CN206601159U - 一种在线煤粉质量流量测量系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种在线煤粉质量流量测量系统，输送管内壁上设置有微波发射器和微波接收器，并且，输送管内壁上还设置有激光检测模块，利用光学检测原理对煤粉流速进行计算。由于利用激光信号检测煤粉的流速相对于利用静电检测流速的方式，对微波发射器产生的微波造成的干扰较弱，所以，利用激光进行流速检测能够降低对检测造成的影响，因此，利用激光检测流速的方式的准确度较高。

Description

一种在线煤粉质量流量测量系统

技术领域

本实用新型涉及一种在线煤粉质量流量测量系统，属于煤粉测量技术领域。

背景技术

燃煤电厂面临节能增效和减低污染物排放的双重压力，而燃烧的精确控制起到至关重要的作用。燃烧的精确控制的关键在于锅炉各燃烧器内风煤比的监测和调整。其中煤粉的质量流量是需要监测的一项重要内容。煤粉的质量流量＝煤粉的绝对浓度×煤粉的流速×输送管道截面积。

市面出现了静电法的探针式测量装置，取得了一定的效果但是探针在煤粉输送管道内耐磨性能较差，直接影响了产品的寿命；同时由于探针只是插入管道内一部分，所以不能检测去断面的煤粉，影响精度。为了解决以上问题，又出现了环状的测量装置即电极为环状安装在在输煤管道的内壁，这样解决了全断面测量的问题，也延缓了磨损，但是出现积尘影响测量的问题，同时磨损后更换时必须停机较为麻烦。

申请公布号为CN103822223A的中国专利申请文件中公开了一种直吹式制粉系统实现煤粉均匀分配的控制系统，如该文件中的附图1所示，包括流速监测单元，属于利用静电检测流速的流速检测模块，该流速检测模块为设置在煤粉输送管内、分布在微波检测装置两侧的上、下游传感器，这两个传感器均为静电传感器，利用静电的检测方式实现流速的检测；还包括浓度监测单元，为设置在煤粉输送管内的煤粉浓度传感器，为微波发射器和微波接收器，利用微波谐振的方式检测煤粉的浓度。虽然该系统能够在一定程度上检测出煤粉的流速，但是，利用静电检测流速的方式对微波发射器产生的微波造成较大干扰，微波在检测煤粉浓度时受到的影响较大，因此利用微波检测煤粉浓度的准确度较低。

实用新型内容

本实用新型的目的是提供一种在线煤粉质量流量测量系统，用以解决利用静电检测流速的方式对微波造成较大干扰的问题。

为实现上述目的，本实用新型的方案包括一种在线煤粉质量流量测量系统，包括测量管，以及用于设置在所述输送管内壁上的微波检测装置，所述测量系统还包括设置在输送管内壁上的、用于检测煤粉流速的激光检测装置。

所述激光检测装置包括至少一对激光检测单元，每对激光检测单元由两个激光检测单元构成，各对激光检测单元中的两个激光检测单元沿测量管纵向延伸方向设置，每个激光检测单元均由激光发射器和激光探测器构成。

所述激光检测装置包括一对所述激光检测单元，第一激光检测单元由第一激光发射器和第一激光探测器构成，第二激光检测单元由第二激光发射器和第二激光探测器构成，所述第一激光检测单元的激光传输路径与所述第二激光检测单元的激光传输路径的方向相同。

所述第一激光检测单元的激光传输路径与所述第二激光检测单元的激光传输路径处于同一输送管纵截面上。

所述微波检测装置中的微波发射器和微波接收器设置在测量管两侧，且微波发射器和微波接收器的连线垂直于煤粉流动方向；所述第一激光检测单元和第二激光检测单元分设在所述微波检测装置的左右两侧，所述第一激光检测单元的激光传输路径垂直于煤粉流动方向，且与所述微波检测装置中的微波发射器和微波接收器的连线垂直设置。

第一激光检测单元的激光传输路径与微波发射器和微波接收器中心位置所在横截面的直线距离为第一直线距离，第二激光检测单元的激光传输路径与微波发射器和微波接收器中心位置所在横截面的直线距离为第二直线距离，所述第一直线距离与第二直线距离相同。

