光脉动法煤粉细度在线测量系统的研制与工程应用.docx

1、 上海理工大学硕士学位论文光 脉 动 法 煤 粉 细 度 在 线 测 量系 统 的 研 制 与 工 程 应 用姓 名系 别 能源与动力工程学院学位类别/领域 动力工程研究方向 气固两相流在线测量方法指导教师 学位论文完成日期 年 月上海理工大学硕士学位论文II摘 要燃煤锅炉在火力发电中应用最广，它将煤粉由一次风吹入炉膛，并在悬浮状态下燃烧，具有燃烧迅速、完全、容量大、效率高、适应煤种广、便于控制调节等优点。然而煤粉气力输送工程工况复杂，参数众多，流型多样，煤粉参数特别是细度参数测量困难，但却又是锅炉燃烧优化控制的核心参数之一。煤粉细度不合适将直接导致不完全燃烧损失和磨煤机能耗增大，使锅炉燃烧效

2、率降低，情况严重时还可能导致煤粉管路堵塞而影响电厂运行。若能实现煤粉细度的在线测量，并与锅炉的分布式控制系统（简称 DCS）结合，对电站锅炉实行优化控制和运行，可以大大提高锅炉及电厂的效率，从而减少能源消耗，降低污染排放。本文以光脉动法测量气固两相流颗粒粒度理论为基础，建立了透射光强信号与颗粒粒径的关系，并设计和搭建了气固两相流实验平台对光脉动法气固两相流颗粒粒径测量方法开展实验研究，对比了不同工况下透射光强脉动信号特征，分析了不同浓度和风速对测量结果的影响。之后，结合前期工业应用探索经验，开展了光脉动法煤粉细度在线测量系统的研制，包括系统需求分析及总体方案设计、探针优化设计、模块化测控机箱设

3、计及软件优化设计等，形成了电站锅炉煤粉细度在线测量系统。最后，将研制的煤粉细度在线测量系统先后应用于江苏常熟发电有限公司 300MW 机组和通辽霍林河坑口发电有限责任公司 600MW 机组中，实现了对煤粉细度参数的长时间可靠在线测量。此外，本文还针对光脉动法气固两相流实验平台煤粉颗粒粒径测量与离线分析、图像在线测量方法对比，以及工业现场中光脉动法在线测量系统与取样离线分析结果对比，可知，本文研制的煤粉细度在线测量系统测量结果可为磨煤机工况条件及锅炉燃烧优化提供依据。关键词：光脉动法 煤粉细度 在线测量 气固两相流 火力发电ABSTRACTPulverized coal boiler is th

4、e most widely used in coal-fired power plants, in which pulverized coal is pneumatically conveyed to combustion chamber with the primary air and burns in suspension. Compared with other boilers, it has the advantages of combustion with more efficiency, more capacity, better adaption to varied sorts

5、of coal and easier to be controlled. However, pneumatically pulverized coal conveyance is quite complicated for the reason that gas-solid two-phase flow involves many parameters and varied flow patterns. Parameters of pulverized coal in pneumatic convey are difficult to be measured, especially the f

6、ineness which, however, is one of the core parameters affecting combustion optimization. And the non-uniform of pulverized coal fineness would lead directly to the increase of the incomplete combustion energy losses and mill energy losses which lead to a lower combustion efficiency and even a blocka

7、ge of pipeline. Therefore, real-time and in-line monitor of the fineness and combining it with Distributed Control System (DCS) will benefit the optimizing control and run of utility boiler, increase the efficiency of boiler and power plant, and reduce power consumption and pollutant emission.In thi

8、s paper the relationship between the signal of transmission light intensity and particle size is established based on the principles of the light fluctuation method for particle size measurement of gas-solid two phase flow. The experimental platform of gas-solid two phase flow is designed and built

9、and experimental study for particle size measurement of gas-solid two phase flow based on the light fluctuation method is carried out. On the basis of experiment data, the characteristics of the fluctuation signal of transmission light intensity in different operation conditions are discussed and th

10、e effects of concentration and velocity on the measurement results are analyzed. Then, combining with previous experience in industrial application, the in-line measurement system of pulverized coal fineness is developed, including the system demand analysis, the general scheme design, the probe opt

11、imization design, modular case design and software optimization design. The developed systems are applied to 300MW power unit of Jiangsu Changshu Power Company Limited and 600MW power unit of Tongliao Huolinhe Pithead Power Company Limited respectively. The pulverized coal fineness of them is monito

