CN111895388A - W火焰锅炉静电加电容叠加感应的煤粉含碳量测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种W火焰锅炉静电加电容叠加感应的煤粉含碳量测量方法，首先利用静电和电容复合传感器对一次风粉管里的带电煤粉流进行测量，得到煤粉颗粒荷电状态；然后对所述煤粉颗粒荷电状态进行处理和转换，并输入计算机进行处理，得到以所述静电量和所述电容量为横坐标，煤粉含碳量为纵坐标的关联坐标系，并保存于所述计算机中；最后根据所述坐标系中的所述煤粉含碳量、对应的所述静电量和所述电容量，并结合基本参数，建立入炉煤粉含碳量模型，并利用所述入炉煤粉含碳量模型进行仿真和预测，能较好预测进入锅炉燃烧的煤种，提高锅炉燃烧的经济性和安全性。

Description

W火焰锅炉静电加电容叠加感应的煤粉含碳量测量方法

技术领域

本发明涉及锅炉燃烧技术领域，尤其涉及W火焰锅炉静电加电容叠加感应的煤粉含碳量测量方法。

背景技术

W型火焰燃烧技术是我国应用最为广泛的低挥发份煤燃烧技术之一。W型火焰锅炉的燃烧室由下炉膛的拱式燃烧室和上炉膛的燃尽室组成,使锅炉负荷变化对燃烧的影响较小。煤粉气流和二次风从拱顶向下喷出，在下炉膛与分级风汇合转折向下，再从炉膛中心上升形成W型火焰。W火焰锅炉燃煤来源越来越不稳定、煤质下降、煤种变化频繁，严重影响锅炉运行的经济性和安全性，国内外对入炉煤粉含碳量在线测量的相关研究还比较少。法国微波法技术在线测量入炉煤粉含碳量，其原理是通过微波衰减和相移变化的程度来计算煤粉中的含碳量，但测量值受水分影响较大；我国目前比较先进的是基于中子活化分析技术在线检测煤质的技术，以中子与原子核的反应机理为基础，检测煤质成分，但该设备较昂贵，具有放射性且测得的是煤仓前给煤机皮带处的数据，不是直接入炉的，存在时间滞后，电站锅炉燃烧的煤种来源不稳定，经常与设计煤种偏差较大，造成锅炉出力不足，燃烧效率下降以及结焦等问题出现，影响锅炉燃烧经济性和安全性。

发明内容

本发明的目的在于提供一种W火焰锅炉静电加电容叠加感应的煤粉含碳量测量方法，能较好预测进入锅炉燃烧的煤种，提高锅炉燃烧的经济性和安全性。

为实现上述目的，本发明提供了一种W火焰锅炉静电加电容叠加感应的煤粉含碳量测量方法，包括：

利用静电和电容复合传感器对带电煤粉流进行测量，得到煤粉颗粒荷电状态；

对所述煤粉颗粒荷电状态进行处理和转换，得到煤粉含碳量；

根据所述煤粉含碳量和获取的基本参数，建立入炉煤粉含碳量模型，并进行仿真和预测。

其中，所述方法还包括：

利用经过空气预热器加热后的一次风驱动磨煤机里的煤粉在一次风粉管里运动，使煤粉产生电荷转移，得到带电煤粉流。

其中，所述利用静电和电容复合传感器对带电煤粉流进行测量，得到煤粉颗粒荷电状态，包括：

利用对称分布在所述一次风粉管管内壁的两块电容原理测量模块测量带电煤粉流的电容量，同时利用安装在两块所述电容原理测量模块之间的静电原理测量模块测量所述带电煤粉流的静电量。

