CN104016136A

CN104016136A - 一种近等径球料管路气力输送卡球故障监测方法

Info

Publication number: CN104016136A
Application number: CN201410289231.9A
Authority: CN
Inventors: 都东; 刘洪冰; 邹怡蓉; 沈鹏; 贺阿亚达; 韩赞东; 张文增; 常保华; 袁朝龙
Original assignee: Tsinghua University
Current assignee: Tsinghua University
Priority date: 2014-06-24
Filing date: 2014-06-24
Publication date: 2014-09-03

Abstract

一种近等径球料管路气力输送卡球故障监测方法，属于物料气力输送技术领域。该方法在气力输送管路的入口和出口处安装两个压力变送器，用于实时监测气力输送管路入口和出口的气体压力，并将监测值实时传送给计算机。当发生卡球故障时，计算机根据监测到的压力值变化即可判断卡球故障的发生，并可根据监测到的压力-时间波形计算出发生卡球故障的具体位置及时间。该方法通过对气力输送管路的入口和出口的气体压力进行实时监测，实现了对卡球故障的及时监测及其位置的准确判断，能够满足近等径球料管路气力输送卡球故障监测的及时性和准确性要求。

Description

一种近等径球料管路气力输送卡球故障监测方法

技术领域

本发明属于物料气力输送技术领域，特别涉及一种近等径球料管路气力输送卡球故障监测方法。

背景技术

气力输送是一种具有广阔应用前景的物料输送技术，具有输送效率高、设备投资少和环境污染小等优点。近等径球料管路气力输送与传统的气力输送不同，其最大的特点是球料的直径和管路的内径非常接近。因此，在输送过程中，可能会由于球料的加工误差、管道的加工误差或变形、粉尘堆积等原因，导致球料在管道中突然卡住，无法输送。及时发现卡球故障并准确判断卡球位置具有重要意义。以球床模块化高温气冷堆为例，球床模块化高温气冷堆因具有固有安全性，被认为是第四代核反应堆的优选堆型。此堆型核燃料输送的最大特点是：依靠气力输送系统提供的气压推力或燃料元件自重实现球形燃料元件循环加料与卸料。在堆芯外部管路系统中，燃料元件在高速气流推动下从堆芯的底部运行至顶部。球料的直径和管道的内径非常接近，二者比值约为0.97。发生卡球故障时，系统必须及时发现卡球故障并准确判断卡球位置，以便操作员解决卡球故障。然而，由于气力输送管路长度较长且不透明，难以及时发现卡球故障，更无法判断卡球位置，这给燃料元件输送系统以及整个反应堆运行带来了安全隐患，可能会导致停堆事故发生甚至造成生命财产损失，为此需要设计一种可靠性高的能够及时监测到卡球故障并判断发生卡球故障的时间及位置的方法。

发明内容

本发明的目的是针对已有技术的不足之处，提供一种近等径球料管路气力输送卡球故障监测方法。该方法在气力输送管路的入口和出口处安装两个压力变送器，用于实时监测气力输送管路入口和出口的气体压力，并将监测值实时传送给计算机。当发生卡球故障时，计算机根据监测到的压力值变化即可判断卡球故障的发生，并可根据监测到的压力-时间波形计算出发生卡球故障的具体位置及时间。该方法通过对气力输送管路的入口和出口的气体压力进行实时监测，实现了对卡球故障的及时监测及其位置的准确判断，能够满足近等径球料管路气力输送卡球故障监测的及时性和准确性要求。

本发明的技术方案如下：

本发明提供的一种近等径球料管路气力输送卡球故障监测方法，该方法包括如下步骤：

1)在气力输送管路的入口处安装入口压力变送器，在气力输送管路的出口处安装出口压力变送器，在计算机中安装卡球故障监测程序；

2)当球料在输送时，入口压力变送器实时监测气力输送管路的入口处的气体压力值P₁，并将P₁实时传送给计算机，计算机根据P₁绘制出入口压力-时间波形；出口压力变送器实时监测气力输送管路的出口处的气体压力值P₂，并将P₂实时传送给计算机，计算机根据P₂绘制出出口压力-时间波形；

