煤粉流量在线监测系统详解.doc

第二届： 煤粉流量在线监测系统 （节能减排大赛国家一等奖） 设计者：吴迪，陈智莹，梅春雷 指导老师：刘石 作品内容简介 利用ECT电容层析成像法，设计了测量管道内工质流速、流量、浓度并实时观察管内流动情况的多功能系统。本系统的核心部分是管道上的两个传感器，当管内流体状况发生变化时，必然引起介电常数的变化，通过记录传感器的电容变化，测量出流体通过上下两个传感器时各种参数的变化，然后利用MATLAB处理两个传感器参数变化的不同峰值，测出速度、体积流量等有用数据；通过线性反投影算法，重建并再现流体流动实时图像。 一、设计背景与意义 煤粉燃烧器按其出口气流特性分为旋流燃烧器和直流燃烧器。我国常用的旋流燃烧器的布置方式有前墙布置，前、后墙对冲或交错布置，此外还有两侧墙对冲或交错布置，和炉顶布置等。直流燃烧器主要布置在炉膛四角，形成四角切圆布置燃烧方式。 为提高燃烧效率，保证锅炉的安全、经济运行，要保证炉内良好的空气动力场，良好的空气动力场应该是使火焰（烟气）在炉膛的充满程度好，烟气不冲墙贴壁。当煤粉输送管道或燃烧器发生堵塞等情况时，对于布置在前后墙或两侧墙的旋流燃烧器，会使对冲的两个燃烧器负荷不相同，炉内高温核心区向一侧偏移，将会形成一侧结渣；对于四角布置切燃烧方式的直流燃烧器，则有可能会使切圆偏斜，严重时会引起炉内火焰的冲壁贴墙，使水冷壁结渣。水冷壁一旦结渣，将会增加受热面热阻，降低锅炉热效率；不均匀地增加受热面热阻，造成受热面吸热不均匀，进而造成热偏差；造成水冷壁、高温过热器等受热面的高温腐蚀；如果结渣严重，渣块尺寸太大，可能造成锅炉运行的安全隐患，甚至造成锅炉机组的被迫停机；可能堵塞部分燃烧器的同流面积，进而造成火焰中心的相对高度的变化和水平方向上火焰中心位置前后左右位置的偏斜。此外，不均匀的煤粉输送还会使部分燃料燃烧不充分，造成资源的浪费并会增加NOx和CO的生成量。 现在的火力发电厂，煤粉流量的监测是通过对磨煤机的控制，煤粉管道的出口流量往往不可知，因此，燃烧状态往往达不到理论的预期，就有可能出现上述问题。可见为了组织炉内良好的燃烧过程，保证稳定均匀的煤粉输送非常重要。本系统采用非倾入性的过程层析成像技术，能检测煤粉的输送情况，包括流量、速度、浓度变化等，将有利于提高燃烧效率，达到安全、经济运行的目的最终达到节能减排的目标。 二、工作原理 ECT电容层析成像法类似医学CT，其原理如图一所示。分别在测量管外侧上、下部均匀地布置8和4个电容极板，形成两个传感器。任意两个极板均可组成一组电容，管道内流动介质分布的变化会引起电容极板间介电常数的变化，从而改变电容值的大小。根据所测的信号值，利用相应的图像重建算法重建被测截面图物质分布图。 图一 2.1 传感器原理 对于k个电极，由m个测量得到的电容值形成一个数组C；若要观察被测区域内n个象素上的物体浓度，这n个点上的浓度(即图像灰度)组成另一个图像数组G。将层析成象这一非线性问题简化，定义电容与物质分布的线性关系为： 式中，，，为一系数矩阵。S反映电容C受物质分布G变化的影响，被称为敏感场(Sensitivity Map)。 ECT的目的是由测量的电容重建图像，即公式(2)的逆过程。如果存在S的逆矩阵S1,则可以求得G的唯一解： 在实际问题中，测量区域内通常有很多个象素,n的数值可以成千上万。而电极的数目不会很多。目前常用传感器的电极数目不超过16，由此电容数量不超过。由于nm，S1则不存在，公式(3)的简单情况并不会出现。 由于nm，根据m个电容值通过线性关系推导出n个灰度值的过程将不会产生唯一解。即使已经将层析成象的过程简化为线性关系，此线性关系的逆问题仍然很复杂。 2.2 电容成像图像重建算法 电容成像图像重建就是求解传感器内的介电常数分布。对于图二所示的电容成像系统，传感器内介质 分布与被测电容值之间的关系可以用式（4）描述： 入=S g （4） 其中，S为归一化敏感场矩阵， 入为归一化电容矢量 ，g为归一化介电常数的矢量， 即像素的灰度。 电容成像的过程就是根据敏感场分布S和归一化电容测量向量入求解介电常数g ,是一个典型的逆问题( Inverse Problem) 求解过程。目前的E CT系统图像重建算法以线性算法为主，包括非迭代算法和迭代算法。非迭代算法包括线性反投影算法( LBP ) 、Tikhonov正则化算法等；迭代算法包括Tikhonov 正则化迭代算法、Landweber代算法等。这些算法各有各的特点，分别适用于不同场合。 采用线性反投影算法进行图像重建的时候