乏氣送粉鍋爐煤粉濃度軟測(cè)量技術(shù)及其仿真研究

乏氣送粉鍋爐煤粉濃度軟測(cè)量技術(shù)及其仿真研究金林，沈煙東南大學(xué)動(dòng)力工程系，江蘇南京210096摘要鍋爐燃燒過(guò)程中，噴燃器出口煤粉濃度不均將會(huì)導(dǎo)致?tīng)t膛火焰中心偏斜，從而引起爐膛氣流沖刷后墻及右墻，高溫過(guò)熱器高溫再熱器出現(xiàn)局部超溫結(jié)焦的現(xiàn)象。因此準(zhǔn)確測(cè)量各風(fēng)管中的煤粉濃度并指導(dǎo)調(diào)節(jié)對(duì)鍋爐的安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行非常重要。為此，必須尋找種簡(jiǎn)單高效實(shí)用而且適合工程應(yīng)用的煤粉濃度測(cè)量的方法對(duì)于熱風(fēng)送粉鍋爐用。本文提出了種乏氣送粉方式下基于氣固兩相流理論，根據(jù)風(fēng)粉混合前后壓力差大小計(jì)算煤粉濃度的新方法，并在理論推導(dǎo)的基礎(chǔ)上進(jìn)行了仿真研究。結(jié)果明，煤粉濃度計(jì)算值與混合壓差呈很好的對(duì)應(yīng)關(guān)系，這說(shuō)明能量法理論計(jì)算公式是適用的。

　　1引言目前，100麗以上機(jī)組普遍采用鋼球磨中間儲(chǔ)倉(cāng)式熱風(fēng)或乏氣送粉鍋爐制粉系統(tǒng)。但是，國(guó)內(nèi)火電廠燃煤機(jī)組的鍋爐燃燒調(diào)整幾乎都是運(yùn)行人員根據(jù)風(fēng)機(jī)電流和調(diào)節(jié)檔板開(kāi)度給粉機(jī)轉(zhuǎn)速及次風(fēng)靜壓等參數(shù)來(lái)組織的。鍋爐運(yùn)行中實(shí)際風(fēng)速的高低風(fēng)量的大小角配風(fēng)情況及煤粉濃度的大小均勻性等都直接影響著鍋爐燃燒穩(wěn)定性經(jīng)濟(jì)性及可靠性。特別是煤粉濃度的大小對(duì)于角切圓燃燒濃度不均而導(dǎo)致?tīng)t膛火焰中心偏斜，從而引起爐膛氣流沖刷后墻及右墻，使得爐膛后側(cè)及右側(cè)水冷壁嚴(yán)重磨損，高溫過(guò)熱器高溫再熱器出現(xiàn)局部超溫結(jié)焦的現(xiàn)象；由于給粉機(jī)的機(jī)械特性會(huì)受多種因素動(dòng)，甚至發(fā)生堵粉現(xiàn)象，給燃燒調(diào)節(jié)造成困難。所以?xún)H僅依靠監(jiān)視轉(zhuǎn)速，運(yùn)行人員無(wú)法及時(shí)準(zhǔn)確地發(fā)現(xiàn)各次風(fēng)管中的煤粉濃度差�？桑瑢�(duì)煤粉濃度進(jìn)行直觀量化的有效監(jiān)測(cè)，對(duì)鍋爐燃燒的穩(wěn)定性經(jīng)濟(jì)性和安全性有著重要的意義。

　　關(guān)于煤粉濃度的測(cè)量，由于兩相流動(dòng)的原因，測(cè)量是比較困難的。近年來(lái)，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，國(guó)內(nèi)外對(duì)于熱風(fēng)送粉鍋爐的煤粉濃度測(cè)量做了大量粉濃度測(cè)量也有所研究，如已報(bào)道的電容法激光法電荷法等，但均未到工程應(yīng)用報(bào)道。為此，必須尋找種簡(jiǎn)單高效實(shí)用而且適合工程應(yīng)用的煤粉濃度測(cè)量的方法。

