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静电粉体流量计的理论与实验研究

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  1 引 言

  粉体燃料的气力输送在燃煤电站有着广泛的应用,其固气质量比通常低于 1.5:1,体积浓度小于 0.05% (100℃),属于典型的稀相气固两相流动[1]。由于相浓度过低,使得基于衰减原理的声学法、辐射法和微波法的仪表难以获得实际的应用[2]。根据固体的接触起电理论,粉体在气力输送过程中,会积累一定程度的电荷,该现象是由颗粒与颗粒之间,颗粒与管壁之间的连续碰撞、摩擦、分离过程引起电荷的转移而造成的[3-6]。基于荷电粉体与传感器电极之间静电感应机理的圆环式静电流量计具有非侵入、响应快、安装简易、灵敏度高,更适合于测量稀相条件下粉体的速度、浓度、质量流量甚至粒径等参数[7-8]。

  静电流量计可取代常规的通过采样方法来获取粉体燃料的分布以及颗粒的品质,实现对制粉系统在不同工况条件下进行实时监测。通过其提供的连续在线反馈信息,迅速发现磨煤机制粉过程中不稳定和异常情况,及时且合理设定一次风中的粉体燃料与空气的混合比,能有效的降低炉膛内飞灰含炭量,提高锅炉以及静电除尘器的效率。此外,除了改善磨煤机的运行,还可为输入炉膛二次风量的控制提供依据。根据气固两相流参数制定出相关指示指标,对制粉过程中可能出现的事故情况做出预警,提高了整个系统的安全可靠性。使得电站的运行得以优化[11]。

  本文在对圆环式静电流量计的灵敏场进行三维有限元分析的基础上,建立了流量计输出信号与检测电路参数、颗粒荷电量的大小和空间分布、颗粒的速度及其携带电荷随时间的变化率之间的关系。利用传送带实验装置对上述理论分析进行了初步的验证。最后,以煤灰作为实验粉体,在 Teesside 大学粉体气力输送系统上对内径为40 mm 的静电流量计,获取了不同气固比条件下粉体质量流量和检测信号的标定结果。

  2 静电流量计的结构和等效电路分析

  如图 1 所示,圆环式静电流量计的探头部分由短管、环状电极和绝缘填充层组成。绝缘材料和电极片依次镶嵌于管壁中,电极内表面与管道内壁面平齐,故电极对轴向粉体流动无阻碍。短管两端通过法兰与其余管道连接,接地金属管壁起电磁屏蔽罩的作用。

  

  荷电颗粒分布于探头的敏感空间时,基于静电感应作用,探头上将感应出一定量的电荷 Q,前置电路与探头相接并对信号进行放大。等效电路简化后如图 2 所示,根据Kirchhoff 电流原理,下式成立

  Ui(t)为运放输入电压,R=(RaRi)/(Ra+Ri);C=Ca+Ci+Cc;Ca和 Ra分别为传感器探头对地的电容和绝缘电阻。Cc为电缆的分布电容。Ci,Ri分别为运放的输入电容和电阻。R,C 分别为等效电容和电阻。对式(1)作拉普拉斯变换可得:

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标签: 流量计
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