煤粉测量方法总结
Prepared on 22 November 2020
热平衡法
热平衡法是根据能量守恒定律而发展出来测量煤粉浓度的一种方法。选取输粉
管道上混合前后的一段距离为研究对象，温度为Tcoalpowder的煤粉进入送粉管
后，被温度为Thotwing的热空气边加热边向前输送，在此过程中，热空气不断被
冷却，煤粉颗粒不断被加热，经过一段时间后煤粉与热空气达到了平衡温度
Tmixture。根据能量守恒定律可得：
𝑄mixture=𝑄hotwing+𝑄
coalpowder
将上式中各热量分别用温度、比热容、煤粉浓度表示，展开后可得出煤粉浓度
的计算表达式：
μ=K𝐶ℎ𝑜𝑡𝑤𝑖𝑛𝑔∗𝑇ℎ𝑜𝑡𝑤𝑖𝑛𝑔−𝐶′ℎ𝑜𝑡𝑤𝑖𝑛𝑔∗𝑇𝑚𝑖𝑥𝑡𝑢𝑟𝑒𝐶′𝑐𝑜𝑎𝑙𝑝𝑜𝑤𝑑𝑒𝑟∗𝑇𝑚𝑖𝑥𝑡𝑢𝑟𝑒−𝐶𝑐𝑜𝑎𝑙𝑝𝑜𝑤𝑑𝑒𝑟∗𝑇𝑐𝑜𝑎𝑙𝑝𝑜𝑤𝑑𝑒𝑟−u
式中，μ为煤粉浓度
Thotwing，Tcoalpowder，Tmixture—分别代表混合前热风温度、混合前煤粉温度、混合
物温度
Chotwing,Ccoalpowder—分别代表混合前热风比热、煤粉比热
Chotwing’，Ccoalpowder’—分别代表混合后热风比热、煤粉比热
u—由于散热等因素引起的煤粉浓度损失
K—相对系数
虽然很多火电厂利用热平衡法测量煤粉浓度，但是该方法存在几个很难解决的
缺陷：
1） 适用范围
该方法只适用于中间仓储式制粉系统的热风送粉。对于乏气送粉和直吹式制粉
系统，热风与煤粉混合前后温度几乎不变，因此热平衡法无能为力，而我国目
前使用较多的是直吹式制粉系统。
2）存在滞后性
在实际应用中，煤粉颗粒温度与热风温度达到一致需要一段比较长的时间。
3）对测点的布置要求较高
利用热平衡法精确测量煤粉浓度关键在于如何取混合温度Tmixture的测点位置，
取在不稳定换热区或远离平衡点的位置都会对造成比较大的测量偏差。
激光法
当激光通过由煤粉和空气混合而成的气固二相流时，将会同时受到煤粉粒子和
空气分子的散射与吸收。而煤粉的吸收率相当接近黑体，它们对光波的衰减作
用非常强，其等效直径是空气分子有效直径的若干数量级之多。因此，空气分
子的散射与吸收作用对测量结果影响微乎甚微，可忽略不计，我们只需研究煤
粉对激光的散射与吸收即可。设输粉管道的宽度为L，激光入射功率为P1，透
出管道后的功率为P2，则有
𝑃
2
𝑃
1
=T=𝑒
−𝑎𝑙
式中，T为透过率；a为衰减指数，其中a=Nc（），Nc为煤粉粒子的数密度，
为煤粉的散射截面，为煤粉的吸收截面。
当粒子直径控制在一个平均值附近时，和为常数，此时的衰减系数只与粒子的
数密度成正比，测出粒子数密度后，就可计算出粒子的质量密度。因此，通过
测量激光穿过煤粉管道的透过率就可以测得相应的煤粉浓度。
但是目前工厂一般不采用激光法测量煤粉参数，因为它属于接触测量，煤粉在
流动过程中，激光探头很容易受到煤粉的污染而磨损，而且测量装置的成本比
较高。
微波法
其基本原理是利用输粉管内煤粉对微波的吸收、衰减作用来测量煤粉的浓度。
用法兰将一段测量管装接在输粉管的管道中，其中测量管的材料与直径均和输
煤管的相同。将微波发射器和微波接收器沿煤粉流动方向按一定角度（>90o）
对应倾斜布置在测量管的同一侧管壁上，当测量管内只有空气没有煤粉流过
时，空气可被认为是理想介质，微波穿过空气不会产生衰减；当测量管内有煤
粉流过时，微波将会与煤粉颗粒发生碰撞，从而引起铁氧体元素自旋效应，进
而造成微波的衰减。通过微波的衰减大小与煤粉浓度之间的特性，利用实验测
量出微波衰减随煤粉浓度的变化关系，这两者之间是一种单调曲线的关系，所
以就可唯一确定出煤粉浓度数值。
虽然微波法在实验研究已有了应用，但其测量装置目前还处于研制状态，还无
法广泛应用在工厂企业中。而且测量设备的安装对精度要求比较高，测量管道
内无可避免地存在测量死区。
超声波法
在输送煤粉管道的两个对应表面安装超声波传感器：第1对超声波传感器用来
测定超声脉冲沿两个方向（与计算流速的流向约成45°）的传输时间。平装的
第2对超声波传感器用来测定垂直于流向传输的超声衰减，其衰减受到空气紊
