CN114486661A - 基于压差法的两相流浓度测量方法与装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种基于压差法的两相流浓度测量装置，包括采样管、第一密封阀、第二密封阀和压差计，所述采样管包括由进口端至出口端顺序连接在一起的进样管段、竖直管段和回流管段，所述第一密封阀设置于竖直管段的上部，所述第二密封阀设置于竖直管段的下部，所述压差计的测压管低压端安装于竖直管段上部并位于第一密封阀下方，所述压差计的测压管高压端安装于竖直管段下部并位于第二密封阀上方。该基于压差法的两相流浓度测量装置通过压差法和重力沉降原理相结合，测量两相流浓度，准确性高，成本低，且过程和装置都相对简单，尤其适用于工业应用的实际生产环境。
Description
技术领域
本发明涉及两相流浓度测量领域，具体的说，涉及了一种基于压差法的两相流浓度测量方法与装置。
背景技术
近年来，对气固两相流中的颗粒浓度、粒径等参数的测量需求日益迫切。
气固两相流动在工业及自然现象中广泛存在，如制药、矿石粉体处理中的气力输送过程、火箭推进剂的燃烧、重力沉降分离以及自然界中的沙尘暴等都是气固两相流动的典型实例。其中以电厂锅炉一次风管道内的煤粉输送过程最为典型。一次风管道内煤粉的输送量直接关乎锅炉燃烧效率、资源利用率以及电厂经济效益。传统的测量煤粉浓度的方法是通过给煤机的总给煤量和各管道的总风量来推算的。显然这类测量方法实时性、准确性都较差，对煤粉管道内的颗粒物测量带来了较大的误差，因此迫切需要一种准确、便捷、经济的煤粉浓度测量方法。
利用管内压差测量气固两相流颗粒浓度具有经济、便捷、快速、准确的特点，是近年来研究较多的测量颗粒浓度的方法。利用压差测量气固两相流浓度目前有速度-差压法和混合差压法。前者是利用气固两相流动时的压差损失与纯空气的压差损失之比和颗粒浓度之间的关系来获得颗粒相的浓度；后者是从热力学角度，结合气固混合前后气相和混合物的状态方程、连续性方程以及能量方程，导出混合前后的压差和颗粒浓度之间的关系，来获得颗粒浓度的方法。
这两种方法均是从气固混合相和纯气相对比的角度建立压差和浓度的关系，在理论和实验上均取得了较好的效果，但在实际工程应用中纯气相流动的压差难以实时测量。
另有一种方法是利用气固两相流通过文丘里管时，文丘里管前后压力差与固相浓度的对应关系测量固相浓度。该方法省略了对纯气相压差的测量，但实际工程应用中文丘里管测压易受干扰，且现场测量时直管道较多。
基于现有压差测量两相流浓度在实际应用中面临的种种问题，本申请提出一种适用于工业生产实际应用环境中的基于压差法的两相流浓度测量方法与装置。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术的不足，从而提供一种准确率高、适用于工程应用、简便合理可靠的基于压差法的两相流浓度测量装置，和测量方法。
为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案是：一种基于压差法的两相流浓度测量装置，包括采样管、第一密封阀、第二密封阀和压差计，所述采样管包括由进口端至出口端顺序连接在一起的进样管段、竖直管段和回流管段，所述第一密封阀设置于竖直管段的上部，所述第二密封阀设置于竖直管段的下部，所述压差计的测压管低压端安装于竖直管段上部并位于第一密封阀下方，所述压差计的测压管高压端安装于竖直管段下部并位于第二密封阀上方。
基上所述，所述上位机连接第一密封阀和第二密封阀用于阀门的启闭控制，所述压差计连接上位机用于采集压力信号。
基上所述，所述位于第一密封阀和第二密封阀之间的竖直管段的自上端至下端分为颗粒沉降减速段和颗粒沉降匀速段，所述压差计的测压管低压端安装于颗粒沉降匀速段的上部。