12、red stably in real time for long time.Additionally, the different particle measurement methods implemented in the experimental platform, such as the light fluctuation method, the off-line analysis and the image in-line measuring method, are compared. And the average results of in-line measuring resu

13、lts in situ and off-line sampling results of this system are compared by the method of off-line sampling analysis. The results show that this developed system has credibility for the fineness measurement of pneumatically conveyed pulverized coal, which benefits the optimization control of coal mill

14、and combustion in the boiler.Keywords: light fluctuation method, pulverized coal fineness, in-line measurement, gas-solid two phase flow, coal-fired power plant目 录中文摘要ABSTRACT第一章 绪论 .11.1 课题研究背景及意义 11.2 气固两相流颗粒粒径测量方法 41.2.1 取样离线分析法 .51.2.2 取样在线测量方法 .51.2.3 超声在线测量方法 .71.2.4 图像在线测量方法 .71.2.5 光脉动法在线测量方

15、法 .81.3 光脉动法研究现状 81.4 本文研究内容 10第二章 光脉动法气固两相流颗粒粒径在线测量理论基础 .112.1 光散射理论 .112.1.1 光散射相关的基本物理概念 .122.1.2 Mie 理论简介 .132.2 Beer-Lambert 定律 172.3 随机信号 182.3.1 颗粒数随机变量分布的数学规律 182.3.2 随机信号的概率密度函数、分布函数和数字特征 .202.4 光脉动法测量粒径基本原理 212.5 本章小结 .23第三章 光脉动法气固两相流颗粒粒径测量方法实验研究 .243.1 气固两相流实验平台 243.2 不同工况条件下透射光强脉动变化规律及测量

16、结果分析 263.2.1 实验工况 .263.2.2 不同煤粉浓度下光脉动信号及结果分析 .273.2.3 不同风速下的透射光强变化情况及测量结果分析 .293.3 光脉动法测量结果验证 313.3.1 离线分析方法 .313.3.2 图像在线测量方法 .333.4 本章小结 34第四章 电站煤粉细度在线测量系统的研制 .354.1 在线测量系统需求分析及总体方案设计 354.2 探针优化设计 364.2.1 耐磨材料选取 .364.2.2 结构设计 .374.2.2 测控电路设计 .384.2.3 气路优化设计 384.3 模块化测控机设计 .394.4 软件优化设计 .394.4.1 处理

17、算法优化设计 .404.4.2 功能设计 .404.4.3 界面设计 .404.5 在线测量系统优化设计形成方案 424.6 本章小结 43第五章 光脉动法煤粉细度在线测量系统的应用 .455.1 应用背景 455.2 系统安装与调试 .455.3 系统测量结果与分析 465.3.1 系统长时间运行监测结果 465.3.2 煤粉取样验证 475.3.3 相同磨煤机不同送粉管道煤粉细度情况 .475.3.4 不同磨煤机管道煤粉细度情况 485.4 本章小结 48第六章 结论与展望 .496.1 结论 496.2 展望 49参考文献 .50在读期间工况发表的论文情况 .55第一章 绪论1第一章 绪

18、论1.1 课题研究背景及意义在我国国民经济和社会发展中节能减排是一项长远战略方针。 国家中长期科学和技术发展规划纲要中明确提出要“攻克主要耗能领域的节能关键技术，大力提高一次能源利用效率和终端用能效率” ， “促进煤炭的清洁高效利用，降低环境污染” 。 国民经济和社会发展第十二个五年规划纲要中明确提出“到 2015年能源消耗强度比 2010 年要下降 16%，温室气体的排放强度要下降 17%，主要污染物的排放总量要下降 8-10%”1。目前及未来很长一段时间内我国能源主要都将来源于燃煤。据统计，我国电力、钢铁、石化等六大高能耗行业的节能减排潜力为 3.7 亿吨标准煤，其中电力行业节能减排潜力占

19、到六大行业节能总量的47%2。以煤炭作为燃料的火力发电是一次能源的消费大户，更是节能减排的潜力大户，对实现国家“十二五”节能减排目标具有举足轻重的作用。有关数据表明，通过先进的燃烧优化，燃煤发电的节能潜力可达 10g/kWh，形成的节煤量每年 2700 万吨标准煤，减少 CO2 排放约 7000 万吨，减少 NOx 排放约 340 万吨，占NOx 排放总量的 20%，减少 SO2 排放 40 多万吨。此外，煤耗降低将有助于PM2.5 问题的改善。2014 年国家能源局牵头制定煤电节能减排升级改造行动计划(2014-2020 年) ，提出全国新建煤电机组平均供电煤耗低于 300g/kWh，5 年

