CN101430269B - 气力输送管道中煤粉浓度及相分布的实时检测装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了属于气固二相流检测技术领域的一种气力输送管道中煤粉浓度及相分布的实时检测装置。该检测装置的传感器复合管段通过法兰、密封垫片连接在被测管道上，γ源布置在传感器复合管段轴线上，γ源经准直器的γ射线出射角为360°平面出射，出射平面与传感器复合管段轴线垂直，γ射线探测器由n个静电计的γ射线探测电离室构成与传感测量管段同轴的环形电离室阵列，本装置使气固二相流流型及相分布对体积浓度测量的影响可以减小到可以忽略的程度，且在相同的测量精度要求的前提下使所需γ射线源的放射性活度较已有的方法成倍降低，测量装置占用现场空间明显减小；成本显著地减少，辐射防护范围显著减小且γ射线防护要求与难度大大降低。

Description

气力输送管道中煤粉浓度及相分布的实时检测装置

技术领域

本发明属于气固二相流检测技术领域，特别涉及一种气力输送管道中煤粉浓度及相分布的实时检测装置

背景技术

燃煤发电厂锅炉一次风管道是一种典型的气力输送管道，空气(热风)将固体颗粒(煤粉)输送至炉膛，其流动属于气固二相流。自20世纪80年代以来，国内外学者对气固两相流体中固相浓度测量相继提出并试验了多种方法，主要包括传热法、热平衡法、压降法、电容法、静电法、电容层析成像法、文丘里管法、微波法、辐射法等，在上述罗列的方法中，除辐射法外，其他传感器均属“软场”感测型(“soft-field”sensing)，应用于电厂一次风管道风粉两相流参数测量时，煤粉浓度测量受一次风及其他参数如温度、湿度、压力、连续相(空气)流速、离散相(煤粉)细度、相分布、煤种等变化的影响，无法实现对煤粉浓度的绝对测量(absolute measurement)；辐射法虽为“硬场”感测型(“hard-field”sensing)，可以实现对相浓度的绝对测量，但仍受流型及相分布变化的影响。应该指出的还有，在上述方法中，只有电容层析成像法(ECT)在理论上可以检测管道横截面上的煤粉相分布，若应用于Φ_300mm以上的工业管道，由于传感器输出信号过于微弱(＜10^-15F)而不能工作。正是因为缺乏获取相分布信息的有效手段，致使相分布对判断一次风管道中的风粉配比是否合适、送粉是否均匀，乃至管道运行是否安全的重大价值长期被忽视，被放弃。

I.R.Barratt，Y.Yan，B.Byrne等在文献“Flow Measurement and Instrumentation 11(2000)223-235，2000，11”的“Mass flow measurement of pneumatically conveyedsolids using radiometric sensor′s”一文中提出了一种基于γ射线吸收法的气固二相流固相浓度的测量方法，线状放射源在测量管道外放置，放射源准直器多孔、双列、由高至低分层无盲区错层分布，放射线经源多孔准直器后形成的柱状平行光垂直被测流体流向透射被测管壁，照射管道内流动的气固两相流体再透射另一侧管壁之后，通过与源准直器相配套的探测器准直器孔最终到达探测器阵列中相应的放射线检测元件上，该元件将检测到的放射线强度I_i转换为标准传输电压信号U_i。当管道材质、管道厚度、γ线状放射源的放射性活度及准直器开孔面积，探测器的输入输出特性已知且不变时，根据物质与放射线相互作用规律，由U_i可求得被测管道横截面上准直器第i个孔所对应的弦上的固相浓度β_i。设源准直器及相配套的探测器准直器共有n个孔，可得到n个探测器输出相应的电压U₁，U₂……U_i，……U_n，从而可计算出管道横截面n个弦上的固相浓度β₁，β₂…β_i……β_n，即表征该截面上固相分布情况；对β_i进行处理，最终获得被测管道内的固相体积浓度β值。这种方案将被测管道的横截面分成n份，每份单独测量，既可得到相分布信息，又明显地克服了流型及相分布变化对浓度测量的影响。显然n越大，将被测截面分割成的微元就越多，每个微元的体积就越小，将每个微元均作为固相均匀分布的空间而引起的测量误差就越小。这种方案既获取了被测管道横截面上固相分布的可靠信息，又克服了浓度测量受流型及相分布变化的影响，为发电厂锅炉一次风管道内煤粉浓度相浓度及相分布的实时检测提供了一种可行的解决方案。然而，该方案还存在下列需完善之处：

