1、 上海理工大学硕士学位论文光 脉 动 法 煤 粉 细 度 在 线 测 量系 统 的 研 制 与 工 程 应 用姓 名系 别 能源与动力工程学院学位类别/领域 动力工程研究方向 气固两相流在线测量方法指导教师 学位论文完成日期 年 月上海理工大学硕士学位论文II摘 要燃煤锅炉在火力发电中应用最广，它将煤粉由一次风吹入炉膛，并在悬浮状态下燃烧，具有燃烧迅速、完全、容量大、效率高、适应煤种广、便于控制调节等优点。然而煤粉气力输送工程工况复杂，参数众多，流型多样，煤粉参数特别是细度参数测量困难，但却又是锅炉燃烧优化控制的核心参数之一。煤粉细度不合适将直接导致不完全燃烧损失和磨煤机能耗增大，使锅炉燃烧效
2、率降低，情况严重时还可能导致煤粉管路堵塞而影响电厂运行。若能实现煤粉细度的在线测量，并与锅炉的分布式控制系统（简称 DCS）结合，对电站锅炉实行优化控制和运行，可以大大提高锅炉及电厂的效率，从而减少能源消耗，降低污染排放。本文以光脉动法测量气固两相流颗粒粒度理论为基础，建立了透射光强信号与颗粒粒径的关系，并设计和搭建了气固两相流实验平台对光脉动法气固两相流颗粒粒径测量方法开展实验研究，对比了不同工况下透射光强脉动信号特征，分析了不同浓度和风速对测量结果的影响。之后，结合前期工业应用探索经验，开展了光脉动法煤粉细度在线测量系统的研制，包括系统需求分析及总体方案设计、探针优化设计、模块化测控机箱设
3、计及软件优化设计等，形成了电站锅炉煤粉细度在线测量系统。最后，将研制的煤粉细度在线测量系统先后应用于江苏常熟发电有限公司 300MW 机组和通辽霍林河坑口发电有限责任公司 600MW 机组中，实现了对煤粉细度参数的长时间可靠在线测量。此外，本文还针对光脉动法气固两相流实验平台煤粉颗粒粒径测量与离线分析、图像在线测量方法对比，以及工业现场中光脉动法在线测量系统与取样离线分析结果对比，可知，本文研制的煤粉细度在线测量系统测量结果可为磨煤机工况条件及锅炉燃烧优化提供依据。关键词：光脉动法 煤粉细度 在线测量 气固两相流 火力发电ABSTRACTPulverized coal boiler is th
4、e most widely used in coal-fired power plants, in which pulverized coal is pneumatically conveyed to combustion chamber with the primary air and burns in suspension. Compared with other boilers, it has the advantages of combustion with more efficiency, more capacity, better adaption to varied sorts
5、of coal and easier to be controlled. However, pneumatically pulverized coal conveyance is quite complicated for the reason that gas-solid two-phase flow involves many parameters and varied flow patterns. Parameters of pulverized coal in pneumatic convey are difficult to be measured, especially the f
6、ineness which, however, is one of the core parameters affecting combustion optimization. And the non-uniform of pulverized coal fineness would lead directly to the increase of the incomplete combustion energy losses and mill energy losses which lead to a lower combustion efficiency and even a blocka
7、ge of pipeline. Therefore, real-time and in-line monitor of the fineness and combining it with Distributed Control System (DCS) will benefit the optimizing control and run of utility boiler, increase the efficiency of boiler and power plant, and reduce power consumption and pollutant emission.In thi
8、s paper the relationship between the signal of transmission light intensity and particle size is established based on the principles of the light fluctuation method for particle size measurement of gas-solid two phase flow. The experimental platform of gas-solid two phase flow is designed and built
9、and experimental study for particle size measurement of gas-solid two phase flow based on the light fluctuation method is carried out. On the basis of experiment data, the characteristics of the fluctuation signal of transmission light intensity in different operation conditions are discussed and th
