CN101334343A - 高压含尘气体采样减压方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明是高压含尘气体采样减压方法及装置。经冷凝干燥后的高压含尘气体由一级采样管[1]引至减速采样管[2]中，高压含尘气体通过减速采样管[2]的小孔绝热膨胀，压力减小，温度在瞬间也降至最低；减压后的高压气体在一级膨胀室[3]内继续膨胀，减压；后由采样速度等于一级膨胀室[3]内气体稳定速度的一级导样管[6]引至二级膨胀室[7]内，一级膨胀室[3]中多余的气体排出；一级导样管[6]等动从一级膨胀室[3]中取出所需样品气体后，经过其末端的小孔，流经二级膨胀室[7]内，再次膨胀减压；然后由二级采样管[10]等动取出部分气体至粒子分析仪[11]中进行检测分析，多余的气体由二级排出管[8]和压力调节阀[9]排出；经检测后的气体经排出管[12]排出。

Description

高压含尘气体采样减压方法及装置

技术领域

本发明是高压含尘气体特别是高压天然气输送管道内粉尘检测的高压含尘气体采样减压方法及装置。涉及其它类不包括的测量和管道系统技术领域。

背景技术

由于大多数粒子分析仪(气溶胶谱仪)都在常压或压力不太高(小于1MPa)的情况下操作，而某些高压含尘气体，其压力一般都较高，如高压天然气输送管道内压力，可高达10MPa。显然，无法直接采用粒子分析仪进行检测分析。所以，在高压含尘气体的在线检测中，要实现高压含尘气体的在线检测，就必须对高压天然气进行减压，以满足粒子分析仪对压力的要求。

根据经验可知，一般的减压阀、针型阀以及流量调节设备因其在减压过程中产生严重的颗粒损失，给检测分析带来很大的误差，因而无法应用于高压含尘气体的采样减压。Kasper对含尘浓度低(10^-5p/cm³)、粉尘粒径小于1μm的高压氮气，采用孔板减压结构进行了检测。但当粉尘粒径大于1μm时，颗粒在小孔附近损失相当严重，从而影响检测结构的准确性与真实性。况且现实中高压含尘气体中的含尘浓度一般都比高，粉尘粒径大部分也都大于1μm，所以必须设计一套新的采样减压装置以满足高压含尘检测之需要。

发明内容

本发明的目的是发明一种用于高压含尘气体特别是高压天然气输送管道内粉尘检测时将高压气体减压到常压或1MPa以下、颗粒损失小、精确度高的高压含尘气体采样减压方法及装置。

鉴于上述高压含尘气体减压采样的难点，本发明提出的技术方案如图1所示，就是采用一级膨胀室3连二级膨胀室7两级膨胀的方法，并二级膨胀室7从一级膨胀室3等速采样，然后由二级采样管10从二级膨胀室7等动取出部分气体至粒子分析仪11进行分析。

具体是经冷凝干燥后的高压含尘气体由一级采样管1引至减速采样管2中，高压含尘气体通过减速采样管2后端的小孔时绝热膨胀，使气体体积增大，压力减小，温度在瞬间也降至最低；减压后的高压气体在一级膨胀室3内继续膨胀，减压；后由采样速度等于一级膨胀室3内气体稳定速度的一级导样管6引至二级膨胀室7内，一级膨胀室3中多余的气体排出；一级导样管6等动从一级膨胀室3中取出所需样品气体后，经过其末端的小孔(结构类似减速采样管2)，流经二级膨胀室7内，再次膨胀减压；然后由二级采样管10等动取出部分气体至粒子分析仪11中进行检测分析，多余的气体由二级排出管8和压力调节阀9排出；经检测后的气体经排出管12排出。

一级膨胀室3和二级膨胀室7的后端各开有多余气体排出口与一级排出管4和二级排出管8相连，从排出管4和8排出的两股气体，分别经压力调节阀5、9调压(如图2)，并由一级调压压力表13、二级调压压力表14显示之后气体流经一级排出气体减压阀15和二级排出气体减压阀16，减压后的气体排至废气输送管道17中。

由排出管12的采样分析气体经二级采样气体压力表20、流量计21显示后通过二级采样气体排出减压阀22进行减压，使其压力降至废气输送管道17内的压力(一般高于环境压力，以产生气体输送动力)。

