CN102759382B - 固体循环流率测量装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种固体循环流率的测量装置和方法，涉及固体传输技术，该装置由阀门、高低料位开关、计时装置、物料计量段和平衡管等部件组成。通过高低料位开关探测物料位置，将信号传递到计时装置，显示物料堆积时间，避免人工计时误差，显著提高测量准确性。本发明装置的物料计量段可以直接选取料腿中的一段，结构简单、操作方便。设置平衡管，可减少测量过程对系统运行的干扰，特别适宜用于对高固体循环流率装置的固体循环流率的测量，还能用于测量加压条件下固体循环流率。

Description

固体循环流率测量装置及方法

技术领域

本发明涉及能源和化工以及相关领域的固体传输技术领域，是一种常压及加压条件下固体循环流率测量装置和方法，适合于测量循环流化床锅炉、循环流化床气化炉等低固体循环流率装置的固体循环流率，更适合于测量密相输运床气化炉、流化催化裂化(FCC)、正丁烷氧化等高固体循环流率装置的固体循环流率。

技术背景

在循环流化床领域中，固体循环流率是一个非常重要的技术指标。目前常规的固体循环流率测量方法有：直接观察法、蝶阀测量法、伴床法等。

直接观察法：在透明测量段壁面安装标尺，观察示踪粒子在壁面通过一定距离所需要的时间，计算得到固体循环流率。直接观察法是以壁面颗粒的流动情况近似代替整个截面流动的情况。在测量段中心颗粒下落速度与壁面颗粒下落速度不同的情况下，该法测量不准确。其测量结果受固体颗粒在测量段的流动状态影响大。通过肉眼观察颗粒下落的方法人为误差大。

蝶阀测量法：在测量段(料腿)安装蝶阀，关闭蝶阀，测量物料堆积速度，计算得到固体循环流率。缺点是当固体循环流率较大，堆积速度很快，测量精度低，且蝶阀下方料腿压力降低，影响系统压力平衡。

伴床法：在旋风分离器下部设置一定高度的伴床作为测量段。在伴床上插入点处设置翻板阀，伴床底部设置阀门。通过切换翻板阀，来决定将物料导入料腿还是导入伴床。伴床计量段壁面设置标尺，加装可视段进行观察。每次测量时，先关闭伴床下部阀门，再开启翻板阀，将物料导入伴床，按动秒表开始计时，此时物料在伴床底部阀门上部堆积。一定时间后，关闭翻板阀，将物料导入料腿，同时再次按动秒表停止计时。打开伴床底部阀门，将堆积的物料重新导入系统进行循环。系统稳定后，准备下次测量。可以通过物料堆积的高度和计量的时间来计算固体循环流率。可见该测量方法需要独立增加物料计量段，结构复杂，增加改造成本和占地空间；该方法需要设置安装两个阀门，在测量时不断地切换阀门状态，操作复杂；在测量过程中，由于翻板阀将固体物料导向伴床，故翻板阀将旋风与料腿之间的通道切断，造成翻板阀下方料腿中的压力降低，系统压力平衡遭到破坏，实际固体循环流率发生变化，因而测量得到的固体循环流率与实际运行过程的固体循环流率有差别，测量不准确。当固体循环流率特别大的情况下(如＞300kg/(m².s))，测量操作对于系统压力平衡的影响更大，测量结果误差更大。此外，该方法采用秒表测量时间，人为误差大。通过人眼观察料腿堆积高度的方法，需要在物料计量段为可视段，难以在加压条件下进行工作。

对固体循环流率的测量，特别是高固体循环流率的测量，主要有以下四点要求：

第一，时间测量需要精确。当固体颗粒下落速度非常快(可达0.5m/s)，采用直接观察法测量随机误差和人为误差偏大。采用伴床法，每次测量时间非常短，一般不超过3s，常规的计时方法难以满足高时间精度的测量要求。(【金涌，流态化工程原理[M].清华大学出版社，2003，458】)

