基于静电传感器网络的燃烧器喷射煤粉动态参数测量技术研究

The dynamic parameters of pulverized coal in the vicinity of a burner nozzle provide important information for the boiler combustion strategy optimization. Existing gas-solid two-phase flow measurement techniques have difficulties in the simultaneous cross-sectional measurement of large scale high-speed dilute gas-solid two-phase flows, such as the injected pulverized coal and primary air mixture flow from a burner nozzle. This research explores the instantaneous velocity, volumetric concentration and flow stability distributions of pulverized coal in the whole measuring area in the vacancy of the burner outlet through an innovative measurement method based on electrostatic induction sensor networks. Localized flow parameters of pulverized coal are measured by analyzing the variation of electrostatic field that caused by flowing coal particles using an electrostatic sensor unit. Therefore, the three-dimensional dynamic parameters of pulverized coal in the measuring area are obtained using a specifically designed sensor network that consists of a number of identical electrostatic sensor units. The optimal designs of the electrostatic sensing unit and the structure of the sensor networks are based on theoretical analysis, numerical simulation and the dynamic behaviors of the injected pulverized coal flow. Comprehensive comparison tests under various laboratory and industrial conditions will be conducted to validate and optimize the proposed techniques. The research outcomes may provide not only a simple, cost-effective and practically useful means of measuring the dynamic parameters of burner injected air-pulverized coal flow, but also useful information for optimization of production processes of coal-fired power plant and numerical simulation in related research area.

燃煤锅炉燃烧器喷射煤粉的动态参数可以为优化锅炉燃烧调整提供重要的科学依据。燃烧器喷射空气/煤粉混合物属于大尺度高速稀相气固两相流，其动态参数的全截面瞬态测量非常困难。本项目提出基于静电感应传感器网络的新型测量方法来获取煤粉在燃烧器喷射流体全截面上的瞬时速度、浓度和流动稳定性分布。局部区域煤粉的动态参数由静电传感器单元通过探测周围煤粉流动引起的静电场变化进行测量。将若干相同的传感器单元结成网络，通过融合临近传感器单元的测量结果即可得到煤粉在整个测量区域的三维动态参数分布。静电传感器单元和网络布置结构通过理论分析、数值仿真和喷射煤粉运动规律进行优化设计，并通全面、系统的对比实验来优化整合和验证提出的测量技术。研究成果不但可以为深入研究燃烧器喷口区域的大尺度高速稀相空气/煤粉两相流参数提供一种简单、经济、有效和实用的技术手段，还可以为燃煤电厂优化相关生产工艺和开展数值模拟研究提供测量数据。

燃煤火力发电厂燃烧器出口处喷射煤粉的动态参数可以为优化燃烧器设计和快速、有效的调整锅炉燃烧策略提供重要的科学依据。燃烧器喷射的空气/煤粉混合物是一种典型的大尺度、高速、稀相气固两相流，其动态参数的全截面瞬态测量非常困难。本项目将多个静电感应传感器单元结成传感器网络来获取煤粉在燃烧器喷口附近区域截面上的瞬时速度、浓度和流动稳定性分布。局部区域煤粉的动态参数由静电传感器单元通过探测周围煤粉流动引起的静电场变化进行测量。通过融合临近传感器单元的测量结果即可得到煤粉在整个测量区域的三维动态参数分布，主要研究内容如下：.1. 静电传感器阵列特性研究。基于静电学基本理论及镜像电荷法建立静电传感器阵列的解析式感应机理数学模型，以研究由分布式条形电极组成的方形静电传感器阵列检测机理。针对静电传感器的空间灵敏度分布的不均匀性，提出了一种基于差分测量的灵敏度均匀化方法。.2. 静电传感器测量系统的评估实验及其在燃煤电厂一次风粉检测的应用。在不同实验条件，采用不同轴向宽度的静电电极，对管道气固两相流中固体颗动态特性（速度、浓度和流动稳定性）和粒度进行了测量研究。针对600 MW机组的一次风管道设计了一套多静电探头测量系统，用于测量煤粉速度、浓度和流动稳定性。.3. 实验室和工业规模喷射气固两相流全截面测量。将侵入式与非侵入式静电传感器阵列整合到一套测量系统中，基于测量得到的多个局部颗粒流动参数，利用格林样条插值法获得截面颗粒速度和相对浓度分布廓形。进一步设计和实现了静电传感器网络测量系统，研究了旋流燃烧器喷射出的气固两相旋流中固体颗粒的速度和浓度分布廓形。.本项目的研究成果不但为深入研究燃烧器喷口区域的大尺度高速稀相空气/煤粉两相流参数提供了一种简单、经济、有效和实用的技术手段，还可以为燃煤电厂优化相关生产工艺和开展数值模拟研究提供真实的测量数据。