为了保证一级导样管6所采集的气体流动已达稳定状态，即一级导样管6所采集的是一级膨胀室3内速度稳定时的气体，则要求一级导样管6前端(以一级采样管1方向为前)与等速收缩管2后部的一级减压小孔之间的距离 $l_1\≥\frac{D_{t1}}{2\tan \mathrm{\θ}},$ θ为气体经过小孔的膨胀半角(或称射流半角)，D_t1为一级膨胀室3的直径；其插入一级膨胀室3中的深度L₁≥5D_t1；同理二级采样管10在二级膨胀室7中的位置也应满足其插入二级膨胀室7中的深度L₂≥5D_t2，其前端(以一级采样管1方向为前)与一级导样管6后部的二级减压小孔之间的距离 $l_2\≥\frac{D_{t2}}{2\tan \mathrm{\θ}},$ θ为气体经过小孔的膨胀半角(或称射流半角)。

其中减速采样管2和一级导样管6是从前到后气流截面由等截面逐渐减小的管子，其后端的小孔使气流减压；一级膨胀室3和二级膨胀室7的长度分别大于或等于减速采样管2和一级导样管6后部小孔直径的40倍，而一级膨胀室3和二级膨胀室7的内径则分别大于或等于小孔直径的5倍。

为保证在减压过程中无液滴(水)析出，每级减压都应使减压后气体的温度不至于下降到形成液滴时的温度。可以在每级级减压小孔处采用保温措施。事实上，从图4可以看到，在低温区最有可能产生液滴，但此低温区距离短，仅为(6-8)倍小孔直径，而此时此处的气体速度可高达音速甚至超音速，气体在此段低温区的停留时间相当短，不超过10^-4s。因此，气体在此处产生液滴的可能性也是相当小，基本不可能。

经冷凝干燥后的高压含尘气体由一级采样管1引至减速采样管2中，减速采样管2的末端开有一直径很小的小孔(如图3)，当高压含尘气体通过此孔时气体绝热膨胀，从而使气体体积增大，压力减小，温度在瞬间也降至最低；同时，减压后的高压气体在一级膨胀室3内继续膨胀，减压。并且在离开小孔(6-8)倍小孔直径的距离，气体温度存在一低温区，但很快气体温度会逐渐恢复，在40倍小孔直径的距离，气体温度恢复到膨胀之前的温度(见图4)。减压后的气体部分由一级导样管6引至二级膨胀室7内。为保证一级导样管6所采集的气体能代表一级膨胀室3内的气体，则要求等速采样，即一级导样管6内采样速度等于一级膨胀室3内气体的稳定速度(见图5)；一级膨胀室3中多余的气体经一级排出管4和压力调节阀5排出。一级导样管6等动从一级膨胀室3中取出所需样品气体后，经过其末端的小孔(结构类似减速采样管2)，流经二级膨胀室7内，再次膨胀减压。从而使经两级减压后压力在1MPa至20MPa的高压气体减压到常压或1MPa以下。然后由二级采样管10等动取出部分气体至粒子分析仪11中进行检测分析，多余的气体由二级排出管8和压力调节阀9排出。同时，为了达到等速采样，必须使二级采样管10内采样速度等于二级膨胀室7内气体的速度。经检测后的气体经排出管12排出。

本发明的采样减压装置构成如图1所示，它由一级采样管1、减速采样管2、一级膨胀室3、一级排出管4、一级导样管6、二级膨胀室7、二级排出管8以及二级采样管10组成。一级膨胀室3的前端(以减速采样管2为前)与减速采样管2连接，其后部开有一定直径的排出口与一级排出管4连接，用于排出多余气体。一级膨胀室3的后端与一级导样管6连接，并且一级导样管6插入一级膨胀室3内一定的深度。二级膨胀室7其前端与一级导样管6连接，后端与二级采样管10连接，并且二级采样管10插入二级膨胀室7内一定的深度，二级膨胀室7后部同样开有一定直径的排出口与二级排出管8，用于排出多余气体。

高压含尘气体依次经过一级采样管1，减速采样管2后在一级膨胀室3内绝热膨胀，减压；高压气体经一级膨胀室3减压稳定后由一级导样管6等动取出部分气体再次进入二级膨胀室7内继续绝热膨胀，减压。减压稳定后由二级采样管10等动取出部分气体至粒子分析仪11中进行检测分析。