一种基于压差法的两相流浓度测量装置，包括工业输送管道、采样管、第一密封阀、第二密封阀和压差计，所述采样管包括由进口端至出口端顺序连接在一起的进样管段、竖直管段和回流管段，所述进样管段接入工业输送管道设置，所述回流管段的出口连通工业输送管道，所述第一密封阀设置于竖直管段的上部，所述第二密封阀设置于竖直管段的下部，所述压差计的测压管低压端安装于竖直管段上部并位于第一密封阀下方，所述压差计的测压管高压端安装于竖直管段下部并位于第二密封阀上方。
基上所述，所述位于第一密封阀和第二密封阀之间的竖直管段的自上端至下端分为颗粒沉降减速段和颗粒沉降匀速段，所述压差计的测压管低压端安装于颗粒沉降匀速段的上部。
基上所述，所述的两相流为气固两相流或气液两相流。
一种基于压差法的两相流浓度测量方法，包括所述的基于压差法的两相流浓度测量装置，通过以下步骤进行测量：
进入采样管内的两相流稳定后，关闭第一密封阀和第二密封阀，使竖直管段中进入的两相流在重力作用下沉降；读取压差计的数值，通过以下公式计算两相流中的颗粒体积浓度φ：
公式(1)中，φ为两相流中的颗粒体积浓度，ΔP为压差计测得的压差值，ρp为颗粒密度，ρg为空气密度，g为重力加速度，H为压差计的测压管高压端至测压管低压端之间的距离。
基上所述，首先关闭第二密封阀，再关闭第一密封阀，然后进行压差的测量。
本发明相对现有技术具有突出的实质性特点和显著的进步，具体的说，本发明将工程环境下的两相流采集到采集管中，在采集管中构造出仅受颗粒重力影响的自然沉降环境，大幅简化了检测环境的复杂程度，又通过自然沉降过程中，重力、曳力和浮力的关系，能够使颗粒在沉降过程中达到终端沉降速度，并以该速度匀速下落，进而在这种环境下，就可以简化两相流的分析模型，计算过程相对容易，且与真实的工程环境直接相关，准确率高，干扰因素少，装置简单易用，在理论研究和工程应用中对利用压差测量气固两相流颗粒体积浓度做了有益的补充。
附图说明
图1是本发明中基于压差法的两相流浓度测量装置的结构示意图。
图2是本发明中颗粒自由沉降时的颗粒速度随时间的变化的数值模拟图。
图3是本发明中颗粒自由沉降时的颗粒位移随时间的变化的数值模拟图。
图4是本发明中气固两相流重力沉降试验验证系统的结构示意图。
图5是本发明中沉降煤粉质量和沉降时间的关系图。
图6是本发明中一定颗粒体积浓度变化范围内理论计算和试验测量压差比较曲线。
图中：1.采样管；1-1.采样管段；1-2.竖直管段；1-3.回流管段；2.第一密封阀；3.第二密封阀；4.压差计；4-1.测压管低压端；4-2.测压管高压端；5.上位机；6.工业输送管道。
具体实施方式
下面通过具体实施方式，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
如图1所示，一种基于压差法的两相流浓度测量装置，包括采样管1、第一密封阀2、第二密封阀3和压差计4，所述采样管1包括由进口端至出口端顺序连接在一起的进样管段1-1、竖直管段1-2和回流管段1-3，所述第一密封阀2设置于竖直管段1-2的上部，所述第二密封阀3设置于竖直管段1-2的下部，所述压差计4的测压管低压端4-1安装于竖直管段1-2上部并位于第一密封阀2下方，所述压差计4的测压管高压端4-2安装于竖直管段1-2下部并位于第二密封阀3上方。
所述上位机5连接第一密封阀2和第二密封阀3用于阀门的启闭控制，所述压差计连接上位机用于采集压力信号，当然，上位机属于选配项，第一密封阀2、第二密封阀3和压差计4都可以由人为操作控制，以及获取数据。
为了进一步保证数据的准确性，其它实施例中，第一密封阀2和第二密封阀3之间的竖直管段1-2的自上端至下端分为颗粒沉降减速段和颗粒沉降匀速段，所述压差计的测压管低压端安装于颗粒沉降匀速段的上部。