1.燃煤电厂的一次风管道材料为钢质，壁厚一般超过5mm，直径大于500mm。为保证测量精确度要求，射线在穿透被测管道后仍要达到一定的强度，这种方案放射线需穿透两层管壁，加之源准直器及探测器准直器均需要有一定的长度，这就使得射线源与探测器之间距离加大，所需的线状γ源的放射线活度大。众所周知，放射线源放射线活度越大，对防护的要求就越高；

2.测量设备占用现场的空间大。该方案中的线状放射源、源准直器、被测管道、γ射线探测器准直器、射线探测阵列必须在一条垂直于被测管道的直线上排列，加上射线防护罩，所占用的空间会很大，而工艺管道初始设计时不可能考虑或兼顾这一要求，故该测量装置的使用受到现场场地条件的限制。

3.线状放射源的成本高。远高于同样放射性活度的点状放射源。

发明内容

本发明的目的是提出一种气力输送管道中煤粉浓度及相分布的实时检测装置，由传感器复合管段、γ源及准直器、γ射线探测器阵列、γ射线屏蔽罩、模数转换器和计算机系统组成，其特征在于，所述检测装置的传感器Al₂O₃陶瓷衬里5与可伐合金外壳6复合成传感器复合管段，传感器复合管段通过法兰10、密封垫片11连接到被测管道12上的连接法兰15；γ源1安装在传感器复合管段的轴线上，γ源1经准直器2的γ射线出射角是360°平面角，并使γ射线出射平面与传感器复合管段轴线垂直，γ射线探测器在传感器复合管段的可伐合金外壳6壁外布置成环形阵列，γ射线屏蔽罩14固定在γ射线探测器阵列的外围。

所述γ射线探测器阵列为在传感器复合管段的可伐合金外壳6壁外用n个静电计8与彼此相互独立的电离室7组成的阵列。

所述检测装置，在传感器复合管段的可伐合金外壳6壁外用n个配静电计8的彼此相互独立的电离室7组成了一个与传感器复合管段同轴的环形γ射线探测器阵列，由于γ源的各向同性，每个电离室均接收来自γ源1发出的经准直器2出射的360°平面出射角的γ射线，于是传感器复合管段耐磨衬里内的测量空间被无形地分割成以Al₂O₃陶瓷衬里5内缘为外弧，以准直器耐磨层外壳3外侧壁为内弧，以管段轴线为轴心的具有相同扇形截面的n个柱状空间测量微元，每个测量微元与一个配静电计的电离室相对应，每个静电计的输出电压表征所对应扇形截面柱状测量空间微元内煤粉的体积浓度，每个静电计配置一个模数转换器，经总线连接计算机系统；将测量空间4无形地分成n个形状、体积相同的微元。

本发明的有益效果是一次风管道中煤粉体积浓度的测量受流型及相分布变化的影响明显减小，且同时可获得一次风管道横截面上煤粉相分布的可靠信息。煤粉相体积浓度作为风粉气固二相流的主要参数之一，与锅炉燃烧的安全性、稳定性和经济性直接相关；而一次风管道中煤粉的相分布是表征送粉连续性、均匀性、风粉比的参数，对判断一次风管道的运行状态，确定并维持最佳风粉比，既防止一次风速过高而导致管道磨损又防止一次风速过低而发生堵管工况具有重要意义。本发明采用的γ射线吸收法测量燃煤发电厂一次风管道中煤粉浓度，在相同的测量精确度前提下，所需γ射线源的放射性活度比已有的方案成倍降低，占用现场空间明显减小；成本也显著地减少，辐射防护范围更小且γ射线防护要求降低。

附图说明

图1为传感器复合管段纵剖面图。

图2为图1的B-B剖面图。

图3为测量系统构成示意图。

具体实施方式

本发明提出一种气力输送管道中气固二相流离散相体积浓度及相分布的实时检测装置。下面结合附图和实施例加以说明。图1中，传感器Al₂O₃陶瓷衬里5与可伐合金外壳6复合成传感器复合管段，传感器复合管段通过法兰10、密封垫片11与被测管道12上的连接法兰15连接，实现传感器复合管段与被测管道12的连接。γ源1布置于传感器复合管段轴线上，γ源1经准直器2采用360°平面出射角，γ源1发出的γ射线经准直器后出射平面与传感器复合管段轴线垂直，n个配静电计8的彼此相互独立的电离室7在传感器复合管段的可伐合金外壳6壁外布置成环形阵列，γ射线铅屏蔽罩14固定在固定在γ射线探测器阵列的外围，对穿透γ射线探测器的γ射线进行屏蔽，选择合适的屏蔽罩铅板的厚度，可使屏蔽罩外环境中的γ射线强度在国家规定的标准范围内。

