CN112986068A - 一种气固两相流中多个颗粒运行特性同步在线测量方法 - Google Patents
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Abstract
一种气固两相流中多个颗粒轨迹同步在线测量方法，包括：步骤1：建立气固两相流在线测量系统；步骤2：在线示踪颗粒电子标签制作；步骤3：对示踪颗粒进行编码，制作多个在线示踪颗粒；步骤4：气固两相流试验台运行，将多个一定数量的示踪颗粒与床料均匀混合加入气固两相流冷态试验台系统中；步骤5：气固两相流中多个颗粒示踪轨迹同步高频读取；步骤6：多个颗粒高频读取器信号数据传输与处理，通过该数据实时获取各示踪颗粒在循环流化床系统所处的具体位置；步骤7：多颗粒轨迹监测。本发明实现了对于气固两相流循环流化床冷态试验台系统内多颗粒运动位置、轨迹、速度和停留时间等的运动特性参数实时在线测量。
Description
技术领域
本发明属于能源清洁和高效利用领域，涉及气固两相流中多个颗粒轨迹同步在线测量方法，特别是循环流化床冷态试验系统中多颗粒轨迹的同步在线测量方法，适用于在线测量循环流化床冷态试验台内多颗粒位置、多颗粒运动轨迹和其运动特性。
背景技术
气固两相流系统、特别是气固两相循环流化床在催化裂化、煤燃烧、煤气化、化学链燃烧/气化等工业上有着广泛应用。循环流化床的科学研究、工程设计和工业应用中，都需要掌握不同操作参数下床内固体颗粒的运动规律。循环流化床颗粒运动规律的掌握，是认识气固反应器中气固间的化学反应、传热传质机理的关键，对流化床反应器设计、运行和结构参数都优化具有重要的意义。
循环流化床中固体颗粒运动的在线测量一直以来都是国际性难题，目前没有一种方法可以完全实现对流场无干扰、三维、实时、准确和安全测量。以往的循环流化床颗粒运动的测量方法包括示踪法、摄影图像测速法、激光测速法等等，其中示踪法较为常用，即在流化床内掺入一定数量具有特殊标记的示踪颗粒，然后通过仪器跟踪或捕获示踪颗粒的运动。过去几十年里，国内外研究者发明了热颗粒示踪、磷光颗粒示踪、染色颗粒示踪、磁性颗粒示踪和放射性颗粒示踪等测量颗粒运动的示踪方法，也有部分学者创造性地采用了电容层析成像(ETC)技术进行示踪。但这些示踪方法都存在一个关键问题：无法实时在线辨识各示踪颗粒，无法实现实时在线得到颗粒运动结果，仅能够反映反应器内的整体流动运动情况。
发明内容
本发明要克服现有技术的上述缺点，提出一种气固两相流系统中多个颗粒轨迹的在线测量方法。
本发明针对气固两相流中，特别是循环流化床冷态试验系统气固两相流中的固体颗粒的运动轨迹，提出一种可实时识别跟踪多个不同固体颗粒的在线测量方法。本发明结合气固两相流循环流化床冷态试验系统运行特点和射频识别技术，提出利用电子标签制作示踪颗粒，通过布置在循环流化床冷态试验系统各部位的射频天线、高频读取器对示踪颗粒进行读取并记录颗粒编码、读取时间以及读取器位置，通过数据处理，实现对于气固两相流循环流化床冷态试验系统内多颗粒运动特性参数包括位置、轨迹和速度等的实时在线监测。
本发明提出了一种气固两相流循环流化床冷态试验系统多颗粒轨迹的在线测量方法，其特征在于利用射频识别技术对系统内固体颗粒进行在线识别追踪。
气固两相流循环流化床冷态试验系统内固体颗粒运动特性的在线测量方法的步骤如下：
步骤1：建立气固两相流在线测量系统。搭建或确定气固两相流冷态试验系统台，在固体颗粒循环系统各主要部件外侧预定的测量位置设置射频天线和高频读取器，包括上升管(密相区、稀相区)、旋风分离器、固体颗粒下降管、返料机构、固体颗粒回送管等部件结构。各测点高频读取器与数据处理系统相连，通过数据处理系统对数据进行处理。
步骤2：制作在线示踪颗粒电子标签。电子标签是内部嵌加密控制逻辑和通讯逻辑电路的记录媒体。采用封装、粘贴以及镶嵌等方式将小型电子标签制作成可以在气固两相流试验系统内随床料自由运动的示踪颗粒，要求示踪颗粒能较好地类比床内气固颗粒的运动特性。制成的示踪颗粒电子标签信号良好。
步骤3：对示踪颗粒进行编码。作为示踪颗粒组成部分的电子标签具有存储多位数字编码的能力，通过预先利用读写设备将独立的数字编码赋予示踪颗粒，实现对各示踪颗粒的区分。
