密相氣力輸送過(guò)程的固相流量測(cè)量系統(tǒng)與測(cè)量方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及氣固兩相流領(lǐng)域，具體涉及密相氣力輸送過(guò)程的固相流量測(cè)量系統(tǒng)與 測(cè)量方法，特別涉及到氣流床粉煤加壓氣化工藝中輸送系統(tǒng)的煤粉流量的測(cè)量。
【背景技術(shù)】
[0002] 氣力輸送是一項(xiàng)利用氣體能量輸送固體顆粒的古老而有效的技術(shù)，在化工、冶金、 食品加工、醫(yī)藥和能源等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。實(shí)際應(yīng)用中，為了滿(mǎn)足生產(chǎn)過(guò)程中所需的連 續(xù)測(cè)量及自動(dòng)化控制，達(dá)到安全、高效和經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的要求，粉體質(zhì)量流量的在線(xiàn)瞬時(shí)測(cè)量已 成為氣力輸送系統(tǒng)中亟待解決的關(guān)鍵課題。在氣流床粉煤加壓氣化工藝中，如果進(jìn)入氣化 爐的煤粉質(zhì)量流率不穩(wěn)定，重要的操作參數(shù)如氧碳比等也就不穩(wěn)定，結(jié)果會(huì)造成氣化爐內(nèi) 局部過(guò)熱，影響反應(yīng)的穩(wěn)定進(jìn)行和氣化爐的穩(wěn)定操作，而且產(chǎn)生的局部高溫還有可能損壞 反應(yīng)器襯里和噴嘴。如果能以一定的置信水平實(shí)現(xiàn)對(duì)煤粉質(zhì)量流量的在線(xiàn)測(cè)量，便可建立 起煤粉流量的控制調(diào)節(jié)系統(tǒng)。因此，人們對(duì)氣固兩相流連續(xù)測(cè)量的重要性和需求不斷增加。
[0003] 然而，密相氣力輸送是一個(gè)非常復(fù)雜的氣固兩相流系統(tǒng)。盡管具有輸送能力強(qiáng)、輸 送能耗低、輸送固氣比大、氣固分離量小等優(yōu)點(diǎn)，但是輸送過(guò)程中管道內(nèi)的固體顆粒運(yùn)動(dòng)受 到氣流場(chǎng)分布、顆粒與管壁的摩擦以及顆粒與顆粒的相互碰撞等因素的影響，造成顆粒分 布狀態(tài)在時(shí)空尺度上不均勻，流動(dòng)的波動(dòng)與不穩(wěn)定是該系統(tǒng)的主要特征之一。對(duì)于這一復(fù) 雜體系，固相流量測(cè)量一直是個(gè)難題。
[0004] 目前，冶金工業(yè)中高爐噴吹煤粉的質(zhì)量流量是采用電子秤稱(chēng)重的方法來(lái)計(jì)算一段 時(shí)間內(nèi)的平均值，不能實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)連續(xù)測(cè)量，直接獲得瞬時(shí)值。氣流床粉煤加壓氣化工藝采用 進(jìn)口固體質(zhì)量流量計(jì)測(cè)量煤粉的質(zhì)量流量，儀表使用前需要對(duì)其進(jìn)行使用工況下的實(shí)物標(biāo) 定，操作復(fù)雜，儀器價(jià)格昂貴。而且標(biāo)定結(jié)果受輸送煤粉性質(zhì)影響，當(dāng)煤粉物性發(fā)生變化時(shí)， 測(cè)量結(jié)果會(huì)出現(xiàn)不同程度的偏差。文丘里流量計(jì)由于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、性能穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)耐用且不受 輸送介質(zhì)物性變化影響等優(yōu)點(diǎn)，受到研究者和工程技術(shù)人員的關(guān)注。