煤粉濃度的動(dòng)量法測(cè)量原理

1煤粉濃度的測(cè)量目前，國(guó)內(nèi)外科學(xué)家對(duì)氣固兩相流的阻力特性有兩種看法。其中之一是通過(guò)分析伏粉的力學(xué)，將理論方程與實(shí)驗(yàn)導(dǎo)出系數(shù)相結(jié)合。另一種是使用管道模型試驗(yàn)方法計(jì)算阻力系數(shù)的公式。這兩種方法都是基于分析氣固兩相流體的能量損失,用于測(cè)量煤粉濃度時(shí)涉及的兩相流參數(shù)較多。動(dòng)量法測(cè)量煤粉濃度是將氣固兩相流體作為整體,研究流體與外界的相互作用,將流體內(nèi)部復(fù)雜的相互作用轉(zhuǎn)化為研究外界對(duì)流體的作用。根據(jù)氣固兩相流理論,在電廠制粉系統(tǒng),風(fēng)粉混合物的流動(dòng)屬于稀疏相流動(dòng),可以視為均一流。假設(shè)混合充分時(shí)空氣與煤粉顆粒具有相同的速度,一次風(fēng)管內(nèi)的流動(dòng)屬于充分發(fā)展的紊流流態(tài)。煤粉濃度定義為單位質(zhì)量空氣中所含煤粉的質(zhì)量,數(shù)學(xué)表達(dá)式為:μ=ΜcΜa=ρc×Vcρa(bǔ)×Va(1)μ=McMa=ρc×Vcρa(bǔ)×Va(1)式中:μ為煤粉濃度,kg/kg;Mc為風(fēng)粉混合物中煤粉質(zhì)量,kg;Ma為風(fēng)粉混合物中空氣質(zhì)量,kg;ρc為煤粉顆粒密度,kg/m3;ρa(bǔ)為空氣密度,kg/m3;Vc為煤粉體積,m3;Va為空氣體積,m3。1.1摩擦阻力公式在直吹式送粉鍋爐水平輸粉管道的節(jié)流縮孔后選取長(zhǎng)度為L(zhǎng)的控制體abcd,在斷面ab與cd上安裝溫度、壓力、速度測(cè)點(diǎn)(圖1)。由于速度的測(cè)量位置處于氣固兩相流中,管道內(nèi)氣固兩相流的實(shí)際速度W′1需要考慮煤粉濃度對(duì)根據(jù)動(dòng)壓法測(cè)量的氣流速度W1的修正。W′1=W1√1+α?μ(2)W′1=W11+α?μ√(2)式中:α為煤粉濃度對(duì)風(fēng)速的修正系數(shù);W′1為斷面ab處實(shí)際流速,m/s;W1為根據(jù)動(dòng)壓法測(cè)量的氣流速度,m/s。由動(dòng)量定理可知,控制體abcd內(nèi)流體動(dòng)量的變化率等于作用在控制體上的所有外力的矢量和。對(duì)所取控制體建立動(dòng)量方程:DDtDDt∫Vρ→udV=ρu?dV=∫S→ΡndS+P?ndS+∫Vρ→fdV(3)ρf?dV(3)忽略作用在系統(tǒng)上的質(zhì)量力即上式中的第3項(xiàng),因?yàn)闇y(cè)點(diǎn)安裝在水平管道上,忽略垂直方向的作用力可得下式:Ρ1S1-Ρ2S2-FD=(˙Μa+˙Μc)(W′2-W′1)(4)P1S1?P2S2?FD=(M˙a+M˙c)(W′2?W′1)(4)式中:P1,P2為控制體斷面ab與cd上絕對(duì)壓力,Pa;W′1,W′2為控制體斷面ab與cd上實(shí)際速度,m/s;S1,S2為控制體斷面ab與cd橫截面積,m2;˙Μa,˙ΜcM˙a,M˙c為控制體內(nèi)空氣質(zhì)量流量與煤粉質(zhì)量流量,kg/s;FD為控制體內(nèi)管道壁面摩擦阻力,N。由于控制體前后斷面ab和cd都處于氣固兩相流中,此時(shí)前后斷面處氣體的連續(xù)性方程不考慮氣體體積比的影響,則風(fēng)粉混合前后氣體的連續(xù)性方程為:ρ1·W′1·S1=ρ2·W′2·S2(5)其中ρ1、ρ2為控制體斷面ab與cd處空氣密度,由下式計(jì)算:ρi=f(Ti,Pi)i=1,2(6)由式(5)(6)可以推出:W′2=W′1?Ρ1?Τ2?S1Ρ2?