气力输送管道中煤粉浓度及相分布测量方法研究

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1、( 申请华北电力大学工学博士学位论文)培养单位：控制科学与工程学院一级学科：动力工程及工程热物理专业名称：热能工程研究生：段泉圣指导教师：刘吉臻副指导教师：2 0 0 9 年1O 月f o rt h ed e g r e eo fD o c t o ro fP hil o s o p h yI nT h e r m a lE n g i n e e r i n gb yD u a nQ u a n s h e n gS u p e r v i s e db yP r o f L i uJ i z h e nS c h o o lo fT h e r m a lE n g i n e e r i

2、 n gO c t o b e r2 0 0 9布测量方法研究，是本人在华北电力大学攻读博士学位期间，在导师指导下，独立进行研究工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用的内容外，本学位论文的研究成果不包含任何他人享有著作权的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集体，均已在文中以明确方式标明。期：秒丝事关于学位论文使用授权的说明本人完全了解华北电力大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保管、并向有关部门送交学位论文的原件与复印件；学校可以采用影印、缩印或其它复制手段复制并保存学位论文；学校可允许学位论文被查阅或借阅；学校可以学术交流为目的，复制赠送和交换学位论文；同意

3、学校可以用不同方式在不同媒体上发表、传播学位论文的全部或部分内容。( 涉密的学位论文在解密后遵守此规定)导师签名：j7 勿互华北电力大学博十学位论文摘要摘要火力发电厂煤粉输送管道内风粉二相流参数的实时检测与锅炉燃烧的安全性、运行的经济性和可靠性直接相关。气固二相流作为公认的复杂的非线性动态系统，相间存在着界面效应和相问速度，使得气固二相流参数检测的难度较大。本论文在广泛了解和掌握现有的技术基础之上，将风粉二相流体的研究划分成三个层次：第一层次是锅炉燃烧安全的需要，第二层次是锅炉运行经济性的需要，第三个层次是气固二相流体理论研究层次的需要。本论文的目的在于基于国内材料、机械、电子等相关工业现有水

4、平的基础之上，设计出可实现的、且能够可靠应用于工程测量的风粉二相流有效测量方法，满足发电锅炉运行对气固二相流测量的第一层次的需要并部分满足第二层次的需要。为此，本文发展出了基于Y 射线吸收法的硬场感测绝对测量法。在实现上述目的过程中，本论文的主要创新工作在于：l 、提出了一种基于Y 射线吸收法的气力输送管道中煤粉相浓度及相分布实时测量方法。将点Y 射线源布置在传感器管道的轴心，Y 射线源准直器3 6 0 。平面角出射；Y 射线探测电离室多腔独立结构，传感器管壁外环形阵列。将一次风中煤粉自管道轴心到3 6 0 。管壁圆周上的等效堆积厚度测出，其等效堆积厚度值与管道半径之比既作为相应扇形截面的电离

5、室所对应的传感器管道内测量子空I 日J 的煤粉体积浓度，又作为煤粉在该半径上的相分布信号。本论文所提出的煤粉体积浓度及相分布实时测量方法作为论文的技术核心，已申请了国家发明专利，申请专利名称：气力输送管道中煤粉浓度及相分布的实时检测装置，专利申请号：2 0 0 8 1 0 2 4 0 3 2 7 O ，申请同期：2 0 0 8 12 17 。2 、传感器管道采用可伐( K o v a r ) 合金包壳与A 1 2 0 3 陶瓷衬罩复合结构。由于可伐合金具有与A 1 2 0 3 陶瓷相近的线膨胀系数，这种复合结构既满足了管道内壁的硬度要求，也满足了传感器外壳的强度要求。在同铁材料相同的厚度的情况

6、下，对Y 射线的衰减大大降低，且在测量过程中，Y 射线只需穿透单侧管壁。在满足煤粉相浓度及相分布测量的分辨率、准确度要求的基础之上，使测量对Y 射线源的放射性活度要求大为降低。对于工业用Y 射线源，其放射性活度水平越低，则Y 射线防护越容易实现，这种复合结构传感器管道，也是本论文提出的具有新颖性的解决方案。3 、提出了一种气力输送管道中煤粉沉积工况实时测量方法，为有效控制输粉风速，使其处于最佳状态运行，找到了表征参数。煤粉在输送管道中的流动属于稀疏气固二相流，管道在正常运行工况下，任一华北电力人学博十学位论文摘要横截面上煤粉相分布差别并不明显；而多传感器下部任一测量子空间煤粉等效堆积厚度超过了

7、某一阈值( 如锅炉额定负荷所对应的每支输粉管道内煤粉在直径上的堆积厚度) ，即表明出现了煤粉沉积工况，据此可通过实验界定最合理的输粉风速，实现对输粉管道更有效、更准确的控制。关键词：传感器，测量，风粉二相流，体积浓度，相分布d l t n c u l t B a s e do nw i d e l ys t u d i e st h ee x i s t i n gt e c h n o l o g y , t h ep a p e rd i v i d e st h e h o ta i r p u l v e r i z e dc o a lt w op h a s ef l o wr e

8、 s e a r c ht ot h r e el e v e l s ：t h ef i r s tl e v e li st h en e e do ft h eb o i l e rc o m b u s t i o ns a f e t y , t h es e c o n di st h en e e do fo p e r a t i o n a le c o n o m i c a le f f i c i e n c y ,a n dt h et h i r di st h en e e do fg a s - s o l i dt w o p h a s ef l o wt

9、h e o r yr e s e a r c hl e v e l T h ea i mo ft h ep a p e ri st om a k eu pe f f e c t i v em e t h o dw h i c hc a nb ea p p l i e dt oa c t u a le n g i n e e r i n gh o ta i r - p u l v e r i z e dc o a lt w op h a s em e a s u r e m e n t ，u s i n gc u r r e n tt e c h n o l o g y , t om e e t

10、t h en e e do ft h ef i r s tl e v e la n dp a r to ft h es e c o n dl e v e l T h e r e f o r et h ep a p e rr e s p e c t i v e l yp r o v i d e sah a r df i e l ds e n s i n ga b s o l u t em e a s u r e m e n tm e t h o db a s e do nT - r a ya b s o r p t i o nl a w T h er e a l - t i m em e a s

11、 u r e m e n to fp u l v e r i z e dc o a lc o n c e n t r a t i o na n dp h a s ed i s t r i b u t i o ni sp o s s i b l ei ne n g i n e e r i n g I nt h ep r o c e s so fr e a l i z i n gt h ea b o v ea i mt h em a i ns t a t i s t i c a li n n o v a t i o ni sb e l o w ：1 T h em e t h o do fp u l

12、 v e r i z e dc o a lv o l u m ec o n c e n t r a t i o na n dd i s t r i b u t i o nm e a s u r i n gi nt h ep n e u m a t i cc o n v e y o LT h e 丫p o i n ts o u r c ew a su s e da n df i x e da tt h ec r o s s s e c t i o nc e n t r eo ft h es e n s o rc o n d u c t ；t h ec o l l i m a t i o ne x

13、 i tp o r t a lw a sv e r t i c a lt ot h ea x i sl i n eo ft h ec o n d u c t ，i nw h i c ht h eo u t g o i n gb e a mo ft h e 丫r a y sw a sa s s u m e da tt h ep l a n e3 6 0 。；T h ep r o f i l eo ft h e i o n i z a t i o nc h a m b e rw a sd e s i g n e dr i n gc r o s ss e c t i o ni nd e p e n

14、d e n tm u l t i c a v i t y B yw h i c ht h ee q u i v a l e n tt h i c k n e s so ft h ep u l v e r i z e dc o a lc o u l db ed e t e r m i n e df r o mt h ea x i st ot h ep i p ew a l lo ft h es e n s o ra 1 1a r o u n dt h e36 0 0 c i r c l e 。t h er a t i ob e t w e e nt h ee q u i v a l e n tt

15、 h i c k n e s sa n dt h er a d i u so ft h ep i p ec o u l db et a k ea sv o l u m ec o n c e n t r a t i o ni nt h es u b s p a c ei nt h es e n s o rw h i l es e r v i n ga st h ed i s t r i b u t i o no ft h ep u l v e r i z e dc o a li nt h ec o r r e s p o n d i n gr a d i u s T h em e t h o d

16、p r e s e n ti nt h i sd i s s e r t a t i o nA b s t r a c tb e l o n g st oah a r d f i e l ds e n s i n g ，a b s o l u t em e a s u r e m e n t T h em e a s u r e dv a l u eo ft h ec o n c e n t r a t i o na sw e l la sd i s t r i b u t i o no ft h ep u l v e r i z e dc o a li nap n e u m a t i c

17、c o n v e y o rc o u l dn o tb ei n f l u e n c e db yt h ec h a n g e so fh u m i d i t y , f i n e n e s st e m p e r a t u r e ，f l o wp a t t e r n ，v e l o c i t yo ft h ec o n t i n u o u sp h a s e T h ee f f e c t e db yt h ea l t e r a t i o no fe f f e c ta l t e r a t i o n sc a u s e db

18、yc a t e g o r i e so ft h ec o a lc o u l db ee l i m i n a t e ds e t t i n gd i f f e r e n tl i n e a ra b s o r p t i o nc o e f f i c i e n ta c c o r d i n gt h ec o a l T h em e a s u r e m e n tm e t h o do ft h ev a l u ec o n c e n t r a t i o na n dd i s t r i b u t i o np r e s e n t e

19、di nt h ed i s s e r t a t i o na st h et e c h n o l o g yn u c l e u sh a sb e e na p p l i e df o raC h i n ap a t e n t D a t e ：2 0 0 8 12 17 ；N o 2 0 0 810 2 4 0 3 2 7 O2 C o m b i n e dK o v a ra l l o ya n dA 1 2 0 3C e r a m i c sa st h em a t e r i a lo ft h es e n s o rc o n d u c tw a ss

20、 u g g e s t e dw i t hr e g a r dt oi n d u s t r i a l 丫r a ys o u r c e ，t h el o w e rr a d i oa c t i v i t yl e v e l ，t h ee a s i e rr a d i o a c t i v i t yp r o t e c t i o nw a sa c c o m p l i s h e d ，A 1 2 0 3C e r a m i c sa n dK o v a ra l l o yc o m p o s i t e ds e n s o rc o n d

21、u c tw a sa d o p t e df o rt h ep u r p o s eo fr e d u c t i o ni n 丫r a ys o u r c er a d i o a c t i v i t y O nt h ep r e m i s eo ft h er e s o l u t i o nr a t i o ，a c c u r a c yr e q u i r e m e n t ，t h a tw a sa ni n n o v a t i o ns o l u t i o np r e s e n t e di nt h i sd i s s e r t

22、a t i o nt h el i n e a ra b s o r p t i o nc o e f f i c i e n to ft h ea l l o ya n dc e r a m i cd o u b l ec o m p o u n dm a t e r i a lt o 丫r a yw a sl e s st h a ns t e e lb e s i d e si t sh i g h t e m p e r a t u r er e s i s t a n c e ，t h er a d i o a c t i v i t yo ft h em e a s u r e m

23、 e n td e m a n d e dt ot h e 丫r a ys o u r c ec o u l db er e d u c e do b v i o u s l ya n dt h er a d i a t i o np r o t e c t i o nc o u l db ee a s i e rt or e a c ht h es t a n d a r do ft h en a t i o n 3 Ad i s c r i m i n a t i o nt h e o r yo fs e d i m e n t a r yc o n d i t i o n ，i d e

24、n t i f i c a t i o nm e t h o da b o u tt h eo p t i m u mr a t i ob e t w e e nb l o wa n dp u l v e r i z e dc o a li nap h p n o u m a t i cc o n v e y o rw e r ea d v a n c e di nt h ed i s s e r t a t i o n T h ef l o wo fp u l v e r i z e dc o a li nt h ep h e u m a t i cc o n v e y o rb e l

25、o n g st ot h i ng a s s o l i dt w op h a s ef l o wt h es e d i m e n t a r yc o n d i t i o nw a sc a u s e db yt h ef o r c eo fg r a v i t yw h e nt h ev e l o c i t yo ft h ec o n t i n u o u sp h a s ew a su n d e r s p e e d ，i nt h er e g u l a rs e r v i c ec o n d i t i o n s ，t h ed i f

26、f e r e n c eo ft h ec o n c e n t r a t i o na n dt h ed i s t r i b u t i o nd i f f e r e n ta r eae f f e c ti na r e aa f f e c t so ft h ec r o s ss e c t i o nw a sn o to b v i o u s ，t h ep u l v e r i z e dc o a ld e p o s i t i o nf i r s te m e r g e da tt h el o w e s tp o i n ti nt h es

27、 e n s o rc o n d u c tw h e nt h es e d i m e n t a r yc o n d i t i o no c c u r r e d ，S Ot h es e d i m e n t a r yc o n d i t i o nc o u l db ei d e n t i f i e dw h e nt h em e a s u r e dv a l u eo ft h ep u l v e r i z e dc o a lc o n c e n t r a t i o ni nt h ed i r e c t l yb e l o wm e a

28、s u r e m e n ts p a c ew a st h i c k e rt h a na d j a c e n ts p a c eo v e rat h r e s h o l dv a l u e ，a n dt h es u p e r i o rl i m i tt ot h el o w e rl i m i to ft h et h r e s h o l dv a l u ec o u l db ed e f i n e da so p t i m u mr a t i ob e t w e e nb e l o wt oa n dp u l v e r i z e

29、 dc o a la n dt h et h r e s h o l dv a l u ec o u l db eu s e da sf e e d b a c ks i g n a lt oc o n t r o lt h ev e l o c i t yo ft h ep r i m a r ya i r I VVo l u m eA b s t r a c tV III I I1l21 3风粉二相流检测方法研究现状91 3 1文丘里管法n 卜矧91 3 2热量式流量测量方法堙4 屯5 j 1 01 3 3电容层析成像技术心6 侧1 l1 3 4煤粉浓度及流量的测量的相关法口铲3 1 31

30、 3 5管路压降法n 2 。幅3 1 41 3 6 静电法n 6 与引1 61 4本论文工作内容1 6第二章电容式传感器用于输粉管道沉积工况检测方法实验研究1 92 1前言1 92 2电容式浓度传感器的数学模型引1 92 3多电极电容式传感器用于气力输送管道煤粉沉积工况测量的信号处理方法及验证性实验2 22 3 1电容层析成像技术应用于风粉二相流测量原理瞄圳及存在的问题2 32 3 2多电极电容式传感器用于管道内煤粉沉积工况检测的信号处理方法一2 52 3 3 气力输送管道煤粉沉积工况检测方法正确性验证实验2 72 3 4相关实验数据分析2 82 3 5沉积工况检测方案正确性验证2 82 3

31、6 结论2 92 4多极板电容法应用于输粉管道沉积工况的测量系统设计：2 92 5小结3 l第三章1 ，射线检测技术应用于气力输送管道内风粉二相流检测的物理学基础3 3V I l华北电力大学博十学位论文目录3 1Y 射线的性质、产生方法及常用的Y 源哺3 33 2常用的Y 射线源3 33 2 1C 0 6 0 3 43 2 2C s l 3 7 3 43 2 3A m 2 3 53 3y 射线与物质的相互作用阳3 53 3 1 光电效应3 53 3 2康普顿效应3 63 3 3电子对效应3 73 3 4各种相互作用发生的相对几率3 83 4窄束、单色Y 射线的强度衰减规律阳引3 93 5Y 射

32、线吸收法测量原理4 13 6Y 射线强度的测量方法 6 3 4 13 6 I电离室法4 13 6 2闪烁计数器法4 33 6 3半导体法4 43 7小结4 5第四章基于Y 射线吸收法的气力输送管道内煤粉浓度及相分布测量方案与实验验证4 74 1概述4 74 2Y 射线吸收法风粉二相流测量装置的基本形式4 94 3单Y 点源，多腔独立电离室阵列结构煤粉浓度测量方案5 】l4 4双线源平行Y 光束，平行双列分层错置测量方案5 34 5点Y 源传感器管道轴心布置、Y 光经源准直器3 6 0 。平面角出射、探测器多腔独立电离室结构、管壁外环形阵列测量解决方案5 64 6Y 射线源的选择准则及所需放射性

33、活度的计算6 24 6 1Y 射线源的选择准则6 24 6 2点Y 射线源放射性活度的估算方法6 34 7Y 点源管道中心布置煤粉相浓度及相分布测量解决方案正确性的实验验证6 64 7 1不同煤种的线性吸收系数测量实验6 64 7 2煤粉相浓度测量实验6 8第五章总结与展望7 95 1研究工作的总结7 95 2展望8 l参考文献8 3致谢8 7攻读博士学位期间发表的学术论文一8 8申请专利情况8 8I X华北电力大学博十学位论文目录华北电力人学博十学位论文1 1课题背景第一章引言煤粉作为发电锅炉的燃料，是通过专用管道由气力自磨煤机出口或中间粉仓输送至燃烧器的，由于空间、成本、工艺要求等方面条件

34、的限制，使得气力输送管道的布置比较复杂，包括分支、合并、9 0 。弯头甚至几字型弯曲、向上倾斜以致垂直上升等管段均不同程度存在。单根输粉管道的总长度短者四十余米，长者可达六十米以上。因此，在兼顾诸多环节的前提下，使气力输粉管道在币常工况下运行并非易事。所谓输粉管道的正常工况系指在维持燃料量与锅炉负荷平衡状态下，气力输送管道中既不出现煤粉的沉积，而引发管道堵塞或致煤粉在炉膛内着燃点过于靠近燃烧器，使燃烧器周围结焦喷口变形甚至烧毁；又不致流速过高使管道磨损加剧或致煤粉在炉膛内火炬拉长、着火点推迟、气流冲刷炉墙、燃烧不稳定。故控制气力输送管道在正常工况下运行，就是维持输送空气与所携带煤粉的合适比例，

35、引入一个新的概念描述，可称之为“最佳输粉风速”。“最佳输粉风速”可定义为在某一负荷下，锅炉某支气力输粉管道中，即不使煤粉产生沉积、又不致使工质流速过高导致煤粉着燃点推迟所对应的连续相流速。显然，“最佳输粉风速”与锅炉负荷有关、与管道布置有关、与煤种有关、与煤粉细度有关、与煤粉堆积密度等因素有关。遗憾的是，长期以来，由于缺乏有效的测量手段，使得工程技术人员对“最佳输粉风速”的掌握不是很准确。譬如，在锅炉运行时，当用动压法测量的输送管道内风粉二相流的流速低于某个限值( 如小于18 m s ) ，运行人员调大磨煤机入口冷、热风挡板开度，直到磨煤机出口压力达到某一上限值后调整完成。对锅炉负荷因素，煤种

36、、煤粉细度，煤粉堆积密度等因素均未予考虑。在调节过程中，输粉管道内是否存在煤粉沉积、磨煤机入口冷热风量增加后对输送管道内工质流动状态的影响，自始至终不能准确判定。事实上，气力输送管道非竖直管段横截面上煤粉的相分布就能够准确表征管道的工作状态，如果获得了截面上相分饰的实时信息，即可实现对输粉风速( 量) 进行准确控制。另一方面，如果得到了气力输送管道中煤粉相浓度值，进一步可获取实时进入炉膛的燃煤流量，这对于燃烧系统的自动调节、提高锅炉燃烧效率、节能降耗、实现最优燃烧控制具有十分重大的意义。第一章引言煤粉与热风混合物在输粉管道内的流动属于典型的气固二相流，对煤粉相浓度及相分布的测量，不但具有很大的

37、实用价值，而且兼有重要的理论意义。二相流( t w o p h a s ef l o w ) 的命名早在1 8 4 0 年见诸文献【1 1 1 9 6 1 年S t r e e t e r 主编的流体动力学手册【2 】有专门一节介绍二相流。但在二十世纪六十年代以后，才有二相流的专著出版，如Y i h ( 1 9 6 5 ) 3 1 、S o o ( 1 9 6 7 ) 4 1 、W a l l i s ( 1 9 6 9 ) t5 1 、I s h i i ( 1 9 7 5 ) t 6 1 、P a i t 7 1 。国际多相流杂志( I n t J M u l t i p h a s eF

38、 l o w ) 于1 9 7 4 年创刊。1 9 8 2 年出版了多相流手册【8 】。至此，二相流作为一门独立的学科才算形成，也就是从那时起对二相流的研究成为热点问题，二相流或多相流是以工程热物理学为基础，为满足能源、动力、化工、石油、冶金等工业生产的要求，而与数学、力学、信息、物理、材料、计算机等学科融合，而形成和发展起来的一门交叉学科。由于二相流体的流动是一个复杂的非线性动态系统，作为一门独立的学科，尚处于发展初期，总体上远未成熟，所有的研究都处于试验探索阶段，最接近实际应用的方法“静电相关法”尚处在工业测量实验阶段一】。气固- + H 流是非常复杂的二相流动，因为它们具有可变形的界面和

39、可压缩的气相【l o 】。气固二相流相问存在着界面效应和相对流速，相界面在时间上和空间上都是随机变化的，这一切均导致气固二相流的流动特性远比单相流系统复杂，其特性参数也比单相流的多。举一个简单的例子就可以说明气固二相流与单相流之间存在的明显差别：气固二相流管道流场中同相( 离散相) 流速与气相( 连续相) 流速存在差异，致使流经管道的分相流量比和分相所占的管截面比二者不相符。因此为了正确描述气固二相流的流动状态就需要定义新的参数。1 2气固二相流相关的名词与术语】1 流型：二相流有气固，液固、气液流及不相溶的液液两相流等。对于上述流动中的每一种可能有许多不同的流动形态，简称流型。流型是指流体流

40、动的形式或结构。对于管道内固体物料的气力输送可能出现如图1 1 所示的几种不同的流动形态。二相问存在的随机可变因素导致二相流动形式十分复杂。流型是影响两相流压力损失和传热特性的重要因素，对二相流各参数的测量大多也依赖于对流型的了解，流型和流型之问转换规律的研究很重要，因为不同的流型有着完全不同的流动规律，在不同的流型中，有完全不同的相I 日J 阻力和传热规律，壁面阻力规律也不同，在一种流型下得到的流动规律，一般晚不能随意推广到其他流型。华北电力大学博+ 学位论文图1 - 1 气力输送町能出现的流型”】气固二相流在非加热情况下的水平管中常见的流型如图1 - 2 所示一Ii噩噩噩麴酗霾第一章引言悬

41、浮流( 均匀流)益鑫遴锄僦。一。oqq甄嚣溪脉动流：- ? ：- - ：一：。ej ：j - ：。- - 9 - j ：。部分流。_ 。：4 一，：。部分流茎i 乏笾盏亟兰生量“一4人学博+ 学位论文积厂上所占的截面积；元为气相在管道横截。母：墼( 1 2 )l s p s 七 G p Gl T p m ( 1 2 ) 式中再为管道总横截面积；石= 石+ 石；P s 为煤粉堆积密度，P c 为输送空气密度，成为两相混合物真实密度。输送空气真实体积含率可按下式计算痧G V = ，J 十G 石1 _ 3 输送空气的真实质量含率可按下式计算小撬o - 4 )有( 1 1 ) 、( 1 2 ) 、(

42、1 3 ) 、( 1 4 ) 式可导出输送空气与煤粉的真实容积含率以及输送空气与煤粉的真实质量含率( 浓度) 之间的相互关系，可用下二式表示九矿= 卜尾P( 1 _ 5 )= 1 一氏( 1 - 6 )3 连续相( 空气) 平均速率V G ，离散相( 煤粉) 平均流速和气固二相混合物流速吃l m = s 七l 毋G将( 1 1 ) 、( 1 2 ) 、( 1 - 5 ) 代入( 1 7 ) u - I 得气固混相流流速表达式圪= 孱，K + 九矿= 圪一层矿( 一圪)离散相( 煤粉) 流量容积含率( 浓度) X 。矿可表示为驴五f s V s = 赛离散相流量质量含率瓦可表示为( 1 7 )(

43、 1 8 )( 1 9 )第一章引言瓦= 菊L V s 石p s = 瓦M s( 1 - 1 0 )( 1 - 9 ) 、( 1 l O ) 式中，Q s 为离散相( 固相) 体积流量 m 2 s 】；Q 为气固二相混合物体积流量；M s 为离散相( 固相) 质量流量 k s 】；M 。为气固二相混合物质量流量。连续相( 输送空气) 的流量体积含率y 可表示为= f 厶c 吃V o = 妾( 1 - 1 1 )连续相( 输送空气) 的流量质量含率可表示为= 铉= 瓦M o( 1 - 1 2 )由以上各式可得连续相( 空气) 、离散相( 煤粉) 的真实体积含率与流量体积含率以及真实质量含率与流量

