（动力机械及工程专业论文）基于光脉动谱法的煤粉颗粒在线测量.pdf

学校代码 学校代码 1025210252 学学 号 号 04253100425310 上海理工大学硕士学位论文 基于光脉动谱法的煤粉颗粒在线测量 姓姓 名名 秦授轩 系系 别别 能动学院 专专 业业 动力机械及工程 研究方向研究方向 颗粒两相流测量 指导教师指导教师 蔡小舒 教授 学位论文完成日期 2010 年 5 月 university of shanghai for science and technology master dissertation in line pulverized coal sizing with light fluctuation spectrum method name qin shouxuan department school of energy a0是空气中声波的衰减常数 根据上式可以测量煤粉浓度 最后 计算出煤粉的流量 14 图 1 3 7 超声法测量颗粒粒径和浓度原理图 超声波测量气固两相流中颗粒速度和浓度 流量 在工业生产中已经得到应 用 超声波在介质中传播时 与颗粒相互作用会发生散射及消声 吸收 现象 同 时相速度也会随同颗粒的大小及浓度发生变化 利用这种现象可以进一步得到颗 粒相更多的信息 现在已经有利用声散射 消声和相速测量颗粒浓度以及径粒分 第一章 绪论 9 布的方法 15 16 17 18 他们的测量原理见图1 3 7 超声法的优点是可以应用到很高 颗粒浓度场合 变频性比较好 使用比较灵活 5 光学法 1 光散射法 这里所讲的光学法包括了所有利用光学测量颗粒的方法 现在应用较多的光 散射法 该方法是衍射式激光粒度仪 19 的在线使用 这种仪器建立在衍射理论基 础之上 当颗粒位于光束中时 它的大小与其远场衍射图形是一一对应的 在一 定条件下颗粒群的衍射图形是单个颗粒衍射结果的简单相加 利用测量得到的衍 射光强分布并结合优化理论进行反演算 就可计算出颗粒的大小及分布 20 图 1 3 8给出了这种仪器的测量原理图 建立在光散射原理上的仪器在科学研究中得到了广泛应用 20 已经被用于研 究煤粉粒度分布特性及其燃烧时的变化特性 图 1 3 8 衍射式激光测量仪原理图 2 后向散射光强法 图 1 3 9 后向散射光强浓度 速度测量仪原理图 该方法用后向散射光强与浓度的关系来测量煤粉浓度 用光束照射煤粉气固 两相流 反射的光强同煤粉浓度有一定关系 利用这种关系可以测量煤粉流的浓 度 21 这一方法的特点是大量使用光纤技术 因而探针尺寸一般都很小 缺点是 该测量法一般认为适合测量小颗粒 而且是一种相对方法 测量前要进行大量的 标定工作 为此需要建立一个确定的 已知浓度的多相流场 这是一个相对比较 基于光脉动谱法的煤粉颗粒在线测量 10 困难的工作 如果被测对象改变时 仪器需要重新标定 而且这一方法在理论上 也比较混乱 有些学者认为颗粒浓度与后向散射光强成正比关系 而有些学者认 为是指数关系 还有人认为光强不仅同颗粒本身有关 还与接收光纤的形状等因 素有关 由此可见 该方法同被测对象及光纤探针具体结构等因素有很大关系 并且使用时涉及的问题也比较复杂 但因其结构简单 操作灵活 在研究煤粉气 固两相流时得到了广泛的应用 22 23 将该技术同相关测速技术相结合设计了一种能同时测量煤粉气固两相流中煤 粉速度和浓度的联合探针 如图1 3 9所示 它的工作原理如下 通过事先标定 利用从任一发射 接收光纤探针接收到的煤粉后向散射光强测量其浓度 另外 认为从两光纤探针采集到的颗粒散射光信号是相关的 利用相关分析技术可以求 取颗粒在这两个探针间运动所需的时间 进而求出颗粒速度 该类型的测量装置 被广泛地应用在气固两相流特性研究中 在国内西安交通大学用这类探针研究流 化床内煤粉两相流的流动及其浓度分布情况 24 3 消光法 该方法是用透射光强和原始光强的比值来得到颗粒的尺寸分布和浓度 对于 多分散系的测量 由朗伯比尔定理 有 2 04 ln b ext a iiln d d k dd 1 3 8 其中a b分别表示颗粒直径的最大及最小值 n d表示数目浓度 用该方法 求取浓度的时候 先得到索太尔直径 平均直径 在30 的情况下 定义见 mie理论 认为平均消光系数 m k和按平均直径得到的消光系数相等 由此 按 照不同入射光波长测量一组透射光强序列 解该方程可的 n d 用该方法也可以 求粒度分布 