20、后通过升级改造使全国在役机组平均供电煤耗达到 310 g/kWh 的水平 3。因此，提高火力发电电站锅炉效率、降低污染物排放是国家节能减排的重要目标之一，也是国际上火力发电领域的研究热点。据公开文献显示，通用电气、西门子、阿尔斯通等国际顶级电气企业和美国电力研究院等许多科研机构都在开展电站锅炉的燃烧优化控制研究，开发了多种电站燃烧优化系统软件和相应的监测技术和仪器，如图 1-1 所示，主要包括激光煤质在线实时检测装置、煤粉管道堵塞预报装置、智能吹灰优化系统等，取得了诸多富有成效的成果，有些也已在国内若干电厂得到应用，但价格十分昂贵。煤粉炉是电站锅炉应用最普遍的形式之一，它将燃料随空气一起进入燃

21、烧室，并在悬浮状态下燃烧：由于细小的煤粉颗粒与空气接触表面积较大，使其燃烧迅速且效率很高（约 88%-93%） ；良好的燃烧又促使炉膛内温度较高，增强其对煤种的适应性，故工业大型燃煤锅炉广泛采用煤粉炉形式。在供电煤耗有严格要求上海理工大学硕士学位论文2的情形下，电站煤粉炉的燃烧优化势在必行，其中重要环节之一就是煤粉及其输运过程的优化控制，如图 1-2 所示，为目前国际上采用的主要煤粉及其输运过程优化控制技术，包括煤粉参数实时在线测量技术、煤粉优化分配技术等。然而在煤粉气相输运过程中，气固两相流流动工况相当复杂，参数众多，流型多样，煤粉参数（粒度、浓度和速度）测量困难，但却又是燃烧优化控制的核心

22、参数之一4，特别是煤粉粒度参数，它直接影响燃烧效率和燃煤颗粒物的产生，对提高锅炉燃烧效率和降低粉尘排放都有重要意义 5。图 1-1 目前国际上电站锅炉燃烧优化控制的主要研究成果图 1-2 煤粉及输运过程优化控制系统第一章 绪论3虽然国际上也已经发展了一些基于取样-光散射法、超声法、图像法的煤粉粒度在线测量技术及系统：取样-光散射法通过取样装置将煤粉管道中煤粉取样送入光散射粒度测量装置中，能够在线分析出煤粉粒度分布，但是测量结果准确性和代表性都受到取样的影响；超声法具有非接触、无需对管路进行机械改造等优点，但由于受被测对象物性参数影响较大，测量准确性和灵敏度都将受到一定影响；图像法测量结果直观，

23、但要求煤粉两相流浓度较稀，且测量精度受相机分辨率和视场限制。光脉动法（Light Fluctuation Transmission, LFT ）是利用透射光强随机变化规律结合光散射理论在线测量气固两相流颗粒粒径的方法，具有结构简单、对测量环境要求低、长时间运行可靠等优点，更适合工业现场的在线监测。上海理工大学颗粒与两相流测量研究所蔡小舒教授研究团队自上世纪九十年代开始，针对煤粉参数（特别是粒度参数）在线测量这一技术难题，提出了光脉动法煤粉粒度参数在线测量方法。其工作原理是：当光束照射气-固两相流时，被照亮区域内的颗粒数是随时间变化的，造成透射光强出现脉动信号。将不同时刻光束照亮区域内的颗粒数作

24、为随机事件，建立颗粒粒径参数及颗粒数与透射光强的关系，便可实现对气-固两相流颗粒粒径的在线测量。目前，该项工作在理论研究、算法优化、实验验证、工业现场应用探索等方面取得了很多成果，成功实现了对电站煤粉粒径的在线测量，并据此为锅炉运行和燃烧优化控制提供了直接数据支撑，取得了很好的效果，但对工程应用来说，还存在一些问题：1、探针材料耐磨损问题因为电站锅炉煤粉输运浓度较大，为保证光脉动信号强度，要求测量区较小，因此必须设计结构件插入管路中进行测量，然而煤粉冲刷严重，材料磨损较为严重。如图 1-3 所示，为采用 2.5mm 厚普通陶瓷材料（95%氧化铝纯度，普通工艺）探针在电厂煤粉管路运行六个月后出现