44、质量含率之间的关系( 1 1 3 )( 1 1 4 )( 1 - 1 5 )2笋(1-16 )一般情况下， 圪 V s 故有以P 孱r( 1 - 1 7 )k 九r( 1 1 9 )f 2 G r n 纸( 1 2 0 )4 气固二相流混合物的平均密度成若输送空气的平均密度为，煤粉的视在密度风，气相或固相的真实质量含率或体积含率已知时，则J x L 粉二相混合物的真实密度成可表示为成2i-fl卫s,(iP a )P s6( 1 2 1 )一堡圪一艮风缸l |=矿啊rbkp m = P c + p s r ( p s - p G 、)p m p S + 妒G y t p s p G 、由( 1

45、2 1 ) 、( 1 2 2 ) 、( 1 - 2 3 ) 、系如下氏2 嬲p m L p s p G )= 型p = ( 趔p s - p o )艮= 鱼盈( 1 - 2 2 )( 1 - 2 3 )( 1 - 2 4 )( 1 2 4 ) 氏，孱y 及九r 与成，P s ，几推出的关( 1 - 2 5 )( 1 2 6 )( 1 - 2 7 )九P = 丛丛( 1 2 8 )p S 。p G5 流量密度p气固二相流混合物的密度除真实密度成可按( 1 2 1 ) 、( 1 - 2 2 ) 、( 1 - 2 3 ) 、( 1 2 4 ) 计算外，有时还采用一种与真实密度相对应的流量密度P 的参

46、数。气固二相混合物的质量流量与体积流量Q 矿之间存在下述关系M m = p 。Q( 1 - 2 9 )继续推导可得气固二相流流量密度P 的表达式P ：= x P s 一口G y P o( 1 - 3 0 )如果两相速度相同即K = 则二相混合物的真实密度成与二相混合物的流量密度反相同，故成实际上为气固二相混合很均匀，二相速度相同时的混合物密度。6 滑移比滑移比S 表示连续相( 输送空气) 的真实速度和离散相( 煤粉) 真实速度珞的比值即：s：善(1-31)以7 相对速度或滑移速度相对速度是指连续相( 空气) 与离散相( 煤粉) 的相问速度, = 吃- 珞( 1 - 3 2 )第一章引言8 俸秋

47、浓度柙质重佩发在锅炉输粉管道上任意选取一段长为L 的管段总体积，坼煤粉所占体积为圪，质量为胍则煤粉的体积浓度f 3屏= 鲁。煤粉的质量浓度尾= 参1 0 。其中流体总质量为( 1 - 3 3 )( 1 3 4 )随着测量技术的发展和对问题本质认识的深化，近年来，过程检测技术领域出现了一些新的概念和定义，其中有9 软场”感测：( “s o f t f i e l d ”s e n s i n g ) t 1 3 16 l在对某一设定参数的测量过程中，所施加的激励信号或传感器对该激励信号的响应受被测介质其它参数变化或环境因素的影响，这种测量形式即被称为“软场”( “s o f t f i e l

48、d ”s e n s i n g ) 感测型。l0 硬场感测：f “h a r d f i e l d ”s e n s i n g ) i 1 3 - 6 】与“软场”感测相对，“硬场”感测是指对某一设定参数的测量过程中，所施加的激励信号或传感器对该激励信号的响应不受被测介质其他参数变化或环境因素的影响，这种测量形式即被称为“硬场”( “h a r d f i e l d ”s e n s i n g ) 感测型。1 1 函数测量在对某一指定的参数x 进行测量过程中传感器的输出信号Y 与X 的关系可表示为J ，= 咖硝其中f 可W ，即传感器不能直接对被测参数工的变化作出响应而是通过X的变化

49、导致另外一个参数t 的变化导致传感器输出信号Y 的变化，则称这种测量方法为“函数测量方法。1 2 绝对测量：( “a b s o l u t em e a s u r e m e n t ”) 1 1 3 - 1 6 】对某一设定参数x 进行检测，传感器的输出Y 只对参数工的变化敏感，且无须将x 转化为其他参数即能实现检测的方法即被称为“绝对测量方法”( “a b s o l u t em e a s u r e m e n t ”) 。1 3 二相流模型描述二相流流动过程的二相流模型是建立各种测量方法的两相流模型的基础。学术界采用的二相流模型有一下几种。均相流模型( h o m o g e

50、n e o u sf l o wm o d e l ) t 】，将二相作为一个整体的均匀混合物质，二相间不存在相对运动速度。这种模型适用于二相间存在强耦合工况。分相流模型( s e p a r a t e df l o wm o d e l ) t 1 ，将二相作为完全分离的两种流体，二相间存在不同的速度和特性，适用于二相问弱耦合工况。例如气液二相流中的漂移通华北电力大学博十学位论文量模型( d r i f t f l u xm o d e l ) ，其模型类似于分相流模型，其着重点是研究二相问的相对运动漂移通量与相问相对速度有关，适用于弹状流等。基于流型的模型( m o d e lb a s

51、 e do nf l o wp a t t e r n ) 1 7 】对于二相流中的各种流型均建立了一些经验或半经验的公式，供工程应用。1 3风粉二相流检测方法研究现状1 3 1文丘里管法 1 8 - 2 3 】文丘里管作为差压式流量计，在测量气固两相流方面已经进行了大量的实验和理论研究，并得出气体颗粒混合物经过文丘里管所产生的差压和颗粒含量有对应关系的结论。文丘里法测量气固两相流的原理，见图1 3 。图1 - 3 文丘里管差压测量示意图设文丘里管入口到喉部的差压为她，喉部到出口的差压的绝对值为A p 2 ，下标m 、g 分别表示混合物和气体，则有：鲁24 哗( 1 - 3 5 )薏24 鸠z

52、( 1 - 3 6 )式中：4 、B ，、4 、色均为常数；Z 为固气比，即煤粉与气体质量流量之比。经实验得知，纯空气流动时6 p 。与A p ：g 之比亦为一常数K ，即盟：K(1-37)p 2 9联解式( 1 3 5 ) - - ( 1 3 6 ) ，可得Z =脚4 黼再将Z 代回线性方程式( 1 3 5 ) ，可得到入口到喉部段空气压差9( 1 - 3 8 )第一章引言卸I g - - 4 A 十P 。l m 孑从而得到空气质量流量：q = a S o4 2 p g P , s式中：口为流量系数，S o 为喉部截面积，B 为空气密度。于是，固体颗粒的质量流量为G p = G g z =

53、a S o 瓯磁一4 豳( 1 - 3 9 )( 1 - 4 0 )( 1 - 4 1 )通过实验测定4 、蜀、4 、B 2 的值，就可以由差压信号来测量固体质量流量。1 3 2热量式流量测量方法【2 4 2 5 】目前，在火力发电厂中采用较多的是热平衡法【1 6 , 1 7 1 计算煤粉浓度，热平衡法是依据能量守恒原理，温度为咒。，的粉料加入输送管道中后，被温度为T h w 的热空气边加热边向前输送，在此过程中，气体被不断冷却，固体被不断加热，经过一段时间后风粉温度可达到平衡温度乙打。若不考虑粉料中水分的影响，则由能量守恒可得：“：争! 鱼二刍! 玉这( 1 4 2 )c 0 。瓦i x c

54、 赢。瓦。I、式中：U 为煤粉浓度；c 。，C ，分别为混合前后热风的比热；e 耐，。，分别为混合前后煤粉的比热；五w ，k ，乙，混合前的热风温度，混合物的温度，混合前煤粉的温度。因此，若已知气体和固体在不同温度下的比热，则只要测出乃。，L 打，乇。，三点温度，再对散热损失进行修J 下，即可求出管内输送的固相浓度。用热平衡法测量输送浓度的关键是选择合理的混合后温度乙打的测量点。如果测点选在不稳定换热区( 即加热段内) ，所测量的浓度要偏低：若测点远离平衡点位置，则会增加散热损失。利用现代新技术测量风粉二相流浓度及相分布，应用软测量技术实现对风粉二相流的检测。随着现代工业过程对控制、计量、节能

55、增效和运行可靠性等要求的不断提高，各种测量要求同益增多。现代过程检测的内涵和外延较之以往均有很大的深化和拓1 0另一方法就是采用间接测量的思路，利用易于获取的测量信息，通过计算来实现不一易测量的被检测量的估计。7 0 年代，B r o s i l l o w 等人提出了软测量的基本思想和方法：通过比较容易测量的过程辅助变量和难测变量的关系进行数学模型运算，得到所需的不易直接测量的过程主要输出变量，并估计和克服不可测扰动对其的影响。基于以上的思想，软测量技术定义为：利用易测的过程变量( 通常称为辅助变量或二次变量S e c o n d a r yV a r i a b l e )与难以直接测量的

56、待测过程变量( 通常称为主变量P r i m a r yV a r i a b l e ) 之间的数学关系软测量模型( S o f tS e n s o rM o d e l ) ，计算获得待测变量的测量技术。1 3 3电容层析成像技术 2 6 。3 8 】电容层析成像技术E C T ( E l e l e c t r i a lT o m o g r a p h y ) 是二十世纪八十年代中期后发展起来的获取气固二相流参数二维相分布信息的实时检测技术。将其与相关测速技术结合可实现气固二相流固相质量流量及煤粉在某一截面上相分布的实时信息。是目前气固二相流检测技术研究的前沿技术。以8 极板电容式

57、传感器介绍电容层析成像原理。如图1 4 所示图像醺建计算机数据传输总线图1 48 极极电容流动层析成像系统结构图传感器由安装在测量管段外壁的8 个会属电极板，数据采集与通信卡包括多通道数据采集控制，电容电压转换器，A D 转换器及图像重建计算机组成。第一章引言电容的测量值可作为煤粉相浓度的表征信号。采用多极板传感器各电极间相互组合可获取相分布的多个电容信号值。对8 电极系统两两相互组合可提供的独立电容测量值个数为= 2 8 ，第i 个电容信号值C i 由下式给出：C f = lL 占( z ，J ，) s ， x ，Y ，s ( 工，y ) 】d ，d y ，i = 1 ，2 ，2 8式中g

58、( 工，) ，) 介电常数分布S i 灵敏度分布函数；D 传感器管道内径；在传感器每对电极间存在一个狭窄区域称为正灵敏区。电容信号值的大小主要由J 下灵敏区内的电解质分布情况决定。其他区域( 负灵敏区) 内的电介质分布对电容信号值影响很小可以忽略，固对每对电极电容信号的测量实质即是对管道截面内气固二相流的扫描，其中的正灵敏区为扫描带，一个电容信号值可表征测量区域内气固二相流体在某一方向或角度的投影数据。电容层析成像系统E C T 采用的图像重建算法是在一定假设条件下以基本的反投影算法为基础，经门限滤波处理等处理改进的简便反投影算法。其基本思路是：先在传感器确定的测量场内画出所有2 8 个信号电

59、容正灵敏区的边界线，这些边界线相互交叉重叠，在测量场内形成了3 6 2 个大小不一的网格，这些网格称为图像像素，第i 个像素与2 8 个正灵敏区的关系可用一个2 8 维的相关向量矿表示。将此关联向量乘以2 8 个电容信号测量值构成的向量C lC 2 C 2 。1 。，则相当于将有关电容信号测量值叠加即反投影而得到该像素的灰度值，该灰度值即可表征测量场中该像素对应区域的煤粉体积浓度值。图1 58 电极电容式传感器结构示意图粉像分布相关流量测量方法是近年来发展起来的一种测量新技术，该方法与传感器技术相结合，可以解决“难测流体”的流速与流量实时测量问题。所谓“难测流体”是指高粘度流体、强腐蚀性流体、

60、放射性流体、气固二相流体、多相流体、及高温流体等。应用电容，静电，超声或光学传感器，可实现对流量的非接触实时检测。相关法测量流量的基本原理是把对流速的测量转化为对所谓“渡越时问”的测量。所谓“渡越时间”是指上游流体传播到下游所对应的时间，可通过对上下游某种固定信号的相关函数的分析得到流体的渡越时问。由于J x L 粉二相流体流动可以引起电容传感器的输出电容信号产生噪声，固可利用电容传感器实施对风粉二相流的实时检测。电容互相关测速原理如图1 6 所示，沿风粉二相流的流动方向布置3 层电容传感器：第l 层传感器输出电容信号表征煤粉相得体积浓度，第2 ，3 层的输出电容信号用作实时相关分析，即第二层

61、传感器作为上游侧，传感器3 作为下游侧。设风粉二相流体自截面1 到截面3 的流态保持不变，风粉二相流体在上游电容传感器所形成的流动噪声经过某一固定的时间后被下游侧传感器捕捉到，其波形与上游传感器输出信号波形相似，只在时I 日J 上相差了一个时延r 。设上游传感器输出的信号为x ( f ) ，下游传感器输出的信号为j ，( f ) ，工( f ) 与少( f ) 经相关分析得到互相关函数R 。( ) ，R 。( ) 波形对应的峰值时问r 。就是流体从上游截面运动到下游传感器的渡越时间，互相关函数的计算公式为：1 一( ) = 寺x ( f ) ( f + ) ，j 5 0 ，l ，2 ，M 1

62、，M( 1 4 3 )V式中，z ( f ) 是上游传感器输出的电容信号；y ( i + ，) 是下游传感器输出的电容信号；f 为相关取样个数：J 为延迟时间对应的取样个数。第一章引言对应的延迟时问可表示为：k = J A t式中，f 为测量系统的采样时间。图1 6 相关测量原理图( 1 4 4 )下游传感器距离L 固定，可以得到风粉( 1 4 5 )由于第l 层传感器输出的电容值表征煤粉的体积浓度，因此与相关测速传感器结合得到煤粉的质量流量：哆( f ) = p , AK ( f ) 屈( f )( 1 4 6 )式中，只为煤粉的堆积密度；圪( f ) 为风粉二相流的平均流速；A 为管道的横

63、截面积；屈( ，) 为煤粉的体积浓度。1 3 5 管路压降法 4 2 - 4 5 】压降法是根据气固二相流在气力输送管道中形成的压降与煤粉的体积浓度成线性关系，因此测出压降和气固二相流的落差，可求出煤粉的体积浓度根据气固二相流流体力学理论，二相流管压降必由纯空气流动阻力刖与输送煤粉形成的附加流动阻力必。组成：婢= 叱+ 叱+ 屹+ 叱= 嵋+ 叱( 卜4 7 )其中，屹与叱分别为峨和晖的沿程阻力损失；屹与屹分别为脚乙与必。的空气局部损失，其他损失忽略不计，有：1 4匕定确算运关相：互为鲋度问速一洲越越相”澈澍啊相一一卸，2 六譬“。2 + 乞譬“，22 幺譬以2 + 妻乞22 六譬“2 ( 1

64、 + k j u ，式中，屯、屯空气和煤粉引起的沿程摩擦系数乞、幺空气和煤粉引起的局部摩擦系数成、以空气密度和煤粉的视在密度( k g m 3 )U a 、U b - - - 空气和煤粉的平均流动速度( m s )L 、D 管道的长度和内径( m )对于稀相气固二相流，颗粒的质量浓度：“：p p U p A ：堡生：矽堡p l u ，Ap nU ，p ，式中，A 是管道的流通面积则气固二相流在该管段的总压降如下式所示：卸r = 九五L 了P a “：( 1 + 后“) + 六譬“：( 1 + t 圳：f 了P a “：( 1 + 砌)式中的毛是纯空气流动时产生的总阻力系数 “n 盖七 n浓度的

65、修J 下系数：七= L + k j 孝a )( 1 - 4 9 )( 1 5 0 )( 1 5 1 )( 1 5 2 )( 1 5 3 )k 值考虑了气力输送管道中不易确定的众多复杂因素对测量的影响，但对于稀相均匀流，k 值是固定的。如果在同一水平管道上选择特性不同的两个管段，如一段直管连接一段弯管，由式( 1 5 1 ) 可得：T I = 夤( 1 + k l u ) - 譬- 蚯2( 卸圹剐+ 七2 “) 譬“。2( 1 5 5 )缶、岛及k ，、k 2L h 实验确定，用差压测量仪表分别测出卸r ，和卸r ：，方程( 1 5 4 )第一章引言和( 1 5 5 ) 联立，即可求解“且0 1

66、 x l , 粉质量流量比。1 3 6 静电法 4 6 - 5 0 1煤粉颗粒随气流在管道内移动时，由于颗粒与管壁问的碰撞、摩擦、分离时，引起电荷的转移，导致颗粒和输送管道上积累大量的静电荷。颗粒荷电包含了颗粒速度、浓度及颗粒尺寸等大量信息，因此，可以通过静电传感器测量出颗粒静电量以获得煤粉浓度信息。以某公司生产的静电传感器为例，它有接口电路和内置式探头组成，探头由两个窄电极和一个宽电极组成。窄电极用于速度测量，宽电极用于浓度测量，两者结合给出颗粒质量流量。如图1 7 所示：图1 7 内置式静电传感器探头带电颗粒分布在管道内时，由于静电感应将在环状电极上产生感应电荷q ，由探头测量出来。而感应

67、电量可以看做是管道内不同局部区域内颗粒“净电荷 在电极上感应电荷的叠加，则用数学积分公式可以推算出感应电量。静电传感器的接口电路将探头所测得的感应电荷信号转化为电压输出，可见电压输出信号就是电极上感应电量的变化，对这个信号加以适当的信息处理方法，即可实现颗粒流动参数测量。但是该方法在测量煤粉浓度时，由于颗粒静电化的影响因素非常多，所以很难建立颗粒浓度和静电流信号之间的模型，因此，静电传感器上电荷的变化仅可以作为颗粒浓度和颗粒流量的一种相对指示，基于颗粒荷电理论的流量计往往用于定性的比较分析。除上述方法以外，还有Y 射线吸收法【5 0 5 3 1 、动量法【5 4 1 、软测量方法【5 5 5

68、6 1 等方法。1 4本论文工作内容气固二相流作为学术界公认的难测流体，其体积浓度及相分布测量的结果易受1 6华北电力大学博士学位论文其他因素变化的影响。1 3 所述的方法均可归为软场函数测量方法( s o f tf i e l ds e n s i n g ) ，其煤粉浓度的测量值受流型、相分布、工质温度、工质湿度、连续相( 热风) 流速、离散相( 煤粉) 细度、煤种、环境温度、管道条件等诸多因素种某些因素变化的影响，且除电容层析成像法外，其他方法不能够获取气力输送管道截面上的煤粉相分布信息，因此，不具有对管道的工作状态进行实时检测的功能，无法实现对输粉风速的准确控制。本论文的目的有两个：第

69、一、在国内材料、机械、电子等工业现有水平的基础上，设计出可实现的硬场感测型( h a r df i e l ds e n s i n g ) 、绝对测量( a b s o l u t em e a s u r e m e n t ) 解决方案，能够对发电锅炉气力输送管道内的煤粉体积浓度进行实时检测，同时获取测量管段横截面上煤粉相分布信息，以保证测量结果不受被测介质其他参数变化或环境因素变化的影响，达到电力生产对测量的有效性和可靠性要求。第二、根据可用设备情况，设计出合理的实验方案并通过实验验证上述解决方案的正确性。本论文的主要内容如下：为说明本论文的选题背景，且注意到气固二相流的特征明显异于单

70、相流。在第一章介绍二相流相关的名词与术语；对现有主要研究方法进行综述；明确本论文的任务及达到的目标。鉴于电容C T 法在理论上可以获得输粉管道横截面相分布信息，虽然已在某种程度上了解该方法信息处理十分繁复，但因其方法本身具有的安全性突出的特点，故在第二章讨论了利用多极板电容法，测量气力输送管道内煤粉沉积工况的可行性，给出了输出电容简洁、快速、准确的信号处理方法，从被认为应摒弃的相邻极板间输出电容信号进行巧妙的处理，筛选出了表征沉积工况出现的有效信息，并通过静态测量实验证明了这种电容输出信号处理方法的有效性和J 下确性。放射线吸收法用于测量材料的厚度或密度是一种典型硬场感测( h a r df

71、i l e d )绝对测量( a b s o l u t em e a s u r e m e n t ) 方法。实际上，输送管道内煤粉体积浓度与煤粉的堆积厚度是同义语，为将该方法引入气固二相流参数检测，在第三章介绍工业上常见Y 射线源种类；Y 射线与物质的相互作用，Y 射线吸收法测量原理及常用的Y 射线强度的检测方法。为实现本论文的目标，第四章从分析Y 射线吸收法最基本形式出发，分别讨论了单y 点源、多腔独立电离室；双Y 线源平行光束、平行双列分层错置测量方案的优缺点。给出了点Y 源传感器管道轴心布置、准直器3 6 0 。平面角出射、探测器多腔独立电离室结构坏形陈列的解决方案；设计了实验方法

72、并通过实验验证了该方案的J 下确性。给出了根据相分布信息界定气力输送管道内送粉最佳风速方法。1 7第一章引言为最终实现时进入炉膛燃煤流量的实时检测，并为论文的后续工作指明方向，在第五章对论文的全部工作进行总结，对气力输送管道内风粉二相流检测发展的趋势进行预测。华北电力大学博十学位论文第二章电容式传感器用于输粉管道沉积工况检测方法实验研究2 1前言电站锅炉气力输送管道中的煤粉与热风的介电常数存在一定差别，依据煤种、温度、湿度、堆积密度等参数情况，煤粉的相对介电常数s 。一般在2 1 2 3 之间，而热风的相对介电常数靠1 ，根据这一物理学现象，可以构造出基于电容式传感器的风粉二相流测量方法，包括

73、电容法和电容层析成像法( E l e c t r i c a lC a p a c i t a n c eT o m o g r a p h y ) 缩写为E C T t 1 。关于采用电容传感器测量气固二相流体相浓度的方案最早见于文献，其原理可溯源至医用C T ，在过程检测领域，应用于非导电介质形成的二相流系统参数检测方面，具有结构简单，非接触，安全性高等优势。在某些条件下可以对多相流进行可视化检测和研究。在被测管壁安装的传感器阵列获取能够表征被测管道内工质特性的电容量。通过计算机数据处理，得到传感器所在平面二维可视化信息，有可能为工业过程中存在的诸多空间分布参数，如输粉管道中煤粉相分布与流

74、动特性复杂多变的参数提供可能的途径。但必须面对这样的事实，即在正常工况下燃煤发电锅炉气力输粉管道中煤粉相体积浓度是千分之几的数量级，使得传感器输出信号过于微弱；加之电缆分布电容，传感器零点电容均随温度等环境因素变化的影响，使得电容式传感器在生产上的应用存在困难。注意到电容式传感器测量煤粉相浓度之外可同时获取截面相分布信息且具有高安全性，故对这种方法深入研究，提高其可靠性和有效性，扬长避短，使之能够对实际工程有所裨益。以上述目的为出发点，本章从解析电容浓度传感器的数学模型出发，发展出一种新的电容式传感器输出信号处理方法，克服因信号电缆分布电容，传感器零点电容及其随温度变化对测量造成的影响，可实现

75、对气力输送管道中煤粉沉积工况的实时检测，使测量的有效性和可靠性能够达到实际应用的要求，其正确性通过实验验证。2 2电容式浓度传感器的数学模型【5 8 】电容式煤粉浓度传感器是基于输粉管道术的热风( 连续相) 的介电常数与煤粉( 离散相) 的介电常数E s 存在差别的原理而工作的。设煤粉与热风混合后的等效介电1 9第二章电容式传感器_ j 于输粉管道沉积j T ：况检测方法实验研究= 堡V + 軎( 2 1 )( 2 - 1 ) 式中，、咯分别为某一时刻传感器空间内热风和煤粉所占的体积，V 为传感器测量空间内的有效容积V = + K ，如果、K 为常数，则= V - 矿V o 专( 2 - 2

76、)合并( 2 - 1 ) ，( 2 - 2 ) 式得2 + ( 岛一号( 2 - 3 )有告：盟( 2 - 4 )vs 一G( 2 - 4 ) 中軎即为传感器测量空问内固相( 煤粉) 的体积浓度，即：堡：堑鱼I ( 2 - 5 )。rs S 一G( 2 5 ) 表明输粉管道中风粉二相流体的等效介电常数与煤粉的体积浓度存在线性关系，通过测量风粉二相流的等效介电常数即可由( 2 - 5 ) 式求出煤粉的体积浓度。一般，介质介电常数的确定是通过定义的方法，即将被测物质作为电容式传感器中所充的电介质，建立电容量与介质介电常数的数学模型，测出电容式传感器的输出电容C 的值，代入式( 2 5 ) 。计笪求