Τ1?S2(7)W′2=W′1?P1?T2?S1P2?T1?S2(7)控制體內(nèi)管道壁面摩擦阻力FD與現(xiàn)場(chǎng)測(cè)點(diǎn)安裝位置有關(guān)。對(duì)于直吹式送粉鍋爐,由于測(cè)點(diǎn)安裝在水平管道,故只計(jì)算煤粉混合段摩擦阻力。圓管中的紊流流動(dòng)存在粘性底層與紊流核心區(qū),粘性底層內(nèi)速度分布認(rèn)為是線性分布,切應(yīng)力等于壁面處切應(yīng)力τ0:τ0=f(λ,ρ,W)(8)阻力系數(shù)λ視雷諾數(shù)Re用勃拉修斯公式和尼古拉茲公式計(jì)算,則壁面摩擦阻力FD可用下式計(jì)算:FD=φ·∫Sτ0dS(9)考慮到阻力系數(shù)計(jì)算的近似性與模型的前提假設(shè)條件,上式中引入了修正系數(shù)φ修正壁面摩擦阻力FD,修正系數(shù)φ由現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)確定。綜合以上各式可以導(dǎo)出煤粉濃度方程:(k1-1)2μ2+[2(k1-1)2-k2222α]μ+[(k1-1)2-k2222]=0(10)式中:k1=Ρ1?Τ2?S1Ρ2?Τ1?S2k1=P1?T2?S1P2?T1?S2k2=Ρ1S1-Ρ2S2-FD˙ΜaW1k2=P1S1?P2S2?FDM˙aW1通過(guò)求解式(10)即可得到直吹式送粉鍋爐輸粉管道煤粉濃度。1.2摩擦阻力方程對(duì)于乏氣式送粉鍋爐,由于落粉管前后混合段管道內(nèi)壓力的變化較大,故選取控制體abcd如圖2所示。由于乏氣式送粉鍋爐風(fēng)粉混合前一次風(fēng)攜帶粉量較少,可以作為純空氣流考慮。對(duì)所取控制體建立動(dòng)量方程(3),因?yàn)闇y(cè)點(diǎn)安裝在水平管道上ab與cd斷面處,忽略垂直方向的作用力與作用在系統(tǒng)上的質(zhì)量力,即式(3)中的第3項(xiàng),可以導(dǎo)出下式:Ρ1?S1-Ρ2?S2-FD=(˙Μa+˙Μc)?W′2-˙Μa?W′1(11)斷面ab處于假設(shè)的純空氣流中,無(wú)需考慮煤粉濃度μ對(duì)測(cè)量速度W1的修正,實(shí)際速度W′1等于測(cè)量速度W1,即:W′1=W1(12)由于控制體斷面cd處的煤粉濃度相對(duì)于斷面ab處大得多,在同樣的邊界條件下純空氣和氣固兩相混合時(shí)空氣在混合前后所占有的體積會(huì)發(fā)生變化,所以斷面cd處需要考慮煤粉濃度μ對(duì)實(shí)際速度W′2的修正,基于此定義,氣體體積比k為氣固混合物中氣體粒子體積Va與氣固混合物體積V之比:k=VaV=VaVa+Vc=ρcμρa(bǔ)+ρc(13)則風(fēng)粉混合前后氣體的連續(xù)性方程為:ρ1·W′1·S1=k·ρ2·W′2·S2(14)其中ρ1,ρ2為控制體斷面ab與cd處空氣密度,由下式計(jì)算:ρi=f(Ti,Pi)i=1,2(15)由式(12)(13)(14)(15)可以推出:W′2=W1?Ρ1?Τ2?S1k?Ρ2?Τ1?S2(16)乏氣式送粉鍋爐由于測(cè)點(diǎn)安裝于混合器前后,摩擦阻力分為混合器前后兩部分計(jì)算,計(jì)算公式同式(8)和式(9)。綜合以上各式可以導(dǎo)出煤粉濃度方程:k1k3μ2+k1(1+k3)μ+(k1-k2-1)=0(17)式中:k1=Ρ1?Τ2?S1Ρ2?Τ1?S2k2=Ρ1S1-Ρ2S2-FD˙ΜaW1k3=ρa(bǔ)ρc通過(guò)求解式(17)即可得到乏氣送粉鍋爐輸粉管道煤粉濃度。1.3雙管流量標(biāo)定系數(shù)輸粉管道內(nèi)一次風(fēng)流速由下式計(jì)算:W1=1.414×β1×√ΔΡρ1(18)式中:β1為測(cè)速管流量標(biāo)定系數(shù);ΔP為控制體斷面ab處一次風(fēng)動(dòng)壓,Pa。