所述测量系统还包括设置在测量管内壁上、且分别设置在所述微波检测装置左右两侧的左封波结构和右封波结构，所述左封波结构和右封波结构均包括至少一对金属封波头，所述金属封波头凸出于测量管内壁设置。

所述左封波结构和右封波结构均包括沿着测量管纵向延伸方向设置的至少两对金属封波头。

每对金属封波头中的两个金属封波头的连线均垂直于煤粉流动方向，且每对金属封波头中的两个金属封波头均沿着测量管的周向均匀间隔布置；所述微波检测装置中的微波发射器和微波接收器设置在测量管两侧，且微波发射器和微波接收器的连线垂直于煤粉流动方向；微波发射器、微波接收器和所有的金属封波头的中心位置处于同一个纵截面上，左封波结构和右封波结构相对于微波检测装置左右对称设置。

金属封波头由固定座和金属管体构成，所述金属管体与固定座固定设置，金属管体从测量管上对应的孔中伸入测量管内部，金属管体的长度大于测量管壁厚，以凸出于测量管内壁，固定座与测量管外壁挡阻设置。

本实用新型提供的在线煤粉质量流量测量系统中设置有激光检测装置，激光检测装置设置在输送管内壁上，该激光检测装置的检测原理是通过激光信号检测煤粉的流速。相对于静电对微波的干扰，利用激光信号检测煤粉流速时激光对微波的干扰要弱些，微波在检测煤粉浓度时受到的影响较小，因此这种情况下，利用微波检测煤粉浓度的准确度较高。

而且，采用激光测速的方式除了对微波影响小之外，相对于静电测速法，还具有以下优势：激光测速中，光强的波动是由颗粒运动引起的；静电法是颗粒和气流的团聚体引起，非颗粒引起，气流流速、即载体的风速不能代表颗粒的流动速度，颗粒的流动速度与载体的风速存在一定的差异。因此，激光测速法相对于静电法，准确度更高。

另外，相对的，微波对激光信号的影响也较小，那么，利用激光进行流速检测时，能够提升流速的检测精度，因此，利用激光检测煤粉流速的方式的准确度较高。

附图说明

图1是微波检测的原理示意图；

图2是微波发射器、微波接收器、激光发射器和激光探测器之间的方位关系示意图；

图3是微波发射器、接收器以及金属封波头在输送管中的布置示意图。

具体实施方式

本实用新型提供的在线煤粉质量流量测量系统的基本思路在于：在线煤粉质量流量测量系统，包括测量管，用于设置在输送管内壁上的微波检测装置，以及设置在输送管内壁上的、用于检测煤粉流速的激光检测装置。

基于上述基本思路，下面结合附图做进一步详细的说明。

首先，测量管可以是专门设置的、用于实现数据检测的一段管道，也可以是锅炉中本身就具有的一段输送管，本实施例的监控系统中的测量管为单独设置的管道，那么，该管道就与微波检测装置、激光检测装置等组成部分共同构成一个独立的检测设备，即一个完整的产品。在进行检测时，将测量管装配在锅炉中，对测量管中流过的煤粉进行检测。另外，不管是专门设置的管道，还是锅炉本身就具有的管道，均用于流通煤粉，即用于输送煤粉，因此，以下将测量管称为输送管。

然后，微波检测装置包括微波发射器和微波接收器。利用微波对煤粉的相关数据，比如浓度等进行测量时，基于的检测原理如图1所示，信号源输出连接微波发射器3，微波发射器3发出的微波在输送管中进行相应的传输，然后，微波接收器4接收到微波发射器3发出的微波，当然，微波接收器4就需要输出连接信号处理模块，以对微波接收器4接收到的微波进行处理，进而对煤粉的相关数据进行测量。由于微波检测方法属于常规技术，上述对检测原理只进行了简单介绍，而且数据的具体测量算法也属于常规技术，本实施例就不再具体描述。