77、mB 值。1 下行板金属电极2 源电极引出线3 i 贝0 电极引出线4 金属屏蔽电极5 被测风粉二相流体2 0。设二则平行( 2 6 )K 是由电容式传感器结构尺寸决定的特征常数。( 2 6 ) 表明当极板间距d ，极板有效面积S 确定之后，传感器的电容量C 只与气固( 风粉) - - 相流的混相介电常数有关，I ：t ：1 ( 2 6 ) 式推得d= i 二L i C( 2 7 ) S 肘。)测出C 值代入( 2 7 ) 式求出，再由( 2 5 ) 式求出。实际工程中，由于输粉管道是圆形截面管道，且材质为钢质，图2 1 所示结构无法在工程上实现。如果采用电容式煤粉浓度传感器需要解决三个问题：

78、一是耐磨要求。因为在高速流动的煤粉冲刷下一般材料磨损很严重。二是可以将风粉二相流作为电介质介电常数g M 的电容信号方便地取出。三是易实现被测管道的连接。设计出的满足上述三条件的双极板电容式煤粉浓度传感器如图2 2 所示：1 被测管道2 管道连接法兰3 传感器连接泫兰4 传感器A 1 2 0 3 管道5 金属镀膜电极6 源电极7 测电极8 被测介质9 金属屏蔽电极1 0 封闭垫片2 l第二章电容式传感器用于输粉管道沉积I ：况检测方法实验研究图2 - 2 双极板结构电容式煤粉浓度传感器电容式传感器由非金属管段、金属镀膜电极、源电极、测电极、电极引线、金属屏蔽电极及连接法兰部分构成。其中的非金属

79、管段为高温烧结的A 1 2 0 3 陶瓷材料，其硬度为莫氏7 5 ，可以满足耐磨要求。金属镀膜电极采用铜镀膜或银镀膜，为保证机械强度测电极与源电极的电极引线是以螺纹方式与A 1 2 0 3 陶瓷管壁相连接，镀膜金属层与引出线材料相同。图2 2 所示机构的电容式煤粉浓度传感器不再是平行板结构，参照平行板电极结构传感器，其输出特性仍可表示为如下形式C = 孝厶+ C o( 2 8 )2 8 式中g 是由传感器几何特征尺寸决定的常数，G 是传感器内无煤粉时的初始电容值。由( 2 - 4 ) 式及( 2 - 8 ) 式得：C = 孝( 毛一) + ( C j + 告如)( 2 - 9 )即：土c 一籀

80、( 2 1 0 )f ( 凫一)孝( E s 一)、( 2 一lO ) 式中f 、毛、C o 均为常数，只要测出传感器输出电容C 的值即可由( 2 1 0 ) 式确定风粉二相流的固相浓度值。( 2 1 0 ) 式表明，在理想情况下，传感器输出电容值与被测煤粉的体积浓度存在单值的函数关系，且为线性关系。2 3多电极电容式传感器用于气力输送管道煤粉沉积工况测量的信号处理方法及验证性实验气固二相流流动的复杂性和流型的多变性，使得对气固- H 流进行测量时必须考虑其对传感器输入输出特性的影响。实验表明，图2 2 所示双极板电容式煤粉浓度传感器的测量准确性受流型及相分布的影响；某些工况可以导致测量结果失

81、效，故必须对双极板结构传感器进行改进，才可能应用于实际工程。目前学术界广泛采用的主流方法均脱胎于多极板旋转场的测量方法【5 8 】及在此基础上发展起来的电容层析成像技术E C T ( E l e c t r i c a lC a p a c i t a n c eT o m o g r a p h y ) 。下面通过分析其原理，发现将其应用于实际工程需要解决的问题。2 2华北电力大学博十学位论文问题2 3 1电容层析成像技术应用于风粉- f l 流测量原理及存在的多极板电容法测量风粉二相流的电容层析成像( E C T ) 是二十世纪八十年代中期发展起来的技术，二十多年来经过国内外众多研究者的不

82、断改进，有望应用于气液、液液、液固、气液固等多相流的工程测量，在气固二相流测量方面亦有潜质。其优势在于非接触，传感器对管道内流体的流动状态无影响；在获取煤粉相浓度的同时得到传感器所在截面相分布信息。传感器原理图( 以8 电极为例) 如图2 3 所示：1b图2 - 3 电容E C T 法原理图原理如下：将多电极电容传感器安装在被测管道上，且流通截面与被测管道流通截面相同，8 只电极板分别两两构成一对检测电容，分别为1 - 2l 一3l 一4l 一51 6l 一71 82 一l2 - 32 42 52 - 62 - 72 - 83 l3 - 23 43 53 63 - 73 - 84 一l4 -

83、24 34 54 64 - 74 - 85 一l5 - 25 35 - 45 65 75 - 86 一l6 - 26 - 36 - 46 56 76 - 87 17 - 27 - 37 - 47 57 67 88 18 - 28 - 38 48 58 68 7共5 6 个电容，测量时，在其中一支电极上施加激励信号，依次顺序检测与其余各电极之问的电容量，当选取某一电极为测电极时，其他各电极均接地。对图2 32 3第二章电容式传感器用丁输粉管道沉积一1 ：况检测方法实验研究所示8 极板结构，先取电极l 作为激励电极即源电极，取电极工作为检测电极即测电极，测量极板1 ，2 之间的电容信号C 1 2

84、，在检测过程中，电极3 、4 、5 、6 、7 、8电极均接虚地。在测出C 1 2 后，再取3 作为测电极，2 、4 、5 、6 、7 、8 接虚地，测得电极板l 、3 之问的电容信号C l - 3 依此类推，依次得到如下电容信号序列：C i - 2C i 3C 1 4C 1 5 C i 6 C 1 7 C I 8C 2 1C 2 3C 2 - 4C 2 5C 2 6C 2 7C 2 8C a 1C 3 2C 3 - 4C 3 5 C 3 6 C 3 7C 3 8C 4 iC 4 - 2C 4 ，3C 4 5C 4 6C 4 7C 4 8C 5 IC 5 2C 5 ，3C 5 - 4C 5 6

85、C 5 7C 5 8C 6 IC 6 2 C 6 3C 6 - 4C 6 5 C 6 7C 6 8C 7 1C 7 2C 7 3C 7 - 4C 7 5C 7 6C 7 8C a 1C 8 2 C a 3 C s 4 C s 5 C a 6C 8 7一个采样周期共得5 6 个电容值。若测量的频率足够高，对于电厂锅炉气力输送管道中风粉二相流流速而言，在一个采样周期内，传感器所在空间的二相流状态可视为“凝固”态，及测量区内的电场可看作静电场，不考虑传感器轴向电场差异。根据这些电容值，采用某种算法来实现传感器所在管道截面相分布在计算机显示屏上的图像重建，将煤粉相分布转换为介电常数分布，再根据介电常数

86、转化成相应的狄度，以实现对气力输送管道内风粉二相流的离散相浓度及相分布的检测。考虑传感器材料的耐磨性，传感器管段材料一般采用烧结的A 1 2 0 3 陶瓷材料，相对介电常数值通常在8 - 9 范围内。这便导致这种原理结构的传感器应用于实际工程必须消除下列局限性：相邻电极板间构成电容器其零点电容即管道中无煤粉时的信号输出电容值，比相对的电极如图2 3 中1 5 ，2 - 6 ，3 - 7 ，4 8 等零点电容值大数十倍乃至上百倍，但传感器测量场内煤粉相浓度、相分布变化引起电极对间信号电容变化值又很少，使得对电容信号检测电路提出的要求过高，不易满足。相邻电极组成电容器，两电极l 日J 部分区域因受

87、到陶瓷管壁高介电常数的影响，具有较高的灵敏度系数，而其余的电极板构成的电容传感器灵敏度较低，相浓度测量过程中，对测量的准确性有较大影响【57 1 。送粉热风温度，煤粉温度，信号电缆所处环境温度的变化将导致分布电容的变化。实验表明这种因素导致输出电容的变化量甚至高于煤粉浓度作全量程变化时所对应的信号电容的变化量。2 4检测的信号处针对多极板电容式传感器应用于风粉二相流设计工程检测存在自身局限性，研究者提出了一些解决方案，针对上述局限性，文献 5 7 】将相邻电极之间构成的电容信号舍弃不用，以避免对测量结果的准确性产生负面影响。但作为灵敏度最高的区域，放弃该组信号，同时也丢弃了高可靠性、高有效性的

88、信息。论文本小节的任务主要在于重新审视风粉二相流测量目的，将相邻电极板所携带的有用信息完整地提取出来，并使之凸显其所表征的参数的重要意义。多极板电容式传感器由各极板间电容量表征对应测量场内介质的介电常数。通过获取管道横截面煤粉相分布的信息的目的在于：1 ) 可以防止输粉管道堵塞工况的发生；2 ) 判定与维持气力输送管道内输送空气与煤粉的最佳比例；3 ) 判定管道内煤粉相体积浓度。其中1 ) 是最基本的，因为只有这项目的达到了，2 ) 、3 ) 项才有意义。由此得出气力输送管道中气固二相流的检测的首要目的是防止管道堵塞工况的发生。气力输送管道能够输送粉木状工质的机理是连续相热风与离散相煤粉之间存

89、在相间力，煤粉颗粒受力分析如图2 4 所示，图示中F 是质量为r n 的煤粉在热风中受的浮力，B 是煤粉的重力，巧与连续相热风与离散相煤粉的速度差有关，当J X L 速降低到一定程度时，煤粉因受重力的影响就会在管道下部沉积下来，最终将导致输粉管道的堵塞；若一次风速过高会导致煤粉管道内壁的磨损加剧并使炉膛煤粉的浓度场，空气动力场发生变化导致燃烧不稳，甚至风粉冲刷水冷壁，造成水冷壁在高温状念下被磨穿引发爆管事故。V 二mi jf-L死图2 - 4 一次风管道中单颗粒受力分析尽管气固二相流体的流动机理十分复杂且无法重现，但工程测量的最终目的并非需要建立流动的理论模型而只要求保证机组运行的安全性和经济

90、性。下面本文所提出解决方案是基于这样的事实，即一次风管道作为气力输送管道堵塞点最初不会第二章电容式传感器用于输粉管道沉积j l ：况检测方法实验研究发生在管道的竖直部分，而是发生在水平或倾斜角度小的部分，管道的堵塞发生的根本原因是煤粉受重力的作用在管道下方沉积而风速较低无法及时将积淀下来的煤粉携带走，且一旦沉淀下来后热风同煤粉的作用面积减少，煤粉需要更多的动能才能重新流动。故管道下方发生煤粉沉积后在较长的时间内沉积也不会消除，这就为有效探测煤粉沉积提供了可能。鉴于煤粉产生沉积的肇始位置是流动方向上水平倾斜角度最小的管段向倾斜角度最大的管段连接处上游侧的某个位置，故可将图2 3 所示的传感器安装

91、在煤粉沉积工况最初形成的肇始管段附近，虽然无法准确获知其位置，但可以通过实验大致确定其范围，只要同沉积肇始点相距不太远，即能及时探测出沉积工况的产生。传感器安装时，电极与水平线垂直线的几何关系如图2 5 所示，使电极在过管道截面中心点的垂线两侧的电极数相等，即过传感器管道截面中心点与水平面的垂直线不与传感器的金属镀膜电极相交。电极4 ，5 在管道的最下方，4 ，5 两电极中间位置是传感器管道截面的最低点。出现煤粉沉积工况后，煤粉将积淀在电极4 和电极5 中间的管道内。所引起的电容是变化值最大的输出，极极4 5 之间的电容是C 4 - 5 ，换言之，一次风中煤粉出现沉积时，引起输出电容信号变化最

92、大是极板4 与极板5 间构成的电容器。垂ttl线图2 58 电极结构电容式煤粉浓度及相分布传感器I 删定安装示意图在工作状态下，传感器陶瓷管道材料的介电常数占上随工作温度变化，传感器电极板引出线及信号连接到电容测量电路电缆C O M S - 丌关输入端寄生电容随环境温度的变化都会影响对C 4 5 的检测。更具体地说传感器与检测电路问的连接屏蔽电缆电容量约为1 5 0 - - - 2 0 0 P F ，电缆的电容大约是1 0 0 P F m 的数量级，C M O S 电子丌关的输入端寄生电容约为8 P F ，而传感器陶瓷材料的。为8 - 9 。这些分布电容因温度的变化导致介电常数的变化使电容传感

93、器输出的电容信号的变化远大于信号电容的量级( 1 0 。1 5 F 级) 。而使信号失效，为消除这一因素的影响，极板4 和极板5上引起的输出电容变化信号，测量系统首先采取如下信号处理模式，将所有相邻电极板形成的电容信号分别测出。即采样控制开关分别将下列极板问的电容输出信号2 6华北电力大学博十学位论文送至电容测量电路。C i 2C 2 3C 3 - 4C 4 5C 5 6C 6 7C 7 8C s 1测出上述8 个电容值后，相互比较，即将最下方的两电极板间的输出电容值C 4 5与其他各电容比较即求C 4 5 与其他各输出电容之差。将受环境温度，工质温度变化而导致信号电容输出的变化互相抵消。可认

94、为在管道为空时，上述8 个电容输出值均相同，且相同部分所处环境均相同，受环境因素变化的影响通过求差互相抵消，可将沉积煤粉导致的信号变化有效提取出来。而已有的E C T 处理办法中，这些分布电容，寄生电容，温度变化导致附加电容是相加的关系，不能消除也不能补偿。求差后得到的序列：A C I = C 4 5 - C 1 2A C 2 = C 4 5 - C 2 ，3A C 3 = C 4 5 一C 6 7A C 4 = C 4 5 - C 7 8A C 5 = C 4 5 - C 8 IA C l 、A C 2 、A C 3 、A C 4 、A C 5 是消除了分布电容、干扰电容、温度变化电容等信号

95、的。传感器相邻电容值之差且不包含起始值电容，其值完全由煤粉在传感器4 ，5极板上沉积决定，即A C l - A C 5 序列是一次风中煤粉在传感器所在管道底部出现沉积的表征和标志，可通过静态实验标定。设定堆积厚度阈值屯，当沉积煤粉超过此阈值以后，信号处理系统即向运行人员发出报警信号，提醒运行人员及时采取调整措施，避免粉管堵塞工况的产生。该方案测量的有效性、可靠性及准确性可通过实验验证。2 3 3气力输送管道煤粉沉积工况检测方法正确性验证实验上述方法的J 下确性可以通过下列的两个实验来验证。实验一工作温度变化对传感器零点电容值影响实验实验方法：在两个不同的温度下，检测如图2 5 所示电容式传感器

96、相邻极板问输出电容值，比较测量结果。传感器工作温度为t o = 2 3 ，传感器内无煤粉时，测量传感器二相邻电极板问输出的零点电容信号，记录实验数据如表2 1 所示：表2 1T 作温度为t o = 2 3 。C ，传感器内兀煤粉时的零点电容值极板C I - 2C 2 3C 3 4C 4 5C 5 - 6C 6 7C 7 8C 8 1I U 容输P F ( * 1 0 。3 P F )1 0 5 0 41 0 4 7 51 0 4 9 81 0 4 9 61 0 5 3 21 0 4 5 81 0 5 2 01 0 5 2 8传感器内无煤粉时，用电加热器加热图2 3 所示传感器，用水银温度计指示

97、工作温度，当温度计显示值稳定时，记录此时的温度计示值，得工作温度为t o = 9 42 7第二二章电容式传感器用丁输粉管道沉积+ I ：况检测方法实验研究，并测量传感器二相邻电极板| 日J 输出的零点电容信号，记录实验数据如表2 2 所不：表2 2T 作温度为t o = 9 4 C 时，传感器兀煤粉时的零点电容值极板C I 2C 2 3C 3 - 4C 4 5C 5 6C 6 7C 7 8C 8 Il 乜容输l I lP F ( * i O 3 P F )9 6 9 79 7 1 29 6 8 79 6 7 49 6 9 89 7 3 49 7 3 69 7 2 1实验二传感器工作温度变化对煤

98、粉沉积工况测量的影响将煤粉均匀的敷设在图2 5 所示传感器的4 ，5 电极板上，厚度为l m m ，记录传感器及煤粉的工作温度t o = 2 3 * C 时，测量相邻电极板构成电容器输出的信号电容，实验数据记录如表2 3 所示：表2 - 3T 作温度为t o = 2 3 C 时，4 ，5 电极板上煤粉厚度为l m m 时传感器输出电容值输i J j 极板编号c i 2C 2 3C 4 5C 6 7C 7 - $C s 1I 乜容输i jP F ( * 10 3 P F )1 0 5 0 71 0 4 7 61 1 2 4 11 0 4 7 71 0 5 1 81 0 5 2 3在图2 5 所示

99、的传感器4 ，5 电极板上均匀地敷设l m m 厚的煤粉，温度计显示温度稳定时，记录工作温度t o = 9 4 。C ，测量传感器相邻电极板构成电容器输出信号电容，实验数据记录如表2 4 所示。表2 4T 作温度为t o = 9 4 C 时，4 ，5 极板间煤粉厚度为1 m m 时传感器相应各输出端输出电容信口值输极板编吁c I - 2C 2 3C 4 5C 6 7C 7 8C 8 II U 容输mP F ( * 1 0 - 3 P F )9 7 0 29 7 1 31 0 4 1 79 7 1 89 7 0 59 7 0 12 3 4相关实验数据分析将表2 1 ，2 2 ，2 3 ，2 4

100、中的实验数据分析如下：1 ) 通过比较表2 1 ，表2 2 的实验数据可以看出，工作温度变化对传感器零点电容值存在影响且不能忽略；2 ) 通过比较表2 3 ，表2 4 的实验数据可以看出，当输粉管道出现煤粉沉积工况，使在同一工作温度下4 ，5 极板问的输出信号电容值明显高于其它二相邻极板间的输出电容信号；3 ) 比较表2 1 ，表2 4 中的数据从中可以看出，在传感器的工作温度发生变化后，当发生煤粉沉积所引起的电容输出值变化的显著性或可被淹没，以致不能确认沉积工况的出现。2 3 5沉积工况检测方案正确性验证按本文提出的沉积工况测量方案，分别处理表2 3 ，表2 4 中的实验数据，分别2 8A

101、C , = c 4 5 - G 2 = 7 3 4 x 1 0 d P Fc 2 = C 4 5 - G 3 = 7 6 5 x 1 0 。豚C 3 = q 5 一G 7 = 7 6 4 x 1 0 。P FC 4 = G j - c 7 8 = 7 2 3 x 1 0 。，FC 5 = C 4 5 一c 8 1 = 7 1 8 x 1 0 4 阡t o = 9 4 。C 时q = C 1 5 - c ：2 = 7 1 5 x 1 0 。P Fq = a 5 一q 3 = 7 0 4 x 1 0 。P Fa = a - 5 - t 一7 = 6 9 9 x 1 0 - 3 艘c i = a 5

102、 一q - 8 = 7 1 2 x 1 0 。P Fa = a s - q I = 7 1 6 x1 0 。3 阿从上述不同工作温度下相邻电极电容差值序列表明，无论是工作温度t o = 2 3 或t o = 9 4 。C 时的AC 或C 均明显地大于零，因此，可以设定某个沉积厚度阈值，并标定该阈值所对应的AC t h ，当传感器最底部两电极与其他任意二相邻电极输出电容信号差值AC 大于AC t h 时，测量系统发出煤粉沉积工况产生的报警信号，提醒工作人员采取适当措施，避免沉积加剧导致气力输送管道堵粉。2 3 6结论通过基于多极板电容法的气力输送管道煤粉沉积工况检测试验，得出以下结论：l ，传感

103、器工作温度的变化对气力输送管道内煤粉相浓度相分布测量准确度存在显著的影响，不能被忽略；2 ，当工作温度变化时，即使测量场内灵敏度最高的区域( 即相邻电极板之间) ，传感器输出信号也无法准确表征煤粉沉积工况的产生；3 ，本文提出的基于多极板电容式传感器，底部二相邻电极输出电容与其他任意相邻二电极输出电容信号差法可以检测出气力输送管道中煤粉沉积工况的出现。其可靠性和有效性不受其它参数及环境因素的影响。2 4多极板电容法应用于输粉管道沉积工况的测量系统设计2 3 3 提出的将多极板电容式传感器应用于输粉管道沉积工况测量的J 下确性和2 9第二章电容式传感器用于输粉管道沉积j l ：况检测方法实验研究

104、可靠性已由相关实验验证。下面给出测量系统的组成方案。如图2 - 6 所示：线图2 - 68 极板电容式传感器H J 于管道内煤粉沉积_ T 况测量系统框图输送管道内煤粉体积浓度的实时检测，其目的在于：其一，评价同层燃烧器风粉量是否均衡；其二，为获取煤粉实时质量流量提供必需的信号。因此，在确认管道中无煤粉沉积情况下，煤粉体积浓度的测量值才有意义。为解决这一问题，本文提出的解决方案如下：第一，首先首先是确定传感器的安装位置。注意到连续相流速过低而导致管道中煤粉出现沉淀时，其肇始位置是管道的弯头附近或倾斜角度最小管段的最低位置，故应将图2 - 6 所示传感器按此要求装设在煤粉最容易出现沉淀的管段上，

105、虽然无法确定其准确位置。但通过实验可以大致确定其范围，只要传感器安装位置与最初的沉积点相距不太远的情况下，均可及时探测出管道中沉积工况的产生。第二，传感器的安装。传感器的电极个数应为偶数个，在安装时，必须使在过管道截面中心点的垂线两侧的电极数目相等，即过传感器管道截面中心点与水平面的垂线不与传感器的金属镀膜电极相交，如图2 - 6 所示。电极4 ，5 在管道的最下方与过管道中心点的垂线左右对称，4 ，5 两电极中问位置是传感器管道截面的最低点。当出现煤粉沉积工况后，煤粉将积淀在电极4 和电极5 所对应的管道内壁，4 ，5 电极板问的输出电容c 4 5 同其它极板间电容信号的变化相比，其变化值最

106、大。第三，传感器相邻两电极极板构成的电容值测出后，于管道正下方的两电极板4 ，5 构成的电容值C 4 s 相减求差。因为传感器陶瓷管道材料的介电常数s 。，上随工作温度变化，传感器电极板引出线及信号连接到电容测量电路电缆、C M O S 丌关输入端寄生电容随环境温度变化都会影响对C 4 5 的检测。更具体地说传感器与检测电路问的连接屏蔽电缆电容量约为1 5 0 - 2 0 0 P F ，C M O S 电子开关的输入端寄生电容约为8 P F ，而传感器陶瓷材料的占。，为8 - - 9 。因温度的变化导致介电常数的变化使电容传感器输出的电容信号的变化使分布电容产生的变化量远大于传感器信号电容3

107、0华北电力大学博十学位论文的变化，从而使传感器的输出信号失效。为消除这种影响，测量系统可采取下列信号处理方法，将所有相邻电极板形成的电容信号两两分别测出，即采样控制电路分别将下列极板间的电容输出信号送至电容测量电路。C I 2 、C 2 3 、C 4 5 、C 6 7 、C 7 8 、C s I测出上述8 个电容值，分别于最下方两极板4 ，5 间电容值C 4 5 相互比较，求出C 4 5 与其它各电极问的输出电容之差。可使环境温度、工质温度变化导致的干扰信号电容消除。如此一来，就将煤粉沉积导致的电容信号的变化有效的提取出来了。而已有的E C T 处理办法中，这些分布电容，寄生电容，随温度变化导

108、致的附加电容是叠加的关系，不能消除也无法补偿。求差后得到如下输出电容差值序列为：A C I = C 4 5 一C 1 2A C 2 = C 4 5 一C 2 3A C 3 = C 4 5 - C 6 7A C 4 = C 4 5 - C 7 8A C 5 = C 4 5 - C 8 i第四，根据最下方二极板输出电容C 4 5 与其它相邻极板输出电容之差判断是否出现煤粉沉积工况。A C I 、A C 2 、A C 3 、A C 4 、A C 5 是消除了分布电容，干扰电容温度变化电容等干扰信号的，且传感器相邻极板问构成的电容值之差不包含零点电容值，其值完全由煤粉在传感器4 ，5 极板上沉积决定，