25、了严重磨损，甚至出现结构穿孔，引起探针测量失效。因此，在工程应用上，必须首先研究陶瓷材料的耐磨性能，优选材料以解决探针材料的磨损问题。图 1-3 出现磨损的普通陶瓷材料探针上海理工大学硕士学位论文42、测量结果的稳定性问题如图 1-4 所示，为系统 24 小时运行煤粉粒径测量结果，可知，测量结果在40-60m 范围较大波动，这对燃烧优化反馈控制来说是远远不够的。究其原因主要有以下几点：(1)前端传感器信号传输干扰较大；(2)煤粉管路浓度变化；(3)处理算法不稳定等。这些问题也是系统工程应用亟待解决的问题。图 1-4 系统运行 24 小时煤粉粒径测量结果3、产品的标准化、通用型问题在过去的应用探

26、索中，都是针对某一特定需求开展系统设计，如 300MW 发电机组 20 根煤粉管路、600MW 发电机组 28 根煤粉管路等，并且产品未进行标准化设计。系统没有通用性，造成大量重复性工作，成本较高。为了系统的大规模工业应用，对系统的设计必须综合考虑各种因素，对产品标准化设计，以实现系统的通用性，以提高产品生产的经济性。综上所述，这些问题的出现都给产品的工程应用带来了很多困难，因此，本文期望总结在工业现场实验出现的各种问题，以标准化、通用型为目标，实现光脉动法煤粉细度在线测量系统的产品化研制，并将其应用于电厂煤粉管路，实现煤粉参数的长时间可靠稳定在线检测。1.2 气固两相流颗粒粒径测量方法气固两

27、相流广泛存在于能源与动力、化工、建材等工业领域，如煤粉的气力输送、化工催化剂颗粒气力输运及建材水泥生料制备输运等。近年来，随着对气固两相流输运的优化控制需求不断提高，气固两相流颗粒粒径测量方法不断发展。第一章 绪论5目前，主要有取样离线分析法、取样-在线分析法、超声法、图像法等，以下将详细介绍：1.2.1 取样离线分析法取样离线分析法是目前工业生产中最为常用的方法。该方法按照一定的操作流程，利用特定的取样装置对气固两相流输运管路中固体颗粒进行取样，并利用筛分法、激光粒度仪、静态图像法进行离线分析，获得颗粒的粒径参数。在取样离线分析法中，取样是关键，只有取样样品具有代表性，才能准确分析输运管路中

28、颗粒粒径参数。取样装置设计通常采用反吹射流原理 6，对通过无尘密封接头插入输运管道的取样枪进行抽吸流量控制，抽吸出来的固体颗粒流送往旋风分离器，由其将颗粒分离出来。如图 1-5 所示，为 4 个等截面取样点由电机驱动旋转取样探头在气固两相流管道内均匀旋转完成对整个管道截面的连续旋转取样。(a) 取样探头取样截面图 (b) 取样过程示意图图 1-5 煤粉旋转取样装置由于该方法为离线分析方法，测量结果具有滞后性，无法实现气相输运的实时优化控制，并且取样样品代表性受取样过程影响。1.2.2 取样在线测量方法针对取样离线测量方法结果滞后性这一缺陷，英国马尔文公司、英国XOPTIX 公司等提出利用光衍射

29、法或散射法对取样样品进行实时分析，并形成了Insitec 粒度仪和 Xoptix 在线粒度仪两种在线测量产品，以满足气固两相流工艺过程需要。英国 Xoptix 在线粒度仪 7（见图 1-6）是一款广泛适用工业现场需要的在线粒度监控工具，能够 24 小时连续地监测产品输送过程，计算出待测产品颗粒的上海理工大学硕士学位论文6粒径及粒径分布，并实时记录其相应的变化趋势，协助用户控制好产品质量的稳定性和连续性。Xoptix 在线粒度仪的测量原理：激光衍射散射法如图 1-7 所示，光束由激光器发出，经过准直镜和扩束镜对原激光进行准直扩束，然后形成一束单色平行光，该单色平行光束穿过含有待测颗粒物的测量区，