测量过程如下：
将采样管1的进样管段1-1接入工业输送管道6，管道中的气流会有一部分从采样管1的进样管段1-1进入管中，在工业输送管道6稳定输送的条件下，且进入采样管内的两相流稳定后，关闭第一密封阀2和第二密封阀3，使竖直管段中进入的两相流在重力作用下沉降；读取压差计4的数值，通过以下公式计算两相流中的颗粒体积浓度φ：
公式(1)中，φ为两相流中的颗粒体积浓度，ΔP为压差计测得的压差值，ρp为颗粒密度，ρg为空气密度，g为重力加速度，H为压差计的测压管高压端至测压管低压端之间的距离。
工作原理：颗粒在重力影响下沉降的过程中，当颗粒的受力均衡时(重力、浮力和曳力)，管中的颗粒匀速下落，颗粒加速度段的距离和时间都很小，气固两相流在整个管道中可以视为等速流动，管内形成固体颗粒临界流态化状态，通过流体力学努伯利方程对压差的描述，可以推导出公式(1)，其中只有压差是未知数，通过代入压差值，即可得到颗粒的体积浓度。
如因工业输送管道6中的浓度分布不均匀，导致测量不准确，可以将采样管的采样管段1-1分别设置在工业输送管道6的上部、中部和下部分别进行采集，以全面的反应两相流的浓度分布情况。
数值模拟过程：
如图2和图3所示，根据前述颗粒沉降原理，运用COMSOL多物理场模拟软件的流体粒子追踪模块模拟了颗粒自由沉降时的颗粒速度及位移随时间的变化，从图2可以看出颗粒在主要受力之重力和曳力的共同作用下，经过一定加速段运动，逐步变为等速沉降。粒径越大加速段越明显，随着颗粒粒径的增加，沉降颗粒速度逐渐增大，且增大的速率明显大于粒径增大的速率。整体上，颗粒的加速阶段经历时间很小，在整个管长仅占很小的一部分，故对于本文中煤粉颗粒，其在管内的自由沉降运动大部分为等速沉降。其中，对于粒径为100微米的颗粒，当沉降时间为0.214秒时，颗粒速度已经达到终端匀速沉降速度的99％，此时颗粒位移为0.076米；对于粒径为25微米的颗粒，当沉降时间为0.014秒时，颗粒速度已经达到终端匀速沉降速度的99％，此时颗粒沉降位移仅为0.000315米；本文试验中选取的颗粒粒径为75微米，沉降时间为0.12秒时，沉降速度达到终端匀速沉降速度的99％，此时颗粒位移为0.024米。相应地，图3给出了颗粒加速段位移变化的对比，从中可以看出，颗粒粒径越小，加速过程越不明显，位移整体上越接近于线性变化。
试验验证：
如图4所示，对独立空间压差法测量气固两相流浓度的试验研究由重力沉降气固两相流试验台、微差压计组成。试验过程中使用颗粒重量计量系统测量颗粒体积浓度，并在不同浓度下测量管内的试验压差值，与对应体积浓度下的理论压差值进行比较来验证压差法测量气固两相流体积浓度的可行性。
如图2所示，微差压计的低压管出口A处距离上端振动给料机距离为0.218米，根据前文得到的结果，其远大于相应颗粒加速段的沉降位移，因此可确保在测压区域的流态化颗粒运动处于匀速沉降阶段。
振动给料筛直径大于沉降管道直径，可保证管道横截面上颗粒的沉降均匀。管道内径为0.194m，管道长1m。通过调节振动给料机的振动频率可改变沉降颗粒的质量流量，即改变颗粒浓度。
颗粒重量计量系统由平顶梁压力称重传感器、RS485数字通讯模块以及相应的上位机软件和工控机组成。颗粒匀速沉降过程中，压力称重传感器测得下落煤粉重量可实时记录在上位机软件中。利用平顶梁压力称重传感器测得一段时间内重力沉降试验台中颗粒物下落的重量，利用下式(2)换算得到颗粒的体积浓度。
其中m为Δt时间内沉降颗粒的累积重量；ρP为颗粒密度；S为管道内横截面积；Upt为颗粒终端沉降速度。
微差压计的高压管和低压管分别从管同侧的下端和上端深入到管内一定深度，低压管出口A和高压管出口B相距高度H为0.67m。不同浓度工况下A,B两点的压力差可实时在微差压计仪表盘上读取。