輸粉管道中風(fēng)速已知后,管道內(nèi)空氣量˙Μa可用下式計(jì)算:˙Μa=ρ1?W1?S1(19)2煤粉濃度模型的確定某電廠9號(hào)爐采用四角切圓燃燒方式,共配備3層12個(gè)一次風(fēng)燃燒器,兩套乏氣送粉中間貯倉(cāng)式制粉系統(tǒng)。在該爐大修期間安裝了基于動(dòng)量法的風(fēng)粉在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng),現(xiàn)場(chǎng)計(jì)算參數(shù)如下:管徑D=0.377m,混合器前靜壓P1測(cè)點(diǎn)距混合器距離L1=2m,混合器后靜壓P2測(cè)點(diǎn)距混合器距離L2=6m,當(dāng)?shù)卮髿鈮毫θ?01325Pa。由于空氣密度相對(duì)于煤粉顆粒密度很小,將式(17)中k3項(xiàng)的影響歸并到修正系數(shù)φ中考慮。經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)冷熱態(tài)試驗(yàn)確定各風(fēng)速測(cè)量元件系數(shù),同時(shí)用煤粉等速取樣管取煤粉稱重,比較計(jì)算模型與實(shí)際煤粉量的差異,確定每根輸粉管道的摩擦阻力修正系數(shù)φ。由于風(fēng)速測(cè)量誤差與煤粉等速取樣誤差引起的摩擦阻力修正系數(shù)φ有所不同,故每根輸粉管道的摩擦阻力修正系數(shù)φ經(jīng)過(guò)多工況標(biāo)定試驗(yàn)后最終選定。圖3是2號(hào)輸粉管道在多種試驗(yàn)工況下模型計(jì)算煤粉濃度與實(shí)際測(cè)量煤粉濃度比值與壓力差的關(guān)系曲線。表1是某一時(shí)刻12根輸粉管道的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)與計(jì)算結(jié)果。由表1可知,摩擦阻力修正系數(shù)φ的取值范圍約在0.075至0.085之間,煤粉濃度模型計(jì)算值與實(shí)測(cè)煤粉濃度的最大誤差為6.66%,能夠滿足工業(yè)應(yīng)用的要求。對(duì)于10號(hào)輸粉管道,實(shí)際運(yùn)行工況是給粉機(jī)停運(yùn),此時(shí)計(jì)算的相對(duì)誤差22%不具有分析意義。由誤差原理分析速度測(cè)量值對(duì)煤粉濃度的相對(duì)誤差σμ-W為:σμ-W=?μ?WσWμ=?μ?k2?k2?W1σWμ(20)壓力測(cè)量值對(duì)煤粉濃度的相對(duì)誤差σμ-Pi為:σμ-Ρi=?μ?ΡiσΡiμ=(?μ?k1?k1?Ρi+?μ?k2?k2?Ρi)σΡiμi=1,2(21)溫度測(cè)量值對(duì)煤粉濃度的相對(duì)誤差為:σμ-Τi=?μ?ΤiσΤiμi=1,2(22)對(duì)12根輸粉管道,當(dāng)速度相對(duì)變化σW、壓力相對(duì)變化σPi、溫度相對(duì)變化σTi分別為1%時(shí),計(jì)算的煤粉濃度誤差也列于表1。由表1可知,最大相對(duì)誤差(除10號(hào)管外):σμ-W=8.77%,σμ-P1=0.68%,σμ-P2=3.01%,σμ-T1=1.16%,σμ-T2=1.18%。由此可見(jiàn),速度的測(cè)量誤差對(duì)煤粉濃度影響較大,是動(dòng)量法測(cè)量煤粉濃度的主要影響因素,因此,動(dòng)量法測(cè)量應(yīng)用于現(xiàn)場(chǎng)時(shí),對(duì)速度測(cè)量的精度要求較高。3復(fù)雜運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化法(1)動(dòng)量法測(cè)量煤粉濃度是從流體整體運(yùn)動(dòng)的角度研究氣固兩相流體與外部的相互