第二，测量的操作不能影响系统平衡。因为固体颗粒下落速度可高达0.5m/s，采用伴床法则直接造成翻板阀下部局部真空，影响系统压力平衡。例如专利ZL200810117401.X所示，该专利通过增加翻板阀下部立管直径在一定程度上减少真空度，但却使得系统变得庞大，需要占用更多的空间，增加系统存料量同时也提高了初装成本。

第三，适用于加压下固体循环流率的测量。同一测量装置应同时实现常压、加压状态下的测量。

第四，装置简单，操作快捷、方便。固体循环流率的测量装置，特别是高固体循环流率的测量装置，应该尽量减少测量操作的复杂程度，尽量简化测量操作步骤。

综上所述，无论是直接观察法、蝶阀法，还是伴床法，都难以满足固体循环流率尤其是高固体循环流率的测量要求。

发明内容

本发明的目的是公开一种固体循环流率测量装置及方法。该测量装置主要包括：阀门、高低料位开关、高低料位开关连线、物料计量段、平衡管和计时装置等，能克服上述固体循环流率测量方法和装置的明显不足，以满足常压、加压工况下固体循环流率特别是高固体循环流率的测量，能够减少甚至消除固体循环流率测量过程对系统平衡及实际运行固体循环流率的影响。且结构简单，操作方便；自动计时装置减少人工计时误差，在测量高循环流率的场合更具优势。

为实现上述目的，本发明的具体解决方案是：

一种固体循环流率测量装置，位于循环流化床的旋风分离器固体物料出口下方的料腿中；其包括阀门、低料位开关、低料位开关连线、高料位开关、高料位开关连线、物料计量段、平衡管和计时装置；其中，物料计量段上开口与料腿贯通，下开口与阀门相通，阀门下口与料腿相通；

平衡管包括竖直管和两段连接管，呈ㄈ形，竖直管与物料计量段平行设置，两段连接管分别连接于竖直管的上下口，并贯通；上连接管的另一端开口与物料计量段上部贯通固接，下连接管的另一端开口与阀门下方的料腿贯通固接；两段连接管分别与水平方向夹角大于物料堆积角；

物料计量段上部，在上连接管连接处下方、物料计量段管壁上设有高料位开关；物料计量段下部，在阀门上方、物料计量段管壁上设有低料位开关；低料位开关经低料位开关连线、高料位开关经高料位开关连线分别与计时装置电连接；

阀门与自控系统电连接。

所述的固体循环流率测量装置，其所述物料计量段直接选取料腿中的一段。

所述的固体循环流率测量装置，其所述高、低料位开关，固设在物料计量段管壁上时，与水平方向有0～90。的夹角；料位开关采用射频导纳料位开关、音叉料位开关、阻旋料位开关、电容料位开关、微波料位开关、红外料位开关或辐射式料位开关其中之一，或组合；高、低料位开关的安装角度，由料位开关的类型决定。

所述的固体循环流率测量装置，其所述阀门、物料计量段、平衡管采用有机玻璃制作，或采用金属材料制作，以在常压下或在加压下运行物料。

所述的固体循环流率测量装置，其所述阀门，为橡胶底衬蝶阀或球阀。

所述的固体循环流率测量装置，其所述计时装置，为计时装置、数据采集系统中的计时装置，或数据采集系统中的计时软件。

所述的固体循环流率测量装置，其所述计时装置或数据采集系统中的计时装置，阀门关闭后，当固体物料在物料计量段内堆积至低料位开关插入点时，低料位开关检测到固体物料，触发低料位开关闭合，同时输出信号，计时装置开始计时；当物料堆积至物料计量段的高料位开关的插入点时，高料位开关检测到固体物料，触发高料开关闭合，同时输出信号，计时装置停止计时，输出时间数据，阀门开启放行物料；