109、即A C l C 5 序列是一次风中煤粉在传感器所在管道底部出现沉积的表征和标志，可通过静态实验标定。设定堆积厚度阈值瓯，当沉积煤粉超过此阈值瓯后，信号处理系统即向控制系统下报系统及运行人员发出，煤煤沉积工况出现报警信号以使控制系统，保护系统或运行人员及时采取调整措施，避免粉管堵塞工况。第五，在确认安装在气力输送管道中的传感器内无煤粉沉积后，再按相应的信号处理方法获取煤粉相浓度及相分布的信息。这样得到的煤粉体积浓度的信息j 是有效的，藉此进一步可获得实时进入炉膛的煤粉流量。只有对电容式传感器输出信号按上述方法进行处理，电容法测量电站锅炉气力输送管道煤粉的相浓度和相分布应用于工程检测才有希望获得

110、成功。2 5小结本章从电容式传感器的数学模型出发，讨论了电容层析成像法( E C T ) 及多极板旋转场法应用于实际工程存在的局限性，基于充分发挥电容法所具有的高安全性优势的思想指导下，本章提出了多极板电容式传感器底部二相邻极板问输出电容信号与其它二相邻电极板输出电容信号差法的。用于气力输送管道内煤粉沉积工况检第二二章电容式传感器用于输粉管道沉积I ：况检测方法实验研究测方案，并设计了实验方案，通过静态测量实验证明了该方法原理J 下确，方案切实可行，可用于沉积工况的高可靠性工程测量。总之，电容法包括电容层析成像法，虽然在理论上能够测量气力输送管道内煤粉的体积浓度，同时获取管道横截面上煤粉相浓度

111、分布信息，但作为一种软场感测型( s o f tf i e l ds e n s i n g ) 函数测量方法，除输出电容信号过于微弱、不易测量、信号处理过于复杂的限制性外，二相流参数检测结果易受其他因素影响。将其应用于工业过程检测尚有许多工作有待完成，有效性也有待实际测量验证。寻找硬场感测型( h a r df i e l ds e n s i n g ) 绝对测量方法( a b s o l u t em e a s u r e m e n t ) ，是克服包括电容法在内的所有的软场感测型测量方法局限性的有效途径。检放射线本身所具有的能够透射物体的本领，已广为人所知，且已将其应用于金属探伤、

112、密度检测、厚度检测、成分分析、集装箱整体无损检查等工业领域。作为具有明显硬场感测型特征的测量方法，得到的测量结果不易受到其他因素变化的影响。Y 射线在所有的放射线中的穿透本领最强，Y 射线是由Y 射线源产生的，体积、质量都可以制作的很小，使用方便，维护也容易，因此其应用最为广泛，为将Y 射线检测技术应用于气力输送管道中风粉二相流气体的检测，本章简述Y 射线吸收法相关的物理学知识。3 1Y 射线的性质、产生方法及常用的Y 源【6 0 】丫射线是一种从原子核中发出的电磁辐射。它不受磁场的影响，原子核衰变和核反应均可产生Y 射线，它是种高能电磁波，Y 射线的发射对原子核的原子序数和质量没有影响。波长

113、很短( O 0 0 1 0 0 0 0 l n m ) ，穿透力强，射程远，丫衰变是原子核自发放出丫光子的过程，即原子核从高能念( 即激发念) 通过发射Y 光子跃迁到较低能态的过程。在Y 跃迁中原子核的质量数和电荷数不变，只是能量发生了变化。y 射线主要性质如下：( 1 ) 在真空中以光速直线传播。( 2 ) y 光子不带电，所以不受电磁场的影响。( 3 ) Y 射线是不可见光，人类靠视觉不能感知其存在与否。( 4 ) Y 射线的透射本领很强，在透过2 0 0 m m 厚的铁后仍然可以被检测到。( 5 ) 与可见光不同，Y 射线在媒质界面处只发生漫反射，不能像可见光那样产生镜面反射；Y 射线的

114、折射率接近于1 ，发生折射后，方向改变也不明显，可认为其是直线传播。( 6 ) 在透射物质的过程中，Y 光子与物质发生物理作用，包括光电效应，康普顿效应，电子对效应等。( 7 ) 具有生物辐射效应，使生物细胞发生电离，使生物组织破坏。3 一常用的y 射线源以发射Y 射线为主要特征的放射源，简称Y 源。是利用能发射Y 射线( 包括x第三章Y 射线检测技术应用于气力输送管道内风粉二相流检测的物理学基础射线) 的核素制备的。用于制备y 放射源的核素有铁5 5 、钻5 7 、钴6 0 、硒7 5 、铯1 3 7 、铥17 0 、铱1 9 2 、钚2 3 8 、镅2 4 1 等。3 2 1C 0 6 0

115、C 0 6 0 是一种人工放射性同位素，其由稳定同位素C 0 5 9 受中子照射后产生的。中子进入C 0 5 9 原子核内的过剩能量，在中子被俘获的瞬间以Y 射线的形式发射出来，图3 1 表示了其衰变过程。C 0 6 0N i 6 0 激发态N i 6 0 基态图3 - 1 衰变图由图3 1 可知，C 0 6 0 在衰变过程中最先放出一个0 粒子，变为激发态的2 8 N i 6 0 ，其后激发态的2 8 N i 6 0 依次放出两个Y 光子，从而变成基态的2 8 N i 6 0 。C 0 6 0 的半衰期为5 3 年；其光子的平均能量是1 2 5 M e V 。钴具有铁磁性，可借助磁工具可实现

116、远距离操作。在实际应用中，Y 放射源一般作成丝状，圆柱状或圆片状，外部由不锈钢壳封装。3 2 2C s l 3 7放射性同位素C s m 是U 2 3 5 ( 铀) 分裂后的一种产物。当U 2 3 5 核发生分裂时，大约有6 3 的裂变产物是C s l 3 7 ；在1 3 蜕变过程中，大约有9 2 的C s l 3 7 核转变成受激状态的B a l 3 7 ；约有8 的C s l 3 7 核转变成稳定状态的B a l 3 7 。受激状态的钡转化为稳定状态时，放出能量约为O 6 6 1 M e V 的Y 光子。C s b7 衰变过程如图3 2 所示：C s l 3 7a 1 3 7 激发态a 1

117、 3 7 基态图3 - 2C s l 3 7 衰变示意图1 ) ，液化温度为2 8为防止C s l 3 7Y 放射源中的铯盐发生泄漏造成污染，在使用中采用双层不锈钢壳将其严格密封。3 2 3A m 2 4 1这是一种人工合成的金属元素，1 9 4 4 年由美国人G T S e a p o r g 、R A J a m s e 、L O M o r g a n 在反应堆内被中子辐射过得P u 玎9 ( 钚2 3 9 ) 中发现的，P u 2 3 9 受中子轰击产生A m 2 4 1 ，属于锕系元素发生口衰变转化为镎2 3 7 ( N p 2 了7 ) 原子，并释放口粒子及Y射线，半衰期为4 3

118、3 年。广为人知的用途是用于烟雾探测，工业上广泛用于同位素测厚仪和同位素荧光仪等的放射源。衰变时释放出Y 光子能量为5 9 5 k e V , 与其放射源释放的Y 光子能量同镭源R a 2 2 6 比要低近百倍，故称其为低能或软Y 射线源。3 3Y 射线与物质的相互作用 6 1 】Y 射线是一种高能电磁波，它是在原子核转变过程中发射出来的波长比紫外线更短的电磁辐射。Y 射线与物质的相互作用形式多达十几种，其作用形式主要取决于Y 射线的能量。Y 射线与物质的相互作用显著区别于带电粒子，带电粒子与物质的相互作用机制是通过与介质原子核和核外电子的库仑力相互作用，在沿其运动行径上经过多次碰撞而逐渐损失

119、其能量。Y 光子则是通过与介质原子或核外电子的单次作用，损失很大一部分能量或完全被吸收。同位素放射源发射的Y 射线的能量一般是在几千电子伏特到2M e V 。对于放射性同位素核衰变时发射的Y 射线，或者内层轨道电子跃迁时发射的X 射线，它们与物质作用的主要形式有光电效应、康普顿效应和电子对效应三种，尽管还存在一些其他的形式，如瑞利( R a y l e i g h ) 散射、光核反应等，但在通常情况下它们的反应截面相对要小得多，与光电效应、康普顿一吴有训效应和电子对效应相比，作用是次要的。Y 射线与物质的作用过程中新生成的电子一般都具有较高的能量，还可以进行次级电离。3 3 1光电效应介质原子

120、作为一个整体与Y 光子发生电磁相互作用，结果是吸收了一个y 光子，并将Y 光子放出的全部能量EY 传递给一个束缚电子，该束缚电子摆脱原子对它的束缚之后发射出来，被称为光电子，这种效应就叫光电效应( P h o t o e l e c t r i ct第三章Y 射线检测技术应用丁气力输送管道内风粉二相流检测的物理学基础e f f e c t ) 。光电子的动能为E e = EY E i( 3 一1 )式中E i 一电子的逸出功或称电子在原子能中的结合能；i m 代表电子壳层，i = K ，L ；Ey 一入射光子的能量。上述光电效应中，光电子发射方向相对于Y 光子入射方向不是各向同性的。光电子的发

121、射方向和入射光子的能量EY 大小有关，当EY 比较小时( 2 0k e V ) ，光电子的发射方向差不多和入射光子的方向相垂直：当EY 逐步增大时，光电子的发射方向逐步趋向于和入射光子的方向一致。光电子和普通电子一样，在与物质相互作用过程中通过激发、电离等逐渐损失能量而被阻止。发射光电子后的原子也会以发出特征X 射线的形式而回到基态。其过程如图3 3 所示：3 3 2 康普顿效应图3 3 光电效应原理图当入射光子能量逐渐增大到1 M e V 时，Y 射线与物质的相互作用逐渐由光电效应过渡至康普顿效应。对于比较高能量的Y 射线，可忽略原子壳层电子的结合能而将它们视为自由电子，Y 光子可与这些自由

122、电子发生弹性碰撞。设碰撞前，光子的能量为Ey ，碰撞后，光子偏转一角度0 ，能量成为EY ，而电子则得到能量E1 3= EY Ey ，并以和入射光子呈一特定角度射出。这种现象叫康普顿效应。Y 射线与物质相互作用时，发生康普顿一吴有训效应的概率除了与吸收体有关外，还取决于入射y 射线的能量EY ，随着EY 的增加而减少。入射的Y 光子把一部分能量传递给电子，光子本身的能量减少并向不同的方向散射，散射效应中获得能量的电子叫反冲电子，其过程如图3 4 所示：3 6bpe 厂不：l O毫l o；。1 01 00 0 1o 1l1 0l E “V图3 5 电了康普顿截面同入射光了能量的关系曲线图3 3

123、3电子对效应图3 5 所当Y 光子经过某一原子核旁，在原子核的库仑场作用下，光子转化成一个正电子和一个负电子，这种现象称为电子对效应。能量大于电子静止质量两倍( 1 0 2M e V ) 的Y 光子在原子核场附近湮没而生成一对正负电子，光子的能量一部分转化为正负电子的静止质量，另一部分转化为它们的动能，这种现象称为电子对效应。产生这种效应的概率除了与吸收体有关外，还取决于y 射线的能量EY ，当EY 1 0 2M e V 时，动能随EY 的增加而增大。生成的负电子，在与物质相互作用时因电离、激发等逐渐损失能量而被阻止。生成的正电子，在损失能量之后，将与物质中的负电子相结合而变成Y 射线，此过程

124、称为湮没。第三章Y 射线检测技术应用于气力输送管道内风粉二相流检测的物理学基础上述为Y 射线与物质相互作用的三种主要形式。实际上康普顿一吴有训效应、光电效应总是同时存在的，当EY 1 0 2M e V 时正负电子产生过程也会参与其中。同光电效应类似，电子对效应除涉及入射光子及电子对外，还要有原子核参加，才能满足动量、能量守恒。当入射光子的能量大于1 0 2 M e V 时，电子对效应的截面随光子能量呈现线性增加趋势；在高能时，其截面正比于I n E ；但是当能量很高时，其截面就逐渐趋近于一个常数。不论在高能或低能的状态，其截面都正比于吸收体原子序数的平方。关系曲线如图3 - 6 所示：1 0

125、一-飞1 0 哺N 1 0 。玎1 0 。-1 01 0 0E ，M t y图3 - 6 电了对效应截面同入射光了能量之间的函数关系曲线图3 3 4各种相互作用发生的相对几率光电效应、康普顿一吴有训效应、电子对效应的发生几率与物质的原子序数及入射光子能量有关，对于不同物质及不同的能量区域，上述三种效应的相对重要性并不相同，图3 7 给出了各种效应占据优势的区域：1LI 光毫效应|一电子对效璃占优势b - 占优势白7顿傲射鲁赢麓古优势彳I 1t - l lI o O IO 1ll O1 0 0E ( I e V )图3 7 按光了能量及原了序数表示Y 射线同物质的三种作川的发生趋势图华北电力大学

126、博士学位论文由图3 7 可以看出：( 1 ) 低能量的射线及原子序数高的物质，光电效应占优。( 2 ) 中等能量的射线及原子序数低的物质，康普顿效应占优。( 3 ) 高能量的射线及原子序数高的物质，电子对效应占优。光子能量低于1 0 K e V 时，光电效应占了绝对优势。随着Y 光子能量的增大，光电效应逐渐减弱，康普顿效应的作用逐渐显现。在超过1 0 0 K e V 后，两种效应大致相当。当Y 光子的能量在1 M e V 时，强度的衰减几乎全部由康普顿效应造成。光子能量逐渐增加时，电子对效应所引起的吸收也逐渐增加；y 光子的能量达到1 0 M e V时，电子对效应与康普顿效应作用大致相同；但超

127、过1 0 M e V 以后，电子对效应的几率就越来越大。3 4窄束、单色Y 射线的强度衰减规律【6 2 】根据上述物理学物理学知识，当Y 射线透射一定厚度的物质时，光子同物质之间发生相互作用。若光子与物质发生的相互作用是光电效应和电子对效应，则光子可被物质吸收；若光子同物质发生康普顿效应，则光子被散射。散射光子也有可能穿过物质层，透射被测物质层的射线由两部分组成，一部分是不曾与物质发生相互作用的y 光子，其能量、方向均不发生变化，称为透射射线；另一部分是发生过一次或多次康普顿效应的光予，其能量和方向都发生了变化，称之为散射射线。所谓的窄束射线意指不包括散射成份的射线束，通过物质后的射线束，仅仅

128、由未与物质发生相互作用的光子组成。其中“窄束”一词是实验过程中，通过准直器得到的细小的Y 射线束流而取得的名称，只要其中没有散射成份，即称之为“窄束Y 光”。“单色”意思是经准直器出射的Y 光是由单一波长的电磁波组成的射线，换言之，由相同能量光子组成的Y 射线束，可称为单色Y 光。在单能y 射线源与探测器之间放置两个准直器，分别称为源准直器和探测器准直器，在两个准直器之间放置材料及厚度均匀的物体，通过试验测出窄束单色Y 射线强度衰减规律，原理如图3 8 所示：3 9第三章Y 射线检测技术应用丁气力输送管道内风粉二相流检测的物理学基础被测物体矧一砺。既缓黝黝溢鲨文黝l 弋黝黝淤沁沁过艚i图3 -

129、 8 获窄辐射束的装置示意图当不存在被测物体时，Y 射线探测器所接收的Y 射线辐射强度为厶，在放置厚度为Ax 的被测物体后，探测器所接受的Y 辐射强度为I ，以表示强度的变化量，一I o = 一A ，负号表示Y 射线强度在穿透被测物体后减弱。其衰减规律：一A = A o A X( 3 2 )即Y 射线透射物质后，强度的减弱与与物质的厚度及辐射初始强度成正比，将称为线性吸收系数。对( 3 2 ) 积分，设Z = O 时，I = I o 便得到窄束单色Y 射线与物质作用的衰减规律：I = 厶e 一I X( 3 3 )式( 3 3 ) 中的T 即为Y 光穿透均匀物质的厚度值。表征Y 射线透射单位厚度

130、的均质物质时，与物质发生相互作用的几率。其值与Y 射线的能量、物质的原子序数及物质的密度有关。对于同一种均匀质物质，当射线能量不同时衰减系数不同。对于同一性质的射线，物质不同时，其线性吸收系数z 值也不同。y 射线强度衰减是数个效应共同作用的结果，故线性吸收系数可表示为：= Z , h + 心+ p + z 足( 3 - 4 )式( 3 4 ) 中：鼬光电效应线性吸收系数；从康普顿效应线性吸收系数；。电子对效应线性吸收系数；。瑞利散射线性吸收系数。在实际工程中，常用半价层来描述某一能量的射线的穿透能力或某种射线在材料中的衰减程度。半价层系指使入射的Y 射线强度减少一半所需要的均匀物质的厚何论文

131、3 5Y 射线吸收法测量原理，l一= 一I n2( 3 5 )用Y 射线吸收法测量物体厚度的原理如下：I-Ioe一膨(3-6)式( 3 - 6 ) 中Z o ，1 分别是Y 射线穿过被测物质自订、穿过被测物质后的Y 射线强度，为y 射线的线性吸收系数，X 是被测物体的厚度。则1x = ( 1 n 厶一l n ，) ( 3 - 7 )由上式可看出，被测物体的厚度Z 与透射该物体的Y 射线强度，成对数关系，在已知I o 的前提下，测得I 的值，通过式( 3 7 ) 可求得被测物体的厚度。3 6Y 射线强度f l , O N 量方法 6 3 】Y 射线的探测方法主要有电离室法、闪烁计数器法和半导体探

132、测器法。3 6 1电离室法电离室探测核辐射是最早的方法之一。虽然科学技术飞速发展，相继出现新型的闪烁探测器、半导体探测器，但电离室法具有其他方法不能替代的优点：探测电离室的大小，形状几乎不受限制；不存在和辐射损伤，极易恢复，可靠性及有效性高，且经过不断改进，这种方法目自订仍广泛应用于工业生产的科学研究等重要领域。图3 - 9 所示为一种带保护环的电离室测量原理图。4 I第二章Y 射线检测技术应用于气力输送管道内风粉二相流检测的物理学基础图3 - 9 电离室结构示意图出电压电离室中充高压惰性气体( 氙X e ) ，y 射线照射电离室，在电极或室壁上激出次级电子，次级电子使所充的惰性气体发生电离，

133、生成正负粒子，这些正负粒子被直流高压电极收集，形成1 0 叫A 级的电离电流I ，结构参数一定的检测电离室收恒定强度y 光照射所产生J 下负离子对的生成率是恒定的，因此，Y 射线强度越大，Y 光子能量越高，电离室惰性气体产生的正负粒子对就越多，形成的电流也越大。电离电流I 与高压直流收集电压U 之间关系曲线如图3 一1 0 所示。U图3 1 0 电离搴的特性曲线在电离室高压电极与收集电极之问所施加的收集电压是几百伏特的数量级的直流电压，为保证测量装置的计量性能，一般选择电离室特性曲线的饱和电流段即图3 一l O 的U l ，U 2 段之间，从而保证输出电流I 与照射电离室的y 射线强度成正比，

134、所收集到的1 0 。9 A 级的电流信号由静电计转换成1 - 5 V 直流电压信号，作为测量系统的输出信号。该电压信号与所测量的y 射线强度成正比，如此即完成了对Y 射线辐射强度的测量。在电离室的两个绝缘部分之间插入个导体，如图3 - 9 所示，目的是使高压电极与收集电极分丌，该导体的电位保持在接近与收集电极电位上，可大大减少加在高压电极与收集电极之间的绝缘体上的电压梯度所产生的漏电流。这个附加的导体称为“保护环”或“保护电极”，以保证测量的有效性和准确性。4 2华北电力大学博七学位论文3 6 2闪烁计数器法闪烁体与光电倍增管结合即构成了闪烁计数器。闪烁体是一种能够将入射射线的能量转化为光能的

135、物质，射线与物质相互作用会阻止介质原子能被激发，这些被激发的原子退激回到其基态时，即会发出光脉冲，因此称之为闪烁体。基于这种现象束进行辐射探测的器件称作闪烁探测器。2 0 世纪初，卢瑟福就利用该方法完成了观察Q 粒子被不同元素组成箔片的散射实验，成功地建立了原子的核式结构模型。当时使用的古老的闪烁探测器就是一块Z n S 粉术屏。随着科学技术的不断进步，尽管与古老的闪烁探测器具有相同的物理过程，但现代闪烁探测器发生了根本性的变化，它不仅能用于确定核辐射的存在及强弱，而且能测定入射粒子的能量，能量分布，甚至能鉴别出粒子的种类。目前，闪烁体探测器已成为有效的、应用用最广泛的、最具有适用性的核辐射探

136、测器之一。闪烁体可分为有机和无机两大类，常用的闪烁体主要有以银或铜作激活剂的硫化锌，硫化镉，即Z n S ( A g ) ，Z n S ( C u ) ，C d ( A g ) ，以及以铊作激活剂的碱土金属碘化物闪烁体，如N a I ( T 1 ) ，K I ( T 1 ) ，C s I ( T 1 ) 等。入射的Y射线闪烁计数器通常由闪烁体及发电倍增管两部分组成，如图3 1 1 所示：，-i：- 777 7 f ，7 ，l眨甏绸7 c毛R三L 。L J 。L_ 一l l r 一- _ 州r一罨一l 闪烁计数器测量Y 射线强度测量原理图射体2 闪烁体3 光导管5 光阴极6 联极7 阳极器测量Y

137、 射线的工作原理如下：将入射的射线能量转化为光能2 ，通过反射体1 光线透过耦合的硅油4照光电倍增管的光阴极5上，光电倍增管的作用有两个：其一是接收闪烁体发射子；其二是将其转变为电子，这些电子被倍增管放大，成为电脉冲信号。管由光阴极5 ，多个( 可达1 4 个) 联级6 和阳极7 构成。当入射的射线进烁体时，引起闪烁体分子或原子激发，受激的分子或原子由激发念返回基4 3第二章y 射线检测技术应用于气力输送管道内风粉二相流检测的物理学基础态时发射光子，这些光子被光电倍增管的光阴极所收集，并从中打出光电子。这些光电子经过光电倍增管光阴极和第一个联级之间的电场时被加速，每个电子在第一个联级和第二个联

138、级之间的电场加速，被加速的电子又在第二个联级上打出更多的电子，如此继续，一级一级地倍增，最终被光电倍增管的阳极收集。阳极收集了大量的电子，从而形成了一个电流脉冲流过负载电阻R ，产生一个电压脉冲，这个电压脉冲被后面的电子设备记录，根据测得的脉冲计数率可求出射线的强度，脉冲计数表征被测量的Y 射线强度，如此便完成了对入射的射线强度的检测。3 6 3 半导体法半导体探测法是近期才发展起来的一种射线探测方法。半导体分为N 型半导体和P 型半导体。N 型半导体的主要载流子是电子，P 型半导体的主要载流子时空穴。P N 结半导体探测器其结构从原理上讲与普通的半导体二极管相类似。如图3 一1 3 所示。大

139、器图3 - 1 3P N 结半导体探测器- T 作原理图将P 型半导体与N 型半导体用工艺的方法连接到一起，由于N 型半导体中的电子和P 型半导体中空穴的扩散与漂移，在两种半导体的分界面处形成了P N 结，其结果是在N 型半导体的一侧临近界面处出现了J 下电荷，在P 型半导体的一侧邻近界面处出现了负电荷，在界面处就产生了一个电场，电场的方向是从N 型侧指向P 型侧。这个空间电荷区叫做势垒层或P N 结。在P N 结中，一旦有载流子出现，将在电场的作用下立刻运动到结区的两边，也就是说被电场“扫”到结区的两边，因此，结内载流子密度很小，比本征半导体内的载流子密度还要小很多，由于缺少载流子，也称其为

140、“耗尽层”。P N 结半导体探测器探测粒子的原理如下：通过负载电阻在P N 结上加上适当的反向电压，由于结内缺少载流子，电阻率很高，所施电压几乎全部落在了P N 结上，而结外的P 型半导体和N 型半导体上的电压为零。当射线( 如Y 射线) 射入P N 结内时，损失自己的能量而在结内产生很多电子空穴对。这些电子和空穴，由华北电力人学博十学位论文于电场的作用，很快地漂移向结的两侧，产生一个信号电流。因为结外两侧的N 型半导体和P 型半导体中的电场为零，电子和空穴一旦进入它们之中，信号电流就立刻降为零。这个电流脉冲在负载电阻上变成电压脉冲，再经过放大器等电路加以测量，就可得到入射的Y 光强度。完成了

