Історія досліджень методів вимірювання запилених потоків
Історія дослідження методів вимірювання запилених потоків - від вагових методів до сучасних, заснованих на електростатичній електризації тертям частинок пилу металевого електрода (трибоелектризації) - сягає понад 100 років. А проблема витрат вугільного пилу на пальниках котлів і сьогодні є актуальним завданням і потребує значних зусиль в приладобудуванні та науково-дослідній.
Перше успішне використання пиловугільного палива (запилений потік) відноситься до 1896 року, коли товариство, яке займалося виробництвом портландського цементу „Аtleis Portland Cement Co”, почало використовувати пиловугільне паливо для опалення цементних печей.
Факельне спалювання пиловугільного палива отримало широке розповсюдження тільки в ХХ сторіччі. Штерівська ДРЕС, яка була введена в експлуатацію 8 жовтня 1926 року, вперше у світі використала в якості палива антрацитовий штиб з копалень Донбасу.
Установлена потужність теплових електростанцій (ТЕС) України становить 36,3 млн.кВт, з яких 26,1 млн. кВт розміщено на ТЕС, які спалюють вугілля. Спочатку це вугілля у вугільних млинах перетворюють в пиловугільний стан (запилений потік). Це дозволяє розглядати вугілля як основне паливо для теплової енергетики. До того ж при щорічному видобутку вугілля в 100-120 млн. т його балансових запасів в Україні вистачить понад 450 років, що значно перевищує резерви рідкого і газоподібного палива.
При сьогоднішніх світових рівнях вироблення розвіданих запасів природного газу (1120 млрд. м3) достатньо на 50-60 років, а нафти (227 млн. т) – на 40-50 років.
Наведені факти дозволяють вважати вугілля єдиним енергоносієм органічного походження, запасів якого в Україні достатньо на тривалу перспективу. У структурі виробництва електроенергії вугілля й надалі буде відігравати суттєву роль.
На цьому напрямі розвитку ТЕС існує багато локальних технічних проблем. Так, одним із найважливіших технологічних параметрів, що визначає ефективність використання вугільного палива (а значить і ККД котла) є співвідношення паливо/повітря. Існуючі системи автоматичного регулювання цього співвідношення не враховують таких чинників, як поточні зміни якості палива (калорійність, зольність, вологість, густину запиленого потоку та ін.), вологість повітря, системи пилоприготування і пилоподачі (тонкості помолу, об`ємного ККД пиложивильників), а також зміну режиму пальникових пристроїв і неможливість регулювання паливного процесу факелу кожного пальника.
На практиці при експлуатації котлів через недосконалість автоматичної системи автоматичного регулювання «паливо/повітря» спостерігаються великі коливання в паливному процесі, що зумовлює коливання поточного значення ККД і відбивається на надійності поверхонь нагрівання та концентрації екологічно шкідливих викидів.
Важливим питанням сьогодення є розробка та виготовлення витратомірів вугільного пилу (запиленого потоку) для теплових електростанцій (ТЕС). При цьому помилка при вимірювані не повинна перевищувати 5% (зниження похибки на 1% підвищує ККД теплосилової установки на 1%).
Всі масові витратоміри, що рекомендовані для запилених потоків базуються на вимірах однорідних середовищ. Принципи виміру витрати запилених потоків розділяються на прямі та непрямі.
Перші дозволяють вимірювати миттєву витрату безпосередньо, другі використовують незалежні виміри швидкості і концентрації твердих частинок в потоці транспортуючого однорідного агента (повітря, газ).
Прообразом одного з перших приладів була крильчатка, підвішена в горизонтальній трубі. Такий прилад використовувався у 1923 році для виміру кількості вентильованого повітря на одному з золотих рудників Південної Африки. В ньому використовували дві крильчатки: одну на чистому повітрі, другу – після введення вугілля в трубопровід. Порівнюючи показання приладів, встановлювали про витрату пилу. Прилад виявився неефективним через значний опір при передачі руху крильчатці на тертя вугілля.
У цей же час спробували використовувати трубку Піто, але вона нормально працювала протягом короткого часу і метод виявився не придатним для практики. Діафрагма в запиленому потоці не відчувала наявності твердих частинок, водночас на перепад тиску на соплі вугілля здійснювало значний вплив. Це підштовхнуло думку створити комбінацію діафрагма – сопло Вентурі. Незважаючи на недоліки (значний опір, необхідність прямої ділянки між приладами та ін.) діафрагми і сопла Вентурі були розповсюдженими витратомірами у потоках з твердими частинками.