数据采集系统中的计时软件，数据采集系统实时测量高低料位开关输出的信号，在测量过程中，计时软件记录高、低料位开关闭合时发出两信号间的时间差，输出时间数据，利用时间长度来计算测量固体循环流率的时间。

所述的固体循环流率测量装置，其所述信号，为高、低电平，改变电路中的电阻、电容、电流、电压或脉冲频率其中之一，或几种的组合。

一种所述的固体循环流率测量装置的测量方法，其包括步骤：

步骤一：在料腿中设置固体循环流率测量装置的物料计量段；

步骤二：来自于旋风分离器的固体物料由下部输出口垂直下落，顺序经料腿、物料计量段、阀门、料腿后，输入返料器物料进口；

步骤三：关闭阀门，使固体物料在阀门上部堆积；

步骤四：当固体物料在物料计量段内堆积至低料位开关插入点时，低料位开关检测到固体物料，触发低料位开关闭合，输出信号，计时装置或软件开始计时；当物料堆积至物料计量段的高料位开关的插入点时，高料位开关检测到固体物料，触发高料开关闭合，输出信号，计时装置或软件停止计时，输出时间数据；

步骤五：计时装置或软件停止计时后，打开阀门，放行物料，同时将计时装置或软件清零，准备下次测量；

步骤六：根据步骤四测量的时间数据，计算物料堆积时间Δt，结合低料位开关和高料位开关之间的距离H、物料计量段的内径D、固体物料在物料计量段中的堆积密度ρ、提升管内径Dr，计算得固体循环流率Gs＝ρ(D/Dr)²H/Δt。

所述的测量方法，其所述信号，为高、低电平，改变电路中的电阻、电容、电流、电压或脉冲频率其中之一，或几种的组合。

相比现在广泛采用的循环流率测量装置，本发明的测量装置和方法有明显优势：

1)结构简单。相对伴床法本发明不用单独设置伴床作为物料计量段，直接替换料腿中的一段作为物料计量段即可满足测量要求，结构简单、改造方便。

2)操作方便。本发明公开的测量装置，只需操作一个阀门即可实现固体循环流率的测量。避免了伴床法切换蝶阀和翻板阀的缺陷。同时本发明计时采用料位开关与计时装置联动代替人工计时，操作方便。

3)测量准确。本发明采用料位开关检测物料位置，料位信号直接传到计时装置，计时装置读出物料堆积时间，无人为误差。

4)固体循环流率测量过程对系统运行影响小。本发明采用平衡管，在测量过程中不破坏系统压力平衡。专利ZL 200820200445.4，采用下行床截面内安装筛网的方式，虽然能够减少测量过程中压力平衡对测量的影响。但是，其结构复杂，占地大，施工不便，成本增加。

5)可在加压下应用。因为本发明采用料位开关进行测量，故不需要物料计量段是可视的，可以测量加压条件下不可见材质物料计量段中的物料堆积时间，进而计算固体循环流率。

本发明比现有测量装置和方法有着明显的优势，其有益效果是：该方法适合于固体循环流率的测量，且能够实现加压条件下固体循环流率测量，特别适合于高密度循环流化床等固体循环流率很大的情况。例如密相输运床气化、FCC、正丁烷氧化装置。相比其他测量装置和方法，本发明还具有结构简单、操作方便、测量误差小、测量过程对系统运行影响小等优点。

附图说明

图1是本发明一种固体循环流率测量装置的结构示意图；

图2是本发明一种固体循环流率测量装置的另一结构示意图；

图3是图1和图2的A部分中固体循环流率测量装置的结构放大示意图。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明进行进一步的详细说明：

实施例1：

图1是本发明一种固体循环流率测量装置的结构示意图。一个循环流化床主要由空压机1、提升管2、旋风分离器3、料腿4和返料器5组成。空压机1作为气源，主要提供3部分气：Q1、Q2和Q3。Q1作为提升管2的流化介质，Q2和Q3分别作为返料器5的流化气和松动气。Q1使得固体颗粒在提升管内流化并携带固体颗粒经过旋风分离器3，通过旋风分离器3的气固分离作用，固体颗粒由下灰斗排出进入料腿4，气体从旋风中心筒排出。Q2和Q3使得固体颗粒由料腿4经过返料器5进入提升管2，进行循环流动。提升管2内径为Dr，循环物料堆积角为35°。

