CN114018776A - 一种高压气体管道内颗粒物的检测装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种高压气体管道内颗粒物的检测装置，包括检测总路、检测主路及检测支路：检测总路上依次串接采样阀门、切换阀、干燥器、干燥器旁路和分流器；检测主路设有第一主路阀门、腔体、过滤装置、锥形管、信号检测传输模块、主路减压过滤组件、主路质量流量控制器和主路真空泵；检测旁路设有第一旁路阀门、旁路过滤器、旁路减压过滤组件、旁路质量流量控制器、旁路真空泵和第二旁路阀门；检测主路与检测旁路经排放管道及放空阀汇合排空和/或者经低压管道及入口阀排入低压管路。本申请实现了高压气体管道内颗粒物杂质的长期在线高精度检测，检测精准，灵敏度高，可靠性好，有助于确保高压输气管道的安全运行，提升了高压输气管道的安全性能。
Description
技术领域
本发明涉及高压气体管道检测技术领域，更具体地说，涉及一种高压气体管道内颗粒物的检测装置。
背景技术
所公知的是，在开采和集输过程中，高压天然气管道通常夹带粉尘和液滴等颗粒物杂质，这些杂质会危害管道运行安全。尤其是刚建成的管道，施工残留的粉尘直接威胁下游设备的运行安全，对燃气轮机和压缩机的影响尤为严重。长期运行的管道，由于天然气气质的变化会存在凝析液和水的生成和沉积，管道内腐蚀和内涂层脱落等会增加固体杂质的含量，在清管工况下，对下游的增压设备、仪表阀门等影响较大。
气溶胶是由固体或液体小质点分散并悬浮在气体介质中形成的胶体分散体系，又称气体分散体系。其分散相为固体或液体小质点，其大小为0.001～100微米，分散介质为气体。气溶胶体系中均匀分散着各种固体或液体微粒的颗粒物。实时监测管道内气溶胶颗粒物杂质的含量和粒径分布、过滤分离设备的杂质出口浓度、提高分离效率，对高压天然气管道的安全运行具有重要的积极意义。
专利号为ZL201210479392.5中记载了一种适用于高压气体管道内颗粒物在线检测的装置(参见图1)，其包括依次串接的主采样嘴01以及串接于主采样嘴01末端的流量分配器08，流量分配器08的腔体分出主路及旁路两条管路，主路依次串接二次采样嘴09、在线颗粒物粒径谱仪010以及第一质量流量控制器013，旁路串接第二质量流量控制器018；主采样嘴从高压气体管道内采样后，所采气样从流量分配器气体进口经扩散进入腔体后，分别经二次采样嘴和旁路出口排出。该装置还设有长期在线监测单元，包括用于检测管道内的粉尘情况的粉尘浓度传感器019和计算机020，粉尘浓度传感器019将管道内的颗粒物浓度值转成电流信号并传输至计算机020，以实现长期在线监测。
然而，现有技术中的“长期监测单元”即为静电浓度传感器，仅能够粗略得到颗粒物杂质的浓度情况。由于粉尘带电特性的影响因素比较复杂，现场粉尘特性、气体相对湿度、管道风速、气体温度压力均会对结果产生影响，当配合校核的光散射法方法在浓度过高时，镜片会受到污染使测量结果产生误差，无法准确地得到管道内的气体情况，也就无法准确地评估净化设备的运行性能。
因此，如何提供一种能够实现高压气体管道内颗粒物的在线高精度检测装置，是本领域技术人员亟需解决的技术问题。
发明内容
本发明提供一种高压气体管道内颗粒物的检测装置，解决了现有检测设备针对高压气体中颗粒物的检测精度不高的技术问题，本装置检测灵敏度高，可靠性高，且运行成本低，显著地提升了高压气体管道内颗粒物的检测精度。
本发明提供一种高压气体管道内颗粒物的检测装置，包括检测总路，所述检测总路的前端安装用以对高压气体管道进行等动采样的主采样嘴，所述检测总路上依次串接采样阀门、切换阀、干燥器、干燥器旁路和分流器；所述分流器通过主路采样嘴分别连接检测主路和检测旁路；
所述检测主路设有第一主路阀门、腔体、过滤装置、锥形管、信号检测传输模块、主路减压过滤组件、主路质量流量控制器、主路真空泵和第二主路阀门，所述信号检测传输模块用以获得气体浓度及粒径分布情况、温度及压力数据、所述锥形管谐振运动的运动参数，并计算和输出颗粒物质量浓度；