步骤4：运行气固两相流试验台。将多个一定数量的示踪颗粒与床料均匀混合加入气固两相流冷态试验台系统中，调节各工作参数使的系统处于稳定运行工况下。
步骤5：同步高频读取气固两相流中多个颗粒示踪轨迹。当示踪颗粒通过射频天线覆盖区域时，射频天线在高频读取器的指令下发射特定频率加密无线电波，当示踪颗粒进入射频天线的读取范围时，示踪颗粒内部电子标签接受到射频天线发射的无线电波后，内部产生射频信号并同时将存储的多位数字编码反馈给射频天线，最终传输给高频读取器进行记录。
步骤6：传输与处理多个颗粒高频读取器信号数据。高频读取器将一定时间内读取到的示踪颗粒信号以数据的形式传输给数据处理系统，数据结构包括：射频天线编号，所读取到的多位数字编码，读取时间。通过该数据可以实时获取各示踪颗粒在循环流化床系统所处的具体位置。
步骤7：监测多颗粒轨迹。通过对高频读取器传输至数据处理系统的数据处理，可以得到各个时间节点各示踪颗粒在气固循环流化床系统所处的具体位置。将同一多位编码的信号依照时间顺序进行处理可以得到特定颗粒随时间变化在气固亮相流系统中的位置变化，进一步可以得到特定颗粒的实时运动特性参数，包括轨迹、区段停留时间、速度等。同时处理多个编码数据可以得到多个示踪颗粒在气固两相流系统中的实时运动轨迹。
步骤7所述的数据处理具体包括：
数据处理系统获得由各高频读取器发送的数据，数据结构包括示踪颗粒编码、读取器编号以及读取时间；
检测实时颗粒位置：数据处理系统根据示踪颗粒编码对各组数据进行区分，依照读取器编码获得在不同时间点具体示踪颗粒所经过的高频读取器的具体位置，通过实时显示数据处理结果可以实现多示踪颗粒的实时位置检测与显示；
获得颗粒轨迹：数据处理系统对于各组数据根据读取时间进行排序，并根据读取器编号进行定位，可以得到多示踪颗粒的运动轨迹；
获得颗粒在各区段停留时间：通过数据处理系统对已获得的颗粒轨迹进行处理，通过同一示踪颗粒通过相邻高频读取器布置节点的时间差可以获得区段停留时间；
获得颗粒在各区段的平均速度：通过实际测量得到的相邻高频读取器节点高度之差，结合颗粒在各区段停留时间，可以获得区段内具体颗粒平均运动速度。
优选地，步骤1中，气固两相流系统为气固两相流的冷态循环系统，包括上升管(密相区、稀相区)、旋风分离器、固体颗粒下降管、返料机构、固体颗粒回送管等部件结构，其中上升管可以是单上升管如循环流化床冷态试验系统，双上升管和多上升管系统，材质对电信号不产生隔离作用，如有机玻璃。
优选地，步骤1中，各高频读取器设置测点为上升管(密相区、稀相区)、旋风分离器、固体颗粒下降管、返料机构、固体颗粒回送管等部件结构。
优选地，步骤2中，具有电子标签的示踪颗粒直径为0.5mm-15mm。
优选地，示踪颗粒的制作方式采用封装、粘贴或镶嵌，其密度控制在25-3000kg/m3。
优选地，步骤6中，高频读取器传输数据由射频天线编号，所读取到的多位数字编码，读取时间3部分组成。
优选地，步骤7中，多颗粒轨迹、区段停留时间、速度等信息的获取由数据处理终端处理高频读取器所传输的数据采用所述具体方法获得。
与现有技术相比，本发明的优点是：
通过射频识别技术，可实时识别跟踪多个不同固体颗粒在气固两相流中的在线测量，实现对于气固两相流循环流化床冷态试验台系统内多颗粒运动位置、轨迹、速度和停留时间等的运动特性参数实时在线测量。
附图说明
图1是实施本发明方法的系统布置图。
图2是本发明方法的主要测试单元原理示意图。
图3是本发明方法使用的嵌入式示踪颗粒结构示意图。
以上图中有：循环流化床主体1、循环流化床反应器2、循环流化床旋风分离器3、循环流化床旋风分离器下降管4、循环流化床返料机构5、循环流化床返料管6、密相区底部高频读取器7、密相区顶部高频读取器8、稀相区中段高频读取器9、稀相区顶部高频读取器10、分离器入口高频读取器11、分离器出口高频读取器12、返料机构高频读取器13、返料管出口高频读取器14、数据处理系统15、循环流化床内示踪颗粒16、射频天线17、频率产生器、调制电路以及微处理器整合装置18、数据处理系统19、示踪颗粒内置电子标签20、示踪颗粒硬质壳体21。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。