在旋风分离器3以下3m处安装固体循环流率测量装置。图1中A部分为本发明的一种固体循环流率测量装置，图3是固体循环流率测量装置的结构放大示意图，包括阀门6、低料位开关7、低料位开关连线8、高料位开关11、高料位开关连线10、物料计量段12、平衡管13和计时装置9。低料位开关7和高料位开关11采用射频导纳料位开关。射频导纳开关安装角度大于循环物料堆积角，本例选取45°，如采用音叉料位开关、电容料位开关，可采用相同的安装方式；为保证一次测量堆积物料不影响系统运行的固体循环流率，高料位开关11在低料位开关7上方0.6m处安装，料位开关7、11使用常开触点，当固体物料在物料计量段12内堆积至低料位开关7插入点时，低料位开关7检测到固体物料，低料位开关7的电容发生突变，开关7闭合触发电子计时器9开始计时；同理，当固体物料在物料计量段12内堆积至高料位开关11插入点时，高料位开关11检测到固体物料，高料位开关11的电容发生突变，开关11闭合触发电子计时器9停止计时。

物料计量段12选取料腿4中的一段，其直径为D＝0.130m。

在物料计量段12中高料位开关11上方的管段和蝶阀6下方管段之间安装平衡管13，平衡管13分为竖直管13c和两段连接管13a、13b，两段连接管分别与物料计量段12高料位开关11上方管段与蝶阀6下方管段处连接，连接管13a、13b与水平面的上方夹角为45°，大于循环物料堆积角，防止被循环物料堵塞；平衡管13的直径为0.025m，满足在最大固体循环流率工况下工作时，蝶阀6关闭后蝶阀6下方管段压力不发生明显变化，平衡管连接管13a、13b采用有机玻璃管，竖直管13c采用橡胶管。

蝶阀6为橡胶底衬蝶阀，可保证关闭阀门时不漏料。

本发明的测量装置采用有机玻璃作为物料计量段12，不需要安装标尺，结构简单、操作方便，适用于在常压下测量固体循环流率。

本实施例的测量方法具体步骤如下：

步骤一：来自于旋风分离器3的固体物料由旋风分离器3下部经料腿4下落；

步骤二：关闭蝶阀6使得固体物料在蝶阀6上部堆积；

步骤三：当固体物料在物料计量段12内堆积至低料位开关7插入点时，低料位开关7检测到固体物料，低料位开关7的电容发生突变，开关7闭合触发电子计时器9开始计时；随着固体物料的堆积，料位逐渐升高，当固体物料在物料计量段12内堆积至高料位开关11插入点时，高料位开关11检测到固体物料，高料位开关11的电容发生突变，开关11闭合触发电子计时器9停止计时，得到物料堆积时间Δt；

步骤四：计时装置9停止计时后，打开蝶阀6，将计时装置9清零，准备下次测量；

步骤五：根据测量的物料堆积时间Δt，结合低料位开关7和高料位开关11之间的距离H、物料计量段12的内径D、固体物料在物料计量段12中的堆积密度ρ、提升管2内径Dr，计算得固体循环流率Gs＝ρ(D/Dr)²H/Δt。

