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煤粉流量在线监测系统讲义 .pdfVIP

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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:

CSG

式中CRm,GRn,SRmn,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(SensitivityMap)。

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S-1,

则可以求得G的唯一解:

1

GSC(3)

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

mC2120

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16。由

于nm,S-1则不存在,公式(3)的简

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