CN100414279C - 测量多相流压力的方法与装置 - Google Patents

Abstract

本发明属流体测量技术领域，具体为一种测量多相流体压力的方法与装置。其中测量方法的基本思想如下：用一股单相流体(气体)射入被测流体中，测量出射入单相流体(气体)的流量和压力，根据被测流体压力与射入流体的流量和压力的关系，即可测得被测流体的压力。测量装置由单相气体源、调节阀、流量计、导压管、压力表等依次连接组成，并设置于被测流体的管路上。这里采用单相气体传递压力，因此也称该装置为气体传感器。本发明解决了接触式测量中传感器磨损与堵塞的问题，在高温介质或强腐蚀介质测量中，传感器不必具有耐高温和耐腐蚀性。

Description

测量多相流压力的方法与装置

技术领域

本发明属流体测量技术领域，具体涉及一种测量多相流压力的方法与装置。

背景技术

流体压力是流体流动中需要测量的一个重要基本参数。流体压力的测量在电力、化工、航空、航天、制冷、石油、环保等领域有非常广泛的应用。许多在工业生产中广泛使用的流量测量装置其实质也是压力测量，如，孔板(测量流体节流前的压力和节流中的压力)，毕托管(测量流体的动压和静压)，文丘利管(测量流体节流前的压力和节流中的压力)，弯头法(测量流体流过弯头时内外壁的压力差)等^[1]。这些流量测量方法目前仍是大多数工业生产领域中最常使用的方法。

目前流体流动的压力测量方法有三种，利用压力表(金属弹簧管)，压电材料(一些受到压力后可输出电荷的材料)和液柱高(利用一细管中液柱的高度反映压力的大小)。这些方法一般是利用导压管将被测流体的压力引到测量元件上，如金属弹簧管，压电材料，液面等(也可以直接将压电材料放入流场中或安放在流体流动的管内壁上感受流体压力)，这些测量元件根据其本身的物理特性输出反映压力大小的物理量。在这些测量方法中，被测介质均通过导压管直接与测量元件相接触(压电材料有时不通过导压管而直接与被测介质接触)。就目前的研究和使用状况看，还没有一种方法能在被测介质(流体)与测量元件不直接接触的情况下，直接测量出被测介质的压力。在激光方法中，被测介质虽不与测量元件直接接触，但该方法只能直接测出被测介质的密度场^[2]，若能知道被测介质的温度，可以根据温度、密度、压力之间的关系计算出被测介质的压力(其它非接触式方法也类似)。因此，如果被测介质温度高，则测量元件必须耐高温，如果被测介质是腐蚀性物质，则测量元件必须耐腐蚀，这样测量元件的价格就很高。不仅如此，在有些工况下，测量还将无法进行。例如，被测介质为气固两相流体，这时，如将测量元件直接放置在气固两相流中，测量元件将会被磨损，如将测量元件通过导压管与气固两相流相连，则导压管易被堵塞，这两种情况都会使测量无法进行。因此，如何测量气固两相流中的压力，并保证测量元件不被磨损或测压管不被堵塞，并使测量装置能长期在线运行，各国科学家和工程技术人员，对此进行了大量研究，但仍没能解决这个问题。目前较常采用的方法是，用一股单相空气，反吹导压管，以疏通堵塞。但即使这样，过一段时间后，还是须将测量元件拆下清理，以使得测量能够正常进行。

电站锅炉煤粉管道内煤粉浓度(气固两相流)的在线监测对实现锅炉和制粉系统的安全优化运行、节能及环保等均有着非常重要的意义，其监测技术也是提高锅炉燃烧效率的关键技术之一。通过准确地测量煤粉管道内煤粉的浓度，可以保证进入各燃烧器的煤粉量均匀，获得高的锅炉燃烧效率(节能)，防止因炉内火焰偏斜而导致锅炉的结渣和高温腐蚀事故的发生，以及提高制粉系统的安全性等。同时，通过测量各燃烧器的煤粉浓度，对合理配风，降低NO_x排放浓度也会有很好的作用。