实施例2：

图2是本发明一种固体循环流率测量装置的另一种结构示意图。一个循环流化床主要有空压机1、提升管2、旋风分离器3、料腿4、返料器5和鼓泡床或湍流床14组成。空压机1作为气源，主要提供3部分气分别为Q1、Q2和Q3。Q1作为提升管2的流化介质，Q2和Q3分别作为返料器5的返料风和鼓泡床或湍流床14的流化风。Q1使得固体颗粒在提升管内流化并携带固体颗粒经过旋风分离器3，通过旋风分离器3的气固分离作用，固体颗粒由旋风分离器3下端料腿4进入鼓泡床或湍流床14，气体从旋风中心筒排出。Q2和Q3使得固体颗粒由鼓泡床或湍流床14经过返料器5进入提升管2，进行循环流动。提升管2内径为Dr，循环物料堆积角为27°。

在旋风分离器3下端以下2.5m处安装固体循环流率测量装置。图3是图2的A部分中固体循环流率测量装置的结构放大示意图，包括阀门6、低料位开关7、低料位开关连线8、高料位开关11、高料位开关连线10、物料计量段12、平衡管13和数据采集系统9a。低料位开关7和高料位开关11采用辐射式伽马料位开关，也可以采用红外料位开关、微波料位开关、阻旋式料位开关，这些料位计可以水平安装；为保证一次测量堆积物料不影响系统运行固体循环流率，高料位开关11在低料位开关7上方H＝1m处安装，料位开关7、11使用常开触点，当固体物料在物料计量段12内堆积至低料位开关7的测量点时，低料位开关7检测到固体物料，低料位开关7闭合，输出高电平，数据采集系统9a采集高电平信号，触发计时软件开始计时；随着固体物料的堆积，料位逐渐升高，当高料位开关11检测到固体物料，高料位开关11闭合，输出高电平，数据采集系统9a采集到高电平信号，触发计时软件停止计时。

物料计量段12选取料腿4中的一段，其直径为D＝0.06m。

在物料计量段12中高料位开关11上方的管段和球阀6下方管段之间安装平衡管13，平衡管13分为竖直管13c和两段连接管13a、13b，两段连接管13a、13b分别与物料计量段12高料位开关11上方管段与球阀6下方管段处连接，连接管13a、13b与水平面的夹角为30°，大于循环物料堆积角，防止两段连接管被循环物料堵塞；平衡管连接管13a、13b和竖直管13c均选择金属管。

球阀6可保证关闭阀门时不漏料；

该测量装置的物料计量段12、平衡管13采用不透明的金属材料制作，不需要安装标尺，结构简单、操作方便，适用于在加压下测量固体循环流率。

本实施例测量方法的具体步骤如下：

步骤一：来自于旋风分离器3的固体物料由旋风分离器3下部经料腿4下落；

步骤二：关闭球阀6使得固体物料在球阀6上部堆积；

步骤三：当固体物料在物料计量段12内堆积至低料位开关7的测量点时，低料位开关7检测到固体物料，低料位开关7闭合，输出高电平，数据采集系统9a采集高电平信号，触发计时软件开始计时；随着固体物料的堆积，料位逐渐升高，当高料位开关11检测到固体物料，高料位开关11闭合，输出高电平，数据采集系统9a采集到高电平信号，触发计时软件停止计时。

步骤四：数据采集系统9停止计时后，打开球阀6，将数据采集系统9清零，准备下次测量；

步骤五：根据测量的物料堆积时间Δt，结合低料位开关7和高料位开关11之间的距离H、物料计量段12的内径D、固体物料在物料计量段12中的堆积密度ρ、提升管2内径Dr，计算得固体循环流率Gs＝ρ(D/Dr)²H/Δt。

上列详细说明是针对本发明可行实施例的具体说明，并非是限制本发明所进行的技术方案描述；因此凡是未脱离本发明的精神和范围的技术方案以及改进，均应包涵在本发明的权利要求保护范围当中。

Claims (8)

1.一种固体循环流率测量装置，位于循环流化床的旋风分离器固体物料出口下方的料腿中；其特征在于，包括阀门、低料位开关、低料位开关连线、高料位开关、高料位开关连线、物料计量段、平衡管和计时装置；其中，物料计量段上开口与料腿贯通，下开口与阀门相通，阀门下口与料腿相通；