В роботах С.Н. Сиркіна (1943 р.) і С. Грачика (1968 р.) продемонстрована можливість визначення витрати пилу по перепадах на трубі Вентурі спеціальної конструкції.
У 1956-1957 рр. А. Шатілем та Н.А. Антікайном дослідження двох сопел Вентурі показали, що концентрацію вугільного пилу можливо розраховувати за відношенням перепадів на соплах (запилений потік/чисте повітря).
Г.Д. Гібсоном, Г.Е. Фашингом, Д.Е. Блюманом запропонований прилад, який є комбінацією труби Вентурі з мішенню (діаметром 0,5-0,9 діаметра трубопроводу), що сприймає опір твердих частинок у транспортному повітрі.
Для вимірювання сили, яка діє на мішень, використовувалися тензодатчики. Цей прилад було рекомендовано для контролю потоків вугілля, муки, цементу, хімікатів та ін. з метою керування дозуванням твердої фази в газовий потік.
Оригінальний витратомір для твердих матеріалів, рідини і шламів, розроблений в США (прилад Лі). Цей прилад подібний до відцентрової помпи з вертикальною віссю. В результаті прискорення матеріалу на виході колеса виникала реактивна сила, пропорційна ваговій витраті матеріалу. Похибка вимірювання сягала 1%.
Але у промисловості прилад Лі не знайшов широкого впровадження (порушення стабільного потоку та викривлення його руху). З цих же причин не знайшли розповсюдження турбінні витратоміри, які широко використовуються при вимірах однорідних потоків.
Були проведені дослідження ударних витратомірів з похилою жорсткою пластиною, закріпленою на кінці горизонтального важеля. Гранульований матеріал падає на верхній край пластини, утворюючи момент сили відносно точки опори, пропорційний ваговій витраті матеріалу. Робота з вдосконалення витратомірів цього типу продовжується.
Широке використання отримав метод перепаду тиску на прямолінійних та вигнутих ділянках трубопроводів (Придніпровська ДРЕС, НТУУ „КПІ” та ін.). Дослідження підтвердили достатню точність та доступність методу для промислових вимірів вугільного пилу (похибка 2-4%).
В енергетиці досліджено метод вимірювання витрати вугільного пилу по температурі аеросуміші на ділянках пилопроводу. Метод знайшов використання на котлах ТПП-210А при технології пилоподачі на пальники з високою концентрацією (під тиском) і експлуатується в системі автоматичного регулювання пилоподачі протягом 20 років. Відомі також спеціальні методи вимірювання витрат запилених потоків, до яких відносяться:
- звуковий (рівень звуку в твердих частинках при пневмотранспорті може бути показником витрат частинок в потоці);
- оптичний (візуально підраховуються частинки, які пересікають вузькій світовій промінь повернутий під кутом до світловоду);
- електростатичний (ефект електризації), відкритий Су, який помістив перешкоду в потік і виявив, що вона зарядилася від потоку, при цьому заряд пропорційний заряду твердих частинок.
Л.О. Гріффеном запропоновано прилад, побудований на електростатичній електризації при терті частинок пилу відносно металевого електрода (трибоелектризація). Автором розроблено датчик, що забезпечує сигнал для роботи регулюючого пристрою, існує в різних модифікаціях та використовується в промисловості;
- індуктивний (заснований на тому, що у пиловугільному паливі знаходяться металеві частинки від зносу активних елементів промислового млина, які розподіляються рівномірно), тому визначивши кількість металу у розрізі потоку можна приладом з індуктивним датчиком і електронним підсилювачем визначити витрати пилу;
- ємнісний (заснований на протіканні потоку однорідних матеріалів через ємнісний датчик, який являє собою пластини конденсатора). При протіканні матеріалу між пластинами у датчику з`являється складова струму, пропорційна витраті матеріалу. Ці дослідження здійснювалися в Японії, СРСР, США, Німеччині та в Україні;
- радіаційний (полягає у вимірі густини пилоповітряного потоку при поглинанні променів від радіоактивного джерела).
Нині дослідження та розробки з вдосконалення методів вимірювання витрат порошкових матеріалів в транспортних трубопроводах продовжуються.Цитування та використання будь-яких матеріалів порталу Etar на інших сайтах дозволяється лише з гіперпосиланням: www.etar.com.ua