30、在测量区域中入射光前方一个散射半角 15）的消光总效应是其在extK单位时间内投影面积遮挡光能的 2 倍，可以理解为：单位时间内在 （ 颗粒在垂直于光波传播方向上的投影面积 ） 面积中入射光总能量为 E 被散射或被吸收；而在颗粒后面的阴影区，存在一个假想的区域，在该区域中有一个颗粒散射波，该散射波的振幅等于入射光波振幅，并且其相位同入射光波相差，它在单位时间内的能量也等于 E，故大颗粒的消光系数趋近于 234。最后需要重要说明的是：Mie 理论所得结论反映的规律具有普遍意义，由实践证明 Mie 理论中一些计算式，如消光截面、散射光光能等计算式，在一定范围内完全适用于一般普通颗粒。其次，Mie

31、理论存在一定的局限性：比如 Mie 理论讨论的是单个颗粒的情形，其结论对于不相关散射颗粒群近似成立；而对于复散射颗粒群，由于各个颗粒散射的相干部分就不能忽略，因此计算其散射光强不能再做简单地叠加。第二章 光脉动法煤粉参数在线测量理论基础及基本原理172.2 Beer-Lambert 定律图 2-3 光穿越介质的消光情形在气固两相流颗粒参数测量中，浊度（消光）是一个需要被测量的光散射信号。当一束平行单色光入穿越含有待测颗粒群的介质时， （图 2-3） ，由于颗粒的消光（散射与吸收）作用，前向接收光强度不断衰减，使透射光强小于原始光强，因此假设颗粒均为单分散系且颗粒分布与光程 L 无关，可以根据

32、Mie 理论中的消光截面 * MERGEFORMAT (2.21)来计算光束穿越厚度为 dl 的薄层后衰减extC的光能：* MERGEFORMAT (2.21)00extAdICNl式中，A 0 代表消光区域的截面积，N 代表颗粒数目浓度， 为该薄层内的0extCNAdl总消光截面。对上式积分可得：* MERGEFORMAT (2.22)00extNCLII式中，浊度 表示单位体积内所有颗粒的总消光截面。式* MERGEFORMAT (2.21)和* MERGEFORMAT (2.22)成立前提是单分散系颗粒群。在多分散颗粒系中，颗粒数目浓度 N(D)和消光截面 均为颗粒粒径 D 的函数，故

33、式* extMERGEFORMAT (2.22)可改写为： * MERGEFORMAT 0ln()()extILNKd(2.23)其中， 代表颗粒的投影面积，上式即为描述光在颗粒介质中的衰减规律的()D上海理工大学硕士学位论文18Beer-Lambert 公式。它为光脉动法煤粉参数测量中消光计算的重要基本理论依据。2.3 随机信号随机变量是针对随机试验而言，它可以认为是某一时刻的随机变量的情况，如煤粉管道内风粉两相流中煤粉颗粒某一时刻在某一空间体积中的数量。所以时间历程中基本事件空间 中的随机变量 ，它应是基本事件 和时间 t 的函数 35，即：* MERGEFORMAT (2.24)(,)t

34、由试验中所产生的全部记录 构成的集合称为总体，任一随机物理过程均可以用它来表征。在式* MERGEFORMAT (2.24)中所列举的参数是时间t，它还可以是其它任何有物理意义或无物理意义的量。但在研究实际问题中，该参数大部分是时间，因此习惯上把这类随机变量过程称为随机信号，或者说随机信号是随机变量的时间过程。可以具象理解为：将煤粉颗粒在某一时刻某一空间体积中的数量作为随机变量，则由光电探测器接收到穿越含该颗粒群的透明介质的透射光信号为随机信号。随机信号无法用确定的数学关系式进行描述，也无法预测其未来任何时刻的瞬时值，每一次测量结果仅代表其在变动范围内可能出现的结果之一，但观测值的变动服从数学

35、统计规律。2.3.1 颗粒数随机变量分布的数学规律随机变量是取值依赖于某个随机试验的结果，并随着试验结果不同而变化的变量。数学上随机变量是定义在样本空间上具有某种可测性的基本事件的实值函数，它在已知分布函数求随机变量在某一区间概率层面上完整地描述了随机变量的统计规律性，故它是研究随机变量的重要工具。设 X 是一个随机变量，对任意实数 x，记 ，称 F(x)为随机变FPX量 X 的分布函数，它在点 x 处的函数值是事件 的概率，即随机变量 X 在上取值的概率。(,x在实际一些工程应用问题中，不需要去全面考察随机变量的统计特性，仅需求得随机变量的某些数字特征，就可反映随机变量的整体情况。随机变量常