3)当P₁高于设定值P_s时，计算机即判断发生卡球故障并报警，其中P_s的具体数值由理论计算得到或实验测得；同时，计算机根据入口压力-时间波形和出口压力-时间波形，确定入口压力-时间波形的第一个极大值点所对应的时间t_s和出口压力-时间波形的第一个极小值点所对应的时间t_e，然后通过下式计算得到卡球故障发生的时间t_k及卡球位置距离气力输送管路入口的距离L_k：

\{\begin{matrix} L_{k} = \frac{v (t_{s} - t_{e}) + L}{2} \\ t_{k} = t_{s} - \frac{L_{k}}{v} \end{matrix}

其中，L为气力输送管路的长度，v为卡球位置点发出的激波在气力输送管路中的传播速度，通过理论计算得到或实验测得；其中，v的理论计算公式为

v = \sqrt{\frac{K / ρ}{1 + (\frac{KD}{Ee}) C}}

其中，K为气体的体积模量，ρ为气体密度，D为气力输送管路的内径，E为气力输送管路的弹性模量，e为气力输送管路的壁厚，C为气力输送管路的膨胀因数。

本发明提供的一种近等径球料管路气力输送卡球故障监测方法，其特征在于：所述的气力输送管路为水平、竖直或倾斜的任意空间走向。

该方法通过对气力输送管路的入口和出口的气体压力进行实时监测，实现了对卡球故障的及时监测及其位置的准确判断，能够满足近等径球料管路气力输送卡球故障监测的及时性和准确性要求。

附图说明

图1是本发明的一种近等径球料管路气力输送卡球故障监测方法的原理图。

图2是计算机中安装的卡球故障监测程序的运行流程图。

图3是当球料在距离气力输送管路入口处的距离为33.3m时，由仿真程序得到的入口和出口的压力-时间波形，其中气力输送管路的长度L＝47.2m。

在图1至图3中：

1－气力输送管路， 2－入口压力变送器， 3－出口压力变送器，

4－计算机， 5－球料，

a－未发生卡球故障时，气力输送管路入口处的压力-时间波形；

b－未发生卡球故障时，气力输送管路出口处的压力-时间波形；

c－发生卡球故障时，气力输送管路入口处的压力-时间波形的第一个极大值点，对应时间0.233s；

d－发生卡球故障时，气力输送管路出口处的压力-时间波形的第一个极小值点，对应时间0.213s；

e－发生卡球故障时，气力输送管路入口处的压力-时间波形；

f－发生卡球故障时，气力输送管路出口处的压力-时间波形。

具体实施方式

下面结合附图及实施例进一步详细介绍本发明的具体结构、工作原理的内容。

1)在气力输送管路1的入口处安装入口压力变送器2，在气力输送管路1的出口处安装出口压力变送器3，在计算机4中安装卡球故障监测程序；

2)当球料5在输送时，入口压力变送器2实时监测气力输送管路1的入口处的气体压力值P₁，并将P₁实时传送给计算机4，计算机根据P₁绘制出入口压力-时间波形；出口压力变送器3实时监测气力输送管路1的出口处的气体压力值P₂，并将P₂实时传送给计算机4，计算机4根据P₂绘制出出口压力-时间波形；

3)当P₁高于设定值P_s时，计算机即判断发生卡球故障并报警，其中P_s的具体数值由理论计算得到或实验测得；同时，计算机根据入口压力-时间波形和出口压力-时间波形，确定入口压力-时间波形的第一个极大值点c所对应的时间t_s和出口压力-时间波形的第一个极小值点d所对应的时间t_e，然后通过下式计算得到卡球故障发生的时间t_k及卡球位置距离气力输送管路1入口的距离L_k：

\{\begin{matrix} L_{k} = \frac{v (t_{s} - t_{e}) + L}{2} \\ t_{k} = t_{s} - \frac{L_{k}}{v} \end{matrix}