141、对入射Y 的光强度的测量。3 7小结Y 射线吸收法作为气力输送管道中煤粉相浓度及相分布实时检测的可选择方案之一，是一种典型的硬场感测( h a r df i e l ds e n s i n g ) 、绝对测量( a b s o l u t em e a s u r e m e n t ) 方法，为研究将其应用于实际工程的可行性，本章主要罗列了关于Y射线吸收法的物理学知识，包括Y 射线的性质、产生方法及常用的Y 射线源、Y 射线与物质之问的相互作用、Y 射线吸收法测量气固二相流固相浓度的基本原理及Y射线辐射强度的测量方法。根据工程实际情况，合理选择Y 射线源的种类及Y 射线探测方法，在此基础上

142、构造气力输送管道中煤粉相浓度及相分布实时检测解决方案是本论文提出解决方案的物理学基础。第二章Y 射线检测技术应用丁气力输送管道内风粉二相流检测的物理学基础中有4 0 用于发电，由于电煤价格的不断攀升，使得火力发电企业节能降耗面临的压力更大，只有在电力生产每一个环节上均发掘潜力，做出改进才能收到明显的效果。缘于电力生产企业迫切的需求，一直被认为难题的进入炉膛燃料量的实时检测问题事关重大，目前已成为必须直面的问题。提及入炉燃料量( 煤粉) 的实时测量问题涉及以下不同层面的问题，根据其重要性阐述如下：第一个层面，也是最基本、最重要的层面是满足制粉系统、气力输送管道系统的运行安全，以至于锅炉燃烧安全性

143、需要的层次。主要是既防止管道内连续相流速过低，煤粉出现沉积逐渐演变成管道堵塞，或致煤粉在炉膛内着火位置提前，距燃烧器太近，形成结焦，使燃烧器温度过高，喷口变形乃至烧毁；又避免管道内连续相流速过高，造成管道内壁磨损加剧而无法达到寿命预期，或致煤粉在炉膛内着火位置延后，气流冲刷炉墙且燃烧不稳定。第二个层面是满足锅炉运行经济性需要。测得煤粉体积浓度后，进一步可获得管道中实时进入炉膛的燃料( 煤粉) 量，这对于准确控制锅炉燃烧，提高锅炉运行的安全性，增加燃烧效率是至关重要的。第三个层面是满足气固二相流理论研究层次的需要，通过实验建立多相流流体力学的理论体系。从逻辑上讲，在锅炉任一负荷，应该对应着一个连

144、续相( 携带煤粉的热风) 流速V o p ，在该流速下，输粉管道内既不出现煤粉沉积，又不致使着火点位置推迟。V o p 即使不是一个定值，至少存在一个范围，在此阈值范围内，气力输送管道的运行状态时最理想的。为描述这一设想，不妨引入一个概念，称其为“最佳输粉风速”。遗憾的是，到目前为止，既缺乏“最佳输粉风速”的表征参数，也无有效检测手段验证，工程技术人员只能根据输粉管道内用动压法测得的风粉二相流体流速小于某4 7第四章基于Y 射线吸收法的气力输送管道内煤粉浓度及相分布测量方案与实验验证一下限值( 比如小于1 8 m s ) 时，就增大磨煤机入口冷热风调节门开度，使磨煤机出口压力达到某一限值。而此

145、工况下的管道内是否存在沉积、调整风门调节完毕后是否达到了预期效果，对应燃烧器煤粉着火点是否提前或延后等等都无从得到反馈信息。如此便表明这种操作是不准确的。可以肯定的是，如果获得了气力输送管道横截面上煤粉相分布信号，这些问题都会找到准确的答案。换言之，煤粉在气力输送管道横截面上的相分布可以界定“最佳输粉风速”。还有一点必须提及，就是同层燃烧器风粉等量平衡判定问题也有赖于同层各煤粉气力输送管道内的煤粉浓度及煤粉相分布的实时检测，同层燃烧器对应气力输送管道中风粉等量平衡的实时检测是锅炉运行中的一个重要方面，如果出现同层燃烧器风粉失衡现象，会使锅炉长期处于同层燃烧器中风粉不均匀状态下运行，极易发生火焰

146、中心偏斜，燃烧不稳甚至出现火焰冲撞水冷壁等情况，导致水冷壁结焦、高温腐蚀、机械损伤、锅炉热效率下降等严重损坏锅炉安全运行的工况，严重时可直接引起锅炉灭火事故的发生。在工程界三十多年的探索中相继发展出了多种方法包括电容法、电容层析成像法、热平衡法、差压法、动量法、传热法、相关法、静电法、激光法等，均取得了一定效果。在上述罗列的方法中除电容层析成像法在理论上可以测量管道横截面上的煤粉相分布外其他方法均无法测得煤粉在气力输送管道横截面上的相分布，且除激光法外其他各种方法均为软场感澳 ( S o f ts e n s i n gf i e l d ) 型，所得到的测量结果受流型其他因素如煤种、细度、湿

147、度、温度、连续相流速、流型、相分布变化的影响。作为难测流体，虽然有实际工程的迫切需求和工程技术人员不懈努力探寻，但是令人遗憾的是迄今鲜见能可靠用于实际工程中满足第一层即一次风管道运行安全性需要的方案，遑论达到第二、第三层次的要求。利用Y 射线与物质之问相互作用的规律可以用来检测类似于气力输送管道中风粉混合物这样的气固二相流体。这种方法与上述方法的最大区别是其属于一种硬场感测( h a r df i e l ds e n s i n g ) 型、绝对测量法( a b s o l u t eM e a s u r e m e n t ) ，风粉二相流参数的测量不受其他因素变化的影响而只与被测参数有

148、关。事实上，这一方法很早就成功地应用于诸如粉仓粉位测量、金属无损探伤、热轧钢板厚度实时检测、集装箱无损快速检测及小型车辆快速检查等领域，证明了这种方法的有效性。通过对照可以发现，气力输送管道内煤粉浓度的实时检测与热轧钢板的厚度实时在线检测不存在本质区别，用于热轧钢板厚度实时在线测量装置完全适用于气力输送管道中煤粉浓度的检测。当然这并不意味着Y 射线测厚仪不经改造即移植于风粉二相流检测，若达到实际测量的目的，还应解决如下问题：1 必须消除流型及相分布变化对测量造成的影响。2 能够实现对管道横截面上的煤粉相分布信息进行有效、准确的测量。4 8华北电力大学博十学位论文3 。在满足测量准确度的前提下，

149、尽可能采用放射性活度小的Y 射线放射源。4 解决Y 射线的防护问题。下面的工作全部都是为达上述目的而展开的，通过一步一步地改进和完善，以期达到在实际工程中应用的程度，满足前文提及的第一层次及锅炉运行安全层的要求，为输粉最佳风速的确认提供截面上相分布及相浓度的实时信号，为实时测量进入炉膛燃料量的打下基础。4 2Y 射线吸收法风粉二相流测量装置的基本形式如图4 1 所示，单点Y 源、单电离室结构是基于Y 射线吸收法气力输送管道内风粉二相流检测系统的最基本的形式。1 Y 射线点源2 屏蔽准直器3 传感器管段4 被测介质( 风粉二相流体) 5 电离室6 静电计图4 1Y 射线吸收法测量原理图自Y 点源

150、发出的y 光子经屏蔽准直器2 以窄束形式照射传感器管道3 ，在穿越管壁3 及( 热) 风( 煤) 粉- - , H 流体4 时一部分Y 光子被吸收，Y 射线强度衰减。设传感器管壁材质壁厚均匀煤粉在传感器管道内分稚均匀，选择合适出射角的屏蔽准直器及合适几何尺寸的充惰性气体电离室5 。调整Y 射线源与被测管道之f B J 的距离，使经源准直器射出的y 射线只照射传感器管段且令穿透管道后的Y 光子全部都照射电离室整个有效探测部位，则根据Y 射线与物质相互作用规律有：，( f ) = I o e 州力( 4 1 )( 4 1 ) 式中厶是传感器管段3 空管时照射到电离室的Y 射线强度，( f ) 是在

151、t 时刻传感器管段测量空间内存在J x L 粉二相流时，电离室收到的Y 射线辐射强度，z ( r ) 是t时刻传感器管段测量空间内的风粉二相流体中煤粉的等效厚度，是被测煤粉的线性吸收系数。则t 时刻测量室内煤粉的体积浓度( f ) 由下式表示4 9第四章基丁Y 射线吸收法的气力输送管道内煤粉浓度及相分布测量方案与实验验证以f ) ：型：上I n 塑( 4 - 2 )。HHpi o( 4 2 ) 式中H 为传感器测量室横截面的等效宽度，当管道内径确定及Y 点源与传感器管段距离确定之后H 即为常数。当Y 点源种类及放射性活度，传感器管段材质与厚度，Y 点源到传感器管段之间距离等因素确定之后办为定值

152、，通过测量t 时刻照射电离室的Y 射线强度值，( f ) ，由( 4 2 ) 式求得该时刻测量室内风粉两相流煤粉的体积浓度。Y 射线的强度，( f ) 的测量方法有电离室法、光电二极管法及闪烁晶体法。现以电离室法说明，( f ) 的测量原理，强度为，( f ) 的Y 光照射电离室，与电离室内所充的惰性气体发生光电效应和散射，其次级电子使气体电离产生正负离子，在高压直流收集电压的作用下，这些正负离子分别流向正负极板，直流高压正负极板收集到1 0 A 数量级的电离电流，经静电计转换为1 - 5 V D C 电压输出信号u ( t ) ，u ( t )经模数转换器A D C 转换为数字信号，单片机系

153、统根据式( 4 2 ) 将U ( t ) 按体积浓度的示值进行分度，显示器显示实时的体积浓度f l ( t ) 的值。( a )( b )图4 - 2 分层流当中的两种相分布示意图基于Y 射线吸收法的单Y 点源单电离室结构测量的有效性已在热轧钢板厚度的实时在线检测工程应用中得到了验证，但将其不加改进地用于燃煤发电锅炉气力输送管道煤粉浓度和相分布的检测尚存在局限性，即使适用于相分布均匀的稀疏气固二相流体也不能得到横截面上煤粉相分布信息。煤粉相分布不均匀或流型的变化对浓度的测量具有很大影响，即使是同一种流型下的不同相分布，其煤粉浓度的测量误差也存在大于1 0 的误差，如图4 3 所示。01 02

154、03 04 05 06 07 08 09 0l U UZ 图4 3 单Y 源单电离室结构煤粉浓度传感器静态输入输出特性曲线图4 3 中，曲线l 是图4 2 所示分层流当中相分布( b ) 图对应的传感器输入输出特性曲线；曲线2 是图4 2 所示分层流当中相分布( a ) 图对应的传感器输入输出特性曲线。因此，图4 1 所示的单Y 点源，单Y 射线探测器结构的煤粉浓度传感器不能满足气力输送管道对相浓度及相分布测量准确度的需要。4 3单y 点源，多腔独立电离室阵列结构煤粉浓度测量方案将单Y 点源，单Y 射线探测器结构进行改进，试图气力输送管道中煤粉浓度及相分御测量的目的。图4 4 给出了一种改进的

155、方案【6 4 1 。1 Y 射线点源2 源准直器3 被测管道第四章基于Y 射线吸收法的气力输送管道内煤粉浓度及相分布测鼙方案与实验验证4 测量空间5 Y 射线探测电离室阵列6 静电计阵列图4 4 单Y 点源多腔独立电离室阵列结构煤粉浓度及相分布测量系统构成原理图该方案的特点是扇形出射的窄束Y 光，在透射穿过传感器管道后照射多腔独立Y 射线探测电离室阵列，窄束Y 射线透射传感器测量空间经被测介质吸收衰减后强度减弱，具有n 个独立电离室并各配静电计的Y 射线探测器阵列恰在扇形出射的窄束Y 射线准直器出射角所对的弦上，每个独立电离室端部与点Y 射线源的连线将传感器空问的横截面分割成了面积不等而上下对

156、称的n 个微元，每个电离室接受与之相对应微元内透射的强度为y 射线，将其成比例地转化成电离电流与之相配的静电计将该电离电流转化成输出电压。根据y 射线与物质之间互相作用规律有( f ) = I o e 蝴厶为管道为空时照射第i 个电离室的Y 射线强度；Z i ( t ) 为第f 个微元中煤粉的等效厚度；为煤粉的线性吸收系数；则第f 个微元中煤粉的体积浓度从f ) 由下式表示屈( f ) ：型：上l n 地“H- , I t厶( 4 3 )t 时刻，传感器空间t 时刻，传感器空间( 4 - 4 )( 4 4 ) 式中H i 是Y 射线穿越的传感器空间第i 个微元的等效弦长。( f ) 由第i 个

157、电离室及与之相配的静电计成比例的转化为直流电压( f ) 即= 百1 删( 4 _ 5 )( 4 5 ) 式中( f ) 为常数，与电离室的几何尺寸及所充气体有关( 4 - 5 ) 代入( 4 4 ) 有层( f ) ：士l n _ C i U i ( t ) ( 4 - 6 )HH t Hl b传感器测量空间内的煤粉体积浓度f l ( t ) = 去【届( f ) + 屈( f ) + 压( f ) + + 尾( 纠或f l ( t ) = 去喜肫)( 4 - 7 )Y 射线照射第i 个独立电离室产生的讵负离子形成的电离电流经与之相配的静电计转换为直流输出电压U i 经A D C 转化成数字

158、信号控制采样开关按采样程序将采集到微处理器( 微机、单片机) ，微机( 单片机) 按照4 - 6 式分别将U ( f ) 换算成屈( f ) ，5 2华北电力大学博十学f 7 = 论文再按照式( 4 7 ) 最后得出测量空问内的煤粉相体积浓度。注意到屈( f ) ( i = l ，2 ，n ) 表征y 射线照射第f 个独立电离室所穿越的传感器管段第f 个测量子空间内平均煤粉浓度，故屈( f ) ，展( f ) 屈( f ) 成( f ) 表征传感器管段的横截面的煤粉相分布信息，计算机系统可根据属( f ) ，厦( f ) 屈( f ) 尾( f ) 重建煤粉在传感器管道截面上分布图像。这种方法

159、的有效性可以从清华大学核研院小汽车实时检测系统的成功应用中得到证明，该系统采用的Y 射线点源分辨率可以发现2 0 0 m m 厚钢板下的3 的钢丝，但若将其真正应用到发电锅炉一次风管道的风粉二相流体检测可能存在下列局限性：1 ) Y 射线照射传感器空间相应的电离室，所对应的测量空间的横截面的面积不相等，这就意味着每个电离室不等权，具体的权值需单独标定，如此一来，使得工作量很大；2 ) 每个电离室的输出表征所对应的Y 射线通路上煤粉的等效厚度，但由于煤粉在流动中受重力的影响，在Y 光通路上有可能是非均匀分布，用这种方法获得的煤粉浓度值并不能正确表征空间上的煤粉实际分布情况，即使浓度的测量值可能是

160、准确的。当然这种方法比单点Y 射线源、单探测器的方案有了质的进步，并能够获得被测管道横截面上的相分布及相浓度信息。4 4双线源平行Y 光束，平行双列分层错置测量方案输粉管道中风粉二相流实时检测的理想方案是各参数的测量可以有效消除煤种、流型、相分布及工质的压力、温度、湿度、连续相流速、离散相流速、细度等因素的影响以获得均匀的测量场，且为硬场感测( h a r df i e l ds e n s i n g ) 型的直接绝对测量( a b s o l u t em e a s u r e m e n t ) 方法，以保证测量的有效性，可靠性和正确性。由于受各种条件的制约，及测量方法的局限，这种理想

161、目标一般很难实现。图4 5 所示即为风粉二相流测量领域最新研究成果，被认为是气固二相流多年来研究中最接近于理想状态测量方案( 6 4 1 。第四章基于Y 射线吸收法的气力输送管道内煤粉浓度及相分布测量方案与实验验证GW23卜j = 二D S 二二= L 一1 二一二一1 准直器双列分层错置开孔图2 Y 线源3 Y 源准直器4 传感器管段5 被测风粉二相流体6 探测器准直器7 Y 射线探测器阵列( 双列)图4 5 双Y 线源准直器开孔双列分层错置甲行窄束Y 光无盲区透射被测管道探测器双列直线阵列布置的输粉管道煤粉相浓度及相分布测量方案示意图对Y 射线源平行并列放置在铅制Y 射线源工作保护壳内，该

162、保护壳与源准直器制造为一体( 图4 5 中2 ) 每一只线Y 源对应源准直器的一列准直孔，准直器开孔双列分层错置( 图4 5 中l ，3 所示) 孔的横截面为正方形，边长为W ，同一列孔间距为W ，准直器另一列的开孔与前一列I T 好错丌，二列开中中f b j 间隔为G ，准直器丌孔如此布置目的是使传感器管道( 图4 5 中4 示) 在轴向2 W + G 长度上y 光平行光束照射不存在盲区，窄束平行Y 光束照射被测管道经被测介质吸收后通过与源准直器丌孔同轴的探测器准直器( 图4 5 中6 示) 照射到直线排列的Y 射线探测器阵列( 图4 - 5 中7示) 。对于图4 5 所示测量系统，根据Y

163、射线同物质相互作用的规律：( f ) = I o e 。腑【f ( 4 8 )( 4 8 ) 式中I o 为传感器管段无煤粉时到达探测管阵列的Y 射线强度，( f ) 为传感器测量空间存在煤粉的t 时刻照射到探测器阵列中第f 个电离室的Y 射线强度，石( f )为传感器空间Y 射线照射的横截面上Y 射线源准直器第f 个孔中的Y 光所穿越的对应传感器测量空问上煤粉的等效厚度，为被测煤粉的线。I I 吸收系数，并设煤粉的化学成分同一、不变，与煤粉相比，热风对Y 射线的吸收忽略不计，则准直器第f 个孔中的Y 光束穿过被测管道测量空间弦上的煤粉体积浓度( 或空隙率) f l i ( t ) 由下式确定

164、：屈：型：一上l n 型( 4 9 )j 。L tL i pj o( 4 9 ) 式中厶是准直器第f 个孔对应的传感器管道弦的长度，根据气固两相流紊流状态流动规律，第f 条弦上的煤粉体积浓度( 空隙率) 随时间f 产生随机波动。5 4华北电力大学博十学位论文通过准直器第f 个开孔的窄束Y 光照射测量空间内的煤粉经被测介质吸收到达Y 射线探测器列阵的第f 个独立电离室，电离条件有充惰性气体产生正负离子。由直流高压电极板收集形成电离电流，再经与该电离室相配的静电计将电离电流转化成直流电压( f ) 输出。故U ，( f ) 与( f ) 存在固定的函数关系：( f ) = 九( f ) 】( 4

165、1 0 )或I i ( t ) = 研U ( f ) 】( 4 1 1 )【，( f ) 与t ( f ) 的函数关系可以通过标定实验确定。( 4 - 11 ) 代入( 4 9 ) 有：届：半：一士I n 半( 4 - 1 2 )IL tL l pI o、A D 转换器将( f ) 成比例地转化成数字信号，采样开关按预定程序将其采集到微机进行处理，并由( 4 1 2 ) 式得到与之对应的屈( f ) 。因为平行Y 光束对应传感器测量空间的弦长厶并不相同，又由于Y 射线电离室由于充惰性气体的量及几何尺寸，甚至静电计的特性均存在一定差异，故U i ( f ) 与屈( f ) 的对应关系宜采用实验的

166、方法一一单独标定，如此一来，使每个Y 光穿透的传感器测量空I 、B J 的准确度能够达到很高的水平，且不受被测介质分布情况的影响。即使存在重力场作用，风粉两相流在同一个截面的同一水平线上的浓度分御也是趋于平缓的。即在同一截面的同一水平线上煤粉浓度不可能存在奇异分布。这一事实能够保证在这一弦上煤粉分和的图像。其意思是在Y 射线平行光束投射的传感器截面，在煤粉浓度分布不均匀的情况下在任一条水平线的煤粉分布可看作是均匀的。故将屈( f ) 作为t 时刻与第f 个源准直孔相应的测量空间圆管段横截面上的弦上煤粉的浓度是合理的、可信的、可靠的。因此，在得出届( f ) ，屐( f ) 成( f ) 即可在

167、计算机显示器上重建煤粉相分布的图像。当t 时刻传感器测量空问内的煤粉体积浓度( f ) 可由下式求出：p ( t ) = 二 属( t ) + 履( f ) + + 屈( f ) 】或刖= 去俐( 4 _ 1 3 )( 4 1 3 ) 式中1 1 是准直器两列开孔的个数。通过对图4 5 所示测量方案的分析可以得出如下结论。1 该方案由于采用平行窄束Y 射线无盲区照射测量空I B jY 射线探测器直线阵列第四章基丁y 射线吸收法的气力输送管道内煤粉浓度及相分布测量方案与实验验证独立多腔电离室结构可使一次风管道中煤粉相浓度的测量受流型及相分布变化的影响大大减小，如果源准直器的丌孔个数n 足够多，可

168、使浓度测量受流型及相分布变化的影响减d , N 可以忽略的程度，这是现有其它方法均无法达到的。2 当经准直器出射的Y 光束与重力方向垂直，且煤粉在水平方向上的分布均匀时，采用这种方案得到的相分布信息是有效的。可以表征煤粉在测量空间的实际分布；除这种情况外，其他工况下采用该方案以确定煤粉的相分布都可能导致很大的误差。3 该方案为实现风粉两相流的测量至少需要两个Y 线源，成本较高。4 对于实际工程而言，本方案的平行窄束光需要投射传感器管段的双层管壁，这就必须使Y 源的放射性活度达到一定的数量值，而Y 源的放射性活度越高，Y 光子的能量越大，对辐射防护的要求就越高。5 为保证y 光束相互平行，要求源

169、准直器及探测器准直器必须具有一定的长度，这就使得该方案要求现场有足够大的安装空间，且Y 射线辐射防护的面积大。基于上述原因，图4 5 所示的方案仍有改进的必要，在充分吸收了这种双y 线源准直器开孔双列分层错置、平行窄束Y 光无盲区透射传感器测量空间、Y 射线探测器直线双列独立多腔电离室结构的煤粉浓度及相分布测量方案优点的基础之上，提出并发展了一种点Y 射线源被测管道轴心设置、准直器3 6 0 。平面角出射、传感器管段耐磨低线性吸收系数材料、Y 射线探测器传感器管道外3 6 0 。环形布置、多腔独立电离室结构的输送管道中煤粉浓度及相分布测量方案，在保持上述方法优点的前提下，消除了其局限性，使解决

170、方案切实能够达到工程应用的要求。4 5点Y 源传感器管道轴心布置、y 光经源准直器3 6 0 。平面角出射、探测器多腔独立电离室结构、管壁外环形阵列测量解决方案针对图4 5 所示的测量方案中Y 射线必须透射传感器双侧管壁问题，若使Y 射线只需穿透单侧管壁即能到达探测器，很自然就设想可将Y 射线源固定于传感器管段的轴心线上；针对使用双y 射线源成本过高的局限性，采用单Y 点源3 6 0 。平面出射角准直器能达到双Y 线源取得的效果；基于上述考量，在保留图4 5 所示测量方案全部优点前提下，消除其全部局限性且使测量系统的性能指标达到更高水平，必须设计出新的解决方案。5 6华北电力人学博十学位论文土

171、BAt 一一图4 - 6 A 传感器复合管段沿轴纵向剖视图iBAt一。l图4 6 B 传感器复合管段B B 截面剖视图1 Y 射线点源2 Y 射线源准直器3 A 1 2 0 3 陶瓷外壳4 坝9 量空间5 传感器A I ：O ，陶瓷管段6 传感器口J 伐合金外壳7 电离窜阵列8 静电计9 A I ，O 、陶瓷肋片l O 传感器管段连接泫兰1 1 密封垫片1 2 被测管道1 3 电离室外壁1 4 防辐射隔离罩1 5 被测管道连接法兰1 6 电离室内壁1 7 螺纹连接A 1 2 0 3 陶瓷底盖图4 6 点Y 射线源传感器管道轴心布置源准亢器3 6 0 0 平面角出射Y 射线探测多腔独立电离窜环状

172、阵列测量方案原理图5 7第四章基丁Y 射线吸收法的气力输送管道内煤粉浓度及相分布测量方案与实验验证考虑火力发电厂燃煤锅炉的一次风管道通常采用壁厚5 5 m m 的钢质管道，如果传感器管道不加以改进。势必要求Y 源的放射性活度足够大以便在穿透管壁后，仍能被有效地探测。而这样一来防护要求就会提高，故本论文采用的传感器管段材料为A 1 2 0 3 陶瓷烧结( 刚玉) 与可伐( K o v a r ) 合金复合材料。在提高传感器内侧管壁耐磨性的同时，使管道时Y 射线吸收降低到最低水平，而可伐合金有效地保证了传感器的强度能够达到工程测量的要求。采用这种复合材料结构的主要原因还有，可伐合金保证传感器强度，

