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摘要：火电厂一次风管道风粉速度及浓度对于火电厂的安全经济运行至关重要，然而由于风粉两相流动的复杂性，目前还没有成熟可靠的检测技术。本文基于功率谱的互相关理论，得出空气-煤粉两相流流速互相关测速方法；基于微波及波导传输理论，得出浓度测量方法即微波衰减法。设计了检测系统，并采集了单管道现场数据，进而利用MATLAB数值模拟验证了测量理论正确性。
关键词：火电厂；一次风管道；速度及浓度检测；微波
引言
目前我国电力主要来源于火电厂。在火力发电过程中，对一次风管道内煤粉流速及浓度的均匀性对于电力生产的经济性和安全性尤为重要。然而实现对流速和浓度的控制需先对一次风管道煤粉的流速浓度实现精确测量，然而目前仍缺乏准确、可靠的一次风粉复杂两相流动介质的测量技术。本文基于功率谱的互相关理论，研究空气-煤粉两相流流速互相关测速方法；基于微波及波导传输理论，研究微波衰减功率电压有效值与浓度的一一对应关系。本文构建检测系统，兼顾流速浓度测量，经现场采集数据，实验室模拟计算，验证了本文提出方法可以可准确反映一次风管道两参数的实时状况。
1测试系统的工作方式及原理
1.1测试系统的工作方式
采用四个单极子天线作为微波传感器探头，探头A为发射传感器，探头B、C、D为接收传感器。如图1所示，将天线探头C、D安装在一次风管道上游，且C、D成垂直状态插入管道径向。在相距0.5m的管道下游垂直安装天线探头A、B。处在同一水平线的探头B、C用于流速测量，而同一水平线的A、D用于浓度测量。
图1 测量系统示意图
将微波工作方式设计为扫频方式，设计扫频频率为4KHz，时间间隔250us，频率变化量为0.001MHZ，扫频2.5s后，将采集到的10000组B、C序列平稳随机信号用于计算风粉速度；采集探头D的每个频率下的衰减电压有效值，通过微波衰减法求出各频率所对应浓度，平均后得出最终浓度值。
1.2相关法测速基本原理
在流体力学中，不管是单相流还是两相流，流体内部都存在着与各种流动型态有关的“噪声”。“噪声”是随时间作无规律变化的随机过程，具有随机性。
当两相流体中产生的“流动噪声”随机信号流经传感器时会对传感器发出的能量束或传感器周围的能量场进行随机调制，经过时间t0后，这些随机调制亦会重复出现在下游传感器，所以X（t）、Y（t）就会完全相似但时间上Y（t）会滞后时间t0，即式中t0— 称之为渡越时间。
式中UL— 负载上的电压
IL— 负载上的电流
β— 单位距离内微波相位的变化量，即相移常数
Z— 沿传输线方向微波传输的距离
对于给定的电路而言UL和IL常为定值，而β为相位变化。
当一次风管道内吹入煤粉时，而煤粉是一种有损介质，当微波在含有煤粉介质的管道内传输时会产生色散和衰减。对于混合物来说，ε、μ不仅与混合物的成分有关，还与混合物的各成分体积比有关。对于空气-煤粉两相流来说，在测量过程中煤粉的煤质和微波测量频率是不变的，所以当微波在空气-煤粉两相流管道中传输时，其衰减常数只与混合物体积比（质量比）即煤粉浓度有关。这样，在一定距离L下测量微波的衰减常数就可以唯一确定出煤粉浓度值。
2测试结果与数据分析
本测试过程在某热电厂进行现场完成，将本测试系统的微波发射探头和三个接收探头都嵌入到一次风管道的直管段，逆风向依次安装发射探头和接收探头，安装距离选取为0.5m。并利用MATLAB作了相关性验证。图3为系统采集B、C两列原始数据。
图4 互相关计算结果
图4为利用MATLAB进行的两列信号的互相关计算结果，由图可以看出，当横坐标在75时，出现极其明显的峰值，对应流速为26.6m/s。经测量多组流速测量数据进行相关运算后，其峰值基本保持在0.5以上，对于本系统来说，可以认为两列信号是一致的仅存在时间延时，而且该信号为互相关各态遍历性的，即可以通过样本代替整体的统计特性测量。由测量结果可以看到，其流速浓度的测量结果与理论计算结果保持一致.。
3结论
本文主要研究一次风管道煤粉流速及浓度的微波在线检测。基于功率谱的互相关理论，研究出空气-煤粉两相流流速互相关测速方法，基于微波及波导传输理论，研究出浓度测量方法即微波衰减法，找出了微波衰减功率电压有效值与浓度的一一对应关系，并完成了模型验证。在微波衰减法基础上，设计出截止频率均值化的空气-煤粉两相流DSP浓度检测技术方案。并采集了单管道现场数据，进而利用MATLAB数值模拟验证了测量理论正确性。本文得出的主要结论为：
（1）本系统利用微波的相关技术，其稳定性、兼容性都比较好，制作周期比较短，操作方便而且极大的减少了工作量。
（2）利用单管测量装置采集了现场数据，并利用MATLAB进行相关性数值模拟验证，进一步验证了流速测量的可行性。
（3）利用该装置进行了在线测量，根据其测量结果验证了流速浓度测量与理论计算的一致性。
参考文献：
[1]秦授轩，蔡小舒.在线测量煤粉粒度分布和浓度的实验研究[J]. 中国电机工程学报，2010，32（30）：30-34.
[2]翟学亮. 热平衡在中储式制粉系统一次风、粉试验中的应用[J]. 应用能源技术，2013，（10）：28-31.
[3]孙猛，刘石，雷兢，等. 电厂送粉系统煤粉浓度和速度的在线测量技术研究[J]. 热能动力工程，2009，24（2）：211-215.
[4]王炳昊.高介电常数低介电损耗层状树脂基复合材料的研究[D]. 苏州大学，2013.
[5]李卫东.气固两相流电容相关流速测量研究[D].东北大学，2012.
作者简介：
郭涛，1972年2月，男，年龄46岁，工程师，从事热电联产企业生产管理工作，具有非常丰富的生产管理经验。
论文作者:郭涛1,莽东1,衣明新1,李雨杰1,秦金波2,胡鑫
论文发表刊物:《河南电力》2018年18期
论文发表时间:2019/3/13
标签：浓度论文; 风管论文; 测量论文; 微波论文; 流速论文; 煤粉论文; 两相论文; 《河南电力》2018年18期论文;