专利摘要
本实用新型公开了一种测量燃煤电厂制粉系统煤粉浓度的装置，属于气固两相流动测量领域。本实用新型装置包括滞止管、收尘仓、压缩空气罐、差压传感器、温湿度传感器、数据采集卡、计算机、风速管，一次风煤粉气流中的煤粉进入滞止管内并在气体曳力作用下减速，从而使得滞止管内气体的静压升高，通过定量测算该静压升高幅度，计算出煤粉浓度。煤粉的动量与其质量浓度和运动速度直接相关，而与煤粉的组分（煤质）基本无关，相比于依赖静电、电磁波、电容等特性和指标的测量方式来说，本实用新型结构简单，结果可靠性更高，干扰因素更少，而且不依赖复杂的电子设备，从而造价更低。
权利要求
1.一种测量燃煤电厂制粉系统煤粉浓度的装置，其特征是，包括滞止管（2）、收尘仓（3）、压缩空气罐（4）、一号差压传感器（7）、数据采集卡（8）、计算机（9）、风速管（10）和二号差压传感器（11），所述滞止管（2）设置在主管道（1）内，所述滞止管（2）的一端为开口端并朝向一次风煤粉的来流方向布置，所述滞止管（2）的另一端为封闭端且连接于收尘仓（3），所述滞止管（2）的另一端以及主管道（1）上均开设有静压测孔并分别通过滞止管静压引压管（5）和主管道静压引压管（6）连接至一号差压传感器（7）；所述主管道（1）上安装有风速管（10），且风速管（10）与二号差压传感器（11）连接；所述收尘仓（3）上设置有反吹管（12），所述反吹管（12）与压缩空气罐（4）连接，且在反吹管（12）上安装有截止阀（13）；所述一号差压传感器（7）和二号差压传感器（11）均与数据采集卡（8）连接，所述数据采集卡（8）与计算机（9）连接。
2.根据权利要求1所述的测量燃煤电厂制粉系统煤粉浓度的装置，其特征是，所述滞止管（2）为直管或弯管。
3.根据权利要求2所述的测量燃煤电厂制粉系统煤粉浓度的装置，其特征是，所述滞止管（2）的开口为平直口或喇叭口结构。
4.根据权利要求1所述的测量燃煤电厂制粉系统煤粉浓度的装置，其特征是，所述风速管（10）采用BS-I型测速管。
5.根据权利要求1所述的测量燃煤电厂制粉系统煤粉浓度的装置，其特征是，还包括温湿度传感器（14），所述温湿度传感器（14）连接于主管道（1）内，用于测量主管道（1）中气体的温度和相对湿度。
说明书
技术领域
本实用新型属于气固两相流动测量领域，具体来说，是一种用于测量燃煤电厂制粉系统一次风煤粉浓度的装置。
背景技术
在燃煤电厂中，制粉系统将较粗的煤块/煤粒磨制成较细的煤粉，并利用气流将其输送进入炉膛中燃烧。煤粉的参数指标(如细度、均匀性)对于其燃烧过程具有直接和显著的影响。对于直吹式制粉系统，单台机组的送粉管路可到二十至三十余路，各个粉管的煤粉流量普遍存在较大偏差，导致炉膛内的空气动力场和燃烧状况均偏离设计情况，引起燃烧不完全、NOx生成率高、水冷壁冲刷/结焦、换热面超温/爆管、减温水耗量大等一系列问题。为了提高燃烧效率和运行安全性，降低污染物的形成，制粉系统(特别是直吹式制粉系统)煤粉浓度的在线测量(以及后续基于此参数的设备和运行调控)是非常必要的。
目前多数燃煤电厂均未装设煤粉浓度测量装置。少数电厂在制粉系统分离出口管道上安装有传统的取样管测量系统(如笛形取样管)，人工操作将煤粉抽取、收集并称重，换算得到煤粉浓度。其装置简单、成本低廉，但存在取样代表性差、取样管磨损损坏严重等问题，而且其人工操作的准确性、可靠性和可重复性都难以保证。更少数的电厂采用了如静电法测量装置，通过对煤粉颗粒荷电状态的感应和测量推算煤粉浓度，但主要缺点在于其测量信号仅具有相对意义(信号无法与煤粉的绝对浓度建立定量关系)，测量准确性受风粉参数如水分、煤质影响大，难以适应燃煤电厂运行状况、煤质多变的生产实际情况，而且投资费用过高，在当前燃煤电厂经营较为困难的情况下难以推广应用。
