CN104776990A - 一种煤化工专用控制阀流场测量系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及煤化工专用控制阀的检测设备，尤其是一种煤化工专用控制阀流场测量系统。其特点是：包括用于模拟实际工作状态下的控制阀内流场的流场模拟单元，为该流场模拟单元提供照明的光源单元，以及对该流场模拟单元被测量区域进行拍摄的图像处理单元。本发明的有益效果在于：(1)测量过程的操作和处理简单便捷、控制方式易操作、适用范围广；(2)测量结果直观，可以清晰的反应煤化工专用控制阀内流场压力、速度矢量、涡量的分布；(3)通过对测量结果的分析，结合Preston磨削经验公式，可以对控制阀内易消耗磨损的区域进行预测，为控制阀表面的强化技术提供技术支持。
Description
技术领域
本发明涉及煤化工专用控制阀的检测设备，尤其是一种煤化工专用控制阀流场测量系统。
背景技术
随着我国生产力各方面的持续发展，能源需求与日俱增，尤其石油、天然气更是供不应求。而我国是一个多煤缺油少气的国家，不论从市场角度还是国家能源安全角度，都需要鼓励煤化工技术的高效利用。目前，我国的煤化工行业都面临着一个问题：煤化工核心技术的自主创新不够。现在绝大部分的煤化工核心技术和装备均是从外国大量进口。随着我国煤化工产业迅猛发展，外国能源巨头已经深度介入中国煤化工产业，所以，打破跨国公司技术封锁，加快培育具有自主知识产权的煤化工核心技术，将是发展自主煤化工产业的根本途径。
在煤化工行业中，专用控制阀的应用场合十分广泛，包括煤粉(浆)在转化为气、液、固等状态时的煤粉输送系统；对煤粉加工后所产生废水进行处理的废水(黑水)处理系统；以及对加工过所剩余的废弃煤渣进行排放的废渣排渣系统等等，在这些环节中都需要使用煤化工专用阀。但是由于煤化工控制阀工作环境的特殊性，加上控制阀的使用频率较高，使得煤化工控制阀的使用寿命较低。
造成煤化工专用控制阀寿命低的主要因素是由于阀内存在复杂的流场，其特点主要是：(1)阀内流场为多相流流场；(2)阀内流体为高温、高压流体；(3)阀内流体存在腐蚀性。所以，为了提高我国自主研发煤化工专用控制阀的核心竞争力，就需要对控制阀的产品质量进行提升，进一步增强自主研发控制阀的产品稳定性，提高产品使用寿命。而为了实现这个目标，有针对性的进行产品研发，需要对不同使用环境的控制阀的内部流场进行准确测量。
发明内容
本发明的目的是提供一种煤化工专用控制阀流场测量系统，能够实现对煤化工专用控制阀内流场的精确测量，能够观察阀内流体分布状态、便于试验操作和处理。
一种煤化工专用控制阀流场测量系统，其特别之处在于：包括用于模拟实际工作状态下的控制阀内流场的流场模拟单元，为该流场模拟单元提供照明的光源单元，以及对该流场模拟单元被测量区域进行拍摄的图像处理单元。
其中流场模拟单元包括控制阀模型，该控制阀模型的入口通过入口管路与水泵的出口连通，而该水泵的入口通过管道与流体储存箱的出口连通，该流体储存箱的进口则通过管道与前述控制阀模型的出口连通。
其中在流体储存箱内设有搅拌装置。
其中控制阀模型是采用有机玻璃材料的与控制阀1：1等比例仿制的模型。
其中在控制阀模型上方安装有光源单元，而在控制阀模型前方设有高速摄像机。
其中光源单元由组合透镜和激光发生器组成，该组合透镜置于激光发生器和控制阀模型之间，从而使激光发生器发出的激光射线通过组合透镜形成均匀厚度的片光源。
其中组合透镜由三只垂直排列的圆柱体形状凹透镜组成。
其中组合透镜安装在控制阀模型上方的可移动支架上。
其中图像处理单元包括安装在摄像控制机构上的高速高清摄像机。
其中高速高清摄像机与内窥镜头连接，该内窥镜头伸入控制阀模型内部。
其中还包括与高速高清摄像机连接的计算机后端处理装置，该计算机后端处理装置采用计算机从而对采集到的图像信息进行后端处理、分析以便于得到流场测量结果。
