关于大型循环流化床锅炉炉膛颗粒速度羽光学测量的研究

作者：郑晓敏

  循环流化床锅炉炉膛内的颗粒速度分布一直是研究重点．通过速度分布能获得“环一核”结构的环形边界层厚度、颗粒团贴壁下滑速度等重要信息。互相关计算是目前较常采用的颗粒速度测量方法．其原理是根据沿颗粒运动路径的两个空间位置上所得到的颗粒信息中所反映m的相似性来间接获取颗粒运动速度。利用互相关法处理气同两相流的静电信号测量颗粒速度和颗粒流率，实现管道内气固两相流的在线无损检测。对电容互相关测速法用于管道气固两相流测速开展了大量仿真试验．研究了不同的互相关算法的优缺点。采用适合于较高粒子浓度的互相关处理方法来处理PIV图像．获得了循环流化床内颗粒团运动对流场内颗粒速度的动态影响。利用激光探针光强信号的互相关计算在管道试验台上测量了两相流的颗粒速度．研究了光源空载信号强度、颗粒浓度和上下游光纤束间距对测速结果的影响。利用光纤探针和互相关测速在6分离器裤衩腿循环流化床试验台上测量了颗粒速度分布，研究了裤衩腿炉膛对颗粒“环一核”结构的影响以及6分离器布置的炉膛出口区域颗粒流动特点。

    尽管互相关计算在管道气固两相流和循环流化床试验台架的颗粒速度测量中已取得成功，但是有关商业运行的循环流化床锅炉炉膛内的颗粒速度测量日前未见报道。本文在一台330 MW循环流化床锅炉炉膛水冷壁上开设了5个测孔，利用激光光纤探枪结合互相关方法对炉膛内的颗粒速度进行了测量，研究了炉膛近水冷壁区的颗粒轴向速度分布、“环一核”边界层厚度、颗粒团贴壁下滑速度以及气固相滑移速度。

1锅炉介绍

    某电厂330 MW循环流化床锅炉为单炉膛、3分离器、M型布置结构。炉膛稀相区截面尺寸为30.2 mx9.8 m，炉顶距离布风板高度为40 m。炉膛内前墙布置有12片屏式过热器、6片屏式再热器，后墙布置有2片水冷蒸发屏。作为炉膛受热面防磨措施，锅炉投产前沿炉高额外设置了8道水冷壁水平防磨梁，如图1所示。

    锅炉燃料为一定比例掺混的炯煤和煤矸石，测试期间给煤的低位发热量为15～18 MJ/kg。本文测试在3个工况下进行，主要运行参数见表l。

    在炉膛水冷壁前墙和左墙上共开设了5个测孔，如图1所示，分布在炉膛3个不同高度，分别距离布风板16.3 m、 21.2 m和30.2 m。每层测孔均布置在两道防磨梁高度的中点位置，使防磨梁对各层测孔的颗粒流动影响尽量保持相同。测孔均开设在水冷壁管问的鳍片上．以减小对炉膛气同流场的影响。由于炉膛正压运行，特别设计了密封测点座．在进出测枪过程中利用压缩空气对测孔进行密封。

2互相关测速

    本文采用的激光光纤测枪如图2 a）所示．由于测量环境为高温、高灰浓度的循环流化床锅炉炉膛（约900 ℃），测枪采用不锈钢水冷套管用于冷却及防磨，设计冷却水量可以保证测枪在插入炉膛深度Im时同水温度小于50℃。

    测枪采用Optran Polyimide WF系列光纤，该型光纤采用聚酰亚胺( Polyimide)作为涂覆层以提高光纤耐用温度。测枪前端面的光纤排布方式如图2 b）所示，其中中间位置的5号光纤为激光发射通道．1号和4号光纤为接收信号通道，分别处于5号光纤的上下位置，两者间距为0.869 mm，其余的2号和3号光纤作为备用通道。

    本文互相关计算采用渡越时间算法，这是目前工业现场测量较常用的互相关算法。测量原理如图3所示．利用光纤测枪的入射光纤将激光引入炉膛．入射光遇到测枪前方的颗粒流发生散射，后向散射光经1、4号光纤引出炉膛被光强传感器接收．随之两个传感器产生与其对应的光强电压信号，再经过调制放大、滤波等处理，就可以从两个传感器分别得到与两相流流动状况有关的两组流动信号x(t)和y(t)。2组信号采自两相流上下游，因此信号波动是彼此相似并存在时间相位差：

式中：τo为两相流中上下游传感器测量的两个信号之间的“渡越时间”，s。两采样信号x(t)和y(t)的互相关函数：

式中：Rxy是关于时间序列τ的函数，Rxy的峰值位置所对应的时间就是渡越时间T0；T为信号采样时间．s。

    在实际工程测量中．信号计算是在有限时间内进行，所以只能得到Rxy（T）的估计值R*xy（T）：

    如果两个信号具有较好的互相关性，则互相关函数Rxy（T）存在图3中所示的最大峰值，最大峰值对应的渡越时间计算颗粒轴向速度：

式中：L为两信号光纤前端间距,L=8.69x10-4 m。

    实际计算中采用互相关系数进一步判断渡越时间对应的两信号相关程度：

互相关系数Pxy（T）≤l。

    测试中，每个测孔进行6个深度位置的测量，分别距离水冷壁面0.05 m、0.10 m、0.20 m、0.30 m、0.50 m和1.00 m。正式测量的数据采样频率为IOO kHz,由于现场测量使用的计算机内存限制．每次采样时间5s保存为一个数据文件．每个测点位置至少进行3次采样。