针对上述情况以及充分考虑电厂的实际需求，本实用新型提出了一种依靠煤粉动量进行煤粉浓度测量的装置。
实用新型内容
为了解决现有制粉系统缺少有效的煤粉浓度测量手段的问题，本实用新型提供了一种测量燃煤电厂制粉系统煤粉浓度的装置，基于颗粒相(煤粉)动量可转化为气相(空气)静压能这一物理机制。
本实用新型解决上述问题所采用的技术方案是：一种测量燃煤电厂制粉系统煤粉浓度的装置，其特征是，包括滞止管、收尘仓、压缩空气罐、一号差压传感器、数据采集卡、计算机、风速管和二号差压传感器，所述滞止管设置在主管道内，所述滞止管的一端为开口端并朝向一次风煤粉的来流方向布置，所述滞止管的另一端为封闭端且连接于收尘仓，所述滞止管的另一端以及主管道上均开设有静压测孔并分别通过滞止管静压引压管和主管道静压引压管连接至一号差压传感器；所述主管道上安装有风速管，且风速管与二号差压传感器连接；所述收尘仓上设置有反吹管，所述反吹管与压缩空气罐连接，且在反吹管上安装有截止阀；所述一号差压传感器和二号差压传感器均与数据采集卡连接，所述数据采集卡与计算机连接。
进一步的，所述滞止管可以为直管、弯管，其开口可以为平直口或喇叭口结构。
进一步的，风速管优选采用BS-I型测速管。
进一步的，还包括温湿度传感器，所述温湿度传感器连接于主管道内，用于测量主管道中气体的温度和相对湿度。
本实用新型与现有技术相比，具有以下优点和效果：煤粉的动量与其质量浓度和运动速度直接相关，而与煤粉的组分(煤质)基本无关，相比于依赖静电、电磁波、电容等特性和指标的测量方式来说，本实用新型结构简单，结果可靠性更高，干扰因素更少，而且不依赖复杂的电子设备，从而造价更低。
附图说明
图1是本实用新型实施例的整体结构示意图。
图2是本实用新型实施例的测量原理示意图。
图3是本实用新型实施例的带收尘仓的直管式滞止管的测量头结构示意图(主视、左视)。
图4是本实用新型实施例的带收尘仓的弯管式滞止管的测量头结构示意图。
图5是本实用新型实施例的开口端为“喇叭口”的滞止管结构示意图。
图6是本实用新型实施例的主管道静压引压管与滞止管的靠背式设计结构示意图。
图中：主管道1、滞止管2、收尘仓3、压缩空气罐4、滞止管静压引压管5、主管道静压引压管6、一号差压传感器7、数据采集卡8、计算机9、风速管10、二号差压传感器11、反吹管12、截止阀13、温湿度传感器14。
具体实施方式
下面结合附图并通过实施例对本实用新型作进一步的详细说明，以下实施例是对本实用新型的解释而本实用新型并不局限于以下实施例。
本实施例中的测量燃煤电厂制粉系统煤粉浓度的方法中的装置，包括滞止管2、收尘仓3、压缩空气罐4、一号差压传感器7、数据采集卡8、计算机9、风速管10和二号差压传感器11，滞止管2设置在主管道1内，滞止管2的一端为开口端并朝向一次风煤粉的来流方向布置，滞止管2的另一端为封闭端且连接于收尘仓3，滞止管2的另一端以及主管道1上均开设有静压测孔并分别通过滞止管静压引压管5和主管道静压引压管6连接至一号差压传感器7；主管道1上安装有风速管10，且风速管10与二号差压传感器11连接；收尘仓3上设置有反吹管12，反吹管12与压缩空气罐4连接，且在反吹管12上安装有截止阀13；一号差压传感器7和二号差压传感器11均与数据采集卡8连接，数据采集卡8与计算机9连接。
