CN114324095A - 一种气体管道内颗粒杂质浓度的监测装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种气体管道内颗粒杂质浓度的监测装置，包括：光源；准直系统；监测器具有用于供天然气管道内的气体流通的气体通道，气体通道具有供准直光束穿过的光通路和用于供准直光束穿过光通路后反射的光束穿过的反射光路，气体通道在反射光路和光通路处的截面大小不同；散射光收集系统用于分别收集光通路的散射光和反射光路的散射光；信号处理系统将散射光收集系统收集的光信号转换为电信号，并根据电信号的测量脉冲数目和单个脉冲的高度，计算得到被测气流中的含尘浓度和粒度分布。通过将光束至少两次经过不同截面处的气体通道，即对不同位置的气体进行检测，通过三处位置的检测从而解决因颗粒物分布不均的影响，提高检测的准确性。

Description

一种气体管道内颗粒杂质浓度的监测装置

技术领域

本发明涉及天然气质量监测技术领域，特别涉及一种气体管道内颗粒杂质浓度的监测装置。

背景技术

长输天然气管道沿线压气站设置了多种过滤分离设备，用于去除天然气中大部分颗粒物杂质，以保护下游关键设备和管道，保证管道整体安全平稳运行。

在实际运行条件下，上游气体来源复杂、外购气体气质波动较大，分离设备的设计处理气量和颗粒物杂质处理能力也有限，这使得当颗粒物浓度显著增大时，易造成过滤分离设备堵塞、滤芯失效、杂质穿透等问题，严重威胁下游压缩机、燃气轮机等关键设备及管道的运行安全。若能对天然气管道内的颗粒物的浓度做到实时监测，则能对滤芯更换、使用合适精度的滤芯或增设过滤分离设备等决策提供技术参考。

目前，管道内颗粒物浓度的测量方法有很多，如图像分析法、β射线衰减法、筛分法、超声法、光散射法等。其中，光散射法作为石油天然气行业标准SY/T6892-2012《天然气管道内粉尘检测方法》明确的示准方法，已在高压天然气管道内颗粒物的在线检测领域得到应用。

但是，现有的光学法测量颗粒物浓度的检测仪器仅检测一个截面处的浓度，因此，导致大颗粒物的影响性较大，检测准确性低。

因此，提供一种气体管道内颗粒杂质浓度的监测装置，以提高检测的准确性，是本技术领域人员亟待解决的问题。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种气体管道内颗粒杂质浓度的监测装置，以提高检测的准确性。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种气体管道内颗粒杂质浓度的监测装置，其包括：

光源；

准直系统，所述准直系统用于对所述光源照射的光进行准直处理；

监测器，所述监测器具有用于供天然气管道内的气体流通的气体通道，所述气体通道具有供准直光束穿过的光通路和用于供所述准直光束穿过所述光通路后反射的光束穿过的反射光路，所述气体通道在所述反射光路和所述光通路处的截面大小不同；

散射光收集系统，所述散射光收集系统用于分别收集所述光通路的散射光和所述反射光路的散射光；

信号处理系统，所述信号处理系统与所述散射光收集系统信号连接，并将所述散射光收集系统收集的光信号转换为电信号，并根据电信号的测量脉冲数目和单个脉冲的高度，计算得到被测气流中的含尘浓度和粒度分布。

优选的，上述的气体管道内颗粒杂质浓度的监测装置中，所述监测器为文丘里管，所述光通路垂直穿过所述文丘里管的喉道。

优选的，上述的气体管道内颗粒杂质浓度的监测装置中，所述文丘里管的进口和出口均与天然气管道通过法兰密封连接。

优选的，上述的气体管道内颗粒杂质浓度的监测装置中，所述反射光路为两个，分别为第一反射光路和第二反射光路，并且分布在所述光通路的两侧。

优选的，上述的气体管道内颗粒杂质浓度的监测装置中，所述光通路远离所述光源的一端倾斜设置有半透半反射的反射镜，且所述反射镜反射出的光束与准直光束垂直并经第一全反射镜射入第一反射光路，所述反射镜透过的光束经过第二全反射镜反射后经第三全反射镜射入第二反射光路。