电站锅炉煤粉管道内煤粉浓度的测量吸引了大量的研究。所有的研究可分为接触式和非接触式两大类，接触式方法如，热平衡法，差压法，等速取样法等，接触式方法还无法克服磨损或堵塞两大难题。即使是用的较多的热平衡方法测量煤粉浓度^[3]，对温度套管还需采用耐磨材料，并需定期检修。另一类非接触式方法如，静电法^[4]，电容法^[5]，光学法^[6]等，这类方法对使用场合或输送煤粉的管材有一定的限制，因此，这类方法还无法在工业现场使用。到目前为止，一种能够在工业现场使用，并能长期在线运行，传感器不被磨损和堵塞的煤粉浓度测量方法是国内外科学家和工程技术人员努力工作的目标。本项发明能够对这一目标做出贡献。并有望解决电站锅炉煤粉管道内，煤粉浓度测量中传感器磨损和堵塞两大难题。

参考文献

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发明内容

本发明的目的在于提出一种可确保测量元件不被磨损、测压管道不被堵塞，因而能长期在线运行的测量多相流中压力的方法及其装置。

本发明提出的测量多相流中压力的方法，其基本思路如下：用一股单相流体(气体)射入被测流体中，这股单相气体的流量和压力与被测流体的压力有关。实际上被测流体的压力即为这股单相流体(气体)的背压，当被测流体的压力发生变化时这股单相流体(气体)的流量和压力也发生变化，它们之间的变化有一定规律。因此，测量出射入被测流体中的单相流体(气体)的流量和压力，根据上述即可知被测流体的压力。实际上，根据流体力学知识，如果单相流体的流量为零，这股单相流体的压力即为被测流体在该处的静压。如果被测流体是气固两相流，我们就可知气固两相流的压力；如果被测流体是气液两相流，我们就可知气液两相流压力，如果被测流体是某种高温或腐蚀性介质，我们就可知这种高温或腐蚀性介质的压力，等等……。这就意味着我们只需对常温下的单相流体(空气)进行测量，就可知其它种种复杂工况或多相介质的压力。这种方法有两个显著的特点，(1)可采用成熟的单相流仪表进行测量，测量元件只与单相流体相接触；(2)破测介质没有直接与测量元件相接触，但测量仪表确可反映被测介质的压力大小。

对应于上述测量方法，本发明设计了相应的测量装置。其结构如图1所示，它由单相流体源(如单相气源)、调节阀、单相流体流量计、导压管和压力表组成，其中，单相流体源1、调节阀2、单相流体流量计3由管道4依次连接，单相流量计3通过导压管5与压力表6连接，并与被测多相流管路连通(在B点)。

当被测的是气固或气液相流时，单相流体源1可以是稳定的单相气源，流体流量计2可以是气体流量计，压力表为气体压力表。该测量装置，使用范围广，对测量现场几乎没有什么限制，产品的价格也不高(采用成熟单相流仪表)，可非常方便地推广到工业现场使用。在这种方法中被测介质的压力依靠单相空气进行传递，这股单相空气像一个传递压力的“元件”，可将它叫做“气体探针”。从上述两个显著特点中可以看出，如果被测介质为电站锅炉煤粉管道中煤粉与空气的混合物(气固两相流)，采用本发明方法，测量可以长期在线运行，而传感器不会被堵塞和磨损。从而解决长期困扰我们的传感器磨损和堵塞两大难题。如果气固两相流压力的测量问题解决后，进而可以研制出新型的气固两相流混合物质量流量或固相浓度的测量装置(如采用弯头法等)。

本发明利用一股气流来感受被测介质的工况参数，这股气流起到了传递被测介质工况参数的作用，在测量仪表不直接接触被测介质的情况下，测量仪表也能直接感受到被测介质的工况参数。

附图说明

图1为本发明的测量装置结构图示。

图中标号：1为单相流体源，2为调节阀，3为单相流体流量计，4为连接管道，5为导压管，6为压力表，7为导压管，8为压力表，A、B分别为导压管7和导压管5与被测多相流管道的连接点。

具体实施方式

下面通过实施例进一步描述本发明。

以被测介质为气固两相流为例，装置简图如图1所示，图中安置压力表8是为了将本发明的方法与常规的测量方法相比较。被测介质选用气固两相流体。气固两相流及单相气流管路的材料在试验段处，可选用有机玻璃，以便进行观察或照相纪录。