现有技术中的微波发射器和微波接收器通常具有以下两种布置方式：第一种，设置在输送管的同一侧，这种设置方式虽然能够实现测量，但是，检测精度不高；第二种，设置在输送管两侧，且微波发射器和微波接收器的连线(本实施例中的连线是指微波发射器和微波接收器的中心位置的连线)与煤粉流动方向倾斜一定角度，这种设置方式较第一种设置方式来说，检测精度虽然有了一定的提升，但是，提升程度不高，检测精度总体上还是不高。本实用新型中的微波发射器和微波接收器的布置方式可以按照现有技术中的布置方式进行布置，但是，为了增强检测精度，本实施例给出一种布置方式，如图1所示，微波发射器3和微波接收器4的连线垂直于煤粉流动方向，并且，设置在输送管的两侧，即相对于输送管轴线对称设置。另外，微波发射器3和微波接收器4为两个同轴的探头。这种布置方式相较于现有技术中的两种布置方式来说，检测精度得到了很大地提升，同样能够降低微波损耗。

另外，本实施例中，微波发射器3和微波接收器4的深入输送管内壁的一端超出内壁20mm，即可以避免探头磨损，同时可实现全断面的测量。

由于煤粉输送管、微波发射器和微波接收器，以及微波检测原理及算法均属于现有技术，因此，本实施例重点对激光检测装置、金属封波头、微波发射器和微波接收器在输送管中的具体布置方式进行说明。

线煤粉质量流量测量系统的激光检测装置设置在输送管内壁上，用于通过光学信号检测煤粉流速。

该激光检测装置包括M对激光检测单元，M≥1，每对激光检测单元由两个激光检测单元构成，每个激光检测单元均由一个激光发射器和一个激光探测器构成。当然，M的取值根据实际精度要求进行设定，M取值越大，检测精度越高，但是，投入成本就越大。

本实施例以具有代表性的M＝1为例，即激光检测装置包括一对激光检测单元，该对激光检测单元包括第一激光检测单元和第二激光检测单元，这两个激光检测单元沿输送管的纵向延伸方向设置。第一激光检测单元由第一激光发射器和第一激光探测器构成，第二激光检测单元由第二激光发射器和第二激光探测器构成。第一激光检测单元的激光传输路径(激光传输路径为激光发射器与激光探测器之间的激光线路)与第二激光检测单元的激光传输路径处于同一平面，且方向相同。另外，由于激光传输路径如果与煤粉流动方向相同的话，就无法对流速进行检测，所以，毫无疑义地，激光传输路径的方向就需要与煤粉流动方向相交，即激光传输路径与煤粉流动方向的夹角需要大于0°、且小于180°。

这两个激光传输路径所处的平面为输送管的竖向切面，即沿着输送管的轴线方向做的切面。该竖向切面可以经过输送管轴线，这种情况下，该竖向切面可以将该输送管分为两个完全相同的部分，此时该竖向切面就为纵截面；该竖向切面还可以不经过输送管轴线，这样的话，该竖向切面将该输送管分为两个不相同的部分。本实施例中，第一激光检测单元的激光传输路径与第二激光检测单元的激光传输路径处于同一输送管纵截面上。

进一步地，第一激光发射器和第一激光探测器设置在微波发射器和微波接收器中心位置所在横截面，即微波检测装置的左侧，第二激光发射器和第二激光探测器设置在微波检测装置的右侧。并且，如果设定第一激光检测单元的激光传输路径与微波发射器和微波接收器中心位置所在输送管横截面(本实施例中的横截面均为输送管横截面)的直线距离为第一直线距离，设定第二激光检测单元的激光传输路径与微波发射器和微波接收器中心位置所在横截面的直线距离为第二直线距离，那么，第一直线距离与第二直线距离相同，即第一激光检测单元和第二激光检测单元相对于微波检测装置左右对称。

激光传输路径与微波发射器和微波接收器的连线之间存在着以下的关系：激光传输路径所在的直线与微波发射器和微波接收器的连线所在的直线之间的夹角越大，激光对微波的干扰越弱，因此，为了进一步最大程度上降低激光对微波的干扰，将激光传输路径与微波发射器和微波接收器的连线作垂直设置，这样的话，干扰能够降到最低，如图2所示，第一激光发射器和第二激光发射器统称为激光发射器2，第一激光探测器和第二激光探测器统称为激光探测器5。微波发射器3和微波接收器4的连线与激光发射器2与激光探测器5之间的激光传输路径垂直设置。另外，即使第一激光检测单元的激光传输路径与第二激光检测单元的激光传输路径所在的平面不是输送管纵截面，也可以对激光传输路径做上述垂直处理。