优选的，上述的气体管道内颗粒杂质浓度的监测装置中，还包括：

用于测量经过所述第一反射光路穿出的光束的光强的第一光强测量器；

用于测量经过所述第二反射光路穿出的光束的光强的第二光强测量器。

优选的，上述的气体管道内颗粒杂质浓度的监测装置中，还包括：

用于测量所述气体通道在所述第一反射光路处的流量的第一流量计；

用于测量所述气体通道在所述第二反射光路处的流量的第二流量计。

优选的，上述的气体管道内颗粒杂质浓度的监测装置中，所述第一流量计为一端获取所述第一反射光路对应的所述气体通道处的压力，另一端获取所述光通路对应的所述气体通道处的压力的第一差压流量计；

所述第二流量计为一端获取所述第二反射光路对应的所述气体通道处的压力，另一端获取所述光通路对应的所述气体通道处的压力的第二差压流量计。

优选的，上述的气体管道内颗粒杂质浓度的监测装置中，还包括：用于获取所述气体通道在所述第一反射光路、所述第二反射光路和所述光通路处温度的温度传感器。

优选的，上述的气体管道内颗粒杂质浓度的监测装置中，所述散射光收集系统密封安装在所述监测器的壳体内的安装槽内，所述安装槽能够与所述气体通道内部连通，且所述散射光收集系统与所述气体通道的中轴线的连线均垂直于所述第一反射光路、所述第二反射光路和所述光通路。

本发明提供了一种气体管道内颗粒杂质浓度的监测装置，基于米氏散射理论，即空气中的颗粒物的直径直接影响散射光的强度，导致信号处理系统输出的电信号脉冲峰值与颗粒物存在一一对应的关系。通过将光束至少两次经过不同截面处的气体通道，即对不同位置的气体进行检测，通过两处位置的检测从而解决因颗粒物分布不均的影响，提高检测的准确性。

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一些实施例，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，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例中公开的气体管道内颗粒杂质浓度的监测装置的结构示意图；

图2为本发明实施例中公开的监测器的结构示意图；

图3为图2中AA的剖视图；

图4为图2中BB的剖视图；

图5为图2中CC的剖视图；

图6为本发明实施例中公开的监测器的光路图；

图7为图6中A部的内部光路图；

图8为图6中B部的内部光路图；

图9为图6中C部的内部光路图；

图10为图6中D部的内部光路图。

具体实施方式

本发明公开了一种气体管道内颗粒杂质浓度的监测装置，以提高检测的准确性。

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。

如图1-图10所示，本申请公开了一种气体管道内颗粒杂质浓度的监测装置，包括光源1、准直系统2、监测器3、散射光收集系统4和信号处理系统5。其中，光源1为整个监测装置提供光束，对于光源1的类型可根据不同的需要设置，且均在保护范围内；而上述准直系统2用于对光源1照射的光进行准直处理，以除去散射光，保证检测的准确性。

上述的监测器3具有用于供天然气管道内的气体流通的气体通道，且该气体通道还具有供准直光束穿过的光通道32和用于供准直光束穿过光通路32后反射的光束穿过的反射光路，并且气体通道在反射光路和光通路32处的截面大小不同。即该监测器3用于流通待监测的气体流通，并设置了供准直光线穿过的光通路32，以保证准直光束能够穿过天然气产生散射，而该准直光束穿过天然气后发生反射，并将反射的管束返回至气体通道内再进行一次照射，即又发生一次散射。

上述的散射光收集系统4用于分别收集光通路的散射光和反射光路的散射光，而信号处理系统5与散射光收集系统4信号连接，并将散射光收集系统4收集的光信号转换为电信号，并根据电信号的测量脉冲数目和单个脉冲的高度，计算得到被测气流中的含尘浓度和粒度分布。

本申请中基于米氏散射理论，即空气中的颗粒物的直径直接影响散射光的强度，导致信号处理系统5输出的电信号脉冲峰值与颗粒物存在一一对应的关系。通过将光束至少两次经过不同截面处的气体通道，即对不同位置的气体进行检测，通过至少两处位置的检测从而解决因颗粒物分布不均的影响，提高检测的准确性。

