒粒径的下限，b为颗粒粒径的上限。
2.根据权利要求1所述的一种基于测量装置的煤粉粒径与质量浓度测量方法，其特征在于，所述根据煤粉颗粒的粒径分布N(D)确定煤粉颗粒的消光系数kext包括：
获取Mie因子集合，并根据所述Mie因子集合确定煤粉颗粒的消光系数kext，其中，所述Mie因子集合中包括第一Mie因子、第二Mie因子、第三Mie因子、第四Mie因子以及第五Mie因子；
计算第一Mie因子的表达式为：
式中，an为第一Mie因子，m为颗粒折射率，jn为第四Mie因子，x为颗粒特征尺寸，λ为波长，jn-1为参变量为n-1时的第四Mie因子，jn-1(x)为参变量为n-1，自变量为颗粒特征尺寸x时的第四Mie因子，n为计算参数，计算参数取值为1～x+4x1/3+2之间的自然数，jn(x)为参变量为n，自变量为颗粒特征尺寸x时的第四Mie因子，jn(mx)为参变量为n，自变量为mx时的第四Mie因子，hn-1(x)为参变量为n-1，自变量为颗粒特征尺寸x时的第三Mie因子，hn(x)为参变量为n，自变量为颗粒特征尺寸x时的第三Mie因子；
计算第二Mie因子的表达式为：
式中，bn为第二Mie因子；
计算第三Mie因子的表达式为：
hn(z)＝jn(z)+iyn(Z)，
式中，hn(z)为第三Mie因子，jn(z)为第四Mie因子，i为虚数符号，yn(z)为第五Mie因子；
计算第四Mie因子的表达式为：
式中，z＝mx，jn-1(z)为参变量为n-1，自变量为z时的第四Mie因子，jn-2(z)为参变量为n-2，自变量为z时的第四Mie因子；
计算第五Mie因子的表达式为：
式中，yn-1(z)为参变量为n-1，自变量为z时的第五Mie因子，yn-2(z)为参变量为n-2，自变量为z时的第五Mie因子。
3.根据权利要求1所述的一种基于测量装置的煤粉粒径与质量浓度测量方法，其特征在于，计算煤粉颗粒的粒径分布N(D)的表达式为：
式中，pi，k(R)为当σ取σk，μ取μi时，煤粉颗粒的经验粒度分布，σk为σ取值集合中第k个值，σ为煤粉颗粒的对数标准差，R为颗粒半径，μi为μ取值集合中第i个值，μ为煤粉颗粒的粒径对数平均值。
4.根据权利要求1所述的一种基于测量装置的煤粉粒径与质量浓度测量方法，其特征在于，所述单色激光的波长为800nm～1950nm。
5.根据权利要求1所述的一种基于测量装置的煤粉粒径与质量浓度测量方法，其特征在于，所述超声信号发生器的频率为100KHz～1000KHz。
6.根据权利要求1所述的一种基于测量装置的煤粉粒径与质量浓度测量方法，其特征在于，在同一管道上布置有两组测量单元，每组测量单元在同一水平面内，其中，一组测量单元包括激光光源、光功率探测器、超声信号发生器与超声信号接收器。
7.根据权利要求6所述的一种基于测量装置的煤粉粒径与质量浓度测量方法，其特征在于，所述一组测量单元的出光方向和另一组测量单元的出光方向相互垂直，且所述一组测量单元的出声方向和另一组测量单元的出声方向相互垂直。
8.根据权利要求1所述的一种基于测量装置的煤粉粒径与质量浓度测量方法，其特征在于，所述激光光源、所述光功率探测器、所述超声信号发生器与所述超声信号接收器通过安装座设置在所述管道上。
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