燃煤锅炉中煤粉流量的超声波在线检测

侯怀书, 陈朝雷, 朱兵兵, 严祯荣(. 上海应用技术大学 机械工程学院, 上海 048; . 上海锅炉厂有限公司, 上海 0045)

燃煤锅炉中煤粉流量的超声波在线检测

侯怀书1, 陈朝雷1, 朱兵兵1, 严祯荣2
(1. 上海应用技术大学 机械工程学院, 上海 201418; 2. 上海锅炉厂有限公司, 上海 200245)

以ECAH理论模型为基础，分析了煤粉气固两相流中煤粉体积分数与超声波衰减系数之间的关系，通过两支同轴且轴线与煤粉管道轴线成45°夹角的超声波探头测试煤粉的流速与煤粉颗粒的体积分数，实现了煤粉气固两相流中煤粉流量的在线检测。结果表明：采用超声波方法在线检测气固两相流中的煤粉流量与实际试验测试平台所设定的给煤量吻合较好，表明了该方法在线检测煤粉流量的可行性与可靠性。

气固两相流；煤粉流量；超声波；在线检测；ECAH理论模型

火力发电是目前我国主要的发电方式，电站锅炉作为火力电发站的3大主机设备之一，伴随着我国火电行业的发展而发展，其中火力发电所使用的煤，占工业用煤总量的50%以上。据统计，全国大约90%的SO2排放和80%的CO2排放由火力发电用煤产生。燃煤锅炉各燃烧器之间煤粉含量的不均匀会对锅炉的燃烧产生很大影响，若各个燃烧器中的煤粉含量相差太大，则燃烧不能很好的组织，会引起火焰偏斜、结焦、燃烧不稳、排放增加等问题，严重时还会造成锅炉部件损坏[1-2]。此外，煤粉含量不均匀还有可能造成煤粉管道堵塞，严重时电厂将被迫停机或减负荷运行以消除堵塞，从而给电厂造成重大经济损失，同时影响电厂的安全运行。因此，实现煤粉流量的在线检测对于实现锅炉燃烧优化，提高燃烧效率，降低污染排放具有十分重要的作用。

目前，多数燃煤锅炉运行过程中的煤粉含量是从给煤机的总给煤量和各管道的总风量来推算的。近些年来，国内外在煤粉含量和流量的在线检测方面进行了较多的研究，如采用微波法[3]、电容法[4]、激光法[5]、电磁法[6]、热平衡法[7]、辐射法[8]、超声波法[9]等。在上述方法中，超声波法具有明显的检测优势，具体表现如下：①取样量大，有较好的代表性；②超声波穿透能力强，可用于检测较高含量的煤粉；③能经受较高温度及剧烈的温度变化等。笔者主要介绍了在锅炉测试试验平台安装超声波检测装置实现煤粉流量在线检测的方法，以供参考。

1 检测原理

超声波在线检测煤粉流量由两部分组成：首先测定煤粉含量，然后测定煤粉流速，在已知煤粉管道直径的前提下，利用下式计算得到煤粉流量：

式中：Q为煤粉流量；v为煤粉流速；A为管道横截面积；φ为煤粉体积分数。

1.1 煤粉含量测定

超声波在煤粉气固两相流中的传播过程中会产生衰减，衰减原因较为复杂，而黏性损失、热损失、散射损失和内部吸收损失起主要作用。ECAH(Epstein,Carhart,Allegra,Hawley)理论模型[10-13]全面考虑了黏性损失、热损失、散射损失以及内部吸收损失等损失机制，从微体积元中的质量、动量以及能量守恒定律出发，精确描述了球形颗粒在两相介质中的声波动行为，利用该模型建立了声衰减系数与煤粉颗粒体积分数之间的理论关系：

式中：α为声衰减系数；R为煤粉颗粒半径；n为与粒径分布相关的线性方程的数目；An为与粒径分布相关的线性方程组系数；Re表示复数的实部；Kc为纵波复波数；ω为超声波角频率;c为声速;αL为煤中的纵波声衰减系数;i为虚部符号。

从式(2)可以看出，当已知煤粉颗粒的粒径分布和超声波的有效频率范围时，如果获得了气固两相流中的声衰减系数，就可以求出煤粉颗粒的体积分数。

1.2 煤粉流速检测

已知超声波在煤粉气固两相流中的传播路径长度L，空气中的超声波速度C，以及声波方向与两相流运动方向的夹角θ，则超声波顺着两相流流动方向的传播时间(以下简称声时)为：

超声波逆着两相流流动方向的声时为：

由式(4)和式(5)可以得到：

式(6)中，超声波传播距离L和角度θ均为定值，因此，影响煤粉颗粒相流速的主要因素为超声波顺两相流流动方向的声时tv和逆两相流流动方向的声时tr。tv和tr作为测定值，恰当的信号处理方式是保证其准确性的关键[14]，其影响因素主要有以下几个方面：①一对超声波探头发射面之间的平行度，主要影响超声波信号的相位计算，该研究中检测部分为单独加工后整体安装到煤粉主管道上，保证了探头发射面之间的平行度；②探头发射表面的粗糙度(主要防止探头表面煤粉的粘结)，主要影响超声波信号的相位计算以及由于超声波传播距离改变导致声时变化，该研究中在两只超声波探头前面分别增加了吹风口，避免了煤粉在探头表面的粘结；③信号采集过程中的分辨率，直接影响超声波信号的声时计算，该研究中所采用的采样频率为40 MHz，远远超过检测超声波的频率，分辨率满足检测要求。