进一步的实施例中，上述的监测器3为文丘里管，光通路32垂直穿过文丘里管的吼道。采用文丘里管可使经过的气体流速随管道横截面的变化而变化，从而将流速与颗粒浓度相结合进行监测，使得获取的参数具有更好的代表性。对于光通路32的设置可根据不同的需要设置在文丘里管的不同位置，且均在保护范围内。

具体的，可将文丘里管的进口和出口均与天然气管道通过法兰密封连接，即将该监测器3串联在天然气压气站现场，从而满足长周期实时监测管道内颗粒物浓度。对于文丘里管与天然气管道的连接方式还可选择其他连接方式，在此不做具体限定。

在一具体实施例中，将上述的反射光路设置为两个，并且分布在光通道32的两侧，并均与光通道32平行布置，可将这两条反射光路分别记为第一反射光路31和第二反射光路33。本领域技术人员可以理解的是，可以根据检测的要求选择反射的光束的数量，在实际中将反射的光束与反射光路一一对应设置。

对于两束反射光束和一束准直光束即形成三束光束，三个散射光收集系统4分别收集一个光束的散射光，并通过信号处理系统5对接收到的信号进行稳定性判断，具体的，主要通过对检测到的数据进行平均值与方差的进行计算比较，取所测量的数据稳定性好的作为主参数，可以理解的是，平均值与方差的差值越小越稳定，结合监测管道内压力、温度、流量和光强等参数值对主参数进行修正，确保所计算的气体管道中颗粒物浓度和粒径分布具有代表性。

优选的实施例中，上述的气体管道内颗粒杂质浓度的监测装置中的光通路32远离光源1的一端倾斜设置有半透半反射的反射镜91，并且反射镜91反射出的光束与准直光束垂直并经第一全反射镜94射入第一反射光路31，而该反射镜91透过的光束经过第二全反射镜92反射后经第三全反射镜93射入第二发射光路32。上述的光学镜片的具体安装：半透半反射的反射镜91安装在光通道31远离光源1的一端，并相对于准直光束倾斜45°布置；第一全反射镜94与入射光线倾斜45°布置在第一反射光路31远离光源1的一端；第二全反射镜92与入射光线倾斜45°布置在半透半反射的反射镜91的透光端；第三全反射镜93与入射管线倾斜45°布置在第二反射光路33的远离光源1的一端。通过上述设置可使准直光束垂直穿过喉管后进行反射，并垂直于气体通道从光源端反射出来。

通过同一光源1、多条光束通过不同位置的截面，简单方便，检测效率高。在实际中，也可通过多个光源1发出光束通过不同位置的截面或不同入射角度的光束通过同一截面来实现对不同位置的杂质的检测。

为了进一步提高测量结果的准确性，本申请中的气体管道内颗粒杂质浓度的监测装置还包括第一光强测量器81和第二光强测量器82，其中，第一光强测量器81用于测量第一反射光路31穿出的光束的光强，而第二光强测量器82用于测量第二反射光路33穿出的光束的光强。通过设置光强测量器可检测光线的光强，从而可通过光强对测量的参数进行补偿处理。

此外，本申请中还包括第一流量计和第二流量计，其中，第一流量计用于测量气体通道在第一反射光路31处的流量，而第二流量计用于测量气体通道在第二反射光路33处的流量。通过获取流量参数，可将流速与颗粒浓度相结合，从而对获取的参数的条件进行限定，即可以得出不同流速对颗粒浓度的影响。

进一步的实施例中，上述的气体管道内颗粒杂质浓度的监测装置中的第一流量计为第一差压流量计61，第二流量计为第二差压流量计62。其中，第一差压流量计61一端获取第一发射光路31对应的气体通道处的压力，而另一端光通路32对应的气体通道处的压力，通过获取的两端的压差计算出这两端之间的流速。同理，第二差压流量计62一端获取第二反射光路33对应的气体流通处的压力，另一端获取光通路32对应的气体通道处于的压力，并通过获取的两端的压差计算出这两端之间的流速。