本实用新型的核心装置为滞止管2，置于一次风送粉管道(简称主管道1)中，其开口朝向来流。气流带动下以较高速度(20m/s～40m/s)运动的煤粉在接近滞止管2管口时，由于惯性较大而无法绕过，从滞止管2管口“撞入”管内。进入滞止管2的煤粉颗粒受到管内气体(接近静止状态)的曳力而减速，由于力的相互作用，气体也同时受到了来自于颗粒的作用力而使其静压增大。煤粉浓度越高，静压增大的幅度越大。通过测量滞止管2尾部气体静压与主管道1(主流)气体静压的差值、主管道1气体的流速和温度，再结合理论原理和实际标定公式，即可算得煤粉浓度。
滞止管可以为直管、弯管，其开口亦可以为喇叭口结构。
本装置由以下核心部件构成：滞止管2及其压缩空气反吹系统、风速管10、温湿度传感器14、多个压力传感器和差压传感器、数据采集卡8、计算机9。主管道1及其压缩空气反吹系统是主要创新内容，其余仪表、设备、传感器和技术工艺环节等均可采用市场上成熟的产品和技术方案。
温湿度传感器14连接于主管道1内用于测量主管道1中气体的温度和相对湿度，后续将用于气体参数(密度、粘度等)的计算。
数据采集卡8实时地将来自各传感器的模拟信号采集并转换成数字信号，传入计算机9中进行数据处理和换算，并得到最终测量结果即煤粉浓度，计算机9对数据的处理技术采用现有成熟技术。
风速管10宜优先采用BS-I型测速装置(参考行业标准《电站磨煤机及制粉系统性能试验:DL/T467-2004》)，其优点在于可直接获得气流速度(测量信号与煤粉浓度无关)，结构简单、造价低。
本实用新型的技术原理介绍如下：
在纯气流流动下，滞止管2内的静压ps处处相等且等于来流(主流)的总压，即有：
其中：ps,0为纯气流无煤粉情况下滞止管2内的静压(单位：Pa)，pg为主流的气体静压(单位：Pa)；ρg为主流的气体密度(单位：kg/m
气流中含有煤粉时，煤粉由于粒径较大、运动速度较高，正对滞止管2管口运动而来的煤粉颗粒，在经过滞止管2前端时仅有少量随气体绕过滞止管2继续向下游运动，多数煤粉颗粒从滞止管2的开口端进入滞止管2内，并在气流曳力作用下逐渐减速，煤粉颗粒对管内气体同样施加了反作用力，使得管内静压升高，且越接近封闭段(管底)静压越高。
从而：
其中：ps(c)为有煤粉情况下滞止管2内的静压(单位：Pa)，c为煤粉颗粒的质量浓度，k称为压头转化因子，代表煤粉动量转化为滞止管2内气体静压升高幅度的比例，与滞止管2的结构设计、材质、煤粉粒径等因素有关。
公式(1)代入公式(2)有：
从而：
△ps为图1所示一号差压传感器7测得的差压。可见，只要确定了压头转化因子k，就可以结合其它参数(测量获得)算得煤粉的质量浓度c。
在个别理想情况下，可以推导得出k的理论值，包括：1)当滞止管2为直管，煤粉惯性很小，能够完全跟随流体运动时，有k＝1；2)当滞止管2为直管，煤粉惯性较大且滞止管2足够长时，有k＝2。在实际情况下，k值无法事先得知，而必须进行标定以得出。
k的标定方法为：在制粉系统生产现场或在实验室模拟环境中，通过等速取样称重法(如国际标准ISO 9931“Coal--Sampling of pulverized coal conveyed by gases indirect fired coal systems”)等标准手段得到c，通过公式(4)即可算得k。在实际运行工况及煤粉细度与标定状态差别较小的情况下，标定得到的k值便可用于c的实时在线测量中。k的标定不是本实用新型的核心，原理和技术上均便于实施，故这里不赘述详细过程。
表1给出了在不同煤粉粒径下基于计算流体力学(CFD)数值计算得到的压头转化因子(颗粒密度2250kg/m
表1滞止管测量原理的CFD验证算例结果
煤粉在滞止管2中的持续累积会导致其被煤粉“堵满”，因此必须采取排尘措施。图3示意了带收尘仓3的测量头。该测量头工作在水平的主管道1中，进入滞止管2的煤粉在重力作用下落入收尘仓3中，从而在一段时间内避免滞止管2被堵塞。