173、且具有与A 1 2 0 3 相同的线胀系数，刚玉内衬保证传感器管道的耐磨性。本论文提出的“点Y 源于传感器管道轴心布置、窄束y 光经准直器3 6 0 。平面角出射、Y 光探测器多腔独立结构电离室、管壁外环形阵列测量解决方案”的原理如图4 6 所示。下面结合附图和实施例加以说明。图4 - 6 中，传感器A 1 2 0 3 陶瓷衬里5 与可伐合金外壳6 复合管段通过法兰1 0 、密封挚片1 1 与被测管道1 2 的连接法兰1 5 实现与被测管道的连接。传感器的Y 源l为点状y 源，布置于传感器管段轴线上，Y 源准直器2 采用3 6 0 。平面出射角，Y源l 发出的Y 射线经准直器后出射平面与传感器

174、管段轴线垂直，n 个各配静电计8的独立电离室7 在传感器管段可伐合金外壳6 壁外布置成环形阵列，Y 射线铅屏蔽罩1 4 固定在y 射线探测器阵列电离室7 的外围，对穿透探测器的Y 射线进行屏蔽，选择合适的屏蔽罩铅板的厚度，可使屏蔽罩外环境中的Y 射线强度在国家规定的标准范围内。图4 - 6 B 中，Y 源l 所发出的Y 射线沿源准直器2 与被测管道轴线垂直的方向出射，穿透A 1 2 0 3 陶瓷耐磨包壳3 ，照射传感器测量室4 中的风粉二相流体，继续穿透传感器管段的A 1 2 0 3 陶瓷衬里5 与可伐合金外壳6 到达Y 射线探测器阵列中的某一独立电离室7 ，入射的一部分Y 射线与独立电离室7

175、 内所充的惰性气体氙( X e )发生光电效应和散射，由此而形成的次级电子使电离室中所充的惰性气体氙产生正负离子，电离室内的直流高压电极板收集到的J 下负离子形成1 0 4 A 数量级的电离电流，由Y 射线探测电离室7 所配的静电计8 将其成比例地转换为1 5 V 直流输出电压。在所述传感器管段可伐合金外壳6 壁外由n 个彼此独立的Y 射线探测电离室7组成了一个与管道同轴的环形探测器阵列( 图4 - 6 中n = 1 6 ) ，每个电离室均配置有静电计，电离室7 接收来自Y 点源1 发出的Y 射线，于是传感器管段A 1 2 0 3 耐磨陶瓷衬罩5 内的测量空间4 被无形地分割成以A 1 2 0

176、 3 陶瓷衬罩5 内缘为外弧，以源准直器耐磨层外壳3 侧壁为内弧，以传感器管段轴线为轴一I i , 的具有相同扇形截面的n 个柱状空间，每个柱状空问作为一个测量微元，对应一个配静电计8 的独立电离室7 ，每个静电计输出的模拟电压均经一个模数转换器A D 转换为数字信号，经总线连接华北电力人学博十学位论文计算机系统( 如图4 7 所示) ；传感器共有n ( n = 1 6 ) 个静电计，每个静电计输出的直流电压信号表征其电离室所对应测量空问微元内煤粉的体积浓度。将每个微元内煤粉作均匀分布处理而引起的测量误差会明显减小，同时又获得了截面上的煤粉相分布信息；将n 个静电计输出电压作算数平均运算即可表

177、征被测风粉二相流体中的煤粉相体积浓度。但仍有一部分Y 光子穿透了电离室外壁1 3 到达屏蔽罩1 4 ，通过选择合适的屏蔽铅板的厚度，可使屏蔽罩外的Y 射线放射线水平在国家标准规定的安全范围以内。传感器管段采用A 1 2 0 3 陶瓷材料做内衬的原因有二：其一是A 1 2 0 3 陶瓷材料比一次风管道所用钢质材料耐磨性好，在相同的耐磨性能要求的前提下，A 1 2 0 3 陶瓷管壁壁厚可以制作地较薄，以减少传感器管壁对Y 射线的吸收，降低装置对Y 射线源放射性活度的要求；其二是A 1 2 0 3 陶瓷材料对Y 射线的线性吸收系数明显低于钢质材料的线性吸收系数，又可以大幅降低对测量装置Y 射线源放射

178、性活度的要求。至于传感器外壳采用可伐合会是缘于可伐合金的线胀系数与A 1 2 0 3 陶瓷相近，做外壳以保护A 1 2 0 3 陶瓷衬罩，增加传感器管段的机械强度，且易于实现与被测管道的法兰连接，可伐合金对Y 射线的线性吸收系数也小于钢材的线性吸收系数。图4 - 6 A 所示的Y 源及源准直器的A 1 2 0 3 耐磨层3 系与传感器管段A 1 2 0 3 陶瓷衬里5 由模具一体成型后高温烧结而成。肋片9 是二者之间的连接部分。为减小由于Y 射线源及准直器介入流场后造成的影响，可将横截面B B 处的通流面积设计成与被测管道的横截面积相等，这就使传感器A 1 2 0 3 陶瓷衬罩的内径D + D

179、 略大于工艺管道的内径D ，采用这种结构的好处还在于当A 1 2 0 3 陶瓷内衬与可伐合会外壳配合出现松动时，工艺管道与传感器管道连接法兰1 5 对传感器的A 1 2 0 3 内衬5 形成夹持，避免出现相对位移。传感器管段可伐合金外壳6 通过法兰1 0 、密封垫片1 1 和被测管道1 2 的连接法兰1 5 进行连接。本论文提出的气力输送管道中煤粉体积浓度及相分布测量测量原理如图4 7 所示。根据Y 射线与物质问互相作用规律有下式成立：l i ( t ) = I o e 峨( 4 1 4 )( 4 1 4 ) 式中，I o 为传感器管段中煤粉的浓度为0 时到达Y 射线探测阵列中第i 个独立电离

180、室内侧壁1 6 ( 如图4 6 A ，B 所示) 的Y 射线的强度，I i ( t ) 为t 时刻第i 个电离室所对应测量空问内存在煤粉时到达该电离室内侧壁的y 射线强度，x i ( t ) 为t 时刻第i个电离室对应测量空问内煤粉的等效堆积厚度，u 为被测煤粉的线性吸收系数。并设煤粉的化学组分不变，同固相相比，输送空气对Y 射线的衰减可以忽略。陶瓷衬罩及可伐合金外壳厚度与线性吸收系数不变，则该电离室所对应测量空间在t 时刻的煤粉体积浓度Bi ( t ) 可表示为：5 9第四章基于Y 射线吸收法的气力输送管道内煤粉浓度及相分布测量方案与实验验证p i - x L i ( t ) ( 4 - 1

181、 5 )( 4 1 5 ) 式中，L 为传感器A 1 2 0 3 陶瓷衬里的内径R 与Y 点源及准直器的A 1 2 0 3 陶瓷包壳外径r 之差，即L = R r 。在t 时刻，强度为I i ( t ) 的Y 射线照射第i 个电离室7 ，形成的电离电流由该电离室所配的静电计8 成比例地转化成电压U i ( t ) 信号，且假定n ( n = 1 6 ) 个电离室及静电计的特性一致，有I i ( t ) = KU i ( t )( 4 16 )I o C t ) = gU o( 4 1 7 )( 4 1 6 ) ( 4 一1 7 ) 式中，K 为比例系数，U o 为传感器测量管内煤粉浓度为0 时

182、，Y 射线探测器阵列中任一静电计的输出电压值。1 ：t ：1 ( 4 1 4 ) ( 4 1 5 ) ( 4 1 6 ) ( 4 1 7 ) 式求得Di ( t ) 与U i ( t ) 之间关系：1 3 , ( t ) = i 1I n 羔( 4 - 1 8 )( 4 1 8 ) 式中，L 、u 、U o 均为常数，U i ( t ) 与Bi ( t ) 存在一一对应的关系，测出了U i ( t )后由( 4 18 ) 式可计算出Bi ( t ) 。确定被测管道截面t 时刻的煤粉浓度1 3 ( t ) 需要同时测出n ( 最佳实施例取n = 1 6 ) 个Y 射线探测器阵列静电计的输出电压。

183、u I ( t ) 、U 2 ( t ) U i ( t ) U 1 6 ( t )由( 4 1 8 ) 式得到所对应的n ( n = 1 6 ) 个测量空间煤粉浓度BI ( t ) 、1 32 ( t ) ) Bi ( t ) B1 6 ( 0Bi ( t ) 序列即表征t 时刻煤粉在被测管道横截面上的相分布；而U i ( t ) ( i = l 、2 、3 n ) ( n = 1 6 ) 序列由相应的A D 转换器成比例地转换为数字量，再由计算机( 或工控机) 系统( 如图4 1 7 所示的测量系统构成示意图) 按( 4 1 9 ) 式计算出t 时刻的测量管段内煤粉的体积浓度1 3 ( t

184、 )1 3 ( t ) = - 1 3 l ( f ) + B 2 ( t ) + B 。( f ) 】( 4 - 1 9 )或B ( f ) = 二6 ；( f )n 百还有一点要指出：点状y 源与源准直器制造成一体，传感器在贮存、运输、检修期间，Y 源及源准直器被单独放置在特制的铅保护套中，现场安装时先将Y 射线铅屏蔽层固定安装好后，由专业人员使用专用工具将Y 源及源准直器从铅保护套中取出再装入传感器内的A 1 2 0 3 耐磨陶瓷包壳中，由A 1 2 0 3 陶瓷底盖1 7 ( 如图4 - 6 所示)实现与壳体螺纹联接。将铅保护套取下后，Y 源即进入到工作状态。如图4 - 6 所示，本论

185、文提出的一种气力输送管道中煤粉浓度及相分布的实时检华北电力人学博十学位论文测装置，由传感器管段、Y 源及准直器、Y 射线探测器阵列、Y 射线金属屏蔽罩、模数转换器A D 和计算机系统组成，参见图4 6 、图4 7 。其特征在于，本检测装置的传感器A 1 2 0 3 陶瓷衬里5 与可伐合金外壳6 复合管段通过传感器连接法兰l O 、密封挚片1 l 连接到被测工艺管道1 2 上，工艺管道的连接法兰为1 5 ，点状Y 源1 安装在传感器A 1 2 0 3 陶瓷衬里5 、可伐合金外壳6 复合管段的轴线上，点状Y 源l 的准直器2 其Y 射线出射角是3 6 0 。平面角，并使y 射线出射平面与传感器管段

186、轴线垂直，Y 射线探测器在传感器管段壁外布置成环形阵列，Y 射线屏蔽罩1 4 固定在传感器Y 射线探测器阵列的外围。所述Y 射线探测器阵列由n 个各配静电计8 的独立电离室7 阵列组成。所述传感器管段由A 1 2 0 3 耐磨陶瓷衬里5 及可伐合金外壳6 复合而成。所述Y 源1 为Y 点源，布置在测量管段轴线上，它所发出的Y 射线经源准直器2 照射测量空间4 的流体后只需穿透传感器A 1 2 0 3 陶瓷衬里5 与可伐合金外壳6 复合管段的单侧管壁即可到达Y 射线探测器，只此一点即使Y 源l 的放射性活度就比管道外布置减小一倍，且不需要探测器准直器，Y 源l 到探测器只有传感器管段半径的距离，

187、源准直器2 的长度需求较短，因此所需的Y 源1 的放射性活度就更小了。所述测量装置，在传感器测量管段可伐合会外壳6 壁外用n 个各配静电计8 、彼此相互独立的Y 射线探测电离室7 组成了一个与管道同轴的环形探测器阵列，由于点状Y 源的各向同性，每个电离室均接收来自Y 点源1 发出的经准直器2 出射的3 6 0 。平面出射角的Y 射线，于是传感器管段耐磨衬罩5 内的测量空间被无形地分割成以A 1 2 0 3 陶瓷衬里5 内缘为外弧，以源准直器耐磨层外壳3 外侧壁为内弧，以管段轴线为轴心的具有相同扇形截面的n 个柱状空间测量微元，每个测量微元与一个配静电计8 的电离室7 相对应，每个静电计的输出电

188、压表征所对应扇形截面柱状测量空间微元内煤粉的体积浓度，每个静电计配置一个模数转换器A D ，经总线连接计算机系统；将测量空间4 无形地分成n 个形状、体积相同的微元，n 越大，测量误差就越小，n 达到一定程度，由于流型及相分布变化对体积浓度测量造成的影响可以忽略不计。将每个微元内煤粉作均匀分布处理所引起的测量误差明显减小，在体积浓度测量的同时又获得了截面上的煤粉相分布信息：将n 个探测器输出作算数平均运算即可表征被测管道中风粉二相流体的煤粉相体积浓度。有益效果是一次风管道中煤粉体积浓度的测量受流型及相分布变化的影响明显减小，且同时可获得一次风管道横截面上煤粉相分布的可靠信息。煤粉相体积浓度作为

189、风粉气固二相流的主要参数之一，与锅炉燃烧的安全性、稳定性和经济性直接相关；而一次风管道中煤粉的相分布是表征送粉连续性、均匀性、J x L 粉比的参数，对判断一次风管道的运行状念，确定并维持最佳风粉比，既防止一次风速过高而导致管道磨损又防止一次J x L 速过低而发生堵管工况具有重要意义。本论文采用的Y 射6 l第四章基丁Y 射线吸收法的气力输送管道内煤粉浓度及相分布测量方案与实验验证线吸收法测量燃煤发电厂输粉管道中煤粉浓度，在相同的测量精确度前提下，所需y 射线源的放射性活度比已有的方案成倍降低，占用现场空间明显减小；成本也显著地减少，辐射防护范围更小且Y 射线防护要求降低。，V 咿匝抄。V

190、2 ( t ) 一广百7 亓 -，型ZI，。V 3 ( t ) 一r i 雨-，k誊；o、蕊递黛熵二v ，( t ) 卧计煤粉体积浓度算机系- q 煤粉相分布垮湫而丹统，吖：V ：( t 匝p。V 1 3 ( t ) r r 雨k，一l 型坚广1 _rL I 型坚广甲7 冗-，r一V 型! ：广甲- ，V I “2 匝n图4 7 气力输送管道中煤粉体积浓度及相分布实时测量系统组成原理图4 6Y 射线源的选择准则及所需放射性活度的计算4 6 1Y 射线源的选择准则根据国际原子能机构列举常用不同核素的6 4 种放射源中，涉及了应于工业、农业、医学、环境科学研究等民用领域的放射源。作为一次风管道中煤

191、粉浓度及相分布的检测可采用的Y 射线源主要有C 0 6 0 、C s l 3 7 、A m 2 4 1 ，由于Y 光子的能级和半衰期的原因，使得一些Y 源不宜在工业中应用，譬如R a 源，其衰变过程中放出的Y 光子能量为3 8 M e V ，半衰期是1 6 0 0 年。由于其Y 光子能量大，不宜防护；其二是半衰期过长，一旦形成污染，上千年也无法消除；三是在使用过程中衰变产物氡亦具有放射性且为气体，易逸出产生放射性损害。故R a 2 2 6 源在工业上应用现已被C 0 6 0 、C s ”7 代替，鉴于C 0 6 0 的Y 光子的能量高，半衰期短( 4 7 年) ，工业上，通常将其作为线性吸收系

192、数大且厚的工件在线实时检测的Y 射线源；在毫米量级的钢板检测中一般选用A m 2 4 1 源。主要原因是A m 2 4 1 是一种低能Y 射线源，Y 光子能级6 2华北电力大学博+ 学位论文5 9 5 K e V ，半衰期为4 3 3 年，在使用过程中不考虑放射性活度随时间的衰减，可将其视为恒强源。还有一点需要指出，采用y 射线吸收法测量一次风管内的风粉两相流既要考虑Y 源的Y 光子能量又要兼顾核素的半衰期；Y 光子能量高则穿透本领强，在量程固定的情况下，Y 射线探测器输出信号绝对值大但变化范围却小，即灵敏度和分辨率可能都低些；反之，Y 光子能量低则穿透本领弱，Y 射线探测器输出信号绝对值小但

193、变化范围大，此时的灵敏度和分辨率反而高。半衰期短的核素在仪表的使用周期内必须有补偿手段，来修J 下由于Y 源放射性活度变化对测量造成的影响。对于C 0 6 UY 射线源来说其半衰期只有4 7 年其衰变速度太快，必须加以补偿，而对于A m 2 4 Y 射线源来说，其半衰期长达4 3 3 年，故在仪表使用寿命期内可以认为是恒源强，Y 光子能量为5 9 5 K e v 。对于含碳量为O 1 7 - - 0 2 4 的2 0 号钢其半减弱层为0 8 m m ，也就是2 0 号钢板厚度每增加0 8 m m ，电离室的电离电流就减小一半。出于上述原因，本论文选择A m 2 4 1 作为Y 射线源。4 6

194、2点Y 射线源放射性活度的估算方法根据被测介质的性质和实际工程经验，本文选择了A m 2 4 1 元素作为测量装置的Y 射线源。已知的被测介质的等效厚度及质量吸收系数可用来确定Y 源的放射性活度。下面根据实际工程情况计算燃煤电厂锅炉输粉管道内煤粉相浓度及相分布传感器所用Y 源的活度。计算所需的已知条件如下：被测介质的等效厚度；y 射线源于探测器的距离：探测器的接收面积；要求的测量精度；测量时间。( 1 ) 等效厚度的估计。根据国华三河电厂工期R 本三菱3 5 0 M W 发电机组实际运行工况，双进双出球磨4 台，四角喷燃燃烧器分4 层布置，每台磨带一层燃烧器，满负荷状念每台磨煤机出力3 2 5

195、 t h ( 原煤) ，一次风管巾4 2 lX5 5 ，一次风速大于l8 m s ，设煤粉均匀分布在一次J x L 管道内，风粉二相流体的体积流量：g 砌打= 三D 2 ，= 三o 2 1 2 l8 m 3 = o 5 6 小3 J每只燃烧器单位时间煤粉质量流量：6 3第四章基于Y 射线吸收法的气力输送管道内煤粉浓度及相分布测餐方案与实验验证铲半凼- 8 1 2 5 m - 2 S k g s一次风中煤粉的真实质量含率伽薏= 惹划聊3内径为0 4 1 m ，煤粉堆积密度为O 8 4 k g L ，故一次风管道直径上煤粉的等效堆积厚度T 为丁：兰：! ! 丝! ! Q 兰o 4 l ：2 o m

196、 册0 8 4体积浓度即真实体积含率层y舻等“9 1 0 _ 3 o 4 即, a s 矿= 0 4 9 = 0 5 考虑发生煤粉沉积工况，设可探测煤粉的厚度为1 0 m m ，煤粉堆积密度为0 8 4 ，折合铁的厚度为巧：1 0 = 0 _ 8 4 ：1 1 ，2 聊，芍传感器外壳为3 m m 厚，A 1 2 0 3 陶瓷及l m m 厚，可伐合会折合铁的厚度为z ：兰兰兰：! + l ：2 0 2 m m 。7 8Y 源包覆耐磨层为3 m m 厚A 1 2 0 3 陶瓷折合铁的厚度为五= 之警= 1 0 2 m m 。总厚度折合成铁的总厚度T = 矸+ ? ；+ ? j 一4 3 m m(

197、 2 ) Y 射线源到探测器的距离为一次风管道的半径，即为4 2 _ 1 m m ：0 。2 1 0 5 m 。Z( 3 ) 探测器的接收面积若将巾4 2 1 管道的圆周2 4 等分，每份弧长为丝：o 0 5 5 m 。2 4设独立单室探测器为1 0 0 m m ，则接收Y 射线面积为0 0 5 5 0 1 = 0 0 0 5 5 = 5 5 c m 2 。( 4 ) 要求的测量精度O 5 。( 5 ) 测量时问O 1 s = 1 0 0 m s 。源到探测器之间介质等效厚度为4 3 m m 铁，根据实际应用经验，宜采用A m 2 4 Y 射线源，其光子能量为5 9 5 k e V 。射线在介

198、质中的衰减规律：力= n o e 一n o 为要求的响应时间( 本方案为0 1 秒) 内探测器探测的光子数，的材料后在响应时问内到达探测器的光子数。( 4 2 0 )n 为经过厚度T华北电力大学博十学位论文经过厚度T = 4 3 m m 铁后，单位厚度引起的光子数衰减率：j d J n ，1 a e _ u r = _ a n _ _ _ _ ，o _ o = 一声0 8 6 6 n o = - 0 0 21 ( 4 21 )本方案设定的测量精度为0 5 ，即煤粉等效堆积厚度1 0 r a m 的O 5 ，折合铁的厚度为1 2 2 m m X O 5 = O 0 0 6 m m ，引起的Y 射

199、线衰减：酾= d 埋n A T = _ d T nx 0 0 0 6 = - 1 2 5 4 x 1 0 q 。( 4 - 2 2 )在要求的响应时间内，被探测器探测到的y 射线计数的统计误差n 。必须小于0 0 0 6 m m 厚的铁板引起的y 射线数的减少n 的三分之一，即觚s 血专或3 A n , 一A n3 A n j 一刀o 1 2 5 4 x 1 0 qA n s = = 瓜( 4 - 2 4 ) q bT = 4 3 3 m m ，p = 0 8 6 6 m m ，有A n s = o 1 3 3 4 厄o( 4 - 2 3 )( 4 2 4 )( 4 2 5 )比较( 4 2

200、3 ) 平I ( 4 2 5 ) 得3 0 1 3 3 4 厄o I 一x 1 2 5 4 1 0 。I煎3 1 3 3 4 1 0 4n o 0 1 x 1 0 8( 4 2 6 )考虑探测效率r l = 0 5 ，产额毛= O 3 6 ，响应时问T = 0 1 s ，立体角2 2 0 1Q 。再2 4o 0 2 3 4y 源的放射性活度I，：鱼= _ = _ ：! 兰：2 3 6 lo m ( 曰g ) o 4 6 ( C i ) 00，r 、V _ - C 门- - l I1 3 6 X 0 0 2 3 4 0 5。考虑应留有一定的裕量，故可以选择7 0 0 毫居旱的镅2 4 1y 射线

201、源。6 5第四章基于Y 射线吸收法的气力输送管道内煤粉浓度及相分布测量方案与实验验证4 7Y 点源管道中心布置煤粉相浓度及相分布测量解决方案正确性的实验验证验证实验的目的在于：验证本论文提出的基于y 射线吸收法的煤粉相浓度及相分布测量方案的可行性、有效性和正确性。在本论文工作的初期即遵循着基于国内现有的技术及制造工艺水平，构造切实可行的解决方案，使之真正能够应用于实际生产过程，为此，一直注意了解国内外相关学术领域及工程领域的发展动态并同国内从事相关技术领域研发制造机构保持密切联系，争取利用他们的设备及最新技术手段为本方案的可行性、正确性验证及最终实现提供支持。根据可用设备，合理设计实验方案，并

202、在实验过程中适当调整，以达到实验目的。实验设备清单如下：放射性活度7 0 0 m C i ( 2 5 9 x 1 0 1 0 f l q ) A m 2 4 1 丫射线源、4 5 。平面出射角屏蔽准直器、充氙( X e ) 电离室及静电计、高精度数字电压表、计算机信息处理系统。4 7 1不同煤种的线性吸收系数测量实验。一、实验目的：为评价煤种变化对相浓度及相分布测量的影响。二、实验方法：如图4 8 所示，为测量方法示意图1 A m 2 4 1Y 射线源2 4 5 。出射角屏蔽准直器3 充氙( X e ) 电离事4 电荷放大器5 被测介质( 煤粉) 6 数字电压表7 4 m m 厚钢板图4 8

203、煤粉线性吸收系数测量实验原理图华北电力大学博+ 学位论文在Y 源前加装4 m m 钢板是为了模拟电站锅炉一次风管道煤粉相浓度检测的实际工况。煤粉等效堆积厚度T ，实测；选择不同的煤种的厚度，记录数字电压表的示值。三、实验步骤：1 将空的矩形截面容器置于图4 8 所示测量场中，打开Y 源快门。2 记录数字电压表的示值U o ，U o 值正比于此时照射电离室的Y 射线强度I o ，即U o 作为测量系统的零点。3 关闭Y 源的快门，将容器取出。4 将图4 8 中矩形截面的厚度为T 的容器装入煤粉，令其自然堆积并置于图4 8中位置。5 打开y 射线源快门。6 记录数字电压表的指示值U ，U 值正比于