所述检测旁路设有第一旁路阀门、用以对旁路检测管路中高压气体夹带的颗粒物进行拦截的旁路过滤器、旁路减压过滤组件、旁路质量流量控制器、旁路真空泵和第二旁路阀门；
所述检测主路与所述检测旁路经排放管道及放空阀汇合排空和/或者经低压管道及入口阀排入低压管路。
优选的，所述信号检测传输模块包括用以检测浓度及粒径分布情况的光学检测仪、用以检测气体温度及压力的温度压力传感器、安装于所述锥形管上的磁钢、设置于所述磁钢两侧的霍尔元件和电磁铁、装置电路以及与所述装置电路通讯连接的计算机。
优选的，所述主路减压过滤组件包括主路减压阀和第二主路过滤器。
优选的，所述旁路减压过滤组件包括用以对旁路气体进行减压的旁路减压阀和第二旁路过滤器。
优选的，所述过滤器与所述锥形管之间螺纹连接。
优选的，所述过滤器的入口管道为上大下小的锥形结构，以供气体夹带的颗粒物全部进入所述过滤器中。
优选的，所述锥形管具体为镁合金锥形管。
优选的，所述腔体具体为高压腔体。
优选的，所述腔体的入口和出口的主路管道分别连接入口快接管和出口快接管。
优选的，所述腔体由密封圈密封安装。
本发明所提供的高压气体管道内颗粒物的检测装置，基于“物质质量变化引起振荡频率变化”原理，通过过滤装置拦截经过锥形管的气体中的颗粒物，使得锥形管的总质量发生改变，从而引起振荡频率的变化，通过信号检测传输模块气体浓度及粒径分布情况以及锥形管谐振运动的运动参数，由此计算获得烟气颗粒的质量浓度，提高了测量的准确性。检测后的尾气经下游处理实现减压放空和/或排入下游的低压管道中，避免“样品气”的浪费。本申请实现了高压气体管道内颗粒物杂质的长期在线高精度检测，检测精准，灵敏度高，可靠性好，有助于保证高压输气管道的安全运行，提升了高压输气管道的安全性。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1为现有技术中高压气体管道内颗粒物检测装置的示意图；
图2为本发明所提供的高压气体管道内颗粒物的检测装置的结构示意图；
图3为图2中过滤装置与锥形管的示意图；
图4为图2中腔体内部示意图；
图5为本发明所提供的高压气体管道内颗粒物的检测装置的控制流程图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
为了使本技术领域的技术人员更好地理解本发明方案，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。
本发明提供一种高压气体管道内颗粒物的检测装置，主要用于高压气体管道1内的颗粒物检测装置，尤其适用于高压气体管道1内颗粒物的在线检测和过滤分离设备的分离性能的评估。本装置主要包括检测总路、检测总路的前端安装用以对高压气体管道1进行等动采样的主采样嘴2，检测总路上依次串接采样阀门3、切换阀4、干燥器5、干燥器旁路6和分流器7；分流器7分别连接检测主路和检测旁路；检测主路设有第一主路阀门9、腔体17，过滤装置12、锥形管13、信号检测传输模块、主路减压过滤组件、主路质量流量控制器20和主路真空泵21，信号检测传输模块用以获得气体浓度及粒径分布情况、温度及压力数据以及锥形管13谐振运动的运动参数，并由此计算和输出颗粒物质量浓度。
检测旁路设有第一旁路阀门23、用以对旁路检测管路中高压气体夹带的颗粒物进行拦截的旁路过滤器24、旁路减压过滤组件、旁路质量流量控制器27、旁路真空泵28和第二旁路阀门29。
检测主路与检测旁路经排放管道及放空阀30汇合排空和/或者经低压管道及入口阀31排入低压管路32检测主路及检测支路：检测总路上依次串接采样阀门3、切换阀4、干燥器5、干燥器旁路6和分流器7；检测主路设有第一主路阀门9、腔体17，过滤装置12、锥形管13、信号检测传输模块、主路减压过滤组件、主路质量流量控制器20和主路真空泵21；检测主路与检测旁路经排放管道及放空阀30汇合排空和/或者经低压管道及入口阀31排入低压管路32。