平衡管安装于物料计量段中高料位开关上方的管段与蝶阀下方管段之间，平衡管包括竖直管和两段连接管，呈ㄈ形，竖直管与物料计量段平行设置，两段连接管分别连接于竖直管的上下口，并贯通；上连接管的另一端开口与物料计量段上部贯通固接，下连接管的另一端开口与阀门下方的料腿贯通固接；两段连接管分别与水平方向夹角大于物料堆积角，防止被循环物料堵塞；其中，平衡管连接管采用有机玻璃管，竖直管采用橡胶管，或者平衡管连接管和竖直管均采用金属管；

物料计量段上部，在上连接管连接处下方、物料计量段管壁上设有高料位开关；物料计量段下部，在阀门上方、物料计量段管壁上设有低料位开关；低料位开关经低料位开关连线、高料位开关经高料位开关连线分别与计时装置电连接；

阀门与自控系统电连接。

2.如权利要求1所述的固体循环流率测量装置，其特征在于：所述物料计量段直接选取料腿中的一段。

3.如权利要求1所述的固体循环流率测量装置，其特征在于：所述高、低料位开关，固设在物料计量段管壁上时，与水平方向有0～90°的夹角；料位开关采用射频导纳料位开关、音叉料位开关、阻旋料位开关、电容料位开关、微波料位开关、红外料位开关或辐射式料位开关其中之一，或组合；高、低料位开关的安装角度，由料位开关的类型决定。

4.如权利要求1所述的固体循环流率测量装置，其特征在于：所述阀门、物料计量段、平衡管采用有机玻璃制作，或采用金属材料制作，以在常压下或在加压下运行物料。

5.如权利要求1所述的固体循环流率测量装置，其特征在于：所述阀门，为橡胶底衬蝶阀或球阀。

6.如权利要求1所述的固体循环流率测量装置，其特征在于：所述计时装置，为计时装置、数据采集系统中的计时装置，或数据采集系统中的计时软件。

7.如权利要求1或6所述的固体循环流率测量装置，其特征在于：所述计时装置或数据采集系统中的计时装置，阀门关闭后，当固体物料在物料计量段内堆积至低料位开关插入点时，低料位开关检测到固体物料，触发低料位开关闭合，同时输出信号，计时装置开始计时；当物料堆积至物料计量段的高料位开关的插入点时，高料位开关检测到固体物料，触发高料开关闭合，同时输出信号，计时装置停止计时，输出时间数据，阀门开启放行物料；

数据采集系统中的计时软件，数据采集系统实时测量高低料位开关输出的信号，在测量过程中，计时软件记录高、低料位开关闭合时发出两信号间的时间差，输出时间数据，利用时间长度来计算测量固体循环流率的时间。

8.一种如权利要求1所述的固体循环流率测量装置的测量方法，其特征在于：包括步骤：

步骤一：在料腿中设置固体循环流率测量装置的物料计量段；

步骤二：来自于旋风分离器的固体物料由下部输出口垂直下落，顺序经料腿、物料计量段、阀门、料腿后，输入返料器物料进口；

步骤三：关闭阀门，使固体物料在阀门上部堆积；

步骤四：当固体物料在物料计量段内堆积至低料位开关插入点时，低料位开关检测到固体物料，触发低料位开关闭合，输出信号，计时装置或软件开始计时；当物料堆积至物料计量段的高料位开关的插入点时，高料位开关检测到固体物料，触发高料开关闭合，输出信号，计时装置或软件停止计时，输出时间数据；

步骤五：计时装置或软件停止计时后，打开阀门，放行物料，同时将计时装置或软件清零，准备下次测量；

步骤六：根据步骤四测量的时间数据，计算物料堆积时间Δt，结合低料位开关和高料位开关之间的距离H、物料计量段的内径D、固体物料在物料计量段中的堆积密度ρ、提升管内径Dr，计算得固体循环流率Gs＝ρ(D/Dr)²H/Δt。