激光检测煤粉流速的基本原理是：利用两个间隔一定距离的光束，即上述提到的两个激光检测单元，可得到相同的透过率频谱特性，利用相关算法可计算出颗粒的流动速度。另外，当煤粉颗粒通过较小光斑直径的光束时，由于颗粒的吸收和散射效应引起透射光信号起伏，利用透过率的频谱特性还可得到颗粒的粒度分布和浓度信息。透射光信号起伏是成熟的技术，即消光起伏法。

该监控系统还包括有封波结构，用于形成一个微波谐振腔。左封波结构设置在微波发射器和微波接收器的左侧，右封波结构设置在微波发射器和微波接收器的右侧，这两个封波结构均设置在测量管内壁上。每个封波结构均包括至少N对金属封波头，N≥1，也就是说，监测系统中共包括有2N对金属封波头。

金属封波头是为了形成一个微波谐振腔，通俗点讲，是为了将微波封在一定的区域内，防止其泄漏到其他区域，并且，凸出于输送管内壁设置，因此，将这种用于形成微波谐振腔的金属结构称为“金属封波头”。

第一激光检测单元和第二激光检测单元可以设置在形成的微波谐振腔内，也可以设置在微波谐振腔外，本实施例以设置在微波谐振腔内为例。那么，微波发射器3和微波接收器4的连线与激光发射器2与激光探测器5之间的激光传输路径垂直设置还能够最大程度地防止谐振腔被破坏。

当N＝1时，即微波发射器和微波接收器的左右两侧均设置1对金属封波头，能够形成一个微波谐振腔。但是，为了进一步提升微波谐振腔的“强度”，即进一步降低微波的泄漏，本实施例中，N≥2，即微波发射器和微波接收器的左右两侧均设置有至少两对金属封波头，在微波发射器和微波接收器的对应侧沿着输送管纵向延伸方向设置。当然，N的取值越大，封波效果越好。在能够形成微波谐振腔的基础上，各对金属封波头与微波发射器和微波接收器的距离均可根据实际要求进行设定。

为了便于后续的说明，本实施例以具有代表性的N＝2为例。另外，金属封波头以金属封波管为例进行说明，即金属封波头凸出于输送管内壁的结构为管体结构，也称为管式结构，当然，金属封波头并不局限于管体结构，还可以是其他结构形式。金属封波头，即封波管的封波原理为：封波管其实是一种截止波导管，根据截止波导理论，当信号频率低于截止频率时，电磁波被截止，不再向外传播。由于煤粉输送管的管道的横截面为圆形，并且长度较长形成一个较大的波导管，并且由于输送管管道的直径较大，截止频率较低(低于500MHz)，低频情况下对煤粉微波的检测灵敏度较低，所以必须提高截止频率。同时管道较长情况下能量损耗也比较大，从可实现性、成本和安全性考虑，需要将微波截止在一定长度内。借鉴蜂窝式电磁屏蔽结构，在管道内的微波检测装置的左右两侧插入金属封波管，进一步地构成阵列式的封波结构，然后根据测量微波信号的频率范围(1.3GHz～1.8GHz)和输送管的管道直径，设计封波管深入输送管管道相应的深入长度，经试验测试可有效减少设计频率范围内微波信号的传播和能量损耗。所以，由上述可知，本实施例中的谐振腔是结合煤粉输送管和封波管而形成的特定形式的谐振腔，不同于常规的封闭结构和中间开孔结构。

如图3所示，微波发射器3和微波接收器4的左右两侧均设置2对封波管1。对于任意一对封波管，该对封波管中的两个封波管的连线垂直于煤粉流动方向，且这两个金属封波头沿着输送管的周向均匀间隔布置，即这两个封波管设置在输送管的两侧，或者称为相对侧。而且，为了提升谐振腔的强度，所有的封波管、微波发射器3和微波接收器4的中心位置设置在输送管的同一纵截面上，如图3所示。另外，为了保证谐振腔的稳定性，微波发射器3和微波接收器4的左右两侧的封波管相对于微波发射器3和微波接收器4左右对称设置。