其本质是有约束下的最优化问题 先假设颗粒分布符合一定规律 如r r long normal等分布函数 任意取参数代入 最后得到结果 这种方法理论 上可行 实际上很多问题有待解决 在式1 3 8中a和b无法确切得到 在计算中会 造成很大问题 用多波长测浓度时 波长是和 直接相关的 如果选取不恰当 这个方法的理论前提就不成立 求分布的时候 最优化算法的选取和初始的参数 选择都对计算的成败有重大影响 而由于这种算法的特点 需要的时间也长 实 时响应并不好 4 角散射法 由mie理论 散射光分布与颗粒直径有关 由此可根据采集到的散射光信号确 定颗粒的大小 分为单个测量和群组测量 单个测量测量区很小 大约几十微米 为的是保证每次只有一个颗粒通过测量区 保证测量的精确性 同时颗粒经过测 量区的时候其透射光强是一个脉冲信号 这样可以实现对颗粒的记数 可以得到 第一章 绪论 11 颗粒的浓度和分布信息 群组式测量区较大 它通过白光或者不同波长的激光照 射测量区 经数据处理辨认出每一个颗粒的大小 但是它无法得到浓度信息 5 激光多谱勒测速仪 lda 多谱勒效应是很常见的一种 物理现象 它的原理是发射器和 接受器有相对速度的时候 接受 到的频率会有变化 如一列火车 从远到近 人感觉声音是不同的 鉴于该原理发明了一种非接触式 光学测速方法 其工作原理是 当颗粒穿越光束时 如颗粒在光 束传播方向上有速度分量 则光 波因多谱勒效应而发生频移 频 移量同颗粒与光波的相对速度有关 图1 3 10 激光多谱勒测速仪原理图 1 1 f f uc 1 3 9 式中f 为发生频移后的光频率 f为入射光频率 c为光速 u1为颗粒速度在 光传播方向上的投影 利用适宜的方法测量散射光的频移 便可得到颗粒速度 25 lda现已应用到 煤粉气固两相流研究中 26 是一种比较好的速度测量法 但是在多分散系情况下 的测量还有待研究 6 粒子图形测速仪 piv 这是自七十年代发展起来的一种全新的 利用图像识别技术和相关分析技术 进行颗粒速度测量的方法 27 该仪器在进行测量时 要对流场进行两次图像采集 得到两幅不同时刻颗粒在流场中的两维分布图 然后计算它们的两维自相关函数 得到测量区内颗粒在两次图像采集间的矢量位移 最后计算出它们的速度大小和 方向 本技术现已大量应用于涡轮机内部流场及水利 航空等研究方面测量 28 图 1 3 11给出了 piv测速的原理图 这种方法结合干涉成像测量技术 可以用于 颗粒场所有参数的测量 浦世亮 29 在他的博士论文中 提出了解决干涉图象重叠 影响的办法 取得了较好的效果 基于光脉动谱法的煤粉颗粒在线测量 12 图 1 3 11 piv测速仪原理图 7 激光相位多谱勒测量仪 pda 当两束相干的单色光聚焦于测量点时 形成平行的干涉条纹 当颗粒垂直于 条纹穿越测量区时 散射光强将发生明暗相间的变化 该变化的频率与颗粒的速 度关系为 2sin duf 1 3 9 式中u为颗粒速度 为光波长 为两光束间夹角的一半 df 为散射光 强变化频率 在两个不同位置 与颗粒粒径的关系为 12 pdc 1 3 10 散射光信号间存在着相位差 在接收器位置对称时 c为仪器常数 12 为相 位差 由此可求得颗粒的大小 因为测量区的大小已知 在测量得到颗粒的大小 和速度及一定时间内的颗粒数后 按文献 2 中定义的表示浓度的方法 可进一步求 得颗粒浓度为 1 in n a u t 1 3 11 n为数量平均浓度 t为测量时间 ni为时间t内颗粒数 u为颗粒平均速度 图 1 3 12 给出了 pda的原理图 30 第一章 绪论 13 图 1 3 12 pda的原理图 8 光脉动法 图 1 3 13 光脉动法颗粒测量仪原理图 该方法利用颗粒在空间中随机分布规律来测量其大小和浓度 由概率论可知 如果空间某体积内随机分布有颗粒物质 那么该体积内颗粒数服从泊松分布 当 光束穿越该空间后 透射光信号表现出一定的波动性 再结合光散射理论 就可 测量出颗粒的粒度和浓度 因为它是通过透射光信号的脉动起伏来确定颗粒粒度 和浓度 所以被称为光脉动法 该方法在国外已经用来测量气固两相流中颗粒的 粒径和浓度 图1 3 14 给出了该类仪器的示意图 随着时代的发展 尤其是计算机功能的强化 许多颗粒测量的技术和方法都 有了新进展 31 32 33 由上面的概述可以看出 为了科学研究和工业生产的需要 人们设计了各种 各样的颗粒参数测量仪 其中不少取得了令人满意的结果 但是 