36、用的数字特征有数学期望与方差。设离散型随机变量 X 的分布律为：第二章 光脉动法煤粉参数在线测量理论基础及基本原理19* MERGEFORMAT (2.25)PXk1,2.kxp，若级数 绝对收敛，则称级数 的和为随机变量 X 的数学期望，记1kxp1k为 E(X)。即可以得到数学期望 E(X)的定义为：* MERGEFORMAT (2.26)1kxp若 存在，则称 为 X 的方差，记为 ，即22DX方差 的定义为： DX* MERGEFORMAT (2.27)2DXE引入标准差或均方差 记为 ，它于随机变量 X 具有相同的量纲。（ ）方差 表示随机变量 X 的分散程度，即与其数学期望 E(X

37、)的偏离程度。DX由式* MERGEFORMAT (2.27)可以看出，方差 实际上为函数D的数学期望，根据离散型随机变量的性质可知：2gE* MERGEFORMAT (2.28)21DXkkxEXp其中 ，k=1,2,是 X 的分布律 36。PXkxp研究气固两相流中煤粉颗粒的重要数学模型是：将在某一特定狭小空间体积内煤粉颗粒的数量作为随机变量，根据概率论知识可知，它满足于泊松分布率。下面针对这一个重要的离散型随机变量进行介绍。设在所有可能取的值为 0，1，2.中，随机变量 取各个值的概率为X* MERGEFORMAT Pk012.!keX， ， ，(2.29)其中 0 是常数，则称随机变量

38、 X 服从参数为 的泊松分布，记为 。P根据分布函数 可知，随机变量 X 的数学期望为：FxP(x)上海理工大学硕士学位论文20* 10EX!kkeeMERGEFORMAT (2.30)即 。EX* 20222()(1)(1)(!kkkEXXEXeMERGEFORMAT (2.31)所以方差为：* MERGEFORMAT (2.32)22DXEX综上可知，泊松分布的数学期望与方差相等，均为参数 。泊松分布只含有这一个参数 ，并且在煤粉管道内风粉气固两相流实际测量中， 正是所研究特定体积中所包含煤粉颗粒数这个随机变量的均值和方差。利用这两个随机变量数字特征相等的特性，将大大简化煤粉参数理论算法推

39、导，使煤粉参数在线测量的工程应用成为可能。2.3.2 随机信号的概率密度函数、分布函数和数字特征随机信号的概率密度函数定义中多了一个时间变量 t，下面给出的是在某一确定时刻 t1 随机变量的概率密度函数：* MERGEFORMAT (2.33)11(xt),P()xtp同理，随机信号的分布函数为：* MERGEFORMAT (2.34)11(),t(tF对于不同时刻 t1 ，t 2 ，t 3 都可以给出概率密度函数和分布函数，并且他们均是一维函数，描述了随机信号的各个孤立时刻的统计特征。由于随机信号的数字特征是随机变量的时间过程，所以随机信号数字特征有总集数字特征和时间数字特征之分。在此本文所

40、研究的随机信号属于离散型，故第二章 光脉动法煤粉参数在线测量理论基础及基本原理21仅阐述离散取值的随机信号，其 t1 时刻的总集均值和方差为：* MERGEFORMAT (2.35)11()(t)t,)kkEpA* MERGEFORMAT (2.36)2111tttDE而在总体的某一随机试验中的时间均值和方差为：* MERGEFORMAT (2.37)()lim()2NTkNEA* MERGEFORMAT (2.38)2ETkTKD式中 N 是实验总次数。为在工程应用中具有实际测量意义，需要定义一信号为各态历经的：即该随机信号的总集在某一时刻 t1 的统计特征等于其中间的任何一随机试验在长时间

41、内的统计特征。根据各态历经的随机信号的特性，可以通过获取一次随机信号的信息去推断出总体的特性，从而很大程度地减小实际测量过程中信号采集和处理的工作量。2.4 光脉动法测量粒径基本原理光脉动法气固两相流颗粒粒径测量基本原理是：当光束照射气固两相流时，被照亮区域内的颗粒数是随时间变化的，造成透射光强出现脉动信号。将不同时刻光束照亮区域内的颗粒数作为随机事件，建立颗粒粒径参数及颗粒数与透射光强的关系，便可实现对气固两相流颗粒粒径的在线测量 37,38,39。图 2-4 光脉动法气固两相流颗粒粒径测量原理示意图上海理工大学硕士学位论文22如图 2-4 所示，当平行单色光束穿越含有煤粉颗粒的介质时，由于