其中，F(xiàn)arbar提出的 壓差-氣固比經(jīng)驗(yàn)公式，APmix/APgas= 1+mZ，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于低壓、稀相氣力輸送固相流 量的測(cè)量。但對(duì)于高壓密相氣力輸送過(guò)程，載氣密度和固氣比均較大，傳統(tǒng)的壓差流量關(guān)系 應(yīng)用于固相流量測(cè)量時(shí)會(huì)產(chǎn)生較大的誤差，已經(jīng)不再適用。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題在于克服現(xiàn)有的幾種測(cè)量技術(shù)具有局限性的缺陷，而 提供了一種適合于密相氣力輸送過(guò)程的固相流量測(cè)量系統(tǒng)與測(cè)量方法。本發(fā)明提供的測(cè)量 方法不僅滿(mǎn)足傳統(tǒng)氣力輸送領(lǐng)域中密相輸送（濃度為50~lOOKg?!!!，固相流量的測(cè)量要 求，而且能夠?qū)崟r(shí)連續(xù)測(cè)量超濃相（濃度>300Kg?nT3)輸送時(shí)的固相流量。
[0006] 本發(fā)明提供了一種密相氣力輸送過(guò)程的固相流量測(cè)量系統(tǒng)；所述的固相流量測(cè)量 系統(tǒng)包括依次連通的一輸入管道、一文丘里管和一輸出管道；所述輸入管道、所述文丘里管 和所述輸出管道在一條直線(xiàn)上，所述輸入管道和所述輸出管道的長(zhǎng)度分別獨(dú)立地為大于或 等于80D，D為所述輸入管道和所述輸出管道的直徑；所述的文丘里管包括依次連通的一收 縮段、一喉段和一擴(kuò)張段，所述輸入管道與所述收縮段相連通，所述擴(kuò)張段與所述輸出管道 相連通；所述的固相流量測(cè)量系統(tǒng)還包括一流速測(cè)量?jī)x、一第一壓力測(cè)試儀、一第二壓力測(cè) 試儀和一溫度測(cè)量?jī)x；其中，所述流速測(cè)量?jī)x安裝于所述輸入管道上，用于測(cè)量所述收縮段 的入口處的固相流速Vsl;所述第一壓力測(cè)試儀安裝于所述輸入管道上，用于測(cè)量所述收縮 段的入口處的氣相壓力Pi;所述第二壓力測(cè)試儀安裝于所述喉段上，與所述喉段的入口處 的距離為3d以上，用于測(cè)量所述喉段處的氣相壓力P2,d為所述喉段的直徑（以下簡(jiǎn)稱(chēng)喉 徑）；所述溫度測(cè)量?jī)x安裝于所述輸入管道上，用于測(cè)量所述收縮段的入口處的氣固相溫度 V
[0007] 本發(fā)明中，所述收縮段的收縮角0較佳地為3~25°，更佳地為3~10. 5°。所 述擴(kuò)張段的擴(kuò)張角a較佳地為1~12°，更佳地為1~8°。所述文丘里管的節(jié)流比d/D 較佳地為0. 3~0. 8,更佳地為0. 4~0. 7。所述文丘里管的長(zhǎng)徑比Lt/d較佳地為不小于 3,更佳地為不小于20;所述長(zhǎng)徑比是指喉段長(zhǎng)度與喉徑之比Lt/d。
[0008] 本發(fā)明中，所述第二壓力測(cè)試儀安裝于所述喉段上，與所述喉段的入口處的距離 較佳地為20d以上，更佳地為22d。
[0009] 本發(fā)明中，所述輸入管道和所述輸出管道為本領(lǐng)域常規(guī)的用于輸送氣固相的管 道。