2 检测装置

该研究中的检测装置主要由低频超声波探头、超声波信号发生接收器、A/D卡、工业计算机以及检测软件组成，检测系统组成示意图如图1所示。

图1 煤粉流量超声波检测系统示意图Fig.1 Sketch of ultrasonic testing system for pulverized coal flux

如图1所示，两支超声波探头在安装时，应使探头轴线同心，与煤粉管道轴线成45°夹角，探头A发射超声波后由探头B接收，可以测试顺煤粉流动方向的声时，探头B发射超声波后由探头A接收，可以测试逆煤粉流动方向的声时。测定煤粉气固两相流中的超声波衰减系数时固定选用一个探头接收的超声波信号进行分析。测定超声波的衰减系数时，首先测得空气中的超声波信号作为背景信号，然后测试在煤粉中通过后的超声波信号，超声波衰减系数按照下式计算：

式中：α为超声波衰减系数；A1为煤粉气固两相流中的超声波信号幅值；A0为空气中的超声波信号幅值；L为两探头之间的距离。

3 试验材料与方法

试验中所选用的超声波探头中心频率为200 kHz，两支探头的距离为210 mm，煤粉管道内径为78 mm，设定煤粉气固两相流的温度为80 ℃，所测煤粉的粒径分布范围为60～100 μm。

4 试验结果与讨论

首先测得空气通过测试段时的超声波信号如图2所示。对该超声波信号作快速傅里叶(FFT)变换，得到其频谱信号如图3所示。可见，空气超声波信号主要频率成分为95～140 kHz，峰值超声波频率为110 kHz。

图2 空气背景超声波信号Fig.2 Ultrasonic signal while air transit

图3 空气超声波信号频谱图Fig.3 Spectrum of ultrasonic signal while air transit

顺煤粉流动方向和逆煤粉流动方向的超声波信号分别如图4和图5所示。分析图4和图5，求得顺煤粉流动方向与逆煤粉流动方向的声时分别为0.524 4 ms和0.587 6 ms，代入式(6)求出煤粉的流动速率为11.313 3 m·s-1。

图4 顺煤粉流动方向的超声波信号Fig.4 Ultrasonic signal in the pulverized coal flow direction

图5 逆煤粉流动方向的超声波信号Fig.5 Ultrasonic signal against the pulverized coal flow direction

利用ECAH理论，分析煤粉颗粒粒径分布在60～100 μm时，超声波有效频率为95～140 kHz情况下，颗粒相的体积分数与超声波衰减系数之间的关系，如图6所示。

图6 煤粉颗粒体积分数-超声波衰减系数曲线Fig.6 Pulverized coal particle volume fraction-ultrasonic attenuation coefficient curve

以二阶方程拟合图6曲线得到如下公式：

y=-0.000 004 38+0.003 859 41x+

式中：y为煤粉颗粒的体积分数，x为超声波衰减系数。

利用图2所得的110 kHz空气背景下超声波信号和图4所得的煤粉超声波信号计算得出该时刻超声波衰减系数为0.371 539 Np·m-1，代入式(8)，计算得到煤粉颗粒的体积分数为0.143%，将求得的煤粉流速与含量代入式(1)得到煤粉的流量为0.000 071 567 9 m3·s-1，按照煤粉密度1 400 kg·m-3计算，可得出相应的煤粉质量流量约为0.100 195 kg·s-1，该测定结果与上海锅炉厂有限责任公司锅炉试验平台所控制的煤粉输送量360 kg·h-1相吻合，图7所示为某个时间段内煤粉流量的实时检测曲线。

图7 某时段内煤粉流量实时监测曲线Fig.7 The pulverized coal flux real-time monitoring curve during a certain period of time

该研究中，每秒检测一次煤粉流量，由图7可见，在第8秒、第9秒以及第16秒时，分别出现了流量的短暂上升，明显与实际情况不吻合，造成这种现象的原因极有可能为煤粉颗粒出现团聚现象，导致超声波衰减系数异常增大，因此在线检测得到的煤粉流量出现波动，但持续时间非常短暂，不会对整体煤粉流量的实时检测造成影响。

5 结论

采用基于ECAH理论模型的超声波方法在线检测煤粉气固两相流中的煤粉流量，检测结果与实际煤粉输送量吻合较好，证明了该检测方法的可行性与可靠性。

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On-line Ultrasonic Measurement of Pulverized Coal Flux in Coal-powder Boilers

HOU Huai-shu1, CHEN Chao-lei1, ZHU Bing-bing1, YAN Zhen-rong2
(1. College of Mechanical Engineering, Shanghai Institute of Technology, Shanghai 201418, China;2. Shanghai Boiler Works Ltd., Shanghai 200245, China)

Based on ECAH theoretical model, the relationship between the pulverized coal volume fraction and the ultrasonic attenuation coefficient in pulverized coal solid-gas two-phase flow was analyzed. The pulverized coal flow velocity and volume fraction were measured with two ultrasonic probes whose axes were concentric with a 45° angle to the pulverized coal pipeline axis, and the on-line measurement of pulverized coal flux of pulverized coal solid-gas two-phase flow was realized. The results show that the test results obtained by ultrasonic method agreed well with the actual supply quantity of pulverized coal pre-set on the test platform, which indicated that measuring the pulverized coal flux with this method was feasible and reliable.

gas-solid two-phase flow; pulverized coal flux; ultrasonic; on-line measurement; ECAH theoretic model

2016-09-01

上海市质量技术监督局科研计划资助项目(2013-51)

侯怀书(1972-)，男，副教授，博士，主要从事超声波检测的研究，hhs927@126.com。

10.11973/lhjy-wl201702008

TG115.28

A

1001-4012(2017)02-0110-04