204、此时穿透厚度为T 的煤粉照射到探测器的Y 射线强度I 。7 关闭Y 射线源快门。8 变换煤种，重复上述步骤。数心表4 一l 所示为煤粉吸收系数测定实验记录( Y 光了能量为5 9 5 k e V )煤种人同块煤白磨粉二河电厂川煤粉堆积密度0 9 5 7 k g L0 8 4l k g L堆积厚度1 0 m m1 0 m m探测器输出值3 1 8 82 9 7 8探测器零点输出值4 3 2 04 3 2 0四、实验结果1 不同煤种对Y 射线的吸收系数大同煤块自磨粉对A m 2 4 1Y 源发出能量为5 9 5 k e V ，y 射线的线性吸收系数“：上I n 量：上l n 4 3 2 0 ：0

205、0 3 0 4 聊m一7 i1 03 1 8 8三河电厂发电用煤粉对A m 2 4 1Y 源发出的能量为5 9 5 k e V ，Y 射线的线性吸收系从：上l n 量：土l n 4 3 2 0 ：0 0 3 7 2 聊聊L，1 02 9 7 82 不同煤种Y 射线吸收法体积浓度测量的灵敏度根据灵敏度定义S ：拿，及输出增量与输入增量之比，对于Y 射线吸收法口1 ，6 7第四章基于Y 射线吸收法的气力输送管道内煤粉浓度及相分布测量方案与实验验证，= 厶P 一，灵敏度Ss = 睾= 叫厶P 卅( 4 2 7 )从( 4 2 7 ) 式可以看出，S 不为常数，T 越大，S 绝对值越小，从表4 1 直

206、观可以看出，在实际运行工况对于大同块煤自磨粉，体积浓度从o 杀，可以引起Y 射线探测器输出电压从4 3 2 0 变化到3 l8 8 ；对于三河电厂用煤，体积浓度从o 杀，可引起Y 射线探测器输出从4 3 2 0 到2 9 8 7 ，若体积浓度的测量范围从0 二，则其1 0 0 0平均灵敏度为S ：4 3 2 0 - 31 8 8 ：11 3 2 L。1 0 1 0 0 0 01 0 0 0S ：4 3 2 0 - 2 9 7 8 ：1 3 4 2 L1 0 1 0 0 0 01 0 0 0即可以把0 , - , , 1 0 0 量程分别分成1 1 3 2 份和1 3 4 2 份即可以达到O 1

207、 级以上的测量准确度。五、实验结论从上述实验结果可以得到以下结论1 不同的煤种具有不同的Y 射线线性吸收系数。大同煤粉其堆积密度为O 9 5 7 k g L ，对能量为5 9 5 k e V 的y 射线线性系数| Jl 为0 0 3 0 4 m m ；而三河电厂发电燃煤粉堆积密度为0 8 4 1 k g L ，对能量为5 9 5 k e V 的y 射线线性系数u2 为O 0 3 7 2 m m 。与教科书中物质的线性吸收系数与物质密度成正比的结论有所不同，故工程测量中应实际测定煤粉的线性吸收系数，否则会造成明显的测量误差。2 实验结果表明，Y 射线吸收法应用于气力发电厂一次风管道中风粉二相流体

208、的煤粉体积浓度的测量具有高灵敏度，能够达到O 1 级以上的测量精度。4 7 2 煤粉相浓度测量实验一、实验目的：验证本文提出的相浓度测量方案的正确性二、试验方法：模拟实际测量工况，将巾13 0 的P V C 管道内植入7 0 0 个由2X0 5 聚乙烯细管。其中一部分聚乙烯管中充满煤粉，另一部分为空管。调整充煤粉细管的位置可以模拟不同的流型及相分布。将测量空问按横截面等分为八个形状相同、截面积相等的扇形截面柱状空间，每个空间均植入巾2 0 5 聚乙烯细管，调整充粉细管的个数和位置可以模拟任何形状的相浓度和相分布。每一只充粉管表征l ( 1 6 x 1 0 5 ) 的体积浓6 8体积浓度程上限，

209、实际的体积浓A ，三A ，81 A m 2 4 1Y 射线源2 4 5 。出射角屏蔽准直器3 测量空间截面4 电荷放大器5 被测介质( 煤粉) 6 数字电压表7 4 m m 厚钢板图4 - 9 测量方案正确性验证实验原理示意图记录对应空间的静电计电压输出值，如表4 2 所示，当测量空间为空管时，记录静电计输出电压作为零点电压输出。表4 2 方案正确性实验数据记录表。扇形截面柱体编l jl2345678体积浓度值A 1 2 52 5 03 7 55 0 06 2 57 5 O8 7 5l O O实l ；I i T 况窄隙牢1 2 52 53 7 55 o o6 2 57 58 7 51 0l o

210、 o O1 0 0 01 0 0 01 0 0 01 0 0 01 0 0 01 0 0 01 0 0 0实际T 况等效厚度1 2 52 53 7 55 0 06 2 67 58 7 5I O( m m )Y 探测器输I U 艉3 9 4 l3 7 4 63 5 9 83 4 l73 2 9 43 1 4 l2 9 7 32 8 3 6扇形截面牲体零点4 1 3 84 1 2 l4 1 5 64 1 4 04 l8 34 1 7 54 1 4 94 1 5 7I U 雕按丁：11 n ( 粤) 求得各扇区等效厚度值nl6 9第四章基于Y 射线吸收法的气力输送管道内煤粉浓度及相分布测量方案与实验

211、验证T s = 6 3 5 ，T 6 = 7 5 7 ，T 7 = 8 8 6 ，T s = 10 17测量误差，：驽遨m 。吉善三、结论根据上述实验数据处理可知，在实验状态下，对模拟管道体积浓度的相关误差为1 6 。证明了本论文提出方案的J 下确性。4 7 3截面煤粉相分布信息利用表4 2 的实验数据，将静电计输出电压转换成灰度值，可由计算机显示出一次风管道传感器所在截面的相分布信息，如图4 1 0 所示，输出电压越低，狄度值越大。7 0华北电力人学博十学位论文图4 1 0 电站锅炉输粉管道横截面上的相分布图4 7 4 流型及相分布变化对测量的影响实验一、实验目的：验证解决方案是否可以消除流

212、型及相分布变化对测量造成的影响。二、实验方法：将被测管道中的煤粉分布由充粉细聚乙烯管构造成不同的流型及相分布，在浓度值相同，流型及相分布不同时，记录静电计的输出电压，通过二者的差值，计算测量误差；再按照本论文提出的点Y 射线源管道轴心靠置3 6 0 。平面角出射独立多腔环形电离室阵列解决方案进行测量，比较两种方案测量误差的大小。三、实验步骤：实验步骤如下：第四章基于Y 射线吸收法的气力输送管道内煤粉浓度及相分布测量方案与实验验证隅离墙IpIAB图4 1 1 层状流两种不同相分布示意图1 ，按图4 1 1 所示( A ) 构造流型及相分布记录静电计输出电压U l2 ，将图4 1 l ( A )

213、图中管道顺时针旋转要，变成图4 1 1 ( B ) 图所示位置，记录静电计输出电压U 2 。3 ，传感器管道为空时校准0 点输出电压U o 。4 ，根据，= Z o e 一筇，求出B I ，p 2 。5 ，根据已知的p ，求出相分布不同时的相对测量误差YI ，Y2 。6 ，将空间分成8 个截面均为冬的扇形空间并保持与图4 1 l 相同的相分布，按本论文的方法分别测出每个空间的p i ，由万2 i I 善n 屈，求得测量值万。7 ，求出本方案的测量误差7 = 竺l o o 。8 ，比较，卜Y 2 与仃。四、实验记录1 相浓度相同，相分布变化时测量误差实验Un = 1 4 0 5 ；U 2 - -

214、 13 7 2无煤粉时零点电压输出U o = 1 6 4 5根据，= o e 一川，求出等效厚度T I _ 4 2 4 m m ，T 2 = 4 8 3 m m对应工程测量工况下属= 羔，屐= 羔真值= 二1 0 0 0舻竽= - 1 5 2 儿一, 8 2 口- 3 = - 3 4 7 2室结构的测量方表4 3 相分布变化时各种独立电离窜输出电压数据记录表扇区编号12345678输出电压3 2 8 62 3 0 22 5 l l3 4 8 5O00O零点电压4 1 3 84 1 2 14 1 5 64 1 4 0O0OO等效体积浓度6 1 31 5 4 91 3 4 24 5 800O01

215、0 0 01 0 0 01 0 0 01 0 0 0力= 丢喜屈= 吉( 业号攀) = 篙相对误差阿= 竽1 0 0 = 丝铲X 1 0 0 = _ 1 ) l U U U五、结论通过比较Yl = 一1 5 2 ，Y2 = - 3 4 与y = 一1 可见，本论文提出的解决方案有效消除了相分布不同对体积浓度测量造成的影响。4 7 5结论从5 1 ，5 2 ，5 3 ，5 4 试验结果，可以得出关于基于Y 射线吸收法的Y 点源管道中心靠置、准直器3 6 0 0 平面角出射、环形结构独立多腔电离室的一次风管道煤粉相体积浓度及相分布测量方案结论如下：1 不同种类的煤粉对Y 射线的线性吸收系数存在差异

216、，实际测量工程中必须测定涉及煤种的线性吸收系数。设定后，煤种变化对测量的影响即被清除。1n2 该测量方案在现有的技术基础上能够将0 二的量程范围分成1 3 2 1 份，即1 0 0 0达到了很高的测量灵敏度。3 实验表明该方案原理证确，结构可行，在准确测量传感器所在截面的煤粉体积浓度的同时得到截面上可靠的相分布信息。4 可以明显消除相分布变化对测量造成的影响。4 8煤粉气力输送管道内沉积工况的检测及最佳输粉风速的界定煤粉在气力输送管道中的流动属于稀疏气固二相流，工作状态下需要保证合适的连续相( 输粉热风) 流速，管道彳能F 常运行。如果输粉风速过低将导致煤粉在重力的作用下在非垂直管段内发生沉积

217、，使管道堵塞或磨煤机堵塞。无论是管道堵管还是堵磨，事故的后果都很严重；反之，如果风速过高，则风粉二相流体对输粉第四章基丁Y 射线吸收法的气力输送管道内煤粉浓度及相分布测量方案与实验验证管道金属内壁的磨损程度加剧，使管道的使用寿命明显缩短或使煤粉在炉膛内的着火点推迟，气流冲刷炉墙，使水冷壁受到机械损伤。因此，在锅炉某一负荷下，保持输粉风速在某一定值，对发电锅炉运行的经济性和安全性具有十分重要的意义。通过测量输粉管道中煤粉的相分布和热风风速是确定最佳送粉风速的有效途径。但遗憾的是无论是相分布还是热风风速，目前尚无可用于实际工程测量的范例。本论文提出的基于y 射线吸收法法的y 点源管道中心布置，准直

218、器3 6 0 0 平面角出射，环形结构多腔独立电离室测量方案，在实现测量气力输送管道中煤粉相浓度的同时还可以得到传感器所在截面上煤粉相分布的有效信号，为输粉管道沉积工况的检测及最佳输粉风速的界定提供了技术保证。尤其是输粉管道的最佳输粉风速，以往的文献中只是一个模糊的概念，无法付诸实现，而管道截面上的相分布信息可以直观表征最佳输粉风速，为实现对输粉管道更加有效的控制奠定了基础。4 8 1 沉积工况的检测煤粉沉积工况的检测的切入点来自审视下述事实：即煤粉在输送管道内的沉积是由于受到了重力的作用，煤粉沉积肇始位置在管道倾斜角度最小的管段或管道弯头处下游某个位置。煤粉在管道中的流动属于稀疏气固二相流，

219、管道在正常运行工况下任一横截面上的煤粉相浓度分布的差别并不明显，但当输送管道内输粉热风流速过低连续相热风与离散相煤粉颗粒相间力降低，以致无法平衡重力的作用而沉降在管道底部。形成沉积后，煤粉颗粒与热风作用的表面积与其在悬浮状态相比发生了巨大变化。气固二相间耦合减弱。故使沉积的煤粉颗粒重新流动并悬浮所需热风的速度要大于丌始发生沉积时所对应的热风流速。因此煤粉沉积若不及时发现，一般无法自行消除，任其发展必定导致管道堵塞，所对应的燃烧器出现灭火事故。目前，锅炉运行人员是根据由动压法测得了输粉管道中气固二相流的流速低于某一限值( 如小于l8 m s ) 时，开大磨煤机入口冷风热风调节挡板的开度，增加磨煤

220、机的进风量，使磨煤机出口的风压达到某一上限值，即认为完成了对气力输送管道的控制。但是整个调节过程从始至终管道内是否出现了煤粉沉积及丌大磨煤机出口压力达到限值后煤粉沉积是否消除，均无法得到相关的信息。实际上，从本论文所提出的测量方案获取的相分布信号，可以有效的判定输粉管道的工作状态。如图4 1 2 所示：7 4( A )( B )图4 1 2 煤粉沉积丁况测量示意图图4 1 2 ( A ) 是运行状态下测量管段横截面上煤粉相分布示意图，图4 1 2 ( B )图表示在某一瞬间输粉热风流速骤然降至0 煤粉在管道内所形成的堆积示意图。沉积肯定是在管道的下方，半径上的等效堆积厚度是指在管道轴心到管道内

221、壁煤粉全部下降到管道内壁面所对应的厚度值。图4 1 2 ( B ) 中的煤粉沉积最下方肯定是超出了煤粉在直径上的等效堆积厚度，为说明问题，只将图4 1 2 ( B ) 做示意，煤粉在半径上的等效堆积厚度与锅炉的负荷一一对应，且设锅炉的额定负荷是锅炉的最大出力，与锅炉的额定负荷相对应的煤粉浓度值最大，该工况下煤粉在直径上的等效堆积厚度也最大。因此，管道中的煤粉沉积工况可以根据下列方法来判定：当传感器下方任一测量子空间内f 图4 1 2 ( B ) 中左下l 、左下2 、下方、右下1 、右下2 】以煤粉堆积厚度表征的体积浓度值超过了锅炉额定负荷下单支粉管内煤粉在管道直径上的堆积厚度时，即可判定出煤

222、粉沉积工况发生，并因此为依据，调整输粉热风风速，直至沉积消除，可实现对气力输送管道更加有效、更加准确的控制。4 8 2 锅炉煤粉气力输送管道中最佳输粉风速的界定在实现对输送管道横截面上煤粉的相分布实时检测基础之上，就可以通过实验的方法确定气力输送管道中最佳输粉风速。注意下列事实，即煤粉在管道内的沉积是由于重力作用或风粉二相流流向突然改变，由于煤粉与热风的流体动力学特性不同，在一瞬间气相与固相的相间力发生剧烈变化，从而导致固相( 煤粉) 出现沉积工况，故沉积肇始位置应当在管段倾斜角最小的直管段或管道弯管段后某一位置。同时，一旦发生煤粉的沉积，气固二相问作用面积发生较大变化，要消除沉积对应的输粉风

223、速要高于沉积乍出现时的I 临界输粉风速。发电锅炉气力输送管道内风粉二相流的流动，在正常工况下的煤粉体积浓度是第四章基丁Y 射线吸收法的气力输送管道内煤粉浓度及相分布测量方案与实验验证千分之几的数量级，属于稀疏相流动，在管道截面上的相分布，基本是均匀的。维持J 下常运行就是要控制输粉热风的流速，使煤粉在任何管段既不发生沉积，又不致流速过高，是煤粉在炉膛内的着火点推迟，气流冲刷炉墙。下面介绍确定最佳输粉风速的实验方法。将相浓度及相分布传感器安装在输粉管道最先出现沉积的管段，显示器实时显示被测管道横截面上的煤粉相分布情况。1 、输粉最低风速的实验测定。对应某一锅炉负荷下在气力输送管道煤粉相分布基本均

224、匀的状态缓慢关小磨煤机进口的冷热风门丌度，并保持一段时间。直到煤粉丌始出现沉积，记录此时输粉管道内热风流速，作为该负荷下的最小安全输粉风速值。2 、输粉最高风速的实验测定对应锅炉某一固定负荷下煤粉的质量流量在传感器所在管段存在少许煤粉沉积的状态，缓慢丌大磨煤机进口冷热风门开度，并在该位置保持一段时间，通过计算机屏幕显示的狄度信号表征的实时相分布情况，可以发现随着输粉风速的逐渐增加，煤粉的沉积丌始消散，最终完全消除，记录此时测到的输粉热风流速，作为该负荷下的最大安全输粉风速值。3 、确定最佳输粉风速由此可知，在锅炉某一负荷下，输送管道内最佳输粉风速应介于上述最小安全输粉风速与最大安全输粉风速之间

225、。可以通过实时监视相分布的信号使输粉管道工作在J 下常状态下。4 9小结本章从Y 射线吸收法测量J x L 粉二相流最基本的单点Y 射线电离室结构出发，讨论了各种可能的方案用于气力输送管道中煤粉相浓度和相分布测量的可行性。分析了各方案的输入特性及流型，相分布变化对相浓度和相分布测量值准确性的影响，为进一步提高测量的准确性、有效性和代表性，发展出了“点Y 源于传感器管道轴心布置、窄束Y 光经准直器3 6 0 。平面角出射、y 光探测器多腔独立结构电离室、管壁外环形阵列”测量解决方案，将测量场分割成截面相同的n 个扇形柱体空间，同时获取各自测量子空问的风粉二相流信息，使测量受相分布影响大为减少。这

226、一方案是一种硬场( h a r df i e l d ) 直接绝对测量方法( a b s o l u t em e a s u r e m e n t ) 典型应用案例。从管道轴心为起始点，将煤粉在半径上的等效堆积厚度投影到与各半径对应的3 6 0 0圆周上，该半径上煤粉的等效堆积厚度与半径之比，既作为该测量子空问煤粉浓度的测量值，又作为该测量子空间横截面上的相分布信息测量值，并可在计算机上复现其相分布，在该横截面上可认为相分布是均匀分布。这一方案使煤粉气力输送管7 6华北电力人学博+ 学位论文道截面上相分布的测量的工程实现真正成为了可能，同时也使煤粉体积浓度的测量可以不受流型及相分布变化的影

227、响。为验证此方案的正确性，设计了验证实验，通过实验验证方法正确的同时，发现对于任意复杂变化的相分布，体积浓度及相分布测量值比已有的方案有明显提高外有发现仍存在一定的误差，为进一步减小测量误差，经过理论分析，进一步提出了测点位置的选定及“测量场分区变输入输出曲线标定方案”，使测量的准确度、可靠性大幅度提高，对气力输送管道运行工况的判定，提供了可靠的保证，并为该方法申请了中国发明专利。专利申请号：2 0 0 8 1 0 2 4 0 3 2 7 0 。在此方案的基础上，给出了气力输送管道煤粉沉积工况的检测方法，通过分析煤粉在气力输送管道中的流动状态，定义了气力输送管道中的最佳输送风速，并给出了通过实

228、验界定维持最佳输粉风速的方法，为实现对输粉管道更加准确的控制提供了有力保证。7 7第四章基于Y 射线吸收法的气力输送管道内煤粉浓度及相分布测鼙方案与实验验证7 8华北电力大学博士学位论文5 1研究工作的总结第五章总结与展望气固二相流动广泛存在于动力、化工、冶金、建材、石油等工业生产过程中，而气固二相流的测量与设备运行的安全性和经济性直接相关。具体到发电锅炉，输粉管道中热风煤粉二相流体煤粉体积浓度及相分布测量的意义在于：判定气力输送管道运行状态，包括1 ) 实时检测气力输送管道煤粉的沉积情况。以便在堵塞工况肇始之初即能发现，提示运行人员及时采取有效措施，避免堵塞事故的发生。2 ) 根据具体设备情

229、况，事先定义，在规定运行状态下实时识别气力输送管道的工作状态，维持最佳输粉风速，使管道既不因风速过低导致煤粉产生沉积或使煤粉在炉膛着火点提前，造成结焦、燃烧器喷口烧毁；又不致使风速过高导致对气力输送管道磨损加剧或使煤粉在炉膛内着火点推迟，气流冲刷炉墙造成燃烧不稳定。上述二目标由获取煤粉实时相分布信息实现。3 ) 判断同层粉管中煤粉流量是否相等。这对于维持炉膛内煤粉的浓度场、空气动力场的稳定，维持稳定燃烧，使火焰中心位置处于炉膛的几何中心，防止火焰冲撞炉墙，防止受热面结焦至关重要。4 ) 用于求取进入炉膛煤粉的实时流量。气力输送管道中煤粉的体积浓度与煤粉运动速度之积再乘以管道横截面积即表征进入炉

230、膛的燃料量，再乘以煤粉的堆积密度即为质量流量。上述二目标主要通过测量每个气力输送管道中的煤粉体积浓度来实现。本论文在详细查阅国内外有关气固二相流体测量的文献基础之上，对气固二相流体测量的主流技术进行了深入研究，尤其是对测鼍煤粉体积浓度的同时又能获取横截面上相分布的测量方法进行了实验研究，以期在现有技术基础之上构造能够真正应用于工程测量的有效方法。首先对多极板电容法进行了研究，并制造了8 极板电容式传感器，参考这种方案已获得的成果基础之上，进一步研究，以求克服这种“软场感测”( s o f tf i e l ds e n s i n g ) 方法受煤种、温度、流型、相分布、一次J x L 温度、

231、风速、煤粉细度、环境因素对测量造成的影响，力求达到工程应用对测量的可靠性、有效性要求，在研究与实验过程中充分认识并感受到这种基于多极板电容法构造的浓度及相分布测量系统其分布电容远大于信号电容，环境因素诸如温度的变化导致分布电容的变化远远大于煤粉浓度变化引起的信号电容的变化，不同电极组合的空白零点差异大，煤粉相体积浓度变化引起的电容信号变化值过小等因素对体积浓度7 9第五章总结与展望及相分布测量造成的不利影响，与现有技术处理方法截然相反，提出了新的解决方案，自全新的角度对可以获取的有限信息进行处理，从而可以高可靠性获取煤粉在管道中出现沉积信号。为克服电容法等所谓的软场感测方法存在的局限性，研究了

232、一种硬场感钡l J ( h a r df i e l ds e n s i n g ) 、绝对测量( a b s o l u t em e a s u r e m e n t ) 方法，即Y 射线吸收法。从其最基本的构成形式一一单Y 射线单腔电离室结构、单Y 线源独立多腔Y 射线探测电离室结构，双y 线源独立多腔Y 射线探测电离室结构等方案，最终提出了可以将工作状态下的管道内煤粉的等效堆积厚度自管道轴线投影到横截面3 6 0 。圆周上的Y 射线源管道轴心设置，准直器3 6 0 。平面出射，Y 射线探测电离室独立多腔结构管道外环形阵列的解决方案，取传感器轴线沿半径方向上煤粉堆积厚度与半径之比作为

233、该半径上的煤粉相分布值。并给出了该方案的J 下确性验证实验方法及步骤，通过实验验证了该方案的J 下确性，气力输送管道中煤粉相浓度及相分布的工程测量真正成为可能。本论文的主要工作与创新点在于：一、第一项内容( 气力输送管道中煤粉相浓度及相分布实时测量方法)采用点Y 射线源，传感器管段轴心布置，Y 光准直器3 6 0 。平面出射；Y 射线探测器电离室多腔独立结构传感器管段壁外环形阵列结构，可将气力输送管道中煤粉自管道轴心到3 6 0 。管壁圆周上的等效堆积厚度测出，其等效堆积厚度值与管道半径之比即作为相应Y 射线探测器对应的传感器测量子空间内的煤粉体积浓度。又作为煤粉在该半径上的相分布。这是一种硬

234、场感测型绝对测量方法，使气力输送管道内煤粉的体积浓度及相分布的测量不受煤种、湿度、煤粉的细度、流型、连续相流速变化的影响。本论文所提出的上述煤粉体积浓度及相分布的测量方法作为论文的技术核心，已申请了国家发明专利，申请专利名称：气力输送管道中煤粉浓度及相分布的实时检测装置，专利申请号：2 0 0 8 1 0 2 4 0 3 2 7 O ，申请日期：2 0 0 8 1 2 17 。二、第二项内容( 可伐K o v a r 合金与A 1 2 0 3 陶瓷复合结构作为传感器测量管段材料)对于工业用Y 射线源，其放射性活度水平越低，则y 射线防护越容易实现，在满足煤粉相浓度及相分布测量的分辨率、准确度要