3结果处理与分析

    基于LabView开发数据处理程序，取计算分析步长数为10 000(0.1 s)，将每组数据分割为50段分别处理，程序计算得到约50个颗粒速度以及相应的互相关系数，剔除计算无效结果(Pxy(T)<0.4或lup∣>10 m/s），剩余有效的颗粒速度取算术平均值得到最终的颗粒速度，该结果反映了颗粒流在采样时间内的平均轴向速度。

    以工况2测点F7探针插入深度位置1为例．如图4所示为原始信号．图中的曲线波动就是由于炉膛贴壁颗粒团经过光纤探针端部时作用于后向散射光强的结果，由图可见．1~4号通道光纤接收的颗粒后向散射光信号均具有较好的互相关性，信号质量较好．由此分析的颗粒速度具有较高可信度。

    利用图4中的通道l号和4号数据计算颗粒轴向速度，在计算结果中剔除掉无效结果之后得到如表2所示的16个有效计算结果，然后求取算术平均值得到工况2测点F7位置1的最终颗粒速度为-0.452 m/s。由表2可见，该位置的颗粒轴向速度为负，表明存在贴壁下滑的颗粒．但是有些时间区间（比如0.6～1.0 s）内也存在正方向的颗粒轴向速度，即此时为上升的颗粒流动。可见壁而并不是连续接受下滑颗粒团的冲刷．而是下滑颗粒团和上行颗粒间隔冲刷的过程，这也是颗粒团更新传热模型的基础。

    工况1~3的各测点近壁面区颗粒轴向速度分别如图5~7所示。可以看出,颗粒轴向速度的近壁面分布比较好地符合颗粒“环一核”流动结构的特征．颗粒轴向速度在贴壁面位置为负．而随着与壁面距离的增加，颗粒轴向速度逐渐转为正向．颗粒由下降流过渡到上升流动。“环一核”流动边界层厚度定义为颗粒流动由下降转变为上升的位置点到壁面的距离。图中显示的颗粒“环一核”流动边界层厚度为0.1～0.2 m,且炉膛下部测点的边界层边界厚度略大于炉膛上部测点。这是由于循环流化床锅炉炉膛“环一核”流动边界层从炉膛顶部形成并向下逐渐发展扩大。从本文的3个工况结果对比看．运行参数对边界层厚度的影响不明显。

    测试中设置的深度位置1距离壁面仅0.05 m，其测得的速度基本可以代表颗粒团的贴壁下滑速度。可见，在本文的3个工况下各测点位置的颗粒团贴壁下滑速度均小于1 m/s,该结果在235 MW循环流化床锅炉炉膛的研究结果不同，其测试发现颗粒团贴壁下滑速度为-7～-4 m/s。本文认为较小的颗粒下滑速度是防磨梁的影响，防磨梁的存在阻碍了原本贴壁下滑的颗粒团，使得颗粒团向下加速的距离变短，因此下滑速度也较小。

    对于循环流化床锅炉的流态分析来说，单颗粒终端速度(ut)是一个重要参数，只有当气相速度大于颗粒终端速度时，颗粒才会被气流夹带上升。ut主要与颗粒密度、颗粒粒径和球形度等物性参数有关，可以利用试验得出的经验公式进行理论计算。本文计算中，颗粒真实密度pp采用经验值：利用抽气取样枪从炉膛内采得运行中的炉内实际颗粒样品，通过粒径分析得到质量平均粒径作为颗粒平均粒径dp，粒径分布见图8，u1计算值见表3。图5~7中与水冷壁壁面距离大于0.3 m的区域颗粒轴向速度变化比较平缓，3个工况下该区域的颗粒轴向速度平均值分别为Mp=0.87~2.08 m/s。空截面气速uo与颗粒速度up之差为气同相对滑移速度u*，本文3个工况的气固相对滑移速度计算见表3。由计算结果可见气固相对滑

移速度为M*=2.05—2.73  m/s，大于单颗粒的终端速度（ut=1.69 m/s）。循环流化床锅炉炉膛稀相区的颗粒流动处于快速床流动状态，较高的气固相对滑移速度是其重要特征。气固相对滑移速度对循环流化床流场数值模拟计算模型的气同相问作用力计算具有重要影响。

4结论

    (1)基于激光颗粒后向光散射互相关测速法实现循环流化床锅炉炉膛颗粒速度的测量．测试结果可为循环流化床炉膛的流动和传热模型发展提供参考。

    (2)贴壁面位置颗粒轴向速度为负，随着与壁面距离的增加，颗粒轴向速度逐渐转为正向．颗粒由下降流过渡到上升流动。

(3)颗粒“环一核”边界层厚度为0.1～0.2 m,且炉膛下部测点边界层边界厚度略大于炉膛上部测点：颗粒团贴壁下滑速度小于1m/s：气固相滑移速度为2.05～2.73 m/s，大于单颗粒终端速度。

5摘要：循环流化床锅炉炉膛内的颗粒速度分布对炉内燃烧、传热和受热面磨损均具有重要影响。在一台330 MW循环流化床锅炉炉膛水冷壁上开设测孔，利用水冷激光光纤测枪结合互相关计算对炉膛内的颗粒轴向速度进行了测量，研究了炉膛近水冷壁区的颗粒轴向速度水平分布、“环一核”边界层厚度、颗粒团贴壁下滑速度以及气同相滑移速度。结果表明．炉膛贴壁面位置颗粒轴向速度为负值，随着与壁面距离的增加，颗粒轴向速度逐渐转为正向，颗粒由下降流过渡到上升流动．颗粒“环一核”边界层厚度在0.1～0.2 m,且炉膛下部测点的边界层边界厚度略大于炉膛上部测点，颗粒团贴壁下滑速度均小于1 m/s。炉膛中心区气固相滑移速度为2.05～2.73 m/s,大于单颗粒终端速度。