流和煤粉浓度两者影响。为了比较准确地测量煤粉的浓度，需要对紊流效应进
行校正。在实际的测量中，可用β射线透射计予以校准。这样，就可以通过测
量煤粉的流速和浓度进而推导出煤粉的质量流量。由于传感器的价格比较低
廉，可以成对地增加超声波传感器的使用数量，从而测量输送煤粉管道的煤粉
浓度再取平均值。目前此法工业应用中已有实例。大型闭环煤粉循环实验装置
上的试验表明，在恒定气流流速下，浓度范围为—cm3时，测量精度在5%以
内。
超声波法在煤粉低速测量时灵敏度较差，而且目前还处于研制阶段。
光—电检测法
光电检测法测量气—固两相流中固体微粒浓度、速度是用光纤做探头，把光束
引入测量区，测得运动微粒对光的感应信号，再将该信号经光—电转换、模—
数转换后即可进行计算、分析，最终得到微粒的速度、浓度值。在浓度测量
时，光纤探头直径通常要比测速光纤的大一些，以便有足够大的光照面积，使
测到的信号是一个局部多项微粒的集合反映。目前采用的基本形式有：反射式
和透射式。测量中、低浓度时，采用发光和接收光多股光纤随进混合分布方
式，在测量有效区内前层和后层微粒都能被光照射,其光反射信号都能很好地被
接收光纤所吸收，测量信号较真实地反映了—个小体积内微粒的浓度。测量高
浓度时，采用组合光纤探头利用随机混合分布式，这样光纤有效测量区很靠近
端面，把两束这样的光纤端面前后错开一定距离，就能使两束光纤一束测前排
微粒，一束测后排微粒。这样测量信号就较真实地反映了高浓度区的实际情
况。
光电检测法的测量精度主要受光纤探头的结构、被测量微粒的直径、煤粉浓度
的高低影响，而且属于接触测量，煤粉在流动过程中，测量探头很容易受到煤
粉的污染，这样就直接影响到测量的准确性。同时，仪器存在着价格高、校核
难的问题，因此在工厂使用中推广有较大的难度。
电容层析成像法
它是多相流检测领域中的一门新技术，将医学CT技术应用于两相流参数检
测。应用该技术可获取两相流体流经管道某一截面局部的、微观的相分布实时
信息。该信息的获取为从根本上解决两相流相分布等因素对两相流参数测量的
影响问题，提供了一条有效途径，使两相流参数的准确测量成为可能。
其原理为：不同的介质具有不同的介电常数，如果两种具有不同介电常数的物
质混合在一起，当各物质组分浓度及其分布发生变化时，会引起混合物介电常
数发生变化，从而使其测量电容值也随之发生变化，通过测得电容值的变化从
而反映出混合物介质相浓度的大小和分布状况。采用多电极阵列式电容传感
器，其各电极之间的相互组合可提供反映混合物相浓度分布的多个电容测量
值，以此为投影数据，采用一定的图像重建算法，即可重建反应管道或装置在
某一被测区域的介质分布状况的图像。
虽然电容层析成像具有结构简单、非介人性、速度快、成本低和安全性能佳等
特点，但是其仍处于实验室研究阶段，测量的准确性和图学重建算法还不是十
分令人满意。
电容法
如图所示，电容式传感器由一段非金属管道（如氧化铝陶瓷）何紧固在管道外
壁的一对铜质电极板组成，并将该装置置于圆筒形屏蔽保护罩内，以防外界干
扰因素对测量电容信号产生不必要的影响。电容式传感器将电容极板安装在流
动管道外，两个弧形电极板垂直对应并保证绝缘，当管道内煤粉组分发生变化
时，其浓度的改变导致等效介电常数也会发生变化，从而引起传感器电容的变
化。通过测量电容极板之间的电容值就可以获得相应的煤粉浓度信息。
电容式传感器结构示意图
设送粉管中煤粉所占的比例为D，𝑉𝑐为煤粉的体积，𝑉𝑎为空气的体积，即
D=
𝑉
𝑐
𝑉𝑐+𝑉
𝑎
设风粉两相流的等效介电常数为ε，ε𝑐为煤粉的介电常数，ε𝑎为空气的介电常数
，得ε=ε𝑐+（1+D）ε𝑎
由上式可得煤粉的浓度D
D=
ε−ε
𝑎
ε𝑐−ε
𝑎
该方法虽然有很多优点，诸如属于非接触式测量，对流场干扰小；传感器结构
简单、成本低；对浓度信号变化响应快、灵敏度高；设备安全可靠易于安装等
但是它在实际应用中存在以下两个问题：
1）两相流动过程十分复杂,检测场内煤粉分布不均匀,流型变化快;
2）电容传感器检测场属于“软场”；有其固有的灵敏度分布不均匀性问题，使
测量结果不仅与煤粉浓度有关,而且受煤粉分布及流型变化的影响很大，测量误
差较大。