本发明的有益效果在于：(1)测量过程的操作和处理简单便捷、控制方式易操作、适用范围广；(2)测量结果直观，可以清晰的反应煤化工专用控制阀内流场压力、速度矢量、涡量的分布；(3)通过对测量结果的分析，结合Preston磨削经验公式，可以对控制阀内易消耗磨损的区域进行预测，为控制阀表面的强化技术提供技术支持。
附图说明
图1是本发明的逻辑原理框图；
图2是本发明的流场模拟单元示意图；
图3是本发明互相关运算流程图；
图4是本发明的测量过程流程图。
具体实施方式
如图1、2所示，本发明提供了一种煤化工专用控制阀流场测量系统，包括用于模拟实际工作状态下的控制阀内流场的流场模拟单元，为该流场模拟单元提供照明的光源单元，以及对该流场模拟单元被测量区域进行拍摄的图像处理单元。
其中流场模拟单元包括控制阀模型，该控制阀模型的入口通过入口管路与水泵的出口连通，而该水泵的入口通过管道与流体储存箱的出口连通，该流体储存箱的进口则通过管道与前述控制阀模型的出口连通。其中在流体储存箱内设有搅拌装置。其中控制阀模型是采用有机玻璃材料的与控制阀1：1等比例仿制的模型。其中在控制阀模型上方安装有光源单元，而在控制阀模型前方设有高速摄像机。
其中光源单元由组合透镜和激光发生器组成，该组合透镜置于激光发生器和控制阀模型之间，从而使激光发生器发出的激光射线通过组合透镜形成均匀厚度的片光源。其中组合透镜由三只垂直排列的圆柱体形状凹透镜组成。其中组合透镜安装在控制阀模型上方的可移动支架上。
其中图像处理单元包括安装在摄像控制机构上的高速高清摄像机。其中高速高清摄像机与内窥镜头连接，该内窥镜头伸入流场模拟单元内部。其中还包括与高速高清摄像机连接的计算机后端处理装置，该计算机后端处理装置采用计算机从而对采集到的图像信息进行后端处理、分析以便于得到流场测量结果。该内窥镜其作用在于：能够进入控制阀内部进行流场拍摄，以获得准确、真实的流场特性图像。该算机后端处理装置具体可采用安装有WIN7操作系统的PC进行计算处理。
本发明的煤化工专用控制阀流场测量系统中涉及了煤化工专用控制阀内流场的显示和观测方法，通过对相似与模化理论的研究，利用模化方法对煤化工专用控制阀流场进行放大建模。模化方法是工程领域中一种重要的分析方法，该方法以相似理论为基础，当所研究对象比较复杂性或受到研究条件的限制，靠常规试验、数学模拟等办法难以进行研究时，就需要采用模化方法来进行研究。
本发明中所涉及的煤化工专用控制阀内流场可以采用如下模化方法进行放大建模。
煤化工专用控制阀内流体是由煤粉、水、蒸汽组成的固、液、气多相流体，为了研究多相流在阀内对阀体的磨损机理，需要对多相流流场的运动规律进行研究分析。
根据相似理论，具备单值条件相似，且由单值条件中的物理量组成的相似准则对应同类物理现象所衍生出来的现象必定相似。但是一旦模化的所有相似准则全部对应相等，就等于试验和实际条件完全相同，等同于没有模化。因此，实际模化总是根据研究对象寻求主要的、对全局起决定性作用的因素，将次要的、起局部作用的因素忽略不计。
为了简化分析，将气、液两相可近似视为连续相，而固相则视为离散相，这样就可以把阀内流体简化为二相流来进行研究。根据控制阀内流场的特征可知，流体为不可压缩流体，故控制方程可以采用欧拉(Euler)多相流模型方程.欧拉模型的守恒方程由质量、动量和能量守恒方程组成.以第i相为例：
i相的质量守恒方程为：
i相的动量守恒方程为：
式中：αi------体积分数；
ρi------第i相的流体密度；
vi------第i相的速度；
------从第i相到第j相的质量传递；
------i、j两相之间的相互作用力；
p------所有相共同受到的压力；
------i、j两相之间的速度；
------外部体积力；
------i相作用于j相的升力，
------i相粒子对j相加速粒子施加的虚拟质量力，
------压力应变张量，
λi------流体黏度。
对控制阀中流体运动产生影响的条件包括：