其特点是一级膨胀室[3]和二级膨胀室[7]的后端各开有多余气体排出口与一级排出管[4]和二级排出管[8]相连，排出管[4]和排出管[8]分别接压力调节阀[5]、压力调节阀[9]，并由一级调压压力表[13]、二级调压压力表[14]显示之后气体流经一级排出气体减压阀[15]和二级排出气体减压阀[16]，减压后的气体排至废气输送管道[17]中；由排出管[12]的采样分析气体经二级采样气体压力表[20]、流量计[21]显示后通过二级采样气体排出减压阀[22]进行减压，使其压力降至废气输送管道[17]内的压力。

其中减速采样管2(见图3-1和图3-2)的前部采用等径结构或采用渐扩结构，渐扩时扩张半角β为5°-90°，数值模拟结构与实验表明气流回流小、颗粒损失少；减速采样管2的后部有一段收缩半角为a的收缩段，成锥状，a的值在10°-90°之间，锥尖与等内径小孔相通，小孔的孔径在0.3-5mm之间。

一级导样管6后部结构类似于减速采样管2，其后部也有一段收缩半角为a的收缩段，成锥状，a的值在10°-90°之间，锥尖与等内径小孔相通，小孔的孔径在0.3-5mm之间。

为便于安装，减速采样管2和一级导样管6加工为两部分，一部分为减速结构23，另一部分为孔板结构24，并且孔板为可活动结构(如图6)，当操作工况改变时，方便更换小孔的直径，当然要配备各种孔径的孔板结构24。具体是采用两块法兰25、法兰26将减速结构23、孔板结构24与一级膨胀室3连接在一起。一级导样管6与二级膨胀室7的连接方式同减速采样管2与一级膨胀室3的连接方式。

其中一级导样管6插入一级膨胀室3内的深度和二级采样管10插入二级膨胀室7内的深度，按前述方法计算确定；一级膨胀室3和二级膨胀室7的长度及内径也按前述方法计算确定。

减速采样管2和一级导样管6后部的收缩段，其优点是可以减少颗粒在小孔附近处的惯性冲击损失。同时，为减小颗粒经小孔膨胀后进入膨胀室内时与膨胀室固壁的碰撞，一级膨胀室3和二级膨胀室7均采用渐扩结构(如图7)，渐扩时扩张半角γ为9.5°-90°。

本发明高压含尘气体采样减压装置对颗粒的损失小，当颗粒直径为5μm时，损失在1％以下；当颗粒直径为10μm时，损失低于5％，当颗粒直径为15μm时，损失低于10％。另外在粉尘中位直径为3.2μm，粉尘分布服从Rosin-Rammler分布函数时，本发明对粉尘粒径分布几乎没有影响。

另外，为保证在减压过程中无液滴(水)析出，每级减压都应使减压后气体的温度不至于下降到形成液滴时的温度。可以在每级减压小孔处采用保温措施。事实上，从图4可以看到，在低温区最有可能产生液滴，但此低温区距离短，仅为(6-8)倍小孔直径，而此时此处的气体速度可高达音速甚至超音速，气体在此段低温区的停留时间相当短，不超过10^-4s。因此，气体在此处产生液滴的可能性也是相当小，基本不可能。

为分析本发明高压含尘气体采样减压装置对粉尘浓度的影响，利用粉尘相对浓度C(粉尘损失后的浓度与没有损失时粉尘的浓度之比)表示粉尘浓度损失的程度。本发明的相对浓度最高可达98.74％，与实际误差仅为1.26％。最低可达为97.11％，与实际误差不超过3％。