由于封波管是固定在输送管内壁上，一般情况下这种组合结构不易加工，并且封波管在磨损后不易维修和更换，所以，本实施例给出一种封波管的具体结构，如图3所示，封波管与输送管是分立元件，封波管与输送管内壁是组合在一起的，并非在加工时直接成型。封波管包括两部分，一部分是固定座，另一部分是金属管体，固定座与管体固定设置(比如焊接)。在输送管上、且需要设置封波管的对应位置处钻有小孔，这些孔的孔径略大于管体的外径，并且管体的长度要大于输送管的管壁厚度，这样管体从输送管外由对应的小孔伸入输送管内部后，管体能够从输送管内壁凸出一部分。固定座的横截面的最远两点的距离大于孔径，以使固定座阻挡在输送管外壁外，并且通过对固定座的结构设置，使固定座能够完全遮住对应的孔。基于封波管的这种结构，首先封波管和输送管均是独立设备，各自均易加工，而且，封波管在磨损后可以直接从输送管上取下，然后插入新的封波管即可实现更换，所以更换方便。另外，通过特定设置，封波管伸出输送管内壁的长度一般不超过封波管管径，即封波管凸出部分较短，可有效的延缓封波管的磨损，同时在金属管体凸出部分的表面镀耐磨涂层，以提高其耐磨能力。

本实施例中，如图3所示，靠近微波发射器3和微波接收器4的左右各一对的封波管与微波发射器3和微波接收器4的中心位置所在横截面的直线距离为L₁，远离微波发射器3和微波接收器4的左右各一对的封波管与微波发射器3和微波接收器4的中心位置所在横截面的直线距离为L₁+L₂，其中，L₁＝k₁D；L₂＝k₂D，D为输送管管径，k₁和k₂为设定参数，并且，封波管的超出内壁的长度L与管径D也成特定比例，为L＝k₀D，k₀也为设定参数。激光发射器2与微波发射器3和微波接收器4的中心位置所在横截面的直线距离L₃为：L₃＝0.5L₁。通过上述L₁、L₂和L的设定，形成一个特定的微波谐振腔。k₁、k₂和k₀的取值是根据实际情况进行具体设定，其中，本实施例中，k₁＝3～6，k₁的具体取值参考输送管的管道直径，从设备安装和保证性能考虑：输送管的管道直径较小时，k₁取一个较大值，输送管的管道直径较大时，k₁取一个较小值。理论上k₁取较大值好，但是k₁也不能取得过大，比如：如果输送管的管道直径为600mm，k₁取6时，L₁就超过3600mm，这在电厂很难找到地方安装封波管；k₂＝0.2～0.5；k₀＝0.01～0.05。k₁、k₂和k₀的取值是通过频率范围、截止频率、能量损耗和输送管道的规格计算得到的，计算过程不属于本实施例中发明点，这里就不再叙述。

在检测时，根据上文所述，微波接收器4输出连接有信号处理模块，信号处理模块根据接收到的微波信号，结合相应的检测算法计算煤粉的浓度，信号处理模块以及具体算法为常规技术，这里就不再具体说明。

并且，激光探测器也可输出连接信号处理模块，当煤粉颗粒通过激光光束时，光信号产生波动，信号处理模块比较两个光信号的波动，并结合相关算法计算出煤粉的流速。该算法属于常规技术，这里就不再具体说明。同时，光学的波动信号通过频率取样可测量出煤粉颗粒物的粒度分布信息，光信号的波动只与颗粒流动速度相关。并且，初次安装时可利用微波发射器接收微波的回波信号，通过控制器控制微波板周期发射特定频率段的扫频信号，通过计算特定频率的回波时间和微波在空气中传播速度可计算出管径D。