这些仪器还有 许多不足之处 如采样法因不能适宜于现代科学的发展 应用已经越来越少 测 量精度比较高的仪器 像lda piv和pda结构复杂 操作调整困难 需要专业技 术人员专门调试 对环境要求苛刻 价格非常昂贵 因而不是非常适宜于工业生 产的在线监测 高能射线法需要放射性元素做信号源 在使用 储存等方面存在 基于光脉动谱法的煤粉颗粒在线测量 14 较多问题 且精度也不高 而热平衡法 后向散射光强法等易于实现的测量方法 原理上过于简单 很难保证测量精度 有些非常有发展前途的测量方法 象层析 成象技术 因技术上原因 距工业在线应用还有一定的距离 由于在工业生产中 颗粒的大小 速度 浓度是重要的参数 上述的仪器中除pda或者piv结合全息图 象之外 都无法同时完成对上述三个参数的测量 从这点讲 开发研制能用于工 业生产在线使用的并能同时测量多种颗粒参数的测量仪有很大的现实意义 1 4 本文工作的内容本文工作的内容 综上所述 可以得出以下结论 1 我国的能源储量中煤炭占主要地位 至下世纪上半叶我国的电力工业仍将 以煤电为主 随着电力工业的发展 发电用煤量还将有大幅增长 发展能提高煤 炭利用率的测量仪有很大的现实意义 2 煤粉的粒度 浓度和运动速度对锅炉系统的运行有很大影响 它们不仅影 响锅炉的效率 而且直接关系到锅炉的安全运行 为此 对这些参数进行在线监 测有重要的意义 3 现有的测量仪器 虽有部分能用于工业生产的在线测量 但它们的性能均 有一定的局限性 不能满足日益发展的需要 本文的主要目的是提出一种能同时测量煤粉粒度 浓度两个参数且能用于工 业现场长期在线监测的方法 提高我国电厂现有的燃料输运系统的监测手段 满 足工业现代化发展的要求 本文主要内容包括 1 简述光散射理论及测量颗粒的方法 2 建立利用光透射脉动信号结合频谱技术测量颗粒粒度的理论模型 3 进行实验 验证上述原 第二章 理论基础 15 第二章第二章 理论基础理论基础 2 1 光散射理论简介光散射理论简介 本文研究的重点是光脉动谱法颗粒测量技术 光散射理论是本文重要的理论 基础 下面对光散射理论中颗粒散射部分作一简述 众所周知 光在均匀介质中是直线传播的 在两种均匀介质的界面会发生折 射和反射 由费马定理 光线通过非均匀介质时 部分光会偏离开原来传播方向 散射到其它方向上去 这种现象称为光的散射现象 颗粒光散射分为相关散射和 不相关散射 34 不相关散射 在介质中混杂着颗粒物质 当颗粒间的距离足够大 被颗粒散 射的光不再发生进一步发生散射 这时的散射称为不相关散射 一般认为颗粒间 距超过它本身直径的三倍时符合不相关散射条件 不相关散射的假设会给数学处 理上带来极大方便 因为颗粒间的散射光相互间无关 只要将各个颗粒的散射 光强简单相加就可得到总散射效应 而无需考虑它们之间的相性 在所研究的颗粒系中 当所有颗粒都暴露在原始入射光强下时所发生的散射 称为单散射 与单散射对应的是复散射 它是指在所研究的颗粒系中 部分颗粒 不处在原始光强下 它们对其它颗粒的散射光再次进行散射 使原始入射光线通 过介质时发生多次散射 在不相关单散射条件下 同样特性的 m个颗粒产生的散射光强等于单个颗粒 散射光强的 m倍 当散射为不相关单散射时 它在数学上的处理就变得十分简单 仅需对单个颗粒计算其散射光强分布 而这方面已有很多发展相当成熟的理论 可供参考 34 35 下面介绍几个有关散射的物理量 散射截面 一个散射颗粒单位时间内散射的全部光能 esca与入射光强 io 之 比 即 sca sca o e s i 2 1 1 上式也可理解为 在入射光强 i0 下 单位时间内一个颗粒散射的光能 esca 为光线在ssca面积上单位时间所传输的能量 在上式基础上 进一步定义一无量 纲的量 散射系数 ksca 它等于散射截面与颗粒在光线方向上投影面积sp之 比 即 scasca sca pop se k sis 2 1 2 基于光脉动谱法的煤粉颗粒在线测量 16 显然 散射系数还等于颗粒在单位时间内散射的光能与入射到其投影面积 sp 上光能的比值 对于具有吸收的颗粒 除了对光线的散射外 还有部分光能被吸收转化成其 它形式的能量 无论是由于颗粒对光的散射还是吸收 它的总的效果是使光线透 过介质后强度减弱 这种现象被称为消光 按能量守恒定律 消光耗散的总能量 应为散射光能与吸收光能之和 依照定义散射截面和散射系数同样的方法 可以定义反映颗粒对光吸收特性 和消光特性的物理量 吸收截面 