10、e effects of concentration and velocity on the measurement results are analyzed. Then, combining with previous experience in industrial application, the in-line measurement system of pulverized coal fineness is developed, including the system demand analysis, the general scheme design, the probe opt
11、imization design, modular case design and software optimization design. The developed systems are applied to 300MW power unit of Jiangsu Changshu Power Company Limited and 600MW power unit of Tongliao Huolinhe Pithead Power Company Limited respectively. The pulverized coal fineness of them is monito
12、red stably in real time for long time.Additionally, the different particle measurement methods implemented in the experimental platform, such as the light fluctuation method, the off-line analysis and the image in-line measuring method, are compared. And the average results of in-line measuring resu
13、lts in situ and off-line sampling results of this system are compared by the method of off-line sampling analysis. The results show that this developed system has credibility for the fineness measurement of pneumatically conveyed pulverized coal, which benefits the optimization control of coal mill
14、and combustion in the boiler.Keywords: light fluctuation method, pulverized coal fineness, in-line measurement, gas-solid two phase flow, coal-fired power plant目 录中文摘要ABSTRACT第一章 绪论 .11.1 课题研究背景及意义 .11.2 气固两相流颗粒粒径测量方法 .41.2.1 取样离线分析法 .51.2.2 取样在线测量方法 .51.2.3 超声在线测量方法 .71.2.4 图像在线测量方法 .71.2.5 光脉动法在线测
15、量方法 .81.3 光脉动法研究现状 .81.4 本文研究内容 .10第二章 光脉动法气固两相流颗粒粒径在线测量理论基础 .112.1 光散射理论 .112.1.1 光散射相关的基本物理概念 .122.1.2 Mie 理论简介 .132.2 Beer-Lambert 定律 .172.3 随机信号 .182.3.1 颗粒数随机变量分布的数学规律 .182.3.2 随机信号的概率密度函数、分布函数和数字特征 .202.4 光脉动法测量粒径基本原理 .212.5 本章小结 .23第三章 光脉动法气固两相流颗粒粒径测量方法实验研究 .243.1 气固两相流实验平台 .243.2 不同工况条件下透射光强
16、脉动变化规律及测量结果分析 .263.2.1 实验工况 .263.2.2 不同煤粉浓度下光脉动信号及结果分析 .273.2.3 不同风速下的透射光强变化情况及测量结果分析 .293.3 光脉动法测量结果验证 .313.3.1 离线分析方法 .313.3.2 图像在线测量方法 .333.4 本章小结 .34第四章 电站煤粉细度在线测量系统的研制 .354.1 在线测量系统需求分析及总体方案设计 .354.2 探针优化设计 .364.2.1 耐磨材料选取 .364.2.2 结构设计 .374.2.2 测控电路设计 .384.2.3 气路优化设计 .384.3 模块化测控机设计 .394.4 软件优
17、化设计 .394.4.1 处理算法优化设计 .404.4.2 功能设计 .404.4.3 界面设计 .404.5 在线测量系统优化设计形成方案 .424.6 本章小结 .43第五章 光脉动法煤粉细度在线测量系统的应用 .455.1 应用背景 .455.2 系统安装与调试 .455.3 系统测量结果与分析 .465.3.1 系统长时间运行监测结果 .465.3.2 煤粉取样验证 .475.3.3 相同磨煤机不同送粉管道煤粉细度情况 .475.3.4 不同磨煤机管道煤粉细度情况 .485.4 本章小结 .48第六章 结论与展望 .496.1 结论 .496.2 展望 .49参考文献 .50在读期间
18、工况发表的论文情况 .55第一章 绪论1第一章 绪论1.1 课题研究背景及意义在我国国民经济和社会发展中节能减排是一项长远战略方针。 国家中长期科学和技术发展规划纲要中明确提出要“攻克主要耗能领域的节能关键技术，大力提高一次能源利用效率和终端用能效率” ， “促进煤炭的清洁高效利用，降低环境污染” 。 国民经济和社会发展第十二个五年规划纲要中明确提出“到 2015年能源消耗强度比 2010 年要下降 16%，温室气体的排放强度要下降 17%，主要污染物的排放总量要下降 8-10%”1。目前及未来很长一段时间内我国能源主要都将来源于燃煤。据统计，我国电力、钢铁、石化等六大高能耗行业的节能减排潜力