由上可见，本发明的特点是：

(1)该减压装置对颗粒的浓度与粒径分布影响很小，即对颗粒的损失很小，检测精确度高；

(2)可将压力在1MPa至20MPa的高压气体减压到常压或1MPa以下，便于粒子分析仪在常压或压力不太高(小于1MPa)的情况下操作；

(3)该减压装置能够保证在减压过程中无液滴(水)析出，以免因水珠的析出而与颗粒发生团聚，吸附，从而影响颗粒的浓度与粒径分布。

附图说明

图1高压天然气采样减压装置原理图

图2减压装置控制流程图

图3-1减速采样管2结构详图

图3-2前端具有渐扩段的减速采样管图

图4一级减压小孔附近处的温度分布图

图5一级膨胀室内速度分布图

图6减速采样管2安装图

图7一、二级膨胀室形状图

其中：

1-一级采样管                 2-减速采样管

3-一级膨胀室                 4一级排出管

5-压力调节阀                 6-一级导样管

7-二级膨胀室                 8-二级排出管

9-压力调节阀                 10-二级采样管

11-粒子分析仪                12-排出管

13-一级调压压力表            14-二级调压压力表

15-一级多余排出气体减压阀    16-二级多余排出气体减压阀

17-废气输送管道              18-一级排出气体接管

19-二级排出气体接管          20-二级采样气体压力表

21-流量计      22-二级采样气体排出减压阀

23-减速结构    24-孔板结构

25-法兰        26-法兰

具体实施方式

实施例.以本例来说明本发明的具体实施方式并对本发明作进一步的说明。其构成如图1-图3所示。它由一级采样管1、减速采样管2、一级膨胀室3、一级排出管4、一级导样管6、二级膨胀室7、二级排出管8以及二级采样管10组成。一级膨胀室3的前端(以减速采样管2为前)与减速采样管2连接，其后部开有一定直径的排出口与一级排出管4连接，用于排出多余气体。一级膨胀室3的后端与一级导样管6连接，并且一级导样管6插入一级膨胀室3内一定的深度。二级膨胀室7其前端与一级导样管6连接，后端与二级采样管10连接，并且二级采样管10插入二级膨胀室7内一定的深度，二级膨胀室7后部同样开有一定直径的排出口与二级排出管8，用于排出多余气体。

本实施例将10MPa(流量50.871/min)的高压N2减压至0.4MPa，且该减压装置对颗粒损失小，减压过程无液滴产生。

具体是高压含尘气体由φ6mm的一级采样管1引至φ20mm的减速采样管2中，减速采样管2前部采用渐扩结构，扩张半角β为11°，减速采样管2后部收缩半角a为22.5°，减速采样管2的末端开有φ2.4mm的小孔，高压含尘气体通过该孔绝热膨胀减压进入内径为φ45mm，扩张半角为9.5°，长度为500mm的一级膨胀室3内继续膨胀，减压。减压后的气体部分由φ20mm的一级导样管6(后部收缩半角a为22.5°)引至内径为φ42mm，扩张半角为10°长度为500mm的二级膨胀室7内，多余气体经32mm的一级排出管4和DN32的压力调节阀5排出。由一级导样管6(其末端减压小孔直径为φ2.4mm)引入二级膨胀室7内的气体继续膨胀减压。从而使经两级减压后压力为10MPa的高压N₂减压到0.4MPa。然后由φ6mm的二级采样管10等动取出部分气体至粒子分析仪11中进行检测分析，多余的气体由φ25mm的二级排出管8和DN25压力调节阀9排出。经检测后的气体经φ6mm的排出管12排出。

从一级排出管4和二级排出管8排出的两股气体，分别经压力调节阀5、9调压(如图2)，并由一级调压压力表13、二级调压压力表14显示之后气体流经一级排出气体减压阀15和二级排出气体减压阀16，减压后的气体排至废气输送管道17中。

由排出管12的采样分析气体经二级采样气体压力表20、流量计21显示后通过二级采样气体排出减压阀22进行减压，使其压力降至废气输送管道17内的压力(一般高于环境压力，以产生气体输送动力)。

本例经多次试验，证明可将压力在1MPa至20MPa的高压气体减压到常压或1MPa以下，便于粒子分析仪在常压或压力不太高(小于1MPa)的情况下操作；能够保证在减压过程中无液滴(水)析出，以免因水珠的析出而与颗粒发生团聚，吸附，从而影响颗粒的浓度与粒径分布；对颗粒的浓度与粒径分布影响很小，检测精确度高。

Claims (11)

1.一种高压含尘气体采样减压方法，其特征是采用两级膨胀的方法，经冷凝干燥后的高压含尘气体由一级采样管[1]引至减速采样管[2]中，高压含尘气体通过减速采样管[2]的小孔绝热膨胀，压力减小，温度在瞬间也降至最低；减压后的高压气体在一级膨胀室[3]内继续膨胀，减压；后由采样速度等于一级膨胀室[3]内气体稳定速度的一级导样管[6]引至二级膨胀室[7]内，一级膨胀室[3]中多余的气体排出；一级导样管[6]等动从一级膨胀室[3]中取出所需样品气体后，经过其末端的小孔(结构类似减速收缩管[2])，流经二级膨胀室[7]内，再次膨胀减压；然后由二级采样管[10]等动取出部分气体至粒子分析仪[11]中进行检测分析，多余的气体由二级排出管[8]和压力调节阀[9]排出；经检测后的气体经排出管[12]排出。

2.根据权利要求1所述的高压含尘气体采样减压方法，其特征是一级膨胀室[3]和二级膨胀室[7]中多余气体的排出需经减压处理，减压至高于环境压力；同样，由排出管[12]排出的气体也需作减压处理，使其压力降至废气输送管道[17]内的压力。