图2中，γ源1所发出的γ射线沿准直器2与被测管道轴线垂直的方向出射，穿透Al₂O₃陶瓷耐磨包壳3，照射传感器测量室4中的风粉二相流体，继续穿透传感器复合管段的Al₂O₃陶瓷衬里5与可伐合金外壳6到达γ射线探测器阵列中的某一独立的电离室7，入射的一部分γ射线与独立的电离室7内所充的惰性气体氙(Xe)发生光电效应和散射，由此而形成的次级电子使电离室中所充的惰性气体氙产生正负离子，电离室7内的直流高压电极板收集到的正负离子形成10^-9A数量级的电离电流，由电离室7所配的静电计8将其成比例地转换为1-5V直流输出电压。在所述传感器复合管段的可伐合金外壳6壁外由n个彼此独立的电离室7组成了一个与传感器复合管段同轴的环形的γ射线探测器阵列(图2中n＝16)，每个电离室均配置有静电计，电离室7接收来自γ源1发出的γ射线，于是传感器复合管段Al₂O₃耐磨陶瓷衬里5内的测量空间4被无形地分割成以Al₂O₃陶瓷衬里5内缘为外弧，以准直器耐磨层外壳3侧壁为内弧，以传感器复合管段轴线为轴心的具有相同扇形截面的n个柱状空间，每个柱状空间作为一个测量微元，对应一个配静电计8的电离室7，每个静电计输出的模拟电压均经一个模数转换器转换为数字信号，经总线连接计算机系统(如图3所示)；传感器共有n(n＝16)个静电计，每个静电计输出的直流电压信号表征其电离室7所对应测量空间微元内煤粉的体积浓度。将每个微元内煤粉作均匀分布处理而引起的测量误差会明显减小，同时又获得了截面上的煤粉相分布信息；将n个静电计输出电压作算数平均运算即可表征被测风粉二相流体中的煤粉相体积浓度。但仍有一部分γ光子穿透了电离室外壁13到达γ射线铅屏蔽罩14，通过选择合适的屏蔽铅板厚度，可使屏蔽罩外γ射线放射线水平在国家标准规定的安全范围以内。

传感器复合管段采用Al₂O₃陶瓷材料做内衬的原因有二：其一是Al₂O₃陶瓷材料比一次风管道所用钢质材料耐磨性好，在相同的耐磨性能要求的前提下，Al₂O₃陶瓷管壁壁厚可以制作地较薄，以减少传感器管壁对γ射线的吸收，降低装置对γ射线源放射性活度的要求；其二是Al₂O₃陶瓷材料对γ射线的线性吸收系数明显低于钢质材料的线性吸收系数，又可以大幅降低对测量装置γ射线源放射性活度的要求。至于传感器外壳采用可伐合金是缘于可伐合金的线胀系数与Al₂O₃陶瓷相近，做外壳以保护Al₂O₃陶瓷衬里，增加传感器复合管段的机械强度，且易于实现与被测管道的法兰连接，可伐合金对γ射线的线性吸收系数也小于钢材的线性吸收系数。

图1所示的γ源及准直器的Al₂O₃耐磨层3系与传感器复合管段Al₂O₃陶瓷衬里5由模具一体成型后高温烧结而成。肋片9是二者之间的连接部分。为减小由于γ射线源及准直器介入流场后造成的影响，可将横截面B-B处的通流面积设计成与被测管道的横截面积相等，这就使传感器Al₂O₃陶瓷衬里的内径D+ΔD略大于工艺管道的内径D，采用这种结构的好处还在于当Al₂O₃陶瓷内衬与可伐合金外壳配合出现松动时，被测管道与连接法兰15对传感器的Al₂O₃内衬5形成夹持，避免出现相对位移。传感器复合管段可伐合金外壳6通过法兰10、密封垫片11和被测管道12上的连接法兰15进行连接。

本发明的气力输送管道中煤粉体积浓度及相分布测量测量原理如图3所示。

在图3所示的测量系统连接示意图中，根据γ射线与物质间互相作用规律有下式成立：

$I_i\left(t\right)=I_0{e}^{{\mathrm{ux}}_i\left(t\right)}---\left(1\right)$

(1)式中，I₀为传感器复合管段中煤粉的浓度为0时到达γ射线探测阵列中第i个电离室内侧壁16(如图2所示)的γ射线的强度，I_i(t)为t时刻第i个电离室所对应测量空间内存在煤粉时到达该电离室内侧壁的γ射线强度，x_i(t)为t时刻第i个电离室7对应测量空间内煤粉的等效堆积厚度，μ为被测煤粉的线性吸收系数。并设煤粉的化学组分不变，同固相相比，输送空气对γ射线的衰减可以忽略。陶瓷衬里及可伐合金外壳厚度与线性吸收系数不变，则该电离室所对应测量空间在t时刻的煤粉体积浓度β_i(t)可表示为：