更进一步的实施例中还包括用于获取气体通道在第一反射光路31、第二反射光路33和光通路32处温度的温度传感器7。综上，本申请中涉及到了一套集成测量颗粒浓度、粒径分布、光强、温度、压力、流量流速以及数据处理的气体管道颗粒物检测设备。

具体的实施例中，可将上述的散射光收集系统4密封安装在监测器3的壳体内的安装内，该安装槽能够与气体通道内部连通，而散射光收集系统4与气体通道的中轴线的连线均垂直于第一反射光路31、第二反射光路33和光通路32。此处限定了一种散射光收集系统的安装方式，在实际中可将其卡接或粘接等按在监测器的壳体内。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (10)

1.一种气体管道内颗粒杂质浓度的监测装置，其特征在于，包括：

光源；

准直系统，所述准直系统用于对所述光源照射的光进行准直处理；

监测器，所述监测器具有用于供天然气管道内的气体流通的气体通道，所述气体通道具有供准直光束穿过的光通路和用于供所述准直光束穿过所述光通路后反射的光束穿过的反射光路，所述气体通道在所述反射光路和所述光通路处的截面大小不同；

散射光收集系统，所述散射光收集系统用于分别收集所述光通路的散射光和所述反射光路的散射光；

信号处理系统，所述信号处理系统与所述散射光收集系统信号连接，并将所述散射光收集系统收集的光信号转换为电信号，并根据电信号的测量脉冲数目和单个脉冲的高度，计算得到被测气流中的含尘浓度和粒度分布。

2.根据权利要求1所述的气体管道内颗粒杂质浓度的监测装置，其特征在于，所述监测器为文丘里管，所述光通路垂直穿过所述文丘里管的喉道。

3.根据权利要求2所述的气体管道内颗粒杂质浓度的监测装置，其特征在于，所述文丘里管的进口和出口均与天然气管道通过法兰密封连接。

4.根据权利要求2所述的气体管道内颗粒杂质浓度的监测装置，其特征在于，所述反射光路为两个，分别为第一反射光路和第二反射光路，并且分布在所述光通路的两侧。

5.根据权利要求4所述的气体管道内颗粒杂质浓度的监测装置，其特征在于，所述光通路远离所述光源的一端倾斜设置有半透半反射的反射镜，且所述反射镜反射出的光束与准直光束垂直并经第一全反射镜射入第一反射光路，所述反射镜透过的光束经过第二全反射镜反射后经第三全反射镜射入第二反射光路。

6.根据权利要求5所述的气体管道内颗粒杂质浓度的监测装置，其特征在于，还包括：

用于测量经过所述第一反射光路穿出的光束的光强的第一光强测量器；

用于测量经过所述第二反射光路穿出的光束的光强的第二光强测量器。

7.根据权利要求5所述的气体管道内颗粒杂质浓度的监测装置，其特征在于，还包括：

用于测量所述气体通道在所述第一反射光路处的流量的第一流量计；

用于测量所述气体通道在所述第二反射光路处的流量的第二流量计。

8.根据权利要求7所述的气体管道内颗粒杂质浓度的监测装置，其特征在于，所述第一流量计为一端获取所述第一反射光路对应的所述气体通道处的压力，另一端获取所述光通路对应的所述气体通道处的压力的第一差压流量计；

所述第二流量计为一端获取所述第二反射光路对应的所述气体通道处的压力，另一端获取所述光通路对应的所述气体通道处的压力的第二差压流量计。

9.根据权利要求5所述的气体管道内颗粒杂质浓度的监测装置，其特征在于，还包括：用于获取所述气体通道在所述第一反射光路、所述第二反射光路和所述光通路处温度的温度传感器。

10.根据权利要求1-9任一项所述的气体管道内颗粒杂质浓度的监测装置，其特征在于，所述散射光收集系统密封安装在所述监测器的壳体内的安装槽内，所述安装槽能够与所述气体通道内部连通，且所述散射光收集系统与所述气体通道的中轴线的连线均垂直于所述第一反射光路、所述第二反射光路和所述光通路。

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