12.4.2　发电厂煤粉运输多相流检测

目前，中国能源的构成中，火力发电仍然占据着主导地位，目前国内的各大火力发电厂基本都是以烧煤为主。基于我国矿产资源特点（煤的储量相对较多）和经济高速发展对电力的需求，电力供应的来源仍然是以煤炭为主。除此之外，中国已经成为世界上仅次于美国的能源消费国和最大的能源生产国。根据统计数据显示，2020年，我国的发电量为7.42万千瓦时，燃煤发电量占全球煤电的50.2%。因此提高电站锅炉燃烧效率，减少燃煤电站污染排放对火电的清洁高效发展具有很大的意义。

锅炉在燃烧过程中，需要使每个燃烧器中风粉两相流参数相同，只有在这样的条件下，同层各燃烧器可以组织良好的温度场和空气动力场，使整个炉膛的燃烧效果最好，污染物排放最少。如果同层各燃烧器中的风粉浓度差异过大，即使总的风煤比维持在合适范围内，也会带来许多不良后果。这些不良后果主要体现在炉膛火焰中心产生偏移，炉膛热负荷不均匀，着火不稳定，无法低NO运行，造成烟气侧和蒸汽侧温度偏差；严重时还会使得火焰冲刷后墙，进而造成炉内结渣，影响锅炉安全运行。

国内的燃煤电厂在运行过程中，由于磨煤机的性能原因及受管道布置方式的影响，导致一次风管道中各同层燃烧器的煤粉分配偏差较大。实际工程数据表明，由于同层燃烧器的配风不均以及各层一次风管风粉浓度与设定值的偏差所导致的锅炉爆管和一次风管故障时有发生。此外，由于国家对污染物排放的要求愈加严格以及火电企业对经济和安全性的需要，提高风粉浓度监测水平对指导一次风配风以及锅炉的安全、经济运行有着重要的意义。

风粉浓度的测量属于稀疏气固两相流浓度测量领域。气固两相流各相间存在相对速度，而且气固两相界面会发生随机变化，这使得其特征参数的测量难度要远远高于单相流系统。此外，在气固两相流参数检测中，除了流速、固相浓度之外，固相颗粒的颗粒尺寸及分布、流型等都会对测量结果的准确性和可靠性产生较大的影响。

（1）固相颗粒浓度和速度的非均匀分布。在实际气力输送过程中，由于气固两相界面的相互作用或管道布置、输送方式等因素的影响，气固两相流中的固相颗粒浓度和速度分布往往是不均匀的，局部区域的固相浓度和速度分布也具有一定的随机性，流动过程较为复杂。在实际的工程应用中，若是涉及水平输送，还需要考虑重力对固相颗粒分布的影响，从而进一步加剧了流动的复杂性。

（2）颗粒尺寸分布及形状。气固两相流中的颗粒粒径一般在几微米到几百微米的范围内变化，而且其形状也不固定。虽然对确定的气力输送系统来说，颗粒粒径会保持在一定的范围内，但是具体分布却与实际运行状态有关。例如，一次风管道中的煤粉粒径范围可以确定，但是其粒径分布却主要取决于磨煤机的工作性能。

（3）固相颗粒化学成分及含水量。气力输送的物料多种多样，不同物料的化学成分差别较大。燃煤电站所用的燃煤，有来自全国各地的煤种，这些煤种之间的化学成分变化很大，含水量也不一样。在气力输送过程中，含水量较高的物料往往需求温度较高的风温，这会使水分析出变成过热蒸汽，会对某些传感器性能产生较大影响。

此外，气力输送过程中产生的噪声、振动也会对测量结果产生一定的影响，而这些因素往往是不可控的。由于气固两相流动十分复杂而且具有一定的随机性，使得其参数检测难度较大，尽管学术界和工业界对稀疏气固两相流固相浓度测量做了大量的研究工作，取得了一批具有启发性、建设性的成果，但是大部分还处于实验室研究阶段。因此发展稀疏气固两相流过程参数（主要是浓度）检测方法具有重要意义。