消光截面 吸收系数和消光系数 ext ext o e s i 2 1 3 abs abs o e s i 2 1 4 ext ext op e k is 2 1 5 abs abs op e k is 2 1 6 并且有 extscaabssss 2 1 7 extscaabskkk 2 1 8 散射面与散射角 如果入射到颗粒上的光为偏振光 设其电矢量 沿 x 方向 振动 观察点 p 的矢径为r 光波传播方向与矢径r的夹角称为散射角 用 表示 矢径r与z轴组成的平面为散射面 如图 2 1 1 所示 振幅函数 当不考虑光波的偏振时 光波可以作为标量处理 对于一个点光 源 其发射的光波为球面波 在任意点上的光波振幅与该点到光源的距离成反比 即 itkro e e l re r 2 1 9 当把颗粒作为散射体散射光波时 它也可被看作一点光源 只是光振幅的分 布 在同一球面内不再为常数 它将是位置的函数 类似于式 2 1 9 颗粒的散 射光波可描述为 wt ikr o s eee ikr 2 1 10 式中s 为取决于散射光方向的无因次函数 与颗粒大小 形状 折率及空 第二章 理论基础 17 间取向有关 一般情况下为复函数 称为颗粒的散射振幅函数 另外 2 k 为光波波长 在分母中加入i及k主要是使s 无因次化和简化运算 当入射光为偏振光时 光波应被视为矢量波来处理 振幅函数是由四个分量 组成 它们分别表示不同偏振状态的影响 这四个分量可以用一矩阵来表示 1112 2122 ss s ss 2 1 11 颗粒散射光可描述为 2 1 12 式中下标 r 表示垂直散射面的场量 l 表示平行子散射面的场量 对于 球形颗粒有 1221 0 ss ii s 22 s 仅为 的函数 因 此式 2 1 12 可写为 2 1 13 垂直和平行的散射面和散射光强度分别为 2 1 14 其中称为散射函数 自然光可以看作是任意二个相互垂直的振幅相等的独立光振动的叠加 每一个光 强度为 0 2 i 所以散射光强为 2 12 22 8v o ii ii r 2 1 15 基于光脉动谱法的煤粉颗粒在线测量 18 图 2 1 1 不同折射率颗粒的消光曲线 根据mie理论 可以计算各种情况下的消光系数 图2 1 1给出了不同折射率时 的颗粒相对粒径同消光系数的关系曲线 可以看出 消光系数为粒径的多值函数 当粒径增大时 其值趋向于2 这意味着大颗粒的消光等于其投影面积在单位时间 内遮挡光能的二倍 这就是著名的消光佯谬 这一结果可以这样解释 假设入射 光波的光强为 i 颗粒在垂直于光波传播方向上的投影面积为 p s 那么在 p s面积 中的单位时间总能量为i s 要么被散射掉 要么被吸收 而在颗粒后面的阴影区 应该有一个实际上没有波存在的区域 在这一区域中 颗粒散射波恰好等于入射 波的振幅 而相位相差 它在单位时间内的能量也等于i s 因此 大颗粒的 消光数等于2 2 2 介质的消光特性 当平行光束穿越含有颗粒的透明介质时 由于颗粒的消光作用 其强度将不 断衰减 使得透射光的强度小于入射光的强度 设经过厚度定律 有 m dl后 入射光强由 i 减弱为idi 见图2 3 1 根据光 的透射 m diidl 2 2 1 称为介质的衰减系数 又称为介质的浊度 l是光束在介质中的光程 对上 式积分得 ml o i e i 2 2 2 为了表述方便 o iit 并称其为透射率 其它文献中一般称为消光 第二章 理论基础 19 图 2 2 1 颗粒的消光 关于浊度 在不同情况下有不同的表达形式 对于远场接收 可以认为被 颗粒散射的光均不被接收 它的消光系数就是按 mie 理论计算所得的值 这时浊 度的表达式比较简单 对于单分散的颗粒系 extext m n ksneks v 2 2 3 ne为单位体积内颗粒数 n为光束照亮体积中的颗粒总数 m v为光束照亮的介 质体积 对于介质中含有成分相同 但大小不相同颗粒时 2 4 ext kddn ddd 2 2 4 p d为颗粒粒径 p n d为颗粒粒径的分布函数 我们知道浊度同时取决于消光系数和颗粒的粒径及分布 这在分析某些问题 时会造成一些困难 为了使表达式更具一般性 可用前面定义的消光截面来表示 浊度 extext m n snes v 2 2 5 上式是浊度的通用表达式 采用这一表达式 使浊度同颗粒性质 如折射率 粒径 有关的参数合并成一个 简化了表达方式 进而可以简化某些情况下的测量 工作 2 3 