3.根据权利要求1所述的高压含尘气体采样减压方法，其特征是一级导样管[6]前端(以一级采样管[1]方向为前)与等速收缩管[2]后部的一级减压小孔之间的距离 $l_1\≥\frac{D_{t1}}{2\tan \mathrm{\θ}}$ {θ为气体经过小孔的膨胀半角(或称射流半角)，D_t1为一级膨胀室[3]的直径}；其插入一级膨胀室[3]中的深度L₁≥5D_t1。

4.根据权利要求1所述的高压含尘气体采样减压方法，其特征是二级采样管[10]在二级膨胀室[7]中的位置满足其插入二级膨胀室[7]中的深度L₂≥5D_t2(D_t2为二级膨胀室[7]的直径)，其前端(以一级采样管[1]方向为前)与一级导样管[6]后部的二级减压小孔之间的距离 $l_2\≥\frac{D_{t2}}{2\tan \mathrm{\θ}}$ {θ为气体经过小孔的膨胀半角(或称射流半角)}。

5.根据权利要求1所述的高压含尘气体采样减压方法，其特征是可在每级减速采样管[2]和一级导样管[6]减压小孔处采用保温措施。

6.根据权利要求1所述的高压含尘气体采样减压方法，其特征是减速采样管[2]和一级导样管[6]是从前到后气流截面由等截面逐渐减小的管子，其后端的小孔使气流减压；一级膨胀室[3]和二级膨胀室[7]的长度分别大于或等于减速采样管[2]和一级导样管[6]后部小孔直径的40倍，而一级膨胀室[3]和二级膨胀室[7]的内径则分别大于或等于小孔直径的5倍。

7.一种据权利要求1所述高压含尘气体采样减压方法的高压含尘气体采样减压装置，它由一级采样管[1]、减速采样管[2]、一级膨胀室[3]、一级排出管[4]、一级导样管[6]、二级膨胀室[7]、二级排出管[8]以及二级采样管[10]组成，一级膨胀室[3]的前端(以减速采样管[2]为前)与减速采样管[2]连接，其后部开有一定直径的排出口与一级排出管[4]连接；一级膨胀室[3]的后端与一级导样管[6]连接，并且一级导样管[6]插入一级膨胀室[3]内一定的深度；二级膨胀室[7]其前端与一级导样管[6]连接，后端与二级采样管[10]连接，并且二级采样管[10]插入二级膨胀室[7]内一定的深度，二级膨胀室[7]后部同样开有一定直径的排出口与二级排出管[8]，用于排出多余气体；其特征是一级膨胀室[3]和二级膨胀室[7]的后端各开有多余气体排出口与一级排出管[4]和二级排出管[8]相连，排出管[4]和排出管[8]分别接压力调节阀[5]、压力调节阀[9]，并由一级调压压力表[13]、二级调压压力表[14]显示之后气体流经一级排出气体减压阀[15]和二级排出气体减压阀[16]，减压后的气体排至废气输送管道[17]中；由排出管[12]的采样分析气体经二级采样气体压力表[20]、流量计[21]显示后通过二级采样气体排出减压阀[22]进行减压，使其压力降至废气输送管道[17]内的压力。

8.根据权利要求7所述的高压含尘气体采样减压装置，其特征是所述减速采样管[2]的前部采用等径结构或渐扩结构，渐扩时扩张半角β为5°-90°；减速采样管[2]的后部有一段收缩半角为a的收缩段，成锥状，a的值在10°-90°之间，锥尖与等内径小孔相通，小孔的孔径在0.3-5mm之间。

9.根据权利要求7所述的高压含尘气体采样减压装置，其特征是所述一级导样管[6]后部有一段收缩半角为a的收缩段，成锥状，a的值在10°-90°之间，锥尖与等内径小孔相通，小孔的孔径在0.3-5mm之间。

10.根据权利要求7所述的高压含尘气体采样减压装置，其特征是所述一级膨胀室[3]和二级膨胀室[7]均采用渐扩结构，渐扩时扩张半角γ为9.5°-90°。

11.根据权利要求7所述的高压含尘气体采样减压装置，其特征是减速采样管[2]和一级导样管[6]由减速结构[23]和孔板结构[24]两部分组成，采用两块法兰[25]、法兰[26]将减速结构[23]、活动结构的孔板结构[24]与一级膨胀室[3]或二级膨胀室[7]连接在一起。

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