專利名稱：氣固兩相流流量和濃度的氣動式測量方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種氣固兩相流流量和濃度的測量方法。
管道氣固兩相流在工程中是一種常見的物理現(xiàn)象。例如，電廠一次風送粉管道就是氣固兩相流。氣固兩相流流量和固相濃度的在線測量是一個困難而復雜的技術問題，世界各國的科學家和技術人員對此做了大量研究。大體上采用的技術有兩類，一類是接觸式的方法，一類是非接觸式的方法。非接觸式的方法具有精度高的優(yōu)點，但該法對使用場合要求較高，有的還有放射性危險，固在較多場合不能應用；接觸式方法主要是利用管道彎頭處內(nèi)外壁之間的壓力差，測量氣固兩相流的流量，該方法理論研究比較成熟，但是，在實際工程中一般在管道彎頭處安置直接測量壓力的元件，如壓力傳感器。由于管道中固相物質(zhì)的作用，測量元件存在嚴重的堵塞和磨損問題。時間稍長，測量就無法進行。
本發(fā)明的目的在于提出一種測量精度高、應用范圍廣，能避免堵塞和磨損問題，從而確保測量順利進行的氣固兩相流流量和濃度的測量方法。
本發(fā)明的目的是由下述方案實現(xiàn)的在氣固兩相流主管路的彎頭處中心線部位設置一個氣動支路，通過測量氣動支路中氣體的流量、壓力或氣動支路的動力風機的電流大小，即可測得主管道彎頭處的內(nèi)外壁壓力差，從而可計算獲得管道中氣固兩相流的流量及固相濃度。氣動支路的設置如圖1所示。在管道彎頭處中心線部位的內(nèi)外壁分別開一小孔A和B，A、B孔處分別與相應管徑的支管道連接，管道中通入氣壓略大于主管道內(nèi)壓力的氣流即可。由于本發(fā)明利用氣動支路的方式，固稱本發(fā)明為氣動式測量方法。
本發(fā)明方法測量氣固兩相流的工作原理如下由于離心力的作用，流體流過彎頭處時，其內(nèi)外壁產(chǎn)生壓力差，而該壓力差與管道流量之間存在對應關系。因此，測出彎頭內(nèi)外壁的壓力差，即可計算得到管道的流量及固相濃度。具體說明如下前蘇聯(lián)科學家凱蘇娃(кe c o B a，л·A·и·д p·，и c c д e дo B a H и e Ц e H T p б e ж H Ы Х Π p e o б p a 3 a B a T e д eй P a c x oдa э a Π Ы Л e H H o Γ oB o эдy x a， и э Bэ H e p Γ e T и к a，No．3，1978)曾就空氣與固相(如煤粉)混合物流過彎頭時的流量測量問題進行了研究，其結(jié)果如下W=CD2ρΔpR2-r2Rrπ(R-R2-r2)-------(1)]]>式中R-彎頭中心線上的彎曲半徑，m；γ-彎頭處管子的內(nèi)半徑，m；W-空氣與固相(煤粉)混合物的質(zhì)量流量，kg／s；ρ-空氣與固相(煤粉)混合物的密度，kg／m3；CD-系數(shù)，由試驗決定，CD與煤粉濃度成線性關系，并與彎頭的轉(zhuǎn)彎角度及R／r有關；△p-彎頭轉(zhuǎn)彎處內(nèi)外管壁壓差，N／m2。
從(1)可以看出，在已知混合物密度ρ情況下，只要測出壓差△p，既可知管內(nèi)流動的空氣煤粉混合物的質(zhì)量流量W?；旌衔锩芏圈延性S多方法可測出，如量熱法，也可在兩個彎頭處，設置同樣的兩個裝置，對(1)式聯(lián)立求解獲得。問題的關鍵轉(zhuǎn)化為管道彎頭處內(nèi)外壁壓力差△p的測量。一般是在彎頭轉(zhuǎn)彎處安置壓力傳感器。但是，如前所述存在堵塞和磨損問題。
本發(fā)明設置氣動支路的方法可解決上述問題。因為，本發(fā)明直接測量的是氣動支路中的有關物理量，不存在堵塞和磨損問題，可確保測量順利進行。而且，測量安全可靠，精度高，應用范圍廣。例如，電廠風力輸送煤粉管道等氣固兩相流的流量和固相濃度的在線測量。
為了通過氣動支路有效測得主管道彎頭處內(nèi)外壁壓力差，本發(fā)明對氣動支路的設計可采用下述兩種實施方案。
方案1，氣動支路設計成封閉回路形式?；芈分性O置有一個氣源，在A、B兩點附近分別設置一組氣體流量計和壓力計及相應控制閥，如圖所示。氣源對回路產(chǎn)生氣壓。氣源壓力要求大于主管道中的流體壓力。經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，當氣源壓力一定時，通過A、B兩小孔的管路(氣動支路)的氣體流量與A、B兩點的壓力直接相關。因此，只要測得氣動支路中氣體流量，即可知道A、B兩點的壓力。進而可獲得主管道中氣固兩相流的流量和固相物質(zhì)濃度。若在主管道的另一個彎頭處或一段管道上再設置一個同樣的氣動支路回路，則可通過聯(lián)立方程(1)，求得管道中的固相濃度，即可實現(xiàn)氣固兩相流的流量和固相濃度同時在線測量。本方案中，氣動回路中的氣體流量比較小(回路管徑很小)，不會對主管道中的氣固兩相流的流量產(chǎn)生影響。另外，由于氣源壓力大于主管道中的流體壓力，主管道中的固相顆粒不會進入氣動支路。因此，其測量是單相氣的流量，不會產(chǎn)生磨損與堵塞問題。