气力输送理论简介气力输送理论简介 36 气力输送是利用气流在管道中输送物料的一种方法 在粮食 水泥 煤粉 化工物料 型砂等各工业部门得到广泛应用 它利用具有一定压力和速度的气流 带动物体到达目的地 其原理是 流体经过固体时两相间存在相对速度 则两相 间有作用力 在这个力的作用下固体开始运动 最后达到平衡状态 气力输送的 具体情况比较复杂 普遍采用的研究方法是把物料也看成一种流体 然后进行分 析 基于光脉动谱法的煤粉颗粒在线测量 20 压差阻力和摩擦阻力 在气力输送中 两相间的作用力有很多 但是其他力的影响比较微弱 起主 要作用的是压差阻力和摩擦阻力 摩擦阻力主要由切应力产生而压差阻力由附面 层分离造成 一般来说分离越早阻力越大 阻力的分区 由上述理论起作用的阻力有两个 这两个阻力是并存的 可是数量级不相同 因为压差阻力的大小和分离点有关 据此可将阻力分三个区 一 斯托克斯区 当物体体积小 速度低 易于流体绕过 附面层未分离 主要作用力是摩擦 阻力 一般粉状物料 在计算中照此处理 二 阿连区 物体比粉料大 速度也大 此时附面层在物体后部分离 两个阻力处于同一 数量级 都要考虑 一般如石灰石砂 硅石等按阿连区处理 三 牛顿区 此时物体体积更大 速度更高 附面层一早分离 这时压差阻力起主导地位 块料如煤块 烧结砂等适用这种情况 物料沉降速度 物料在无限流体中自由下落 当重力和浮力相等的时候做匀速运动 此时的 速度称为沉降速度 具体数值由下式计算 式左为空气动力 右为浮重 2 23 0 426 sss v cddg 2 3 1 其中0 v 为沉降速度 s d 颗粒直径 c阻力系数 s 颗粒密度 空气密度 其中阻力系数和前面提到过的一样 分三个区 按实际情况选择 水平管中气力输送微分方程 水平管中颗粒的受力比较简单 只考虑径向的空气动力和颗粒与管壁间的摩 擦力 空气动力如前述 按不同流态分区有不同计算公式 主要介绍摩擦力 在煤粉输送中 基本上是均匀悬浮流 颗粒较均匀的分布在管道中 它与管 壁的摩擦可以借鉴流体的沿程阻力来计算 这样可以得到 2 2 s ss vl fa d 在稀相输送煤粉的情况下 对于单位重量的颗粒 由牛顿第二定律 有 2 1 2 s v asss s ln d vvv v gdvgd 2 3 2 第二章 理论基础 21 a v 为空气速度 s v 为颗粒速度 s 沿程阻力系数 d 是输送管直径 颗粒的最终速度 解式 2 3 2 可以得到水平管中加速度为零时的颗粒最终速度比 颗粒的最终 速度和气流速度的比值 为 121 sna sna v v gd v v gd 2 3 3 从式中可以看出 由于其他的数值都是确定的 这只是一个和沉降速度有关 的量 而沉降速度又只和颗粒大小有关 所以颗粒最终速度也只和颗粒大小有关 据此 我们可以知道颗粒的大小确定 最终速度也随之确定 从而得到一个 有意思的结论 即透射光频率变化和颗粒大小有关 对这点可以这么理解 如果 光只照射静止颗粒或者稳定流动的单分散颗粒 透射光的频率显然是一定值 而 实际上 由与光照射的是不同大小不同运动速度的颗粒 所以透射光的频率会变 化 假设两群不同大小不同速度的颗粒分别经过一束直径相同的光 它得到的脉 冲数显见是不同的 至此 光脉动谱法的理论有了理论基础 基于光脉动谱法的煤粉颗粒在线测量 22 第三章第三章 光脉动法测量颗粒的粒度与浓度光脉动法测量颗粒的粒度与浓度 在第一章中提到 测量颗粒粒度与浓度时 光学法占据着重要地位 而且已 经有不少现成的商用仪器 在大多数光学法中 测量散射光通量时一般都对不同 时刻的测量值进行平均 以消除一些偶然因素带来的信号波动 这些信号波动的 来源是不同的 有些与被测颗粒无关 如光电 电子器件的固有噪声 而有些则 是颗粒本身某种特性对外界提供的信息 如由于测量区内不同时刻颗粒数量及其 粒度分布变化引起的光通量信号的波动 对于前者 测量时是必须设法加以消除 的 而对于后者 如果能建立起适当的理论描述体系 则有可能从这种信号波动 起伏中获取有关颗粒的信息 37 脉动法就是利用这种信息测量颗粒粒径和浓度的 一种光学方法 3 1 3 1 光脉动法概述光脉动法概述 图 3 1 1 脉动法测粒示意图 当颗粒不受人为原因随机分布在空间时 在某一体积内的颗粒数量可以作为 随机变量处理 它服从一定的数学分布规律 当光束在不同空间位置穿越含有这 种颗粒的透明介质时 散射光强和透射光强都将是颗粒数随机变量 颗粒粒径和 颗粒浓度的函数 