因此，通过该测量系统能够检测出煤粉的浓度信息、煤粉的流速信息及输送管的管径D，则煤粉的质量流量就能够计算出。

上述各算法均属于常规技术，这里就不再具体介绍。

另外，为了保证计算的准确性，该测量系统运行一段时间后可以修正输送管管道内径参数和封波管磨损情况。该测量系统除质量流量的检测外，还可以进行管道的磨损情况的检测、磨煤机故障的检测(同一工况下同一磨煤机的颗粒直径分布相似当出现较大差异时磨煤机故障)、输送管的堵塞检测等方面。

以上给出了具体的实施方式，但本实用新型不局限于所描述的实施方式。本实用新型的基本思路在于上述基本方案，对于激光检测装置的具体结构、布置方式以及上述实施例中的各种算法均不作限定性要求。在不脱离本实用新型的原理和精神的情况下对实施方式进行的变化、修改、替换和变型仍落入本实用新型的保护范围内。

Claims (10)

1.一种在线煤粉质量流量测量系统，包括测量管，以及用于设置在所述测量管内壁上的微波检测装置，其特征在于，所述测量系统还包括设置在测量管内壁上的、用于检测煤粉流速的激光检测装置。

2.根据权利要求1所述的在线煤粉质量流量测量系统，其特征在于，所述激光检测装置包括至少一对激光检测单元，每对激光检测单元由两个激光检测单元构成，各对激光检测单元中的两个激光检测单元沿测量管纵向延伸方向设置，每个激光检测单元均由激光发射器和激光探测器构成。

3.根据权利要求2所述的在线煤粉质量流量测量系统，其特征在于，所述激光检测装置包括一对所述激光检测单元，第一激光检测单元由第一激光发射器和第一激光探测器构成，第二激光检测单元由第二激光发射器和第二激光探测器构成，所述第一激光检测单元的激光传输路径与所述第二激光检测单元的激光传输路径的方向相同。

4.根据权利要求3所述的在线煤粉质量流量测量系统，其特征在于，所述第一激光检测单元的激光传输路径与所述第二激光检测单元的激光传输路径处于同一测量管纵截面上。

5.根据权利要求3或4所述的在线煤粉质量流量测量系统，其特征在于，所述微波检测装置中的微波发射器和微波接收器设置在测量管两侧，且微波发射器和微波接收器的连线垂直于煤粉流动方向；所述第一激光检测单元和第二激光检测单元分设在所述微波检测装置的左右两侧，所述第一激光检测单元的激光传输路径垂直于煤粉流动方向，且与所述微波检测装置中的微波发射器和微波接收器的连线垂直设置。

6.根据权利要求5所述的在线煤粉质量流量测量系统，其特征在于，第一激光检测单元的激光传输路径与微波发射器和微波接收器中心位置所在横截面的直线距离为第一直线距离，第二激光检测单元的激光传输路径与微波发射器和微波接收器中心位置所在横截面的直线距离为第二直线距离，所述第一直线距离与第二直线距离相同。

7.根据权利要求1所述的在线煤粉质量流量测量系统，其特征在于，所述测量系统还包括设置在测量管内壁上、且分别设置在所述微波检测装置左右两侧的左封波结构和右封波结构，所述左封波结构和右封波结构均包括至少一对金属封波头，所述金属封波头凸出于测量管内壁设置。

8.根据权利要求7所述的在线煤粉质量流量测量系统，其特征在于，所述左封波结构和右封波结构均包括沿着测量管纵向延伸方向设置的至少两对金属封波头。

9.根据权利要求7所述的在线煤粉质量流量测量系统，其特征在于，每对金属封波头中的两个金属封波头的连线均垂直于煤粉流动方向，且每对金属封波头中的两个金属封波头均沿着测量管的周向均匀间隔布置；所述微波检测装置中的微波发射器和微波接收器设置在测量管两侧，且微波发射器和微波接收器的连线垂直于煤粉流动方向；微波发射器、微波接收器和所有的金属封波头的中心位置处于同一个纵截面上，左封波结构和右封波结构相对于微波检测装置左右对称设置。

10.根据权利要求7-9任意一项所述的在线煤粉质量流量测量系统，其特征在于，金属封波头由固定座和金属管体构成，所述金属管体与固定座固定设置，金属管体从测量管上对应的孔中伸入测量管内部，金属管体的长度大于测量管壁厚，以凸出于测量管内壁，固定座与测量管外壁挡阻设置。