　　2模型假設(shè)及氣固兩相流理論2.1模型假設(shè)嚴(yán)格地講，風(fēng)粉混合物的流動(dòng)屬于氣固兩相流計(jì)算關(guān)系，我們對(duì)風(fēng)粉混合過(guò)程作如下假設(shè)風(fēng)粉混合物在管道中的流動(dòng)為稀疏相流動(dòng)煤粉濃度定義為單位質(zhì)量的空氣中所攜帶煤粉1混合物中煤粉的質(zhì)量，1劣；財(cái)3.混合物中空氣的質(zhì)量，在電廠實(shí)際運(yùn)行參數(shù)范圍內(nèi)，煤粉濃度從0.2891免免到0.81免1兔不等，而煤粉密度是熱空氣密度的540倍，所以在單位體積內(nèi)，煤粉粒子體積占混合物總體積的0.044到0.124.根據(jù)氣固兩相流理論2，固體粒子尺寸很小絕大部分煤粉微粒的直徑為2060，若占總體積的5以下，則在流場(chǎng)中與氣體混合的流動(dòng)可認(rèn)為是稀疏相流動(dòng)。

　　假設(shè)可獲得所有煤粉粒子的平均特性，如速度溫度壓力等。

　　次風(fēng)中煤粉混合物的流動(dòng)屬于旺盛的紊流狀態(tài)。

　　收穡日期⑴沉修訂日期⑴扣基金項(xiàng)目教育部高等學(xué)校骨干教師基金資助項(xiàng)目6803⑴7009；江蘇省333工程基金資助項(xiàng)目9203⑴101950mS，運(yùn)動(dòng)粘度約為13.20X106m2s其流動(dòng)的雷諾數(shù)及6約為7.95父5，遠(yuǎn)大于2000，所以認(rèn)為煤粉混合物的流動(dòng)屬于旺盛的紊流狀態(tài)。

　　假設(shè)煤粉粒子具有相同的尺寸，且均為球形。

　　假設(shè)次風(fēng)中風(fēng)粉充分混合后，空氣和其所攜帶的煤粉均有相同的流速。

　　風(fēng)粉混合前次風(fēng)攜帶極少量的煤粉，其特性以純空氣特性考慮。

　　由于系統(tǒng)采用乏氣送粉方式，煤粉倉(cāng)中煤粉的溫度和次風(fēng)的溫度非常接近，因此假設(shè)風(fēng)粉混合前后的溫度相同。

　　2.2氣固兩相流理論在以上模型假設(shè)的基礎(chǔ)上，首先介紹幾個(gè)氣固兩相流的基本概念和相關(guān)理論。

　　體積比定義為混合物中固體粒子的體積與混合物的體積之比，即=7=以，+固體粒子的體積；氣體粒子的體積；廠=+4氣固混合物的體積，下同。由于固體粒子相對(duì)于氣體的濃度為則和2之間的關(guān)系可以為z=wywp+p3組員密度和組員分密度定義固體粒子的組員密度為9=冊(cè)，4可知，固體粒子的組員密度對(duì)給定的問(wèn)來(lái)說(shuō)是個(gè)常數(shù)。