如果能建立它们之间的内在联系 就可利用散射光和透射光强 度的随机变化求取颗粒粒径和浓度 光脉动法是利用透射光强随机变化规律结合光散射理论测量颗粒粒径和浓度 的方法 其工作原理如下 利用平行光束穿越含有颗粒的介质 由于颗粒的宏观 运动 不同时刻光束照亮体积内的颗粒数是不同的 由此测量到的透射光通量也 是随时间变化的 如果颗粒的宏观运动是定常的 把光束照亮体积内不同时刻的 颗粒数量作为随机事件 这一随机过程是平稳的 按各态历经随机过程的特性 颗粒数随机变量在一确定体积内的数字特征可以代表其在整个空间的总集数字特 征 建立了颗粒粒径 浓度同透射光强之间的关系后 就能求取其粒度与浓度 第三章 光脉动法测量颗粒的粒度与浓度 23 脉动法光路布置如图3 1 1 所示 3 2 透射光信号与颗粒数间的关系透射光信号与颗粒数间的关系 本文研究的方法所用光束直径远远大于被测颗粒的粒径 即 p dnd 而可以 忽略颗粒位于光束边缘时的边界效应 当光束穿越含有颗粒的透明介质时 其透 射光信号会随被照亮体积中颗粒数的不同而表现出不同的特征 被照亮的体积中在不同时刻包含的颗粒数不外乎三种情况 1 每个时刻 光束照亮体积中含有极少数量的颗粒 这对应于非常稀的多相 流的情况 在假设 mp dd 下 透射光强为含有负脉冲的信号 从这一信号中可 以得到有关颗粒大小的信息 它属于颗粒计数器研究的范畴 而本文的研究是针 对颗粒群粒径的 该情况与本文研究的方法没有直接的联系 在此不予讨论 2 在光束照亮的体积中含有过多的颗粒 以至于颗粒数的绝对变化量对其平 均值来说为一很小的量 此时透射光强表现为一个被削弱了的 相对平稳的信号 这种情况对应于多相流的浓度很高或在光束横截面的单位投影面积中的颗粒数很 多 测量区很长 一般认为此时已进入光的复散射范围 它的数学规律非常复杂 虽然有不少学者对此进行了研究 但真正实用尚有不少困难 利用这种情况下的 透射光信号来研究颗粒系统的性质 在建模上存在一定的难度 3 第三种情况介于上述两者之间 在光束中含有适当多的颗粒 即由颗粒 数的绝对变化引起透射光强的起伏变化是可明显测知的 而且所发生的散射 现象 尚可用光单散射理论来描述 在这种情况下 如果能建立起颗粒数变化同透射光 强信号起伏间的关系 就有可能通过测量透射光强的起伏来求取颗粒系统的特性 这就是波动法测量颗粒粒径和浓度最基本出发点 图3 2 1 a b c 示意性地表示了上述的三种情况和相应的透射光强 变化情况 关于如何区分这三种浓度情况 一般由透射率的值来界定 如果 透射率介于0 607和0 9之间 我们认为这种浓度条件符合本文讨论的情况 基于光脉动谱法的煤粉颗粒在线测量 24 图3 2 1 测量区内含有颗粒数及信号示意图 在各种光学测粒法中 测量区的定义是非常重要的 有时直接关系到测量结 果的可靠性 本方法是利用平行透射光作为信号源的 所以关于测量区形状和大 小的问题就变得比较简单 测量区就简单地定义为 被平行入射光束照亮的 含有颗粒介质的全部体积 设测量区内的颗粒数为n 其为一随机变量 考虑到由于颗粒的宏观运动而引 起测量区内的数量随机变化 透射率t也应为n的函数 又根据2 2 当一平行光束 通过含有颗粒的透明介质时 其光强变化满足于lambert beer公式 假设光束通过 介质时发生的是不相关单散射 则可以用消光系数来表示介质的浊度 如果所有 颗粒均为光学性质相同 粒径相等的球形颗粒 还可以进一步简化 3 3 gregorygregory 浊度波动理论浊度波动理论 当一束波长为 平行单色光照射到被测颗粒时 颗粒对光的散射和吸收 透 射光的光强将会衰减 由浊度的定义有 4 ln 2 dmelndl i i o 3 3 1 式中 nc n是单位体积的颗粒数 c无量纲的颗粒投影面积 第三章 光脉动法测量颗粒的粒度与浓度 25 图 3 3 1 gregory 浊度波动理论实验示意图 gregory在他1985年的著名论文中 提出了通过透过率起伏得到单分散颗粒粒 度的方法 他采用一束细小的激光来照射流动的颗粒系统 如图3 3 1所示 颗粒 流过光源和探测器之间 l是测量区的长度 a是光束的有效面积 al是测量区的 单位体积 这样单位测量区体积的平均颗粒数可表示为 v nal 3 3 2 联 3 3 1 和 3 3 2 式得 exp oiivca 3 3 3 式中i是光经过测量区的平均光强度信号 oi是光强原始信号 气固两相流体流过测量区时 