利用主采样嘴2用于整个检测装置对高压气体管道1进行等动采样；通过采样阀门3控制检测总路的开启和关闭；通过切换阀4对检测管路进行切换，根据气体湿度判断气流的流向；高压气体经过干燥器5，由干燥器5对检测总路内部的高压气体进行干燥除湿，干燥器旁路6用以供无需干燥的气体的通过。主采样嘴2采集的气体经分流器7后得以分流。具体地，分流器7通过主路采样嘴8分别连接检测主路和检测旁路，将管路分为两路：一路为检测主路，另一路为检测旁路，进入检测主路的高压气体经过第一主路阀门9，进入信号检测传输模块，得到颗粒物的粗略浓度以及粒径分布情况；沿检测主路进入主路检测系统。
高压气体进入主路检测系统后，颗粒物经过滤装置12拦截，过滤装置12与锥形管13连接配合，锥形管13的粗头固定在腔体17上。过滤装置12与锥形管13均为中空的管体结构，高压气体经过过滤装置12后，对其颗粒物进行拦截，过滤装置12拦截的颗粒使得锥形管13产生质量增量，通过对锥形管13产生驱动力，使过滤装置12和锥形管13做谐振运动，信号检测传输模块检测锥形管13谐振运动的运动参数，计算主路检测的颗粒物质量浓度。
通过锥形管13的高压气体前往下游，下游的气体依次通过主路减压过滤组件、主路质量流量控制器20、主路真空泵21和第二主路阀门22，主路质量流量控制器20用以控制主路检测系统的气流维持在检测需要的流量，流量维持可通过“高压管道与低压环境形成的压差”来达到。当压差不足以维持等动采样的流量时，启动主路真空泵21进行抽气，使得流量达到要求。
第一旁路阀门23用以开启和关闭旁路检测管路。旁路过滤器24用以对旁路检测管路中高压气体夹带的颗粒物进行拦截，通过过滤装置12的质量增量，计算获得旁路检测的颗粒物质量浓度。旁路质量流量控制器27用以对旁路的气体流量进行控制，旁路质量流量控制器27与主路质量流量控制器20测得的流量之和，即为等动采样的流量，流量维持可通过“高压管道与低压环境形成的压差”来达到。当压差不足以维持等动采样的流量时使用旁路真空泵28抽气，使得流量达到要求。
本申请中检测后尾气的排放有两种路径排放：一种路径为主路和旁路的高压气体经过减压和过滤后，汇合经过放空阀30放空；第二种路径为，打开低压管入口阀31汇入低压管中，以减小样品气的浪费。上述两种方式可以通过控制器自由选择，实现在线切换。
本发明所提供的高压气体管道内颗粒物的检测装置，具体操作步骤如下：
首先，打开采样阀门3，高压气体通过主路和旁路管道放空或者汇入下游低压管路32中，高压腔会在主路通气的过程中达到与高压气体压力相同的环境，在高压条件下测得锥形管13的初始振荡频率f0；
然后，通过调节主路阀门和旁路阀门开度，以及主路质量流量控制器20与旁路质量流量控制器27，使得管道内的总流量达到等速采样的要求，与此同时，主路流量需达到检测流量要求，维持流量可以选择“高压管道与环境的压差”，在无法达到流量要求时，可以打开真空泵抽气来维持检测要求的流量；
其次，开始测量：通过主路的信号检测传输模块得到颗粒物的粒径分布以及粗略的质量浓度，主路的气流经过锥形管13上的过滤装置12拦截使得锥形管13上的负载质量发生改变，同时旁路过滤器24收集颗粒物，使得过滤器的质量增加；
再次，检测结束后，进行负载质量增加后的锥形管13振荡频率的测量，得到频率值f1，两个频率值f0和f1经过计算处理得到颗粒物的质量浓度；同时旁路通过称重得到旁路过滤器24的增重，使用称重法得到旁路的颗粒物的质量浓度；
最后，检测结果将汇集到计算机进行分析，得到精确的颗粒物质量浓度的数值，主管路和旁路颗粒物的质量浓度计算公式分别如下：
其中，c为主路颗粒物的质量浓度，mg/m3；v1为主管路的流量，L/min；t为测量时间，min；k为恢复力系数；f0为锥形管13的固有频率，Hz；f1为测量结束的锥形管13的频率，Hz。
式中，c1为旁路总测量时间的平均质量浓度，mg/m3；m1为旁路过滤器24的初始质量，mg；m2为测量结束后旁路过滤器24的质量，mg；v2为旁路的气体流量，L/min；ttot为总的测量时间，min。