1.几何条件------控制阀的尺寸d及长度l，高度h。
2.物理条件------阀内流体的粘度μ＝fu(t)。
3.边界条件------入口及出口处流速、压力及温度的分布规律及其随时间的变化规律。
4.起始条件------起始时刻各未知量的数值。
5.固相尺寸δ。
6.固相密度ρ'。
7.入口处固相的分布规律。
8.入口及出口处固液两相相速度比，表述为w'＝kw”。
基于模化理论，对控制阀内流场进行模拟，为使模拟中固相运动轨迹与实际阀内流动等效，可根据实际工程中控制阀数据：如几何尺寸、阀内流体密度及粘度、流速、阻力、固相物理参数等来进行控制阀模型的设计，选择适合的模型尺寸和微粒，以便于控制阀内多相流流场的测量。为便于观测，通过模型换算选取水和阳离子交换树脂颗粒(2000目)模拟控制阀内的固液两相流。
将模化方法应用于本发明的测量系统中对煤化工控制阀的流场测量，能较好地对阀内流场固相的分布和运动状态进行观测。
下面结合附图对本发明的测量系统作进一步描述。
参照图1、2，本发明提供了一种煤化工专用控制阀流场测量系统，所述煤化工专用控制阀流场测量系统包括流场模拟单元、光源单元和图像处理单元，所述流场模拟单元包括水泵11、驱动(控制)电机12、流体储存箱13、搅拌装置14、(全视野)控制阀模型17和出口管路16以及入口管路18；所述光源单元包括激光发生器和组合透镜；所述图像处理单元包括高速高清摄像机、计算机后端处理装置和摄像控制机构。
其中在流体储存箱13中安装有水泵11，其作用是将储存箱中的流体15以高速高压的状态射入控制阀模型17，以模拟实际工作状态下的控制阀内流场；所述水泵11出口连接管路，并由驱动电机12提供动力；所述管路与全视野控制阀模型17相连，包括有入口管路18和出口管路16；所述入口管路18，一端与水泵11出口相连，另一端与控制阀模型17入口相连；所述出口管路16，一端与控制阀模型17出口相连，另一端接入流体储存箱13中，所述全视野控制阀模型17上方安装所述光源单元。
进一步，所述流体储存箱13内设有搅拌装置14，所述搅拌装置14其主要作用在于，通过搅拌作用使固液两相流15能均匀进入控制阀模型17中，充分模拟控制阀中实际流场特征；所述搅拌装置14由驱动电机12提供动力。
进一步，所述有全视野控制阀模型17，采用有机玻璃作为主体材料进行控制阀1：1等比例仿制；其入口连接入口管路18，与水泵11相连；其出口连接出口管路16，与流体储存箱13相连；其上方安装有光源单元，对模型内部提供片光源；其前方设有高速摄像机，用来捕捉模型内部的流场特征。
所述光源单元安装于全视野控制阀模型17上方，包括有组合透镜和激光发生器。所述组合透镜由一组圆柱体形状的凹透镜组成，并置于所述激光发生器和所述控制阀模型17之间，所述激光发生器发出激光射线，通过所述组合透镜形成具有2000流明均匀厚度的片光源，通过对组合透镜进行调节，可改变片光源的光照厚度和辐射面积。
进一步，所述2000流明的均匀厚度的片光源，在所述全视野控制阀模型17上形成断面，当模型内存在固液两相流流场时，通过片光源使得被测量的局部流场照亮，以便高速摄像机对其进行拍摄。
进一步，所述光源单元安装在全视野控制阀模型17上方的可移动支架上，通过对所述支架的调节，可以实现对所述控制阀模型17不同区域的照射，从而实现对全部控制阀流场的测量。
所述高清高速摄像机可与内窥镜配套使用，所述内窥镜能够对控制阀流场的被测量区域进行50倍放大，所述计算后端处理系统通过摄像机控制系统与所述高清高速摄像机连接，所述高清高速摄像机安装于所述摄像控制机构上，所述摄像控制机构对摄像机的横向旋转方向和纵向旋转角度进行控制。
进一步，所述全视野控制阀模型17位于所述高清高速摄像机的视角范围内，所述高清高速摄像机可对曝光时间、拍摄频率、快门时间进行设定，并对所述有全视野控制阀模型17片光源照明范围内的固液两相流流场进行采集、储存，所述计算机后端处理装置对所储存的图像信息进行后端处理、分析，得到流场测量结果。