其中，对所述煤粉颗粒荷电状态进行处理和转换，得到煤粉含碳量，包括：

将所述电容量和所述静电量经过信号处理电路的转换和放大后，输入计算机中进行处理，得到所述静电量和所述电容量与煤粉含碳量的反比表达式。

其中，对所述煤粉颗粒荷电状态进行处理和转换，得到煤粉含碳量，还包括：

根据所述反比表达式，以所述静电量和所述电容量为横坐标，煤粉含碳量为纵坐标的关联坐标系，并保存于所述计算机中。

其中，根据所述煤粉含碳量和获取的基本参数，建立入炉煤粉含碳量模型，并进行仿真和预测，包括：

根据所述坐标系中的所述煤粉含碳量、对应的所述静电量和所述电容量，并结合颗粒细度、煤粉速度、所述一次风粉管浓度和煤粉颗粒运动动能建立入炉煤粉含碳量模型。

其中，根据所述煤粉含碳量和获取的基本参数，建立入炉煤粉含碳量模型，并进行仿真和预测，还包括：

将获取的多组数据划分为仿真数据和预测数据，并分别输入所述入炉煤粉含碳量模型进行仿真和预测。

本发明的一种W火焰锅炉静电加电容叠加感应的煤粉含碳量测量方法，首先利用静电和电容复合传感器对W火焰锅炉一次风粉管里的带电煤粉流进行测量，得到煤粉颗粒荷电状态；然后对所述煤粉颗粒荷电状态进行处理和转换，并输入计算机进行处理，得到以所述静电量和所述电容量为横坐标，煤粉含碳量为纵坐标的关联坐标系，并保存于所述计算机中；最后根据所述坐标系中的所述煤粉含碳量、对应的所述静电量和所述电容量，并结合基本参数，建立入炉煤粉含碳量模型，并利用所述入炉煤粉含碳量模型进行仿真和预测，能较好预测进入锅炉燃烧的煤种，提高锅炉燃烧的经济性和安全性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明提供的一种W火焰锅炉静电加电容叠加感应的煤粉含碳量测量方法的步骤示意图。

图2是本发明提供的W火焰锅炉煤粉含碳量测量传感器图。

图3是本发明提供的关联坐标系图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

请参阅图1，本发明提供一种W火焰锅炉静电加电容叠加感应的煤粉含碳量测量方法，包括：

S101、利用静电和电容复合传感器对带电煤粉流进行测量，得到煤粉颗粒荷电状态。

具体的，W火焰锅炉一次风管中的煤粉流动属于气固两相流，利用经过空气预热器加热后的一次风驱动磨煤机里的煤粉在W火焰锅炉一次风粉管里运动，当煤粉颗粒在研磨和气力输送过程中，煤粉颗粒之间，颗粒与管壁之间，相互碰撞、摩擦以及分离，使煤粉产生电荷转移，使煤粉颗粒带上—定量的静电荷，得到带电煤粉流。此时在没有外界干预的情况下，带电粒子流将会很稳定的体现该两相流的特性，在静电+电容复合传感器的作用下，煤粉颗粒荷电状态将包含煤粉含碳量、浓度等信息。其中，静电+电容复合传感器包括两块电容原理测量模块和一块静电原理测量模块，如图2所提供的W火焰锅炉煤粉含碳量测量传感器图。具体为利用对称分布在所述一次风粉管管内壁的两块电容原理测量模块测量带电煤粉流的电容量，同时利用安装在两块所述电容原理测量模块之间的静电原理测量模块测量所述带电煤粉流的静电量，监视带电煤粉流的特性就是在监视一次风粉管内煤粉的特性，从而给锅炉的优化燃烧提供必要的运行参数。

S102、对所述煤粉颗粒荷电状态进行处理和转换，得到煤粉含碳量。

具体的，煤粉颗粒在研磨和输送过程中，带上一定量的静电荷，荷电的煤粉颗粒包含了煤粉含碳量信息；在特定形状的传感器中形成静电场和电容场。当煤粉浓度、温度等一定的情況下，将所述电容量和所述静电量经过信号处理电路的转换和放大后，输入计算机中进行处理，得到所述静电量和所述电容量与煤粉含碳量的反比表达式：

(Q+F)∝K/C_ar

其中，当煤粉浓度、温度等一定的情況下，带电煤粉颗粒形成的静电和电容场大小与其相对介电常数之间存在一定关系，即随相对介电常数的增加而减小：其介电常数大小与含碳量大小之间存在一定关系，即随含碳量的增加而增加。