[0010] 本發(fā)明中，較佳地，所述固相流量測(cè)量系統(tǒng)還包括一數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，所述數(shù)據(jù)采集 系統(tǒng)還依次與一A/D轉(zhuǎn)換卡(模數(shù)轉(zhuǎn)換卡，用于將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)）和一計(jì)算機(jī)連 接；所述流速測(cè)量?jī)x包括一速度傳感器；所述第一壓力測(cè)試儀包括一第一壓力傳感器；所 述第二壓力測(cè)試儀包括一第二壓力傳感器；所述溫度測(cè)量?jī)x包括一溫度傳感器；所述速度 傳感器、所述第一壓力傳感器、所述第二壓力傳感器和所述溫度傳感器分別與所述數(shù)據(jù)采 集系統(tǒng)連接，并將模擬信號(hào)輸入至所述數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。
[0011] 其中，所述的計(jì)算機(jī)較佳地包括存儲(chǔ)模塊和計(jì)算模塊，用于實(shí)時(shí)輸出處理后的固 相流量數(shù)據(jù)。其中，所述的存儲(chǔ)模塊用于存儲(chǔ)輸入的壓降方程，所述的計(jì)算模塊用于將采集 到的流速、壓力和溫度數(shù)據(jù)代入壓降方程中進(jìn)一步求解固相流量。
[0012] 其中，所述速度傳感器安裝于所述輸入管道上，與所述文丘里管的入口處的距離 較佳地在20D以?xún)?nèi)，更佳地在ro以?xún)?nèi)。
[0013] 其中，所述第一壓力傳感器較佳地為第一膜片式壓力傳感器，且通過(guò)一第一引壓 孔安裝于所述輸入管道上；在沿所述文丘里管的延伸方向上，所述第一引壓孔與所述收縮 段的入口處的距離較佳地在20D以?xún)?nèi)，更佳地在ro以?xún)?nèi)。所述第二壓力傳感器較佳地為第 二膜片式壓力傳感器，且通過(guò)一第二引壓孔安裝于所述文丘里管的喉段上。
[0014] 其中，所述溫度傳感器較佳地通過(guò)一測(cè)溫孔安裝在所述輸入管道上，所述測(cè)溫孔 與所述收縮段的入口處的距離較佳地在20D以?xún)?nèi)，更佳地在ro以?xún)?nèi)。
[0015] 本發(fā)明還提供了一種密相氣力輸送過(guò)程的固相流量測(cè)量方法，所述的固相流量測(cè) 量方法包括以下步驟：
[0016] (1)將氣固兩相流通入上述固相流量測(cè)量系統(tǒng)，并啟動(dòng)所述固相流量測(cè)量系統(tǒng)，測(cè) 量參數(shù)Vsl、Pi、P2和;
[0017] (2)將步驟（1)測(cè)得的參數(shù)Vsl、Pi、P2和代入文丘里管壓降方程①：
[0019] 計(jì)算出固氣兩相的質(zhì)量比Z，再代入公式②：
[0020] Ms =ZMg ②
[0021] 公式②中，由
計(jì)算得氣相流量&的值(單位為Kg/s)，再計(jì)算得 固相流量Ms (單位為Kg/s);
[0022] 方程①中，0為文丘里管節(jié)流比，是所述文丘里管的喉徑d和所述輸入管道的直 徑D之比；M為所述氣相的氣體分子的摩爾質(zhì)量(單位為g/mol) ;R為摩爾氣體常數(shù)；Vgl為 所述收縮段的入口處的氣相流速，在密相流動(dòng)中近似等于同一位置處的固相流速Vsl (單位 為m/s) ;Ps為所述固相的密度（單位為Kg/m3);
[0023] 方程①中，C為流出系數(shù)，它是雷諾數(shù)Re的函數(shù)，函數(shù)關(guān)系可表示為公式③：
[0024]C=f(Re)=aReb③
[0025] 公式③中，雷諾數(shù)Re按照如下公式計(jì)算：Re = DVglPgl/i!gl，Pgl、1!81分別是所 述文丘里管的入口處的氣體密度(單位為Kg/m3)、氣體粘度(單位為Pa/s)，Pgl、ygl分別按 照如下公式進(jìn)行計(jì)算：Pgl =PiM/RTi
，其中dg是氣體分子直徑 (單位為m)，查表可獲得；
[0026] 公式③中，系數(shù)a、b按照如下方法確定：采用所述的固相流量測(cè)量系統(tǒng)采集兩組 不同工況下純氣相流的測(cè)試數(shù)據(jù)，分別記為工況一和工況二，并在