下面参照图1、图2以及图3具体说明本发明的技术路线和目标的实现：
步骤1：建立气固两相流在线测量系统。
搭建循环流化床主体1，包括循环流化床反应器2、循环流化床旋风分离器3、循环流化床旋风分离器下降管4、循环流化床返料机构5、循环流化床返料管6。在对应位置布置密相区底部高频读取器7、密相区顶部高频读取器8、稀相区中段高频读取器9、稀相区顶部高频读取器10、分离器入口高频读取器11、分离器出口高频读取器12、返料机构高频读取器13、返料管出口高频读取器14，各测点高频读取器与数据处理系统15相连。
步骤2：制作在线示踪颗粒电子标签。
首先取示踪颗粒内置电子标签20包裹于示踪颗粒硬质壳体21内，根据试验需求确定示踪颗粒16粒径，如图3所示制作示踪颗粒16。床料以及示踪颗粒16的材料和密度根据要求确定，并应保证制作成为示踪颗粒16之后，电子标签20的信号良好。
步骤3：对示踪颗粒进行编码。
通过信号读写设备向各示踪颗粒16电子标签20中写入独立的多位编码，要求所有示踪颗粒16内电子标签20所储存的多位编码唯一无重复。
步骤4：开启各节点高频读取器并连接数据处理终端。
开启密相区底部高频读取器7、密相区顶部高频读取器8、稀相区中段高频读取器9、稀相区顶部高频读取器10、分离器入口高频读取器11、分离器出口高频读取器12、返料机构高频读取器13、返料管出口高频读取器14以及数据处理系统15的电源，并通过软件连接。要求密相区底部高频读取器7、密相区顶部高频读取器8、稀相区中段高频读取器9、稀相区顶部高频读取器10、分离器入口高频读取器11、分离器出口高频读取器12、返料机构高频读取器13、返料管出口高频读取器14使用环境无其他射频信号且能够稳定读取所处区域的示踪颗粒16所发出的射频信号，数据由数据处理系统15记录。
步骤5：运行气固两相循环流化床试验系统。
将根据试验要求需要的足够数量的示踪颗粒16与床料一同添加入气固两相流试验系统1中，床料量能够支持循环流化床主体1的正常运行。提高循环流化床反应器2内风速以及循环流化床返料机构5处风速，使得床料以及示踪颗粒16在气固两相循环流化床试验系统中稳定运行在需要的状态。
步骤6：同步高频读取气固两相流中多个颗粒示踪轨迹。
密相区底部高频读取器7、密相区顶部高频读取器8、稀相区中段高频读取器9、稀相区顶部高频读取器10、分离器入口高频读取器11、分离器出口高频读取器12、返料机构高频读取器13、返料管出口高频读取器14独立读取所处区域所有示踪颗粒16所发出的射频信号。
步骤7：传输与处理多个颗粒高频读取器信号数据。
由于各示踪颗粒16内所内置的电子标签22在步骤2中已写入多位编码，各高频读取器7、8、9、10、11、12、13、14实时将所读取的示踪颗粒16的多位编码、读取器位置、读取时间传输至数据处理系统15。
步骤8：数据处理系统处理数据显示实时轨迹。
数据处理系统15依照示踪颗粒16多位编码为指标，将各高频读取器7、8、9、10、11、12、13、14所传输的数据进行处理。根据读取时间、读取器位置实时显示各示踪颗粒16目前所在循环流化床主体1中的位置，得到示踪颗粒16的实时在线轨迹，并由此获取实时位置、速度、停留时间等多个测试颗粒的运行特性在线数据。
以上所述仅为本发明的实施例，本发明不局限于该实施例和附图所公开的内容。所以凡是不脱离本发明所公开的精神下完成的等效或修改，都落入本发明保护范围。
Claims (7)
1.一种气固两相流中多个颗粒轨迹同步在线测量方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：建立气固两相流在线测量系统。搭建或确定气固两相流冷态试验系统台，在固体颗粒循环系统各主要部件外侧预定的测量位置设置射频天线和高频读取器，包括上升管(密相区、稀相区)、旋风分离器、固体颗粒下降管、返料机构、固体颗粒回送管等部件结构。各测点高频读取器与数据处理系统相连，通过数据处理系统对数据进行处理。
步骤2：在线示踪颗粒电子标签制作。电子标签是内部嵌加密控制逻辑和通讯逻辑电路的记录媒体。采用封装、粘贴以及镶嵌等方式将小型电子标签制作成可以在气固两相流试验系统内随床料自由运动的示踪颗粒，要求示踪颗粒能较好地类比床内气固颗粒的运动特性。制成的示踪颗粒电子标签信号良好。