${\mathrm{\β}}_i=\frac{X_i\left(t\right)}{L}---\left(2\right)$

(2)式中，L为传感器Al₂O₃陶瓷衬里的内径R与γ点源及准直器的Al₂O₃陶瓷包壳外径r之差，即L＝R-r。

在t时刻，强度为I_i(t)的γ射线照射第i个电离室7，形成的电离电流由该电离室所配的静电计8成比例地转化成电压U_i(t)信号，且假定n(n＝16)个电离室及静电计的特性一致，有

I_i(t)＝K U_i(t)---------------------(3)

I₀(t)＝K U₀---------------------------(4)

(3)(4)式中，K为比例系数，U₀为传感器测量管内煤粉浓度为0时，γ射线探测器阵列中任一静电计的输出电压值。

由(1)(2)(3)(4)式求得β_i(t)与U_i(t)之间关系：

${\mathrm{\β}}_i\left(t\right)=\frac{1}{\mathrm{Lu}}\ln \frac{U_0}{U_i\left(t\right)}---\left(5\right)$

(5)式中，L、μ、U₀均为常数，U_i(t)与β_i(t)存在一一对应的关系，测出了U_i(t)后由(5)式可计算出β_i(t)。确定被测管道截面t时刻的煤粉浓度β(t)需要同时测出n(最佳实施例取n＝16)个γ射线探测器阵列静电计的输出电压。

U₁(t)、U₂(t)......U_i(t)......U₁₆(t)

由(5)式得到所对应的n(n＝16)个测量空间煤粉浓度

β₁(t)、β₂(t)).....β_i(t)......β₁₆(t)

β_i(t)序列即表征t时刻煤粉在被测管道横截面上的相分布；而U_i(t)(i＝1、2、3.....n)(n＝16)序列由相应的模数转换器成比例地转换为数字量，再由计算机(或工控机)系统(如图3所示的测量系统构成示意图)按(6)式计算出t时刻的测量管段内煤粉的体积浓度β(t)

$\mathrm{\β}\left(t\right)=\frac{1}{n}[{\mathrm{\β}}_1\left(t\right)+{\mathrm{\β}}_2\left(t\right)+......{\mathrm{\β}}_n\left(t\right)]---\left(6\right)$

或 $\mathrm{\β}\left(t\right)=\frac{1}{n}\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\β}}_i\left(t\right)$

还有一点要指出：γ源与准直器制造成一体，传感器在贮存、运输、检修期间，γ源及准直器被单独放置在特制的铅保护套中，现场安装时先将γ射线铅屏蔽层固定安装好后，由专业人员使用专用工具将γ源及准直器从铅保护套中取出再装入传感器内的Al₂O₃耐磨陶瓷包壳中，由Al₂O₃陶瓷底盖17(如图1所示)实现与壳体螺纹联接。将铅保护套取下后，γ源即进入到工作状态。

Claims (3)

1.一种气力输送管道中煤粉浓度及相分布的实时检测装置，由传感器复合管段、点状γ源及准直器、γ射线探测器阵列、γ射线屏蔽罩、模数转换器和计算机系统组成，其特征在于，所述检测装置的传感器A1₂O₃陶瓷衬里(5)与可伐合金外壳(6)复合成传感器复合管段，传感器复合管段通过传感器连接法兰(10)、密封垫片(11)连接到被测管道(12)上的连接法兰(15)；点状γ源(1)安装在传感器复合管段的轴线上，点状γ源(1)经准直器(2)的γ射线出射角是360°平面角，并使γ射线出射平面与传感器复合管段轴线垂直，γ射线探测器在传感器复合管段的可伐合金外壳(6)壁外布置成环形阵列，γ射线屏蔽罩(14)固定在γ射线探测器阵列的外围。

2.根据权利要求1所述气力输送管道中煤粉浓度及相分布的实时检测装置，其特征在于，所述γ射线探测器阵列为在传感器复合管段的可伐合金外壳(6)壁外用n个配静电计(8)的彼此相互独立的电离室(7)组成的阵列。

3.根据权利要求2所述气力输送管道中煤粉浓度及相分布的实时检测装置，其特征在于，传感器的测量空间(4)被无形分割成n个与传感器复合管段同轴的以Al₂O₃陶瓷衬里(5)内缘为外弧，以点状γ源准直器Al₂O₃耐磨陶瓷外壳(3)侧壁为内弧，具有相同扇形横截面的柱状空间微元，每个测量微元与一个配静电计(8)的电离室(7)相对应。

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