在一种具体实施例中，信号检测传输模块包括光学检测仪10、温度压力传感器11、磁钢14、霍尔元件16、电磁铁15和装置电路33。光学检测仪10用以检测浓度及粒径分布情况，温度压力传感器11设置于光学检测仪10的侧壁，锥形管13上设置有磁钢14，磁钢14的水平位置的两侧分别设有霍尔元件16和电磁铁15，霍尔元件16用以接收锥形管13的信号，电磁铁15对锥形管13产生驱动力。装置电路33与计算机通讯连接。检测的信号均传输至装置电路33进行处理，再传输至计算机，由计算机操控输出控制信号。
本申请采用重量法和锥形管13频率计算质量浓度法实现颗粒物质量浓度计算。其中，重量法是指通过过滤装置对气体中的颗粒物进行拦截，称重得到测量时间内的质量增量，根据气体流速与测量时间可以得到测量时间内流过的气体体积，两者之比即为颗粒物的质量浓度。锥形管13频率计算质量浓度法是指利用锥形的中空薄管，在没有质量负载是做简谐运动有固有的振荡频率，一定体积的气体通过锤形管时，气体中的颗粒物被锥形管13顶部的捕集模块收集，使得锥形管13有了质量负载，它的振荡频率发生变化，负载质量与频率呈相关关系，由此根据振荡频率的变化，可得出被捕集的颗粒物质量，颗粒物质量与通过锤形管的气体体积之比即为颗粒物的质量浓度。
本装置采用多种测量方法进行互补校核，同时可利用管道内气体的压力正压将夹带气溶胶的气流吹入振荡天平法的颗粒物浓度检测模块中，在进入检测模块之前，对管道中等动采样的气流进行分流，保证以标准要求的气流流速进行检测。在差压无法满足等速采样时，利用真空泵抽气满足等速采样。由此可以提高检测精度。
在本实施例中，对采集的信号进行优化处理，对锥形管13的振荡频率和恢复力常数添加压力变量，实验验证得到固有振荡频率f0与压力P之间的关系，令f0＝f0(P)，同理得到恢复力系数k与压力之间的关系，令k＝k(P)。得到消除压力影响的计算方法：
其中，c为气溶胶的质量浓度，mg/m3；v为进入主管路的流量，L/min；t为测量时间，min；k(P)为恢复力系数；f0(P)为锥形管13的固有频率，Hz；f1为测量结束的锥形管13的频率，Hz。经过对数据信号的优化处理，在算法中引入压力变量，消除了压力引起的误差，提高了装置检测的准确性。
此外，在信号处理时，考虑到引入压力变量到计算公式中消除压力的影响，还可以每次检测时进行一次标定，以达到消除压力影响的目的。
上述主路减压过滤组件具体包括主路减压阀18和主路过滤器19，上述旁路减压过滤组件包括用以对旁路气体进行减压的旁路减压阀25和过滤的第二旁路过滤器26。主路和旁路的高压气体经过主路减压阀18和旁路减压阀25减压后，再分别经主路过滤器19和第二旁路过滤器26的过滤后，汇合排空或者低压收集。
本申请中的采样阀门3和管路切换阀4均采用支持远程控制的电动或者气动球阀，第一主路阀门9和第一旁路阀门23均采用支持远程控制的电动蝶阀，经装置电路33进行处理，传输至计算机。
针对现有技术中与锥形管13配合的滤膜和滤膜托盘的过滤结构，本申请更改为过滤装置12，可以提高抗压能力和过滤器件的使用寿命，安装更加牢固可靠，过滤性能更好，更加高效，避免了在高压气体中滤膜破裂失效出现无法拦截颗粒的情况。此外，也可以使用金属材质的滤膜，结合滤膜托盘的结构实现过滤。
为了提升过滤装置12与锥形管13之间的连接强度，两者采用螺纹连接。具体地，锥形管13的细端与过滤装置12的出口端以螺纹的形式紧密结合，如此设置，既保证了在高压下锥形管13与过滤装置12连接的密封性，又便于过滤器的拆装。此外，也可以使用快装管进行密封连接。
进一步地，将过滤装置12的入口管道121设置为上大下小渐缩式的锥形入口，这样在锥形管13与过滤装置12在做谐振运动的过程中，气体夹带的颗粒物会全部进入过滤装置12中，提升检测精度。另外，也可以增大过滤装置12的入口管，使其半径大于谐振的振幅，使主路管道插入入口管中。
优选的，锥形管13采用镁合金锥形管，其密度低、强度高且振动频率满足检测需要。