根据流体力学中的伯诺里方程(Bernoulli)，不考虑损失，对图1中单相气体管路有下式：

$P_0=P_B+\frac{u^2\mathrm{\ρ}}{2}+\mathrm{z\ρg}$

式中：P₀-稳定气源的压强，N/m²，

u-单相气体管路中气体速度m/s，

ρ-单相气体密度，kg/m³，

z-稳定气源距B点的高度，m，

P_B-测点B处的压强，N/m²，

g-重力加速度，m/s²。

由上式可知，在已知单相气体流速u，稳定气源的压强P₀和高度z情况下，即可知被测介质在B点处的压强P_B，这样就实现了对被测介质压力的测量。

测试开始时，可将调节阀的开度由大到小调节直到为零，这时在单相气流管路中，气体流量为零，管路中充满单相气体，压力表6的读数即为被测介质(气固两相流)在B处横截面上的静压。压力表8测量的是该压力表所在位置A处的气固两相流体的静压，不计压力表6和压力表8之间的沿程损失(在气体流量为零时，两者之间的损失为零。当单相气体有一定流量时，其沿程损失很小可以忽略，原因是流速低，距离短)，两个压力表的读数应该相同(如考虑两者的沿程损失，读数的误差可以采用一定的方法修正)。但这两者的测量状况是不同的，区别在于压力表8的导压管中充满被测介质(气固两相流体)，而压力表6的导压管中则充满单相气体。测量时压力表8的导压管会被堵塞，使测量不能进行。而压力表6的导压管不会被堵塞，测量可以长期在线运行。为确保被测介质不进入压力表6所在的导压管内，可保持在此导压管内有一定单相气体流量，单相气体流量的大小需根据测试、观察及理论分析，原则是确保压力表6所在的导压管内无被测介质。这时压力表6读数可反映被测介质压力的大小。

根据流体力学有关知识，从图1中我们可以看出，如果压力表6所在的导压管中单相气体流量为零，则压力表6和压力表8的读数应相同(不考虑两者之间微小的沿程损失)，它们之间的不同之处在于，各自导压管中的介质不同，一个是被测介质(压力表8)，另一个是单相空气(压力表6)，所以压力表8长期测量导压管将会被堵塞(有时30分钟就会堵塞)，而压力表6的测量则不会。由图1可以看出，当气固两相流体流过图1中B点附近时，导压管内有一定压力的单相空气会阻止被测介质进入导压孔内，被测流体与导压管内单相气体相接触的面积为该处导压孔截面积的大小。这时导压管内的空气柱感受并传递着被测流体的工况参数的变化，由于导压管内单相气体流速为零(或很小)，单相气体的压缩性可不考虑，因此这时压力表6的导压管内单相空气可当作一个传感器，它好像一根由气体制成的探针或传感器，所以将其叫做气体传感器，该传感器感受并传递着被测流体的工况参数。

采用气流作为传感器，传递被测介质的工况参数。这在传感器方面是一个新的方法，这样的传感器有两个显著特点，(1)可采用成熟的单相流仪表进行测量，测量元件只与单相流体相接触；(2)被测介质没有直接与测量元件相接触，但测量仪表可反映被测介质的压力大小。这种方法非常适合用在一些特殊介质的测量场合，如气固两相流、气液两相流、三相流或多相流，高温介质及强腐蚀性介质等，以上这些测量工况都是目前工业生产常遇到而还没有解决的难题。

采用本项目提出的方法进行气固两相流的测量，可解决接触式测量方法中传感器磨损和堵塞两大难题。若用在高温介质或强腐蚀性介质的测量中，传感器不必耐高温和耐腐蚀性。

Claims (3)

1. 一种测量多相流中压力的方法，其特征在于用一股单相流体射入被测流体中，测量出射入被测流体中的单相流体的流量和压力，根据被测流体的压力即为这股单相流体的背压的特性，从而从下式获得被测流体在被测点(B)处的压强P_B，进而求得被测流体的压力：

$P_B=P_0-\frac{u^2\mathrm{\ρ}}{2}-\mathrm{z\ρg}$

式中：P₀-稳定气源的压强，N/m²，

u-单相流管路中气体速度m/s，

ρ-单相流体密度，kg/m³，

z-稳定气源距B点的高度，m，

g-重力加速度，m/s²。

2. 一种应用权利要求1所述方法测量多相流中压力的装置，其特征在于由单相流体源(1)、调节阀(2)、单相流体流量计(3)、导压管(5)和压力表(6)组成，其中，单相流体源(1)、调节阀(2)、单相流体流量计(3)由管道(4)依次连接，单相流量计(3)通过导压管(5)与压力表(6)连接，并与被测多相流管路连通。

3. 根据权利要求2所述的测量多相流中压力的装置，其特征在于对于被测流体为气固或气液两相流，所说的单相流体源为压力稳定的气源。