(Q+F)∝K₁/ε

ε∝K₂×C_ar

C_ar＝f(Q,C,x₁,x₂,x₃...x_n)

其中，Q为煤粉颗粒静电量，F为电容量，ε为煤粉颗粒相对介电常数，C_ar为煤粉颗粒含碳量，x₁,x₂,x₃...x_n影响煤粉含碳量测量的参数。

根据所述反比表达式，以所述静电量和所述电容量为横坐标，煤粉含碳量为纵坐标的关联坐标系，并保存于所述计算机中，如图3所示，在煤粉浓度、煤粉温度等大致不变时，由传感器测量到的电场信号随锅炉入炉煤种的不同而呈现明显的变化趋势。两者之间大致呈线性反比变化趋势，即电场信号大小随入炉煤粉含碳量的增加而减小。所示关联坐标系中的煤粉浓度和煤粉温度不变，只改变了入炉煤种，能根据含碳量预测对应的入炉煤种，提高锅炉燃烧的安全性和经济性。

S103、根据所述煤粉含碳量和获取的基本参数，建立入炉煤粉含碳量模型，并进行仿真和预测。

具体的，根据所述坐标系中的所述煤粉含碳量、对应的所述静电量和所述电容量，并结合颗粒细度、煤粉速度、所述W火焰锅炉一次风粉管浓度和煤粉颗粒运动动能建立入炉煤粉含碳量模型：

其中，C_ar为含碳量，Q为静电量，F为电容量，R₉₀为煤粉颗粒细度，C为风粉管道浓度，V为煤粉速度，K为标定常数，Mp为煤粉颗粒运动动能。

其在，煤粉颗粒运动动能方程为：

其中，m是颗粒质量，p是颗粒在某方向上的速度分量，C_D是阻力系数，ρ是煤粉密度的密度，A是颗粒表面积，u_ig、u_ip分别是某方向上的两相流平均速度和煤粉脉动速度，g是重力加速度(垂直方向)顺粒瞬时的动量方程。

对于数据驱动建模，数据划分对模型的泛化性能有很大的影响。因此，充分利用已有数据建立反应真实对象的棋型具有重要作用。将获取的多组数据划分为仿真数据和预测数据，并分别输入所述入炉煤粉含碳量模型进行仿真和预测，举例来说，在金元茶园电厂W火焰锅炉中采集了340组数据进行仿真，同时采用基于负荷工况进行数据划分，即根据负荷大小按合适比例对样本进行分类，最后将各类的仿真样本综合在一起作为仿真样本，将各类的测试样本综合在一起作为测试样本。通过分配，最终340组中的280组数据进行的仿真，其余60组数据用来测试建立的模型。

采用MATALAB2011b中的函数feedforwardnet来构建入炉煤粉含碳量数学模型。采用trainlm仿真算法，最大仿真次数即net.TrainParam.epochs＝1000，仿真精度net.TrainParan.goal＝0.0001，性能函数net.PerformFcn＝mse，初始化函数为init，速率net.trainParam.lr＝0.04，之所以选取0.04这个较小的速率，主要是因为考虑到系统的稳定性，选择较大的学习速率可能导致系统不稳定，较小的学习速率虽然会使仿真时间变长，但能确保网络的误差值不跳出误差表面的低谷而最终趋于最小误差值。

将不同实验工况下的数据划分成了仿真样本和预测样本，分別进行了仿真和预测，获得了预测效果较好的入炉煤粉含碳量模型。实验值与预测值之间关系曲线，由图可知，预测样本仿真后获得的预测值与实验值吻合较好，说明经仿真样本仿真得到的网络模型预测效果较好，仿真样本的绝对误差基本都在0.6％之内，最大绝对误差约为0.6％左右，预测样本的绝对误差基本都在0.8％之内，最大绝对误差约为0.8％左右，两者的绝对误差值都较小，都在误差允许的范围内，说明模型仿真效果和预测效果都较好。