　　類(lèi)似地，我們同樣可以定義氣體的組員密度為由上式可知是，的函數(shù)。

　　質(zhì)量比定義為氣固混合物中固體粒子的質(zhì)量與混合物質(zhì)量之比，即左1=冊(cè)1冊(cè)=冊(cè)1氣體狀態(tài)方程在氣固混合物中的應(yīng)用及修正在熱力學(xué)平衡狀態(tài)下，混合物中固體粒子的溫度和氣體的溫度相等，則我們找到以下的把混合物作為個(gè)整體的壓強(qiáng)和密度之間的關(guān)系式氣固混合物的有效運(yùn)動(dòng)粘度氣固混合物的有效運(yùn)動(dòng)粘度定義為Vrnk=1kiVg9氣固混合物混合流動(dòng)過(guò)程中的阻力損失單相粘性流體流動(dòng)沿程阻力損失可為單相粘性流體流動(dòng)局部阻力損失可為為沿程阻力系數(shù)；為局部阻力系數(shù)；為流動(dòng)速度；為管道長(zhǎng)度；為管道內(nèi)徑類(lèi)似地，如果將固體粒子看作偽流體，則氣固混合物流動(dòng)過(guò)程中的沿程阻力損失和局部阻力損失可以為，3乏氣送粉制粉系統(tǒng)煤粉濃度測(cè)量原理鍋爐燃燒系統(tǒng)送粉管道中風(fēng)粉混合物屬于稀相氣固兩相流。忽略混合過(guò)程中的散熱損失和壓縮性，則風(fēng)粉混合物的總能量體現(xiàn)于混合物的流動(dòng)動(dòng)能和靜壓力之和。由于混合過(guò)程中存在的局部阻力損失和沿程阻力損失，空氣和煤粉在混合前后的總能量存在差別。在流速溫度等其他條件相同的情況下，空氣和煤粉混合比例的不同勢(shì)必反映在混合前后氣固兩相流體前后靜壓差的不同。只要測(cè)出空氣和煤粉混合前的空氣的流速和靜壓力以及混合前后的溫度和靜壓，通過(guò)定的算法，即可求得相應(yīng)的煤粉濃度。我們這里稱(chēng)之為能量法。

　　3.1測(cè)量原理在乏氣送粉制粉系統(tǒng)中，風(fēng)粉混合前次風(fēng)的風(fēng)速壓力和溫度以及風(fēng)粉混合后壓力和溫度均可測(cè)量。鍋爐燃燒系統(tǒng)送粉管道中風(fēng)粉混合物屬于稀疏相氣固兩相流動(dòng)，忽略混合前后過(guò)程中的散熱損失和壓縮性，則混合前后的過(guò)程滿足氣體狀態(tài)方程連續(xù)性方程及能量守恒方程。

　　1氣體狀態(tài)方程煤粉空氣風(fēng)粉混合物風(fēng)粉混合前后氣體的連續(xù)性方程風(fēng)粉混合前后的能量守恒方程次風(fēng)的溫度壓力戶士速度灰可測(cè)混合后風(fēng)粉混合物的溫度，壓力戶可測(cè)的情況下，風(fēng)粉混合后風(fēng)粉混合物的密度流動(dòng)速度灰沿程阻力損失從和局部阻力損失漢均為煤粉濃度的函數(shù)，從而方程17中左右只有個(gè)未知數(shù)煤粉濃度，通過(guò)求解方程17，即可以得到乏氣送粉方式下進(jìn)入爐膛前次風(fēng)管內(nèi)的煤粉濃度。

　　如下的元次方程通過(guò)求解方程18即可求得煤粉濃度民3.2關(guān)于混合前后沿程阻力系數(shù)和局部阻力系數(shù)風(fēng)粉混合前空氣流動(dòng)沿程阻力系數(shù)乏氣送粉系統(tǒng)中，風(fēng)粉混合前空氣的沿程阻力系數(shù)可采用如下經(jīng)驗(yàn)公式；風(fēng)粉混合后風(fēng)粉混合物流動(dòng)沿程阻力系數(shù)風(fēng)粉混合后風(fēng)粉混合物流動(dòng)的雷諾數(shù)約在3父1058父105之間，根據(jù)流體力學(xué)有關(guān)文獻(xiàn)資料，當(dāng)105處3父106時(shí)，尼古拉茲歸納的計(jì)算沿程阻力系數(shù)的經(jīng)驗(yàn)公式為風(fēng)粉混合中局部阻力系數(shù)流體在管道中流動(dòng)的能量損失不僅有沿長(zhǎng)度方向的能量損失，而且還有由流體的相互碰撞和漩渦損失稱(chēng)為局部能量損失或局部阻力。局部阻力定額計(jì)算問(wèn)最終可以歸結(jié)為尋求局部阻力系數(shù)，的問(wèn)外，大部分管件都是由試驗(yàn)測(cè)定的。根據(jù)有關(guān)文獻(xiàn)資料，在乏氣送粉系統(tǒng)風(fēng)粉混合處的局部阻力系數(shù)，可在0.15到0.4范圍內(nèi)取值，或由現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)標(biāo)定。

