摘 要:本文介绍一种电容式气固两相流浓度测量系统,给出了具体的测量电极和测量电路。并采用所设计的电容式浓度测量系统在自行搭建的气力输粉系统上以面粉为媒质、在水平管道上对稀相气固两相流浓度进行了在线测量,获得了5×10-5%体积百分比的面粉浓度分辨率。应用该系统对锅炉气力输粉管道中的气固两相流浓度进行实时在线检测与控制,对确保燃烧过程稳定,节能降耗和减少污染排放具有重大意义。
1 引 言
中国是世界上少数几个能源消费以煤为主的国家。对电站锅炉燃烧器中煤粉和空气量的合理配比的测量与控制可以实现炉内煤粉均匀燃烧,提高热效率,减少大气污染,减少炉渣量,提高过程控制的综合自动化水平。在线实时准确的检测和控制锅炉输粉管道内的煤粉浓度,对于节能降耗、减少污染排放具有重大意义[1]。
燃煤锅炉输粉系统中的煤粉浓度测量是极稀相的气固两相流测量(固相体积浓度为0. 05%左右),是一个跨学科的极富挑战性的工作。国内外许多科学家和工程师在各自领域里经过了长期大量的尝试,到目前为止还没有找到一个通用的有效可靠的测量方法[2-3]。电容法测量气固两相流固相浓度的原理是基于流体通过电容极板形成的敏感电场时,气固流体混合物浓度(即等效介电常数)的变化将引起电极电容值相应的变化,这样使测量固相浓度问题转化为检测电容值的问题。电容法因其非侵入式结构,探头不磨损老化,不干扰流场,无辐射,适于粉尘、高温、污染环境工作而被公认为是气固两相流浓度测量最有前景的方法,许多科学家在不同的领域对此进行了大量研究工作[4-12]。但是燃煤锅炉输粉系统中被测电容(fF级)信号十分微弱,比杂散电容及连接传感器和测量电路的引线电容(10 pF级)小4个数量级以上,而且工业现场又存在着严重的电磁干扰、信号泄漏,再加上小信号放大电路的基线漂移,用现有的电容计(电容测量电路)及测量方法是无法测到有效信号的。
因此,研究高分辨率、高稳定性的电容传感器测量电路及先进的测量技术,探索基于电容传感器的锅炉煤粉浓度在线测量系统具有重大理论价值和现实的经济意义。本文从测量电极和测量电路等方面介绍一种电容式气固两相流浓度测量系统,搭建了气力输粉实验台,以面粉为媒质、在水平管道上对稀相气固两相流浓度进行了在线测量。
2 电容式气固两相流固相浓度测量系统
电容式气固两相流固相浓度测量系统如图1所示,由电容测量电极(电容传器)、电容测量电路(电容传感器接口电路)和数据处理3部分构成。
2.1 测量电极
为了使固相浓度测量少受流型的影响,本文采用螺旋式电极[9]。该电极由4块极板构成:源极板s,检测极板d,对称两边保护极板g,它们同时沿管道方向扭转180°,具有相对均匀的灵敏度分布,如图2所示。本文选用内径为Φ40 mm、壁厚为2 mm、长度为1 000 mm的水平放置的石英玻璃管作为试验段;电容传感器电极贴于玻璃管中间的外壁上,电极外缠绕1.5mm厚的云母纸作为绝缘层,紧贴绝缘层的是内屏蔽层,内屏蔽层外由绝缘子连接的是外屏蔽层;内外屏蔽层之间用跟随器相连,使内外屏蔽层等电位,防止信号泄漏。电极参数选择:张角θ= 155°,θg=20°,L=92 mm。
2.2 测量电路
如图3所示,测量电路是在交流的调制解调电路[10-12]基础上结合相关双采样技术消除电路零点漂移;采用参比(差分)结构消除引线电容、分布电容和电磁干扰;用闭环结构降低了调制解调电路参数漂移的影响,极大的提高了测量电路的信噪比和稳定性。
2.3 数据处理
数据处理采用ADuC834单片数据采集器为核心的数字显示输出仪,该部分除了实现数据处理、仪表标定、显示、RS232C串口通信功能外,还有一个主要作用就是控制测量电路的时序。数字低通滤波实现电容稳态值(平均值)的测量。采样频率60Hz,显示刷新频率3Hz。
3 气力输粉实验系统
如图4所示,实验系统由引风机产生载气、皮托管2和阀5分别测量和控制风速,带有齿轮减速的可控硅螺旋给粉机提供可调的给粉量,在混合器T中形成气固两相流以烟雾状流过实验段,并在收集器4中进行气固分离,收集结果作为给粉量的平均值用于与电容浓度测量系统的测量结果进行比对。电容传感器水平放置于混合器下游;同样结构和尺寸的参比传感器位于混合器上游,仅用于感测空气流;两电容传感器电极都通过屏蔽双绞线将信号引至测量电路输入端,且两传感器处在相同的电磁环境中、引线长度相等,具有相等的分布电容;引线电容和电磁干扰在差动输入电路中予以消除。
4 实验结果与讨论
4.1 实验材料与数据处理
实验采用爱菊牌富强面粉作为媒质,模拟固相煤粉,对给粉机进行标定的结果作为给粉量的参考值,而集尘器收集值作为粉量的实际值。由皮托管测量的风速平均值、粉量实际值及试验段内径计算得到实验段中气固两相流的体积浓度作为固相体积百分比理论值。随机读取电容式气固两相流浓度测量系统(电容浓度计)输出20次读数,取其平均值作为输出值。
4.2 结果与讨论
由于测量系统采用参比(差分)结构,电路在闭环的调制解调电路基础上结合相关双采样技术,有效地消除了零点漂移,消除了分布电容和电磁干扰的影响;极大的提高了测量电路的信噪比和稳定性。如图5所示,电容式气固两相流浓度测量系统的输出和固相体积浓度的理论值之间呈良好的线性关系。输入输出关系在不同风速下一致性良好;在(7.0~12.5)×10-4%的体积浓度变化范围内其非线性误差加重复性误差小于7. 5%。由于给粉不稳定引起固相浓度的较大波动。实际上浓度测量系统的线性度和重复性远高于此。要准确标定电容式气固两相流浓度测量系统,需要产生一个稳定准确的两相流信号,但目前还难以找到一个稳定可靠的给粉方法,对细粉尤其如此;由各测点20次测量值求取算术平均值标准差的最大值估计的系统分辨率为5×10-5%体积百分比(体积浓度)。
在分辨率问题解决之后,对以煤粉为媒质的电站输粉浓度测量,对动态煤粉含水量和粒径的测量,分析并补偿其对电容式气固两相流浓度测量的影响是电容法煤粉浓度测量面临的主要问题。因为煤粉的含水量和粒径对电容法煤粉浓度测量结果影响显著,而管道中动态煤粉的含水量和粒径与静止态煤粉完全不同(比如在不同的风速和温度下颗粒的团聚与分散、水分在颗粒表面的吸附与挥发)。