本发明基于相似原理，通过建立控制阀内流场的微分方程以及相关边界条件，得到相似准则；当实际与模拟条件相似，且对应物理量构成的相似准则相等时，控制阀流场模型中的流场能够与实际使用中控制阀内流场相似。
本发明的使用方法和工作原理是：
首先将一定固液两相流15置于流体储存箱13内，启动搅拌装置14使流体中固、液两相均匀分布；启动驱动电机12，驱动水泵11将固液两相流15通过入口管路18进入全视野控制阀模型17中，固液两相流流经控制阀模型后，通过出口管路16返回流体储存箱13中，上述过程完成对控制阀实际工作环境的模拟；将内窥镜头安装至高清高速摄像机上，调节拍摄频率、曝光时间等拍摄参数，对内窥镜头进行手动调焦，直至获得清晰的流场图像；使光源单元和图像处理单元处于工作状态，将光源单元中的激光发生装置和组合透镜调制至被测量的流场区域上方，启动激光发生装置，所发出激光通过组合透镜，使其产生2000流明均匀厚度的片光源，照亮被测量的流场；启动图像捕获功能，由摄像机控制系统控制摄像机的图像连续捕获，并实时保存至计算机处理系统的处理器内，计算机后端处理装置在对图像经过剪裁、降噪、互相关运算等处理后，将固相特征提取出来，实现对整个流场涡量、速度和压力的测量，互相关计算流程图如图所示。通过对阀内流场的速度、压力的观测，结合Preston磨削经验公式，能够对控制阀内易消耗磨损的区域进行预测，为控制阀表面的强化技术提供技术支持。
Claims (11)
1.一种煤化工专用控制阀流场测量系统，其特征在于：包括用于模拟实际工作状态下的控制阀内流场的流场模拟单元，为该流场模拟单元提供照明的光源单元，以及对该流场模拟单元被测量区域进行拍摄的图像处理单元。
2.如权利要求1所述的一种煤化工专用控制阀流场测量系统，其特征在于：其中流场模拟单元包括控制阀模型(17)，该控制阀模型(17)的入口通过入口管路(18)与水泵(11)的出口连通，而该水泵(11)的入口通过管道与流体储存箱(13)的出口连通，该流体储存箱(13)的进口则通过管道与前述控制阀模型(17)的出口连通。
3.如权利要求2所述的一种煤化工专用控制阀流场测量系统，其特征在于：其中在流体储存箱(13)内设有搅拌装置(14)。
4.如权利要求2所述的一种煤化工专用控制阀流场测量系统，其特征在于：其中控制阀模型(17)是采用有机玻璃材料的与控制阀1：1等比例仿制的模型。
5.如权利要求2所述的一种煤化工专用控制阀流场测量系统，其特征在于：其中在控制阀模型(17)上方安装有光源单元，而在控制阀模型(17)前方设有高速摄像机。
6.如权利要求2所述的一种煤化工专用控制阀流场测量系统，其特征在于：其中光源单元由组合透镜和激光发生器组成，该组合透镜置于激光发生器和控制阀模型(17)之间，从而使激光发生器发出的激光射线通过组合透镜形成均匀厚度的片光源。
7.如权利要求6所述的一种煤化工专用控制阀流场测量系统，其特征在于：其中组合透镜由三只垂直排列的圆柱体形状凹透镜组成。
8.如权利要求6所述的一种煤化工专用控制阀流场测量系统，其特征在于：其中组合透镜安装在控制阀模型(17)上方的可移动支架上。
9.如权利要求2所述的一种煤化工专用控制阀流场测量系统，其特征在于：其中图像处理单元包括安装在摄像控制机构上的高速高清摄像机。
10.如权利要求9所述的一种煤化工专用控制阀流场测量系统，其特征在于：其中高速高清摄像机与内窥镜头连接，该内窥镜头伸入控制阀模型(17)内部。
11.如权利要求9所述的一种煤化工专用控制阀流场测量系统，其特征在于：其中还包括与高速高清摄像机连接的计算机后端处理装置，该计算机后端处理装置采用计算机从而对采集到的图像信息进行后端处理、分析以便于得到流场测量结果。
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