19、为 3.7 亿吨标准煤，其中电力行业节能减排潜力占到六大行业节能总量的47%2。以煤炭作为燃料的火力发电是一次能源的消费大户，更是节能减排的潜力大户，对实现国家“十二五”节能减排目标具有举足轻重的作用。有关数据表明，通过先进的燃烧优化，燃煤发电的节能潜力可达 10g/kWh，形成的节煤量每年 2700 万吨标准煤，减少 CO2 排放约 7000 万吨，减少 NOx 排放约 340 万吨，占NOx 排放总量的 20%，减少 SO2 排放 40 多万吨。此外，煤耗降低将有助于PM2.5 问题的改善。2014 年国家能源局牵头制定煤电节能减排升级改造行动计划(2014-2020 年) ，提出全国新建
20、煤电机组平均供电煤耗低于 300g/kWh，5 年后通过升级改造使全国在役机组平均供电煤耗达到 310 g/kWh 的水平 3。因此，提高火力发电电站锅炉效率、降低污染物排放是国家节能减排的重要目标之一，也是国际上火力发电领域的研究热点。据公开文献显示，通用电气、西门子、阿尔斯通等国际顶级电气企业和美国电力研究院等许多科研机构都在开展电站锅炉的燃烧优化控制研究，开发了多种电站燃烧优化系统软件和相应的监测技术和仪器，如图 1-1 所示，主要包括激光煤质在线实时检测装置、煤粉管道堵塞预报装置、智能吹灰优化系统等，取得了诸多富有成效的成果，有些也已在国内若干电厂得到应用，但价格十分昂贵。煤粉炉是电站
21、锅炉应用最普遍的形式之一，它将燃料随空气一起进入燃烧室，并在悬浮状态下燃烧：由于细小的煤粉颗粒与空气接触表面积较大，使其燃烧迅速且效率很高（约 88%-93%） ；良好的燃烧又促使炉膛内温度较高，增强其对煤种的适应性，故工业大型燃煤锅炉广泛采用煤粉炉形式。在供电煤耗有严格要求上海理工大学硕士学位论文2的情形下，电站煤粉炉的燃烧优化势在必行，其中重要环节之一就是煤粉及其输运过程的优化控制，如图 1-2 所示，为目前国际上采用的主要煤粉及其输运过程优化控制技术，包括煤粉参数实时在线测量技术、煤粉优化分配技术等。然而在煤粉气相输运过程中，气固两相流流动工况相当复杂，参数众多，流型多样，煤粉参数（粒度
22、、浓度和速度）测量困难，但却又是燃烧优化控制的核心参数之一4，特别是煤粉粒度参数，它直接影响燃烧效率和燃煤颗粒物的产生，对提高锅炉燃烧效率和降低粉尘排放都有重要意义 5。图 1-1 目前国际上电站锅炉燃烧优化控制的主要研究成果图 1-2 煤粉及输运过程优化控制系统第一章 绪论3虽然国际上也已经发展了一些基于取样-光散射法、超声法、图像法的煤粉粒度在线测量技术及系统：取样-光散射法通过取样装置将煤粉管道中煤粉取样送入光散射粒度测量装置中，能够在线分析出煤粉粒度分布，但是测量结果准确性和代表性都受到取样的影响；超声法具有非接触、无需对管路进行机械改造等优点，但由于受被测对象物性参数影响较大，测量准
23、确性和灵敏度都将受到一定影响；图像法测量结果直观，但要求煤粉两相流浓度较稀，且测量精度受相机分辨率和视场限制。光脉动法（Light Fluctuation Transmission, LFT ）是利用透射光强随机变化规律结合光散射理论在线测量气固两相流颗粒粒径的方法，具有结构简单、对测量环境要求低、长时间运行可靠等优点，更适合工业现场的在线监测。上海理工大学颗粒与两相流测量研究所蔡小舒教授研究团队自上世纪九十年代开始，针对煤粉参数（特别是粒度参数）在线测量这一技术难题，提出了光脉动法煤粉粒度参数在线测量方法。其工作原理是：当光束照射气-固两相流时，被照亮区域内的颗粒数是随时间变化的，造成透射光
24、强出现脉动信号。将不同时刻光束照亮区域内的颗粒数作为随机事件，建立颗粒粒径参数及颗粒数与透射光强的关系，便可实现对气-固两相流颗粒粒径的在线测量。目前，该项工作在理论研究、算法优化、实验验证、工业现场应用探索等方面取得了很多成果，成功实现了对电站煤粉粒径的在线测量，并据此为锅炉运行和燃烧优化控制提供了直接数据支撑，取得了很好的效果，但对工程应用来说，还存在一些问题：1、探针材料耐磨损问题因为电站锅炉煤粉输运浓度较大，为保证光脉动信号强度，要求测量区较小，因此必须设计结构件插入管路中进行测量，然而煤粉冲刷严重，材料磨损较为严重。如图 1-3 所示，为采用 2.5mm 厚普通陶瓷材料（95%氧化铝
25、纯度，普通工艺）探针在电厂煤粉管路运行六个月后出现了严重磨损，甚至出现结构穿孔，引起探针测量失效。因此，在工程应用上，必须首先研究陶瓷材料的耐磨性能，优选材料以解决探针材料的磨损问题。图 1-3 出现磨损的普通陶瓷材料探针上海理工大学硕士学位论文42、测量结果的稳定性问题如图 1-4 所示，为系统 24 小时运行煤粉粒径测量结果，可知，测量结果在40-60m 范围较大波动，这对燃烧优化反馈控制来说是远远不够的。究其原因主要有以下几点：(1)前端传感器信号传输干扰较大；(2)煤粉管路浓度变化；(3)处理算法不稳定等。这些问题也是系统工程应用亟待解决的问题。图 1-4 系统运行 24 小时煤粉粒径
26、测量结果3、产品的标准化、通用型问题在过去的应用探索中，都是针对某一特定需求开展系统设计，如 300MW 发电机组 20 根煤粉管路、600MW 发电机组 28 根煤粉管路等，并且产品未进行标准化设计。系统没有通用性，造成大量重复性工作，成本较高。为了系统的大规模工业应用，对系统的设计必须综合考虑各种因素，对产品标准化设计，以实现系统的通用性，以提高产品生产的经济性。综上所述，这些问题的出现都给产品的工程应用带来了很多困难，因此，本文期望总结在工业现场实验出现的各种问题，以标准化、通用型为目标，实现光脉动法煤粉细度在线测量系统的产品化研制，并将其应用于电厂煤粉管路，实现煤粉参数的长时间可靠稳定在线检测。1.2 气固两相流颗粒粒径测量方法气固两相流广泛存在于能源与动力、化工、建材等工业领域，如煤粉的气力输送、化工催化剂颗粒气力输运及建材水泥生料制备输运等。近年来，随着对气固两相流输运的优化控制需求不断提高，气固两相流颗粒粒径测量方法不断发展。