5 结 论
本文介绍的电容式气固两相流浓度测量系统能有效的消除基线漂移、防止小信号泄漏而且不受分布电容、引线电容的影响。在低固气比(稀相)下能实现有效地的在线浓度测量,在(7.0~12.5)×10-4%的体积浓度变化范围内其非线性误差加重复性误差小于7. 5%,分辨力达5×10-5%体积百分比。对以煤粉为媒质的电站输粉浓度测量有待进一步研究。
参考文献
[ 1 ] 魏小林.徐通模.惠世恩.浓淡煤粉燃烧的试验与理论研究[J].动力工程, 1997, 17(3) : 17-25.
[ 2 ] YAN Y. Flow rate measurement of bulk solids in pneu-matic pipelines: problems and solutions[J]. Bulk SolidsHandling, 1995, 6(3): 447-456.
[ 3 ] MA J,YANY. Design and evaluation ofelectrostatic sen-sors for themass flowmeasurement of pneumatically con-veyed solids[ J]. Flow Measurement and Instrumenta-tion, 2000, 11(3): 195-204.
[ 4 ] BECKM S,GREEN R C,THORN R. Non-intrusivemeas-urement of solid mass flow in pneumatic conveying[ J].Journal ofPhysics (pt. E),1987,20:835-840.
[ 5 ] JIN F,XIA J,LIU R, et a.l Mathematicalmodels of gas/solid two phasemass flowratemeasurementusing differen-tial pressure concentration method[R]. On Line FlowMeasurement of Particulate Solids, UNIversity of Green-wich, UK, 1998: 133-137.
[ 6 ] SEN S,DAS PK,DUTTA PK, eta.l PC-based gas-solidstwo-phase mass flowmeter for pneumatically conveyingsystems[ J]. Flow Meas. and Inst., 2000, 11 (1):205-212.
[ 7 ] XIE C G, STOTT A L,HUANG S M, et a.l Mass-flowmeasurement of solids using electrodynamic and caPACi-tance transducers [ J]. Journal of Physics ( pt. E),1989, 22(3): 712-719.
[ 8 ] HUH L,XU TM. A novel capacitive system for the con-centrationmeasurementofpneumatically conveyed pulver-ized fuel atpower stations. FlowMeasurementand Instru-mentation, 2006, 17: 87-92.
[ 9 ] YAN Y. Homogeneoue sensing fields for solids flowmeas-urement[C]. Proc. of the Third IntermationalConferenceonMeasurement and Control ofGranularMaterials, 1993(1):16-19.
[10] YANG W Q, YORK T A. New AC-based capacitancetomography system[J]. IEE Proceedings Science,Meas-urement and Technology, 1999,146 (1):47-53.
[11] HUH L,XU TM,HUI S E. A low-cost, high-accuracyinterface circuit for differential-capacitance transducer.Instrumentation Science and Technology, 2005, 33 (6):727-735.
[12] HU H L, XU T M, HUI S E. A high-accuracy, high-speed interface circuit for differential-capacitance trans-ducer[ J]. Sensors and Actuators A, 2006, 125:329-334.
作者简介
胡红利,男, 1964年4月出生,分别于1991年、2005年在西安交通大学获得硕士、博士学位,现为西安交通大学测控技术及仪器系副教授和气固两相流与清洁燃烧实验室跨学科研究员,主要研究方向为:过程控制及仪表,气固两相流测量及清洁燃烧;电磁测量。E-mai:l hlhu@mai.l xjtu. edu. cn
周屈兰,男, 1974年6月出生, 1997年、2001年于西安交通大学获得硕士、博士学位,现为西安交通大学热工系副系主任,副教授,主要研究方向为:气固两相流与燃烧,多相流体动力学和燃烧学数值计算。E-mai:l qlzhou@mai.l xjtu. edu. cn
徐通模,男, 1961年7月毕业于西安交通大学动力系锅炉制造专业,长期以来在热能动力工程领域燃烧与气固两相流学科从事教学和研究工作,现为西安交通大学燃烧与气固两相流研究室责任教授。E-mai:l tmxu@mai.l xjtu. edu. cn