關于氣動支路的壓力、流量(已直接測量獲得)和A、B兩端處流體壓力的關系，介紹如下根據(jù)伯努利方程(管徑相同)，有下式P1r-P2r=cu22g--------------(2)]]>其中，P1、P2為氣動支路中A端(或B端)管道的任一截面處的壓力，N／m2。這里P1取氣源壓力，P2取A點(B點)處的壓力，記為PA(PB)，g為重力加速度，γ為氣體重度，γ／g=ρ為氣體密度，kg／m3。u為氣流速度，c為系數(shù)，理想情況下，一般c取1。于是有關系式P2=P1-12cρu2---------------(3)]]>因此，測得A端支路中的單位時間流量(u=流量／管徑)，即可由(3)式方便算得PA。同理，測得B端支路中的流量，即可獲得PB。進一步可得△P=PA-PB。(3)式中，ρ和管徑均為已知量。
方案2，氣動支路設計成開路形式，即在氣動支路中，在A、B兩孔的附近分別設置一個風機，風機的電動機采用同步電機，如圖3所示。風機功率可以采用較小的，風機產(chǎn)生的氣壓要求略大于主管道中流體的壓力即可。由于同步電機的轉(zhuǎn)速額定，風機的轉(zhuǎn)速也恒定。當管路內(nèi)壓力發(fā)生變化(不變化也一樣)時，電動機轉(zhuǎn)速不變，只有通過電機的電流發(fā)生變化。壓力變大，電流變大；壓力變小，電流變小，即一定的電流對應一定的壓力。這種對應關系由同步電機的本身給出。因此，只要分別測出支路上兩個風機的電流大小(電流的測量方便而準確)，即可由上述對應關系獲知A、B兩點的壓力PA和PB，從而得△P=PA-PB。與方案1類似，在主管道的另一個彎頭處或一段管道上再設置一個開路式氣動支路，則也可通過聯(lián)立方程(1)式，求得管道中的固相濃度，即可實現(xiàn)氣固兩相流的流量和固相濃度的同時在線測量。


圖1為氣動支路圖示。
圖2為封閉式氣動支路圖示。
圖3為開放式氣動支路圖示。
圖中標號1為主管路彎頭，A、B為彎頭中心線部位的小孔，2為氣動支路，3為氣源，4為壓力計，5為流量計，6為控制閥，7為風機。
權利要求
1.一種氣固兩相流流量和濃度的氣動式測量方法，其特征為在氣固兩相流主管路的彎頭處中心線部位的內(nèi)外壁分別開一小孔A和B，小孔A和B處分別與相應管徑的支管路連接，支管路中通入氣壓略大于主管路流體壓力的氣流，構(gòu)成氣動支路；然后通過測量氣動支路中氣體的流量、壓力，或氣動支路的動力風機的電流大小，即可測得主管路彎頭處內(nèi)外壁壓力差，從而可計算獲得氣固兩相流的流量和固相濃度。
2.根據(jù)權利要求1所述的氣動式測量方法，其特征在于氣動支路設計成封閉回路形式，在回路中設置一個氣源，在A、B兩點附近分別設置一組氣體流量計、壓力計及控制閥，以便測量支路中的氣體流量，從而獲得主管路中A、B點的壓力差。
3.根據(jù)權利要求2所述的氣動式測量方法，其特征在于在主管路的另一個彎頭處或一段管道上再設置一個同樣的封閉回路形式的氣動支路。
4.根據(jù)權利要求1所述的氣動式測量方法，其特征在于在A、B兩孔附近的支路中分別設置一個風機，成開路形式，風機的電動機采用同步電機，電機的功率較小，使風機產(chǎn)生的氣壓略大于主管路中流體的壓力；由此，通過測量風機電流的大小，從而獲得主管路中A、B點處的壓力差。
5.根據(jù)權利要求4所述的氣動式測量方法，其特征在于在主管路的另一個彎頭處或一段管道上再設置一個同樣的開路形式的氣動支路。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種氣固兩相流流量和濃度的測量方法,其方案是在主管路的彎頭處設置一個氣動支路,然后通過測量氣動支路的氣體流量、壓力,或氣動支路的動力風機的電流大小,獲得主管路彎頭處內(nèi)外壁的壓力差,從而利用現(xiàn)有的方法算得氣固兩相流的流量和固相濃度。氣動支路可以設計成封閉回路形式,也可設計成開路形式。本發(fā)明方法測量精度高,運行安全可靠,不存在測量儀器的磨損和堵塞問題,可廣泛用于電廠風力輸送煤粉管道等氣固兩相流的流量和濃度的在線測量。
文檔編號G01D21/02GK1278596SQ0011953
公開日2001年1月3日 申請日期2000年7月28日 優(yōu)先權日2000年7月28日
發(fā)明者李永光 申請人:上海電力學學院