42、煤粉颗粒对光的散射和吸收，其中对透射光强造成的衰减，可用 Lambert-Beer 定律描述，：* MERGEFORMAT 20ln,4mmextILNDK(2.39)其中， 为对数透射率， 为煤粉颗粒的平均粒径，I 0 为入射光强，I 为透m射光强，N 为单位体积颗粒浓度，L 为测量光束行程， 为消光系数，它是煤粉ext颗粒平均粒径 、相对折射率 m 和入射光波长 的复杂函数，可由 Mie 散射理论mD求得。当单色平行光束的截面积为 ，则测量区的体积为 ，又由式* 0A0ALMERGEFORMAT (2.4)和式 * MERGEFORMAT (2.6)知消光截面积为 ，ext tCK则式*

43、MERGEFORMAT (2.39)可以改写成：* MERGEFORMAT (2.40)ext0lnoICA式中 n 是测量区内的煤粉颗粒数， 。当减小测量单色平行光束的截NL面积 ，则测量区煤粉颗粒数目也会相应减少。当 减小到一定程度，测量区0A 0内煤粉颗粒数目随时间变化呈现出随机性，从而造成透射光强 I 随机出现脉动信号，如图 2-5 所示。这种脉动是测量区内煤粉颗粒数和粒径变化造成的，通过建立光脉动特征与颗粒数、粒径的关系，最后分析易于采集的电压信号脉动从而得到煤粉颗粒的粒度参数。图 2-5 光脉动信号测量区内煤粉颗粒数可用泊松分布描述，因此测量区内颗粒数的方差与期望相等，即 E(n)

44、=D(n)，由此可建立对数透射率 与颗粒数 n 的统计关系等式，求第二章 光脉动法煤粉参数在线测量理论基础及基本原理23解颗粒消光面积：* MERGEFORMAT (2.41)20extDIAC其中，D(I 2)表示透射光强 I 平方的统计方差， 为对数透射率的特征函数。则煤粉颗粒的平均粒径为：* MERGEFORMAT (2.42)ext4mtCK用光脉动法测量煤粉颗粒粒径是直接得到煤粉颗粒的消光面积，然后再利用消光面积与煤粉颗粒的粒径是一一对应关系求得粒径参数，如果用上面的方法得到了煤粉颗粒的消光面积，也可以根据需要求得其单位体积内的数量浓度。2.5 本章小结本章详细介绍了光脉动法气固两相

45、流颗粒粒径测量的基本原理，主要包括光散射理论、Beer-Lambert 定律、随机信号规律等，根据这些基本原理，通过某一较小空间体积中的颗粒数量满足泊松分布假设，建立了透射光强信号与颗粒粒径的关系，由此形成了光脉动法气固两相流颗粒粒径测量原理。第三章 光脉动法气固两相流颗粒粒径测量方法实验研究24第三章 光脉动法气固两相流颗粒粒径测量方法实验研究为更好地研究气固两相流中颗粒参数测量，设计并搭建了一套气固两相流实验装置以模拟不同工况下的煤粉气固两相流，详细分析不同风速及煤粉浓度条件下透射光强信号脉动衰减特征以及对颗粒粒径测量结果的影响，并利用离线分析法与图像在线测量方法对光脉动法测量结果进行验证

46、。3.1 气固两相流实验平台为了模拟不同工况气固两相流以及为光脉动测量方法研究提供对象，设计和搭建了一套气固两相流实验平台，该系统如图 3-1 所示，主要包括：工控机、采集机箱、给料器、流量计、风机、变频器、旋风分离器、文丘里风粉混合器等。图 3-1 气固两相流实验平台如图 3-2 所示，气固两相流实验平台工作流程是：固体颗粒（如煤粉、面粉、玻璃珠）由给料器下落到文丘里管混合器，此时，混合段管道内部处于微负压状态，从而保证顺利给料且避免给料器中固体颗粒由下往上逆流。固体颗粒与空气在混合段充分混合后，由始端风机正压送风推动气固两相流在系统管道内循环。设计时对鼓风机电机及给料器电机配加变频器，可根据实验模拟工况需要，调节风机和给料电机工作频率，实现管道内风速和颗粒浓度在一定范围内可调。