步骤3：对示踪颗粒进行编码，制作多个在线示踪颗粒。作为示踪颗粒组成部分的电子标签具有存储多位数字编码的能力，通过预先利用读写设备将独立的数字编码赋予示踪颗粒，实现对各示踪颗粒的区分。
步骤4：气固两相流试验台运行。将多个一定数量的示踪颗粒与床料均匀混合加入气固两相流冷态试验台系统中，调节各工作参数使的系统处于稳定运行工况下。
步骤5：气固两相流中多个颗粒示踪轨迹同步高频读取。当示踪颗粒通过射频天线覆盖区域时，射频天线在高频读取器的指令下发射特定频率加密无线电波，当示踪颗粒进入射频天线的读取范围时，示踪颗粒内部电子标签接受到射频天线发射的无线电波后，内部产生射频信号并同时将存储的多位数字编码反馈给射频天线，最终传输给高频读取器进行记录。
步骤6：多个颗粒高频读取器信号数据传输与处理。高频读取器将一定时间内读取到的示踪颗粒信号以数据的形式传输给数据处理系统，数据结构包括：射频天线编号，所读取到的多位数字编码，读取时间。通过该数据可以实时获取各示踪颗粒在循环流化床系统所处的具体位置。
步骤7：多颗粒轨迹监测。通过对高频读取器传输至数据处理系统的数据进行处理，可以得到各个时间节点各示踪颗粒在气固循环流化床系统所处的具体位置。将同一多位编码的信号依照时间顺序进行处理可以得到特定颗粒随时间变化在气固亮相流系统中的位置变化，进一步可以得到特定颗粒的实时运动特性参数，包括轨迹、区段停留时间、速度等。同时处理多个编码数据可以得到多个示踪颗粒在气固两相流系统中的实时运动轨迹。
数据处理的具体方法如下：
数据处理系统获得由各高频读取器发送的数据，数据结构包括示踪颗粒编码、读取器编号以及读取时间。
实时颗粒位置：数据处理系统根据示踪颗粒编码对各组数据进行区分，依照读取器编码获得在不同时间点具体示踪颗粒所经过的高频读取器的具体位置，通过实时显示数据处理结果可以实现多示踪颗粒的实时位置检测与显示。
颗粒轨迹：数据处理系统对于各组数据根据读取时间进行排序，并根据读取器编号进行定位，可以得到多示踪颗粒的运动轨迹。
颗粒在各区段停留时间：通过数据处理系统对已获得的颗粒轨迹进行处理，通过同一示踪颗粒通过相邻高频读取器布置节点的时间差可以获得区段停留时间。
颗粒在各区段的平均速度：通过实际测量得到的相邻高频读取器节点高度之差，结合颗粒在各区段停留时间，可以获得区段内具体颗粒平均运动速度。
2.根据权利要求1所述的一种气固两相流中多个颗粒轨迹同步在线测量方法，其特征在于，步骤1中，气固两相流系统为气固两相流的冷态循环系统，包括上升管(密相区、稀相区)、旋风分离器、固体颗粒下降管、返料机构、固体颗粒回送管等部件结构，其中上升管可以是单上升管如循环流化床冷态试验系统，双上升管和多上升管系统，材质对电信号不产生隔离作用，如有机玻璃。
3.根据权利要求1所述的一种气固两相流循环冷态试验系统中多个颗粒轨迹同步的在线测量方法，其特征在于，步骤1中，各高频读取器设置测点为上升管(密相区、稀相区)、旋风分离器、固体颗粒下降管、返料机构、固体颗粒回送管等部件结构。
4.根据权利要求1所述的一种气固两相流循环流化床冷态试验台中内多个颗粒轨迹同步的在线测量方法，其特征在于，步骤2中，具有电子标签的示踪颗粒直径为0.5mm-15mm。
5.根据权利要求1所述的一种气固两相流循环流化床冷态试验台中内多个颗粒轨迹同步的在线测量方法，其特征在于，步骤2中，示踪颗粒的制作方式采用封装、粘贴或镶嵌，其密度控制在25-3000kg/m3。
6.根据权利要求1所述的一种气固两相流循环流化床冷态试验台中内多个颗粒轨迹同步的在线测量方法，其特征在于，步骤6中，高频读取器传输数据由射频天线编号，所读取到的多位数字编码，读取时间3部分组成。
7.根据权利要求1所述的一种气固两相流循环流化床冷态试验台中内多个颗粒轨迹同步的在线测量方法，其特征在于，步骤7中，多颗粒轨迹、区段停留时间、速度等信息的获取由数据处理终端处理高频读取器所传输的数据采用所述具体方法获得。
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