通过上述实验与仿真可知，预测模型能够较好地预测W火焰锅炉入炉煤粉含碳量。因此，利用静电感应来测暈煤粉颗粒带电量，并根据荷电的煤粉颗粒包含颗粒含碳量信息，然后研究静电信号与煤粉颗粒含碳量之间的关系，最后进行建模仿真分析，能够较好地预测进入锅炉燃烧的煤种，提高锅炉燃烧的经济性和安全性。

本发明的一种W火焰锅炉静电加电容叠加感应的煤粉含碳量测量方法，首先利用静电和电容复合传感器对W火焰锅炉一次风粉管里的带电煤粉流进行测量，得到煤粉颗粒荷电状态；然后对所述煤粉颗粒荷电状态进行处理和转换，并输入计算机进行处理，得到以所述静电量和所述电容量为横坐标，煤粉含碳量为纵坐标的关联坐标系，并保存于所述计算机中；最后根据所述坐标系中的所述煤粉含碳量、对应的所述静电量和所述电容量，并结合基本参数，建立入炉煤粉含碳量模型，并利用所述入炉煤粉含碳量模型进行仿真和预测，能较好预测进入锅炉燃烧的煤种，提高锅炉燃烧的经济性和安全性。

以上所揭露的仅为本发明一种较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例的全部或部分流程，并依本发明权利要求所作的等同变化，仍属于发明所涵盖的范围。

Claims (7)

1.一种W火焰锅炉静电加电容叠加感应的煤粉含碳量测量方法，其特征在于，包括：

利用静电和电容复合传感器对带电煤粉流进行测量，得到煤粉颗粒荷电状态；

对所述煤粉颗粒荷电状态进行处理和转换，得到煤粉含碳量；

根据所述煤粉含碳量和获取的基本参数，建立入炉煤粉含碳量模型，并进行仿真和预测。

2.如权利要求1所述的W火焰锅炉静电加电容叠加感应的煤粉含碳量测量方法，其特征在于，所述方法还包括：

利用经过空气预热器加热后的一次风驱动磨煤机里的煤粉在一次风粉管里运动，使煤粉产生电荷转移，得到带电煤粉流。

3.如权利要求2所述的W火焰锅炉静电加电容叠加感应的煤粉含碳量测量方法，其特征在于，所述利用静电和电容复合传感器对带电煤粉流进行测量，得到煤粉颗粒荷电状态，包括：

利用对称分布在所述W火焰锅炉一次风粉管管内壁的两块电容原理测量模块测量带电煤粉流的电容量，同时利用安装在两块所述电容原理测量模块之间的静电原理测量模块测量所述带电煤粉流的静电量。

4.如权利要求3所述的W火焰锅炉静电加电容叠加感应的煤粉含碳量测量方法，其特征在于，对所述煤粉颗粒荷电状态进行处理和转换，得到煤粉含碳量，包括：

将所述电容量和所述静电量经过信号处理电路的转换和放大后，输入计算机中进行处理，得到所述静电量和所述电容量与煤粉含碳量的反比表达式。

5.如权利要求4所述的W火焰锅炉静电加电容叠加感应的煤粉含碳量测量方法，其特征在于，对所述煤粉颗粒荷电状态进行处理和转换，得到煤粉含碳量，还包括：

根据所述反比表达式，以所述静电量和所述电容量为横坐标，煤粉含碳量为纵坐标的关联坐标系，并保存于所述计算机中。

6.如权利要求5所述的W火焰锅炉静电加电容叠加感应的煤粉含碳量测量方法，其特征在于，根据所述煤粉含碳量和获取的基本参数，建立入炉煤粉含碳量模型，并进行仿真和预测，包括：

根据所述坐标系中的所述煤粉含碳量、对应的所述静电量和所述电容量，并结合颗粒细度、煤粉速度、所述一次风粉管浓度和煤粉颗粒运动动能建立入炉煤粉含碳量模型。

7.如权利要求6所述的W火焰锅炉静电加电容叠加感应的煤粉含碳量测量方法，其特征在于，根据所述煤粉含碳量和获取的基本参数，建立入炉煤粉含碳量模型，并进行仿真和预测，还包括：

将获取的多组数据划分为仿真数据和预测数据，并分别输入所述入炉煤粉含碳量模型进行仿真和预测。

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