其中，L为气力输送管路1的长度，v为卡球位置点发出的激波在气力输送管路1中的传播速度，通过理论计算得到或实验测得；其中，v的理论计算公式为

v = \sqrt{\frac{K / ρ}{1 + (\frac{KD}{Ee}) C}}

其中，K为气体的体积模量，ρ为气体的密度，D为气力输送管路1的内径，E为气力输送管路1的弹性模量，e为气力输送管路1的壁厚，C为气力输送管路1的膨胀因数。

本实施例中，P_s通过仿真实验得到，仿真步骤包括：利用Gambit软件，建立球料5卡在气力输送管路1中的模型并划分网格，随后利用Fluent软件进行仿真，设置输送气体压力为7.025Mpa，仿真得到发生卡球故障时气力输送管路1的入口处的气体压力为7.059Mpa，因此设置P_s为7.040Mpa；L为设计值，数值为47.2m；v通过理论公式计算得到，数值为1073.1m/s。

本发明提供的一种近等径球料管路气力输送卡球故障监测方法，其特征在于：所述的气力输送管路1为水平、竖直或倾斜的任意空间走向。

结合图2所示的卡球故障监测程序的运行流程和图3所示的入口和出口压力-时间波形说明其工作原理：

当系统正常运行时，入口压力变送器2监测气力输送管路1的入口处的气体压力，出口压力变送器3监测气力输送管路1的出口处的气体压力，入口和出口处的压力-时间波形如图3所示，波形接近直线。当球料5卡在气力输送管路1中的某处时，入口处气体压力会迅速升高，当入口处气体压力高于P_s时，系统报警，提示发生卡球事故。此外，卡球处的气体压力会产生突然的阶跃。根据波动理论，该压力的突变会产生激波，该激波分别向气力输送管路1的两端传播。气力输送管路1的入口处和出口处的压力-时间波形是由卡球位置点发出的激波与其在气力输送管路1中的多次反射波进行叠加后得到的结果。入口处压力-时间波形的第一个极大值点c所对应的时间为激波首次到达气力输送管路1的入口处的时间，出口处压力-时间波形的第一个极小值点d所对应的时间为激波首次到达气力输送管路1的出口处的时间。结合气力输送管路1中压力波的传播速度，可以计算出发生卡球的位置和时间：

\{\begin{matrix} L_{k} = \frac{v (t_{s} - t_{e}) + L}{2} \\ t_{k} = t_{s} - \frac{L_{k}}{v} \end{matrix}

将图3中的仿真结果带入公式，计算得到L_k＝34.3m，t_k＝0.201s。L_k与实际值的误差约为3.1％，定位精度在1m左右。

该方法通过对气力输送管路1的入口和出口的气体压力进行实时监测，实现了对卡球故障的及时监测及其位置的准确判断，能够满足近等径球料管路气力输送卡球故障监测的及时性和准确性要求。

Claims

1.一种近等径球料管路气力输送卡球故障监测方法，该方法包括如下步骤：

1)在气力输送管路(1)的入口处安装入口压力变送器(2)，在气力输送管路的出口处安装出口压力变送器(3)，在计算机(4)中安装卡球故障监测程序；

2)当球料(5)在输送时，入口压力变送器实时监测气力输送管路的入口处的气体压力值P₁，并将P₁实时传送给计算机，计算机根据P₁绘制出入口压力-时间波形；出口压力变送器实时监测气力输送管路的出口处的气体压力值P₂，并将P₂实时传送给计算机，计算机根据P₂绘制出出口压力-时间波形；

\{\begin{matrix} L_{k} = \frac{v (t_{s} - t_{e}) + L}{2} \\ t_{k} = t_{s} - \frac{L_{k}}{v} \end{matrix}

v = \sqrt{\frac{K / ρ}{1 + (\frac{KD}{Ee}) C}}

2.如权利要求1所述的一种近等径球料管路气力输送卡球故障监测方法，其特征在于：所述的气力输送管路为水平、竖直或倾斜的任意空间走向。