　　4乏氣送粉系統(tǒng)煤粉濃度測(cè)量仿真試驗(yàn)研究4.1煤粉濃度測(cè)量仿真算法煤粉濃度主要由方程18求得，方程18形入1均為煤粉濃度的超級(jí)函數(shù)，使得方程18的求解變得復(fù)雜，為此我們考慮以下的算法。

　　方程17中，若不考慮混合前后的所有阻力損失，則方程17化為92能量法測(cè)量煤粉濃度仿真曲線這時(shí)結(jié)合式123，通過(guò)推導(dǎo)，得到如下量，921.1可以通過(guò)式1415求得，91為給定值。則由式21可求得在不考慮混合過(guò)程中阻力損失情況下的煤粉濃度叫。

　　在求得不考慮混合過(guò)程中阻力損失情況下的煤粉濃度，的基礎(chǔ)上，把，作為初值帶入式18求得心，尤2從而可以計(jì)算出煤粉濃度汽4.2仿真結(jié)果及分析能量法測(cè)量煤粉濃度的計(jì)算機(jī)仿真結(jié)果明煤粉濃度計(jì)算值與混合壓差呈很好的對(duì)應(yīng)關(guān)系，且數(shù)值保持在合理的范圍內(nèi)；相同的混合前后壓差下，較低的風(fēng)速對(duì)應(yīng)著較高的煤粉濃度水平。

　　5工程應(yīng)用在實(shí)際工程應(yīng)用中，混和前后壓力速度的測(cè)量是能量法測(cè)量煤粉濃度的前提。對(duì)于風(fēng)粉混合前后壓力的測(cè)量，考慮到取樣的防堵耐磨精度耐溫及安裝方便等因素，可采用鈦合金膜面體化安裝壓力變送器；對(duì)于風(fēng)速監(jiān)測(cè)，可由自清灰防堵塞耐磨測(cè)速裝置差壓變送器及顯計(jì)算大部分組成，測(cè)速裝置把風(fēng)管內(nèi)的風(fēng)速轉(zhuǎn)換成差壓，差壓由引壓管引至變送器，變送器將差壓轉(zhuǎn)變成420mA輸出至監(jiān)測(cè)主機(jī)，監(jiān)測(cè)主機(jī)采樣到電流信號(hào)后經(jīng)公式計(jì)算直接在畫(huà)面上顯風(fēng)管內(nèi)風(fēng)速大小，并為濃度計(jì)算使用。

　　6結(jié)論用能量法根據(jù)氣固兩相流理論和風(fēng)粉混合前后壓差測(cè)量乏氣送粉煤粉濃度，計(jì)算值與混合壓差呈很好的對(duì)應(yīng)關(guān)系，且數(shù)值保持在合理的范圍內(nèi)，相同范從振。鍋爐原理。北京水利電力出版社，1986.

　　2美柏實(shí)義。相流動(dòng)。施寧光，嚴(yán)家祥，夏玉順譯。北京萬(wàn)勇。中間倉(cāng)儲(chǔ)式電站鍋爐均衡燃燒自動(dòng)控制系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)南京東南大學(xué)，1996李新華。密度。濃度測(cè)量。北京中國(guó)計(jì)量出版社，1991.

　　5戴昌輝。流體流動(dòng)測(cè)量。北京航空工業(yè)出版社，1992.

　　復(fù)編輯上接第159頁(yè)從上可知，由于采用了抽汽制冷和回?zé)峒夹g(shù)，固體吸附集中供冷與現(xiàn)有分散空調(diào)器制冷方式相比，僅年運(yùn)行費(fèi)用就節(jié)約36.9萬(wàn)元，2.7年即可收回全部投資，具有顯著的經(jīng)濟(jì)效益。

　　6結(jié)論采用固體吸附式制冷技術(shù)實(shí)現(xiàn)熱電廠集中供冷，既能大幅度降低空調(diào)用電，又能提高機(jī)組熱化發(fā)電系數(shù)，還可通過(guò)回?zé)崽岣邫C(jī)組熱經(jīng)濟(jì)性。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單可靠性高投資低占地少環(huán)保性能好運(yùn)行費(fèi)用低廉。具有顯著的節(jié)能與環(huán)保效益。