235、求的基础之上，传感器采用A 1 2 0 3陶瓷同可伐K o v a r 合金构成复合材料管段，也是本论文提出的具有新颖性的解决方案。材料对Y 射线的吸收率与材料的质量厚度及构成核素的原子序数成j 下比，显然A 1 2 0 3 陶瓷的质量厚度及核素原子序数均明显小于相同厚度的钢板且硬度更大，故用作传感器管段的耐磨衬里；又因为可伐K o v a r 合金具有同A 1 2 0 3 陶瓷相近的线胀系数，且对Y 射线的吸收系数办不高于钢铁材料。为保证传感器的强度和抗冲击性8 0华北电力火学博+ 学位论文能，采用其制作传感器管段外壳。这种复合材料在保证传感器的耐温、耐磨、耐冲击性能的基础上，对Y 射线的吸

236、收较钢铁要小很多，使得对Y 射线源的放射性活度要求大为降低，Y 射线的防护更容易达到国家相关防护标准。三、第三项内容( 气力输送管道中煤粉沉积工况的实时检测方法)煤粉沉积工况从开始发生到输送管道壅塞，是一个逐渐衍进的过程。虽然经历时间有可能很长，但由于缺乏有效的表征参数和测量手段，也无法及时发现沉积工况的发生、发展，更无从谈及及时消除这种工况。本论文提出的相浓度及相分布测量方法，为这一问题提供了解决方案。根据点Y 射线源管道轴心布置，准直器3 6 0。平面角出射，Y 射线探测电离室独立多腔结构环形阵列方案，将测量空间无形分割成了以传感器管道轴心为圆心，以管道内壁为弧的多个扇形截面的柱体子空间，

237、每个测量子空间煤粉等效堆积厚度与管道内径之比表征该子空问内煤粉体积浓度。其值由相应的电荷放大器转化成电压信号输出。当传感器下部任一测量子空间内的煤粉等效堆积厚度值超过了某一阈值，即表明出现了煤粉的沉积工况。此刻测量系统发出报警信号，提醒运行人员采取相应措施，消除沉积工况，避免堵管事故的发生，提高锅炉运行的可靠性和安全性。5 2展望气固两相流广泛存在于动力、化工、冶金、建材、冶会等工程领域，包括固相流量、气相流量、固相分布、固相体积浓度等在内的气固二相流参数检测近年来一直是工程技术人员所关注的课题；鉴于气固二相流动是一个复杂的过程，这一复杂性表现在诸多方面，故对相浓度( 即空隙率) 、相分布等参

238、数的测量，只能寄希望与硬场感狈t J ( h a r df i e l ds e n s i n g ) 、绝对测量( a b s o l u t em e a s u r e m e n t ) ，因为软场感钡q ( s o f tf i e l ds e n s i n g ) 、相对测量( r e l a t i v em e a s u r e m e n t ) 澳, 4 量系统可能更容易构造，但终究无法提供高可靠性、高有效性的信号，本论文作者根据多年来的研究经验认为在以下几方面可以进一步开展研究工作。1 、多腔独立电离室结构通过增加独立腔室的个数，就一定能够解决流型、相分御变化对测

239、量造成的影响构造出沉积浓度及相分布的均匀测量场，通过本论文的研究也充分证明了这一点。2 、多传感器信息融合技术能够有目的性的将某特定参数从被测介质提取出来而不被其他参数变化影响或通过多传感器输出信号进行分析，处理后得到设定的参数值。这是一门极具发展前景的新兴学科。多传感器信息融合技术与两相流参数检测领域的交叉融合，能够提高传感系统的有效性。在组合式多相流检测技术中采用多传感器能够从角度多层次折射出流动参数的规律及内在联系，获得多参数多层第五章总结与展望面、立体的二相流信息。总之，在科学技术突飞猛进，相关学科不断取得进展的时代背景下，进行风粉二相流体参数检测均起到参照和推动作用，有理由相信在不远

240、的将来，本文提出的Y 射线源传感器管段轴心布置，Y 射线源准直器3 6 0 。平面角出射、y 射线探测电离室独立多腔结构、管壁外环形阵列的气力输送管道风粉二相流煤粉体积浓度及相分布解决方案，将单独或与其他流速测量装置相配套，成功的应用于实际工程测量领域，满足我国电力生产的需要。【8 】H e s t s r o n i ，G ( e d o ) ，H a n d b o o ko fM u l t i p h a s es y s t e m s ，H e m i s p h a s eP u b l i s h i n gC o ，W a s h i n g t o n ，19 8 2 9

241、】M e a s u r e m e n d + c o n t r o lV o l4 1 1F e b r u a r y 2 0 0 8 P 2 4 - 2 7D rZ h a n p r o fc o u l t h a r d D rRPK e e c h “C h a r a c t e r i s t i c so fA B BP u l v e r i z e dF u e lM e t e r s 【1 0 】刘大有二相流体动力学北京：高等教育出版社，1 9 9 3 【1 1 】车得福，李会雄多相流及其应用西安：西安交通大学出版社2 0 0 7 1 1 1 2 】郭烈锦两相流

242、与多相流动力学西安：西安交通大学出版社2 0 0 2 1 2 13 】Y Y a n ，P - J o h n s o n ，D e e ps t u d yr e p o r to nt h ef u t u r er e q u i r e m e n t sf o rf l o wm e a s u r e m e n to fp a r t i c u l a t es o l i d si np i p e l i n e s ，N E LR e p o r t 19 9 8 ，2 9 7 ( 9 7 ) ：1 3 5 2 - 1 3 6 7 【14 】Y Y a n ，M a s

243、sf l o wm e a s u r e m e n to fb u l ks o l i d si np n e u m a t i cp i p e l i n e s M e a s u r e m e n tS c i e n c ea n dT e c h n o l o g y 19 9 6 ，3 5 ( 7 ) ，l6 8 7 17 0 6【15 】YY a h ，B B y r n ea n dJ C o u l t h a r d ，R a d i a t i o na t t e n u a t i o no fp u l v e r i s e df u e li np

244、 n e u m a t i cc o n v e y i n gs y s t e m s T r a n s a c t i o n so ft h eI n s t i t u t eo fM e a s u r e m e n tC o n t r 0 1 1 9 9 3 ( 1 5 ) ：9 8 - 1 0 3 16 YY a n ，B B y r n ea n dJ C o u l t h a r d ，R a d i o m e t r i cd e t e r m i n a t i o no fd i l u t ei n h o m o g e n e o u ss o l

245、 i d sl o a d i n gi np n e u m a t i cc o n v e y i n gs y s t e m s M e a s u r e m e n tS c i e n c ea n dT e c h n o l o g y 19 9 4 ，3 4 ( 5 ) ：1l0 - 119 17 】王栋，林宗虎气液两相流体流量的分流分相测量法西安交通大学学报3 5 ( 5 ) ：4 4 1 - 4 4 4 ，2 0 0 1 【18 王文琪，侯明，于荣宪用长颈文丘罩管测量气固两相流量东南大学学报( 自然科学版) ，1 9 8 9 ，2 6 ( 0 5 ) ：1 8 1 9

246、 19 】A z z o p a r d iBJ U s eo faq u a s i o n e d i m e n s i o n a lm o d e lf o r o p t i m i z i n gaV e n t u r im e t e rf o rg a s s o l i d sa p p l i c a t i o n s P r o c1s tI n t e r n a t i o n a lS y m p o s i u mo nO n - L i n eF l o w M e a s u r e m e n to fP a r t i c u l a t eS o

247、l i d s L o n d o n ：U n i v e r s i t yo fG r e e n w i c h ，8 3参考文献1 9 9 8 ：9 9 一1 0 8 2 0 】S h a f f e rFD ，B a j u z aRA A n a l y s i so fv e n t u r ip e r f o r m a n c e f o rg a s p a r t i c l ef l o w s A S M EJ o u r n a lo fF l u i d s E n g i n e e r i n g 19 9 0 ，1 12 ( 1 ) ：121 12 7

248、【21 】L e eJ , C r o w eCT S c a l i n gl a wf o rm e t e r i n gt h ef l o wo f g a s - p a r t i c l es u s p e n s i o n st h r o u g hv e n t u r i s A S M E J o u r n a lo f F l u i d sE n g i n e e r i n g 1 9 8 2 ，1 0 4 ( 1 ) ：8 8 - 9 1 2 2 】吴占松，谢菲用于管道煤粉流量测量的文丘里管型设计及优化清华大学学报( 自然科学版) ，2 0 0 7 ，

249、4 7 ( 5 ) ：6 6 6 6 6 9 【2 3 】谢菲，丁艳军，吴占松文丘里法管道煤粉流量测量的实验研究清华大学学报( 自然科学版) ，2 0 0 7 ，4 7 ( 0 5 ) ：5 6 5 8 2 4 】刘磊，周芳德电厂送粉系统煤粉浓度测量的热探头方法研究热能动力工程，2 0 0 2 ，2 1 ( 0 6 ) ：5 7 2 5 7 5 2 5 】袁竹林，卢作基用传热法测量燃煤锅炉气力输送中煤流量的研究燃烧科学与技术，1 9 9 9 ，2 0 ( 0 1 ) ：5 2 5 6 2 6 】韩丽，归柯庭，徐治皋锅炉送粉管道煤粉浓度的电容式测量方法研究锅炉技术，2 0 0 5 ，( 0 3

250、) ：1 - 4 2 7 】B e c kMS ，W i l l i a m sRA P r o c e s st o m o g r a p h y ：AE u r o p e a ni n n o v a t i o na n di t sa p p l i c a t i o n s M e a s S c i a n dT e c h n o l ，19 9 6 ，7 ( 3 ) ：2l5 - 2 2 4 2 8 】D Y A K O W S K IT ，E D W A R D SRB ，X I ECGe ta 1 A p p l i c a t i o no fc a p a c i

251、 t a n c et o m o g r a p h yt og a s s o l i df l o w s C h e m i c a lE n g i n e e r i n gS c i e n c e 19 9 7 ，5 2 ( 13 ) ：2 0 9 9 - 2 l l O 2 9 】颜华，王师，邵富群电容层析成像系统中微小电容测量法 J 】仪表技术与传感器，1 9 9 8 ，( 4 ) ：1 6 - 1 6 3 0 】郭红星，严杰，保宗悌工业用二相流电容成像系统【J 】管道技术与设备，19 9 8 ，( 5 ) ：3 4 - 3 7 31 】B LS u ，Y H Z h a

252、n g ，LH p e n g ，D Y Y a o ，B F Z h a n g ，T h eu s eo fs i m u l t a n e o u si n t e r a c t i v er e c o n s t r u c t i o nt e c h n i q u ef o re l e c t r i c a lc a p a c i t a n c et o m o g r a p h y J ，C h e m i c a lE n g i n e e r i n gJ o u r n a l ，2 0 0 0 ，7 7 ：3 7 - 41【3 2 FTK f i h

253、n ，WK ，PAV a nH a l d e r e n ，D e s i g no fa na c t i v e d i f f e r e n t i a t o r b a s e dc a p a c i t a n c et r a n s d u c e rf o re l e c t r i c a lc a p a c i t a n c et o m o g r a p h y J ，m e a s s c i t e c h n 0 1 19 9 7 ，8 ：9 4 7 9 5 0【3 3 】WKH a r t e v e l d ，PAV a nH a l d e r

254、 e n ，RFM u d d e ，CMV a nD e nb l e e k ，H E AV a nd e nA k k e r BS c a r l e t t ，AF a s tA c t i v eD i f f e r e n t i a t o rc a p a c i t a n c eT r a n s d u c e rf o rE l e c t r i c a lc a p a c i t a n c eT o m o g r a p h y C ，1s tw o r l dc o n g r e s so nI n d u s t r i a lp r o c e s

255、 sT o m o g r a p h y , B u x t o n ，G r e a t e rM a n c h e s t e r , A p r i l ，1 4 1 7 ，1 9 9 9 ，p p 5 6 4 5 6 7 3 4 】王雷，王保良，冀海峰，黄志尧，李海清，电容传感器新型微弱电容测量电路 J 传感技术学报，2 0 0 2 ，( 4 ) ：2 7 3 2 7 7【3 5 】王雷，王保良，黄志尧，李海清，电容层析成像硬件系统【J 】，仪器仪表学报，8 4华北电力人学博十学位论文2 0 0 2 ，2 3 ( 3 ) 增刊：8 9 0 8 9 2 3 6 】WQY a n g

256、，ALS c o t t ，MSB e c k ，H i g hf r e q u e n c ya n dh i g hr e s o l u t i o nc a p a c i t a n c em e a s u r i n gc i r c u i tf o rp r o c e s st o m o g r a p h y J 】I E EP r o - c i r c u i t sD e v i c e sS y s t 1 9 9 4 ，1 4 1 ( 3 ) ：2 1 5 2 1 9 3 7 】盛剑霓等电磁场的数值分析北京，科学出版社，1 9 8 4 3 8 】查利，席尔凡

257、斯特电磁场问题的有限元分析法北京，科学出版社，1 9 8 5 3 9 高晋占参数估计法测量两相流流型清华大学学报( 自然科学版) ，1 9 9 6 ，3 2 ( 1 ) ：9 3 - 9 8【4 0 】C o u l t h a r dJ ，C h e n gRa n dK e e c hR T h eA B BP u l v e r i s e dF u e lM e t e rf o rC o a l f i r e dP o w e rS t a t i o n s P r o c e e d i n g so ft h eF i f t hI n t e r n a t i o n a

258、 lC o n f e r e n c eo nM e a s u r e m e n ta n dC o n t r o lo fG r a n u l a rM a t e r i a l s ，2 0 0 0 4 1 】B e c kMS ，P l a s k o w s k iA 著相关流量计的设计与应用徐苓安译，天津：天津大学出版社，1 9 9 2【4 2 】S r i k a n t hV e n k a t a s u b r a m a n i a n ，e ta 1 F l o wr a t em e a s u r e m e n to faf i b r o u sm a

259、 t e r i a lu s i n gap r e s s u r ed r o pt e c h n i q u e F l o wM e a s u r e m e n ta n dI n s t r u m e n t a t i o n ，2 0 0 0 ，1 5 ( 1 1 ) ：1 7 7 - 1 8 3 【4 3 】黄志尧，等气固两相流量模型的研究化学反应工程与工艺，19 9 5 ，11 ( 1 ) ：7 3 - 7 9【4 4 】潘卫国，等用速度压差法对送粉管道煤粉浓度测量模型的研究仪器仪表学报，1 9 9 9 ，2 0 ( 5 ) ：4 6 l - 4 6 3 4 5 】

260、吴智群，巨林仓，师建斌，武宝会，段建欣，杨静安电站锅炉输粉管道煤粉浓度动量法测量技术研究热力发电，2 0 0 4 ，3 5 ( 1 1 ) ：2 8 3 1【4 6 】J M aa n dY Y a n ，D e s i g na n de v a l u a t i o n o fe l e c t r o s t a t i cs e n s o r sf o rt h em e a s u r e m e n to fv e l o c i t yo fp n e u m a t i c a l l yc o n v e y e ds o l i d s S p e c i a lI s

261、 s u eo fF l o wM e a s u r e m e n ta n dI n s t r u m e n t a t i o n ，2 0 0 0 ，1l ( 3 ) 19 5 - 2 0 4 4 7 J i a n y o n gZ h a n g ，JC o u l t h a r d ，R u i x u eC h e n g ，e ta 1 M e a s - u f i n gp u l e r i s e df u e lu s i n ge l e c t r o s t a t i cm e t e r s T h e7 mI n t e r n a t i o

262、n a lC o n f e r e n c eo nM e a s u r e m e n ta n dC o n t r o lo f G r a n u l a rM a t e r i a l S h a n g h a i 2 0 0 6 ：2 0 2 - 2 0 6 4 8 】许传龙静电传感技术在燃煤电站煤粉测量中的应用锅炉技术，2 0 0 8 ，3 9 ( 1 ) ：3 2 3 7【4 9 】D rZ h a n p r o fc o u l t h a r d & D rRPK e e c h C h a r a c t e r i s t i c so fA B BP u l

263、 v e r i z e dF u e lM e t e r s M e a s u r e m e n t + c o n t r o lV o l4 1 1F e b r u a r y 2 0 0 8 P 2 4 - 2 7 “【5 0 Y Y a n ，B B y r n ea n dJ C o u l t h a r d ，R a d i o m e t r i cd e t e r m i n a t i o no fd i l u t ei n h o m o g e n e o u ss o l i d sl o a d i n gi np n e u m a t i cc o

264、 n v e y i n gs y s t e m s M e a s u r e m e n tS c i e n c ea n dT e c h n o l o g y 19 9 4 ，3 4 ( 5 ) ：1l0 - 1l9【51 】J M e n n e l l ，B B y r n ea n dY Y a n ，A p p r a i s a lo fr a d i o m e t r i ct e c h n i q u e st od e t e r m i n ea b s o l u t es o l i d sf r a c t i o ni np n e u m a t

265、i cs u s p e n s i o n so fp a r t i c u l a t es o l i d s S p e c i a l8 5参考文献I s s u eo fF l o wM e a s u r e m e n ta n dI n s t r u m e n t a t i o n ，2 0 0 0 ，1 l ( 3 ) ：2l3 2 2l【5 2 】J M e n n e l l ，R a d i o m e t r i cc h a r a c t e r i s a t i o no fp n e u m a t i cs u s p e n s i o n s

266、o fp a r t i c u l a t es o l i d s ，P h DT h e s i s ，U n i v e r s i t yo fT e e s s i d e ，19 9 7 ，3 4 ( 9 ) ：2 5 3 0【5 3 】I B a r r a t t ，B B y r n e ，J M e n n e l la n dYY a n ，T h ea p p l i c a t i o no fp o s i t i o n s e n s i t i v ed e t e c t o r si nm u l t i p h a s ef l o wm e a s

267、u r e m e n t N u c l e a rI n s t r u m e n t sa n dM e t h o d si nP h y s i c sR e s e a r c h ，l9 9 7 ，2l ( 3 ) ：4 5 0 4 5 5 【5 4 】范卫东，章明川，何磊，周月桂管道内气固两相流颗粒浓度和风速测量方法的试验研究仪器仪表学报2 0 0 3 ，2 4 ( 1 ) 1 3 - 1 8【5 5 】于静江，周春晖过程控制中的软测量技术控制理论与应用1 9 9 6 ，1 4 ( 0 2 ) ：6 9 - 7 1【5 6 】李强伟，冀海峰，黄志尧，李海青用于气固流化床流型辨

268、识的信度函数构造仪器仪表学报，2 0 0 4 ，2 5 ( 4 ) ：5 4 4 - 5 5 0【5 7 】张惠良电容层析成像技术及其在粉料喂料系统设计中的应用研究： 博士学位论文】杭州：浙江大学，2 0 0 5【5 8 】张宝芬，焦清，黄松明电容式两相流相浓度传感器的仿真及优化清华大学学报( 自然科学版) ，1 9 9 2 ，3 2 ( 1 ) ：2 5 - 3 1【5 9 】WW a r s i t o ，LSF a n ，E C Ti m a g i n go ft h r e e p h a s ef l u i d i z e db e db a s e do nt h r e e

269、p h a s ec a p a c i t a n c em o d e J ，C h e m i c a lE n g i n e e r i n gS c i e n c e ，2 0 0 3 ，( 5 8 ) ：8 2 3 - 8 3 2 6 0 】罗顺忠核技术应用【M 】哈尔滨：哈尔滨工程大学出版社2 0 0 9【6 1 】夏虹，曹欣荣，董惠核工程检测仪表【M 】哈尔滨：哈尔滨工程大学出版社2 0 0 2 6 2 】王其俊同位素仪表【M 】北京：原子能出版社，1 9 8 4 6 3 】安继刚电离辐射探测器第l 版北京：原子能出版社，1 9 9 5【6 4 】I R B a r r a

270、 t t ，Y Y a n ，B B y r n e ，M S A B r a d l e yM a s sf l o wm e a s u r e m e n to fp n e u m a t i c a l l yc o n v e y e ds o l i d su s i n gr a d i o m e t r i cs e n s o r ，F l o wM e a s u r e m e n ta n dI n s t r u m e n t a t i o n1l ( 2 0 0 0 ) 2 2 3 - 2 3 5 6 5 】X i eCGM a s sf l o wm e

271、a s u r e m e n to fs o l i di nag r a v i t yd r o pc o n v e y o ru s i n gc a p a c i t a n c et r a n s d u c e r ： d i s s e r t a t i o n U K ：U n i v e r s i t yo fM a n c h e s t e r , 19 8 88 6华北电力火学博+ 学位论文致谢本论文是在刘吉臻教授的悉心指导下完成的，在博士论文的选题、课题的进展及最终论文的撰写过程中都凝聚了导师的鼓励与支持；导师的远见卓识、严格要求、精益求精、追求卓越的治学

272、精神使我受益终身。感谢家人对我的支持，如果没有他们的鼓励和期望，论文的完成是难以想象的。同时，对清华大学核研院吴志芳教授、刘锡明副教授在实验期间提供的帮助表示真诚的感谢。吕崇德教授、吴占松教授、金以慧教授对论文的初稿提出了修改意见，对此，本人不胜感激。刘夫亮、师二广两位同学对本文的完成也做出了一定贡献，在此一并表示感谢。感谢黄鹏良先生对我一贯地关心与帮助。对所有给过我关心和支持的亲友表示由衷的谢意。在即将完成学业之际，衷心感谢母校华北电力大学对我的培养!华北电力大学博十学位论文攻读博士学位期间发表的学术论文【1 】电站锅炉送风流量测量方法研究电力标准化与计量，2 0 0 5 ，5 2 ( 2

273、) ：1 9 2 1 ( 第一作者)【2 】L a b V I E W 在锅炉换热器泄露检测系统中应用电力标准化与计量，2 0 0 5 ，增刊( 第一作者)【3 】矩形管道送风流量测量方法实验研究现代电力2 0 0 6 ，2 3 ( 3 ) ：5 1 5 5 ( 第一作者) 4 】S V P W M 在D S P 上的软件实现现代电力2 0 0 7 ，2 4 ( I ) ：5 8 6 2 ( 第一作者)【5 】基于霍尔元件的智能电度表设计现代电力2 0 0 7 ，2 4 ( 增刊) ( 第一作者)【6 】电容式煤粉浓度传感器的实验研究动力工程2 0 0 7 ，2 7 ( 2 ) ：2 0 4

274、, - - 2 0 6 ，( E I 收录)( 第一作者)【7 】D e s i g na n dE x p e r i m e n t a lS t u d yo nt h eP u l v e r i z e dC o a lC o n c e n t r a t i o nS e n s o rb a s e do n 丫- r a ya b s o r p t i o nm e t h o d 2 0 0 8 年I E E E 亚太计算智能与工业应用国际学术研讨会2 0 0 8 ，( E I 收录) ( 第一作者)【8 】R e s e a r c ho fac o l de n dT

275、 e m p e r a t u r eC o m p e n s a t i o nf o rT h e r m a lC o u p l e I E E EI C A L 2 0 0 9 ，S h e n Y a n g ，C h i n a ，( E l 收录) ( 第一作者)申请专利情况发明专利名称：气力输送管道中煤粉浓度及相分布的实时检测装置发明人：第一发明人申请号：2 0 0 8 1 0 2 4 0 3 2 7 O申请同期：2 0 0 8 年1 2 月1 7 同气力输送管道中煤粉浓度及相分布测量方法研究气力输送管道中煤粉浓度及相分布测量方法研究作者：段泉圣学位授予单位：华北电力大学

276、(北京) 本文读者也读过(10条)本文读者也读过(10条)1. 蒋卫东 尾矿坝非线性系统混沌与安全研究学位论文20032. 郭浩 行波型超声粉体输送装置的研究学位论文20023. 唐巧玲.孙东云.TANG Qiao-ling.SUN Dong-yun 湿法磷酸生产中管道结垢物二氧化硅含量的测定期刊论文-磷肥与复肥2006,21(2)4. 陆纲跃 石灰竖窑本体钢结构安装技术会议论文-20045. 张青 矿粉输送混合稳定度定量预报研究学位论文20056. 谭超 基于多传感器融合的两相流参数测量方法学位论文20097. 成贵学.潘卫国.曹绛敏.CHENG Gui-xue.PAN Wei-guo.CAO Jiang-min 新型锅炉风粉在线监测系统的设计与实现期刊论文-华东电力2007,35(6)8. 朱芳波 电站锅炉煤粉浓度的微波测量方法研究学位论文20079. 石玲 海底电缆铺设转盘系统关键技术研究学位论文200910. 纪言虎 Wire Mesh成像系统软件与成像算法研究学位论文2010 本文链接：http:/