由于颗粒的速度 浓度和颗粒大小的变化 实 际的颗粒的平均浓度也会发生随机的变化 由此透射光信号也产生波动 因为流入测量区的颗粒数目是随机的 并且流出测量区的颗粒对流进测量区 的颗粒没有影响 所以认为进入测量区的颗粒数目满足泊松分布规律 这样投射 光强的信号的时间序列的方差就可以描述为 1 2 1 2 exp sinh sinh rmsoiivcav ca iv ca 3 3 4 理论表明当颗粒浊度很高的时候 1 2 v ca将远远小于 1 对于高浓度的气固 两相流 1 2 v catl 相当高 可高达 10 虽然单位体积的颗粒数变大 但是 1 2 v使 得 1 2 v ca变得足够小 假设 1 2 v ca 1 式 3 3 4 可改写为 1 2 exp rmsoiivca v ca 1 2 i v ca 3 3 5 在浊度很低的情况下 vc a 6k 0 0067 1 2158 240 150 0 0068 0 0394 将表 5 2 1 数据代入 r r 函数 得到的 r r 函数参数md 46 24 1 k dv95 111 438m dv50 34 228m dv5 4 1926m 大部分煤粉在30 60m 范围 按煤粉密度 1600kg m3 计 煤粉浓度为 0 69kg m3 图 5 2 4 是根据 r r 分布函数得到的煤粉颗粒频度分布和累积分布图 作为比较 图 5 2 5 给出了对 该煤粉管煤粉取样后采用筛分法得到的煤粉粒度频度分布和累计分布图 由筛 分得到的 r r 分布函数的粒度参数d和分布参数k分别是 50 98m 和 1 20 从 2 个图可见 2 种方法得到的结果吻合很好 a 频度分布 b 累积分布 图 5 2 4 煤粉颗粒度分布 基于光脉动谱法的煤粉颗粒在线测量 36 a 频度分布 b 累积分布 图 5 2 5 煤粉筛分测量结果 表 5 2 2 给出了连续 10 次测量的煤粉粒度和浓度的变化 从表 5 2 2 可见 煤粉的粒度分布随时间有一定的变化 但变化不是很大 表 5 2 2 煤粉连续测量结果 煤粉浓度 kg m3 d m k dv95 m dv50 m dv5 m 0 838 55 1 3 127 91 41 49 5 6 0 817 61 1 2 152 2 44 95 5 13 0 79 50 1 3 116 28 37 72 5 09 0 83 55 1 25 132 3 41 02 5 11 0 797 52 1 25 125 09 38 78 4 83 0 796 56 1 2 139 72 41 26 4 71 0 832 57 1 25 137 11 42 51 5 3 0 838 61 1 23 148 84 45 28 5 45 0 795 55 1 22 135 19 40 73 4 82 0 838 59 1 23 143 96 43 8 5 27 为进一步验证该理论 采用电厂实测的数据进行处理 结果表明风煤比大 约在 0 6 到 1 1 之间 而现实中风煤比一般在 0 5 1 之间 经过比对 可以认为 该方法是可信的 表 5 2 3 给出了 4 根煤粉管测得的煤粉参数 从表中可见 2 号煤粉管的浓度偏低 粒度分布也较其它煤粉管的宽 1 号和 3 号煤粉管的粒 度分布较 2 号和 4 号煤粉管的粒度分布窄 最大粒径较小 这有利于充分燃烧 第五章 煤粉颗粒粒度和浓度测量实验装置 37 表 5 2 3 各煤粉管煤粉浓度和粒度分布 煤粉管号 煤粉浓度 kg m3 d m k dv95 m dv50 m dv5 m 1 1 106 47 4 1 84 94 702 37 962 8 814 2 0 663 49 1 095 134 685 34 995 3 5 3 0 980 48 7 2 237 80 505 41 203 12 691 4 0 817 56 1 1 243 135 86 41 754 5 131 基于光脉动谱法的煤粉颗粒在线测量 38 第六章第六章 结论结论 针对电厂煤粉在线试验测量 用光脉动法与 gregory 浊度波动理论结合对 测量的透射光信号进行处理 就直接可以在线测量煤粉颗粒的粒度分布和浓度 解决了光脉动法仅能测量煤粉颗粒平均粒度 不能测量煤粉粒度分布的问题 对电厂煤粉的在线测量试验结果与煤粉取样后筛分测量结果比较吻合很好 相对于其他方法 该方法具有测量原理简单 能实现在线测量等优点 可 用于电厂煤粉管的长期在线监测 