图1示意了利用压缩空气反吹以清除积粉的方法。截止阀13关闭时无压缩空气反吹，测量装置处于正常工作状态。截止阀13打开时，来自于压缩空气罐4的压缩空气以较高流速进入收尘仓3，将其中的积粉吹起并带出，经滞止管2的管口吹至主管道1中。通过周期性的反吹便可使测量头维持持续(反吹时短暂间断)的测量状态。
图3所示的结构设计更适宜用于主管道1的水平段。而在主管道1的竖直段，风粉气流自下而上运动，为避免积粉，可采用滞止管2入口为一段弯管的结构(图4)。煤粉进入弯管后，部分可进入直管段，另有部分与弯管靠拐弯半径外侧的内壁面碰撞并发生运动方向的改变，进而也可进入直管段。由于颗粒与管壁的碰撞概率高于直管式滞止管2(图3)，导致其动量一部分损失于壁面碰撞中，故这种情况下的压头转化因子k小于直管式滞止管2。
根据公式(3)，较大的k对于测量是有利的，k越大则同等情况下△ps也越大，在同样的仪器精度下△ps的测量相对误差就越小。为了增大k，滞止管2的入口可以设计成“喇叭口”形状，如图5所示。喇叭口开口直径D2大于直管直径D1，作用在于使更多(相比直管式的滞止管2)的煤粉颗粒进入滞止管2内，从而获得更大的△ps和k。入口为弯管的滞止管2(图4)也同样可采用喇叭口入口。
主流静压的测量，既可以采用图1所示的在主管道1上开孔取压的方式，也可以采用更紧凑的“靠背式”设计，即将一根测量主流静压的主管道静压引压管6与滞止管2集成，滞止管2迎向来流而主流静压引压管背对来流(图6)。这种形式类似于常见的测速用S型皮托管(俗称靠背管)。
实施过程：在一次风送粉管道的水平段，采用 的直管作为滞止管2，滞止管2连接收尘仓3，搭配如图6所示的靠背管(主管道1不再额外设静压测孔)。主管道1风速的测量采用BS-I型测速管。在主管道1内用温湿度传感器14测量气体的温度和湿度。在采用直吹式制粉系统的燃煤电厂生产现场，采用国际标准ISO 9931规定的方法标定得到本方法的关键待定参数k。数据采集卡8将各传感器测得的信号传至计算机9中，利用本实用新型所述计算方法和公式对前述信号进行分析计算，得到煤粉浓度。
本说明书中未作详细描述的内容均属于本领域专业技术人员公知的现有技术。
此外，需要说明的是，本说明书中所描述的以上内容仅仅是对本实用新型结构所作的举例说明。凡依据本实用新型专利构思所述的构造、特征及原理所做的等效变化，均包括在本实用新型专利的保护范围内。本实用新型所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改、补充或采用类似的方式替代，只要不偏离本实用新型的结构或者超越本权利要求书所定义的范围，均应属于本实用新型的保护范围。
一种测量燃煤电厂制粉系统煤粉浓度的装置专利购买费用说明
Q：办理专利转让的流程及所需资料
A：专利权人变更需要办理著录项目变更手续，有代理机构的，变更手续应当由代理机构办理。
1：专利变更应当使用专利局统一制作的“著录项目变更申报书”提出。
2：按规定缴纳著录项目变更手续费。
3：同时提交相关证明文件原件。
4：专利权转移的，变更后的专利权人委托新专利代理机构的，应当提交变更后的全体专利申请人签字或者盖章的委托书。
Q:专利著录项目变更费用如何缴交
A：（1）直接到国家知识产权局受理大厅收费窗口缴纳,（2）通过代办处缴纳，（3）通过邮局或者银行汇款,更多缴纳方式
Q：专利转让变更，多久能出结果
A：著录项目变更请求书递交后，一般1-2个月左右就会收到通知，国家知识产权局会下达《转让手续合格通知书》。
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