此外，本申请中的腔体17采用高压腔体，将现有技术中的密封箱优化为高压腔体，高压腔体整体保证高压下具有良好的密封性，又要方便拆装，如图4所示。高压腔体的入口与出口的主路管道在高压下分别使用入口快接管171和出口快接管172，腔体17分为盖体和腔本体，盖体与腔本体之间由密封圈173密封安装。如此设置，既方便拆装，又能很好的起到密封的作用。
除此之外，还可以采用在测量时，在高压腔体内直接保持高压，不减压在高压下进行初始频率和负载频率的测量；或者在常压下测量初始频率，高压下进行颗粒物采集，采集结束后降到常压下进行负载频率的测量的方法。
需要说明的是，在本说明书中，诸如第一和第二之类的关系术语仅仅用来将一个实体与另外几个实体区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体之间存在任何这种实际的关系或者顺序。
以上对本发明所提供的高压气体管道内颗粒物的检测装置进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。
Claims (10)
1.一种高压气体管道内颗粒物的检测装置，包括检测总路，所述检测总路的前端安装用以对高压气体管道(1)进行等动采样的主采样嘴(2)，其特征在于，所述检测总路上依次串接采样阀门(3)、切换阀(4)、干燥器(5)、干燥器旁路(6)和分流器(7)；所述分流器(7)通过主路采样嘴(8)分别连接检测主路和检测旁路；
所述检测主路设有第一主路阀门(9)、腔体(17)、过滤装置(12)、锥形管(13)、信号检测传输模块、主路减压过滤组件、主路质量流量控制器(20)、主路真空泵(21)和第二主路阀门(22)，所述信号检测传输模块用以获得气体浓度及粒径分布情况、温度及压力数据、所述锥形管(13)谐振运动的运动参数，并计算和输出颗粒物质量浓度；
所述检测旁路设有第一旁路阀门(23)、用以对旁路检测管路中高压气体夹带的颗粒物进行拦截的第一旁路过滤器(24)、旁路减压过滤组件、旁路质量流量控制器(27)、旁路真空泵(28)和第二旁路阀门(29)；
所述检测主路与所述检测旁路经排放管道及放空阀(30)汇合排空和/或者经低压管道及入口阀(31)排入低压管路(32)。
2.根据权利要求1所述的高压气体管道内颗粒物的检测装置，其特征在于，所述信号检测传输模块包括用以检测浓度及粒径分布情况的光学检测仪(10)、用以检测气体温度及压力的温度压力传感器(11)、安装于所述锥形管(13)上的磁钢(14)、设置于所述磁钢(14)两侧的霍尔元件(16)和电磁铁(15)、装置电路(33)以及与所述装置电路(33)通讯连接的计算机。
3.根据权利要求1所述的高压气体管道内颗粒物的检测装置，其特征在于，所述主路减压过滤组件包括主路减压阀(18)和主路过滤器(19)。
4.根据权利要求3所述的高压气体管道内颗粒物的检测装置，其特征在于，所述旁路减压过滤组件包括用以对旁路气体进行减压的旁路减压阀(25)和第二旁路过滤器(26)。
5.根据权利要求1所述的高压气体管道内颗粒物的检测装置，其特征在于，所述过滤装置(12)与所述锥形管(13)之间螺纹连接。
6.根据权利要求1～5任一项所述的高压气体管道内颗粒物的检测装置，其特征在于，所述过滤装置(12)的入口管道(121)为上大下小的锥形结构，以供气体夹带的颗粒物全部进入所述过滤装置(12)中。
7.根据权利要求1所述的高压气体管道内颗粒物的检测装置，其特征在于，所述锥形管(13)具体为镁合金锥形管。
8.根据权利要求1所述的高压气体管道内颗粒物的检测装置，其特征在于，所述腔体(17)具体为高压腔体。
9.根据权利要求8所述的高压气体管道内颗粒物的检测装置，其特征在于，所述腔体(17)的入口和出口的主路管道分别连接入口快接管(171)和出口快接管(172)。
10.根据权利要求9所述的高压气体管道内颗粒物的检测装置，其特征在于，所述腔体(17)由密封圈(173)密封安装。
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