在锅炉优化燃烧 降低 nox的排放等方面有 广泛的应用前景 在工作中 作者发现了如下几点问题有待进一步的工作去解决 一 本文讨论的是颗粒在水平管中的情况 直管弯管中的情况需要建立新 的模型 主要需要考虑的是颗粒自身的重力影响 由于考虑了这个因素 颗粒 群的受力情况就有了变化 运动方程也需要重新建立 二 数据处理的时候频率的分区对反演的结果有很大影响 如何分区才是 最合理的需要进一步研究 拟提出一个称为 渡越时间 的量 影响该量的因 素只有两个 颗粒大小及速度 不同大小的颗粒有不同的渡越时间 由此定量 的给出对应的频率大小以准确区分不同颗粒 三 如何区分高频信号和噪音 为了得到更好的处理效果而又不丢失有用 信息 拟计算出最大频率 取颗粒系下限 约一微米 将其作为截止频率进行 滤波处理以得到更精确的结果 附录 39 附录附录 mie 理论简介理论简介 上文描述了反映颗粒对光线传输影响的物理参数及其定义式 但要求出其具 体数学表达式却是一件非常繁杂和困难的工作 人类对光本质的认识经历了一个漫长的历史过程 直到麦克斯韦发表了电磁 场理论 才真正揭示了光的本质 但要求解麦克斯韦方程组在任意介质中传输的 精确数学解却非一件易事 一般仅能给出在特殊条件下具有规则形状颗粒的解析 解 mie 理论是平面电磁波入射到球形颗粒这种特殊情况下麦克斯韦方程组解 析解 是由mie在 1908年推导得出的 即使在这种最简单的条件下 它的推导和 计算还是非常繁杂的 下面仅给出该理论中一些与本论文工作有关的结论 根据mie理论 球形颗粒在平面入射波情况下振幅函数2 s 和1 s 表达式 1 1 21 1 1 llll l sab l l 2 21 1 1 lll l l sab l l 其中参变量 la lb l l 表达式为 llll l l lll mm a mm lll l llll mm b mmm 1 cos sin l l p cos i ll d p d 式中 2 2 ll l ka jk 2 2 li l ka h m为颗粒相对于周围介质的折射率 l p 1 2 l j 2 l l h 分别为缔合勒让德函数 半整数 基于光脉动谱法的煤粉颗粒在线测量 40 阶的贝赛尔 函数和半整数阶的亨克尔函数 显然消光系数是入射光波长颗粒折射率和颗粒粒径的函数 10的颗粒散射光强及局部放大后的情况 放大10倍 图一 不同粒径的颗粒散射光强的分布情况 m 1 57 10的颗粒散射光强及局部放大后的情况 放大160倍 100的颗粒散射光强及局部放大后的情况 放大 240倍 图 二 不同粒径的颗粒散射光强的分布情况 m 1 57 基于光脉动谱法的煤粉颗粒在线测量 41 根据mie理论 可求解出各种折射率下不同粒径颗粒的散射光的解 图一给出了 不同相对粒径时颗粒散射光强分布情况 折射率m l 57 由图一可以看出 当粒径很小时 散射光沿 0 90方向呈对称分布 当粒径增大时 散射光强的分布开始向前向集中 前向的散射光强大于后向 当粒径继续增大时 颗 粒的散射光强将集中子前向一个较小的范围内 而且出现了很多极大 极小值 在粒 径由小到大的过程中 光强分布曲线经历了一个沿 0 90方向由对称到非对称的变化过 程 另外为了研究具有复折射率的颗粒的散射特性 图三 给出了a 50 折 射率m 1 57 0 57i颗粒的光散射能量分布情况 整体散射情况 沿垂直方向放大 8倍 局部放大两万倍的散射情况 基于光脉动谱法的煤粉颗粒在线测量 42 参考文献参考文献 1 陈学俊 迅速发展中的一门新兴交叉科学 多相流热物理的进展 j 西安交通 大学学报 vol 30 no 4 april 1996 2 岑可法 锅炉燃烧试验研究方法及测量技术 水利电力出版社 10 1987 3 n chiger 著 韩照沧 郭伯伟译 能源 燃烧与环境 冶金工业出版社 1991 4 能源技术领域分析报告 2008 5 林宗虎 锅炉技术的发展与展望 j 西安交通大学学报 1996 30 4 30 37 6 林宗虎 张永照 锅炉手册 机械工业出版社 2 1989 7 岑可法 范建人 气固多相流理论及其工程应用 科学出版社 1991 8 范从振 锅炉原理 水利电力出版社 1989 年 6 月 9 howard g barth and shao tang sun particle size 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