试验工况：
电站锅炉一次风管道内的煤粉直径为40μm～120μm，本试验中煤粉及空气介质(25℃)相关参数如下表：
表1颗粒和流体相物性参数
首先，在振动给料机中放置一定量的煤粉，将管上下两端密封，确保管内不会受到大气压力的影响。之后调节振动给料机的振动频率使管内煤粉颗粒的体积浓度发生变化，在此过程中测量一段时间内的沉降煤粉重量以及管内上下两端的压差值。通过一段时间内测量的沉降煤粉重量来计算煤粉的体积浓度，再计算对应体积浓度下的理论压差值，与试验压差值进行比较，以此来验证流态化压差浓度测量方法的可靠性。
依据本实验条件，在0.005％-0.05％的煤粉体积浓度范围内，按照上述步骤测量了8组不同体积浓度的气固两相流工况，读取每一组体积浓度下的7组压差值取平均。以颗粒体积浓度0.0298％为例，9.968秒内煤粉颗粒沉降质量随时间的变化曲线如图5所示。从图中可以看出，沉降煤粉颗粒的质量基本随时间呈线性上升趋势，这也反映出试验时气固两相流系统工作的稳定性以及空气-煤粉两相流浓度的均匀性。8组工况下的测量结果如表2所示。
表2 8组不同浓度下的试验压差值
试验结果分析：
结合表2中的数据，绘制了8组不同体积浓度下管内A，B两点的理论压差和试验压差的变化曲线，如图6所示。
从图6中可以看出，整体上看，相比于理论压差和颗粒体积浓度之间的变化，试验压差值具有相同的变化趋势，测量值有一定的统计波动性，但总体上与理论值吻合性较好。可以看出，不同于前文颗粒沉降速度随颗粒尺寸非线性变化的规律，颗粒相压差值随着颗粒浓度的增加而呈现线性增加的趋势。另外，在颗粒体积浓度逐渐增加的过程中，实验测量压差值的波动也有所增加。这与体积浓度增加时煤粉颗粒群之间的相互作用力有关，体积浓度越大，煤粉颗粒之间的相互作用也会越明显，同时客观试验条件下电信号噪声等引起的微差压计的数值波动也会对高体积浓度下的压差值产生影响。但总体上看，试验压差值与理论压差值趋势一致，且吻合较好，从而验证了基于流体力学压差法测量气固两相流浓度的可行性和可靠性。
实际运用时，对测量的气固两相流两点的压差值依据公式(1)可计算得到颗粒相体积浓度。
在优选的实施例中，首先关闭第二密封阀3，再关闭第一密封阀2，然后进行压差的测量，其原因是：先关闭第二密封阀3，气流会被快速截停，使采样管1中的气流停止流动，然后再关闭第一密封阀3，保证进入采样管的样本数量更均衡。
相对先关闭第一密封阀2而言，先关闭第一密封阀2会导致采样管尾端受负压影响，内部沉降被短暂影响，影响采样管进口侧的压力分布和颗粒分布。
其它实施例中，第一密封阀2和第二密封阀3还可以同时关闭。
综上所述，本文提出的压差法测量特殊的独立空间气固两相流浓度的方法具有简便、合理、可靠的特点，在理论研究和工程应用中对利用压差测量气固两相流颗粒体积浓度做了有益的补充。
最后应当说明的是:以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制；尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者对部分技术特征进行等同替换；而不脱离本发明技术方案的精神，其均应涵盖在本发明请求保护的技术方案范围当中。
Claims (10)
1.一种基于压差法的两相流浓度测量装置，其特征在于：包括采样管、第一密封阀、第二密封阀和压差计，所述采样管包括由进口端至出口端顺序连接在一起的进样管段、竖直管段和回流管段，所述第一密封阀设置于竖直管段的上部，所述第二密封阀设置于竖直管段的下部，所述压差计的测压管低压端安装于竖直管段上部并位于第一密封阀下方，所述压差计的测压管高压端安装于竖直管段下部并位于第二密封阀上方。
2.根据权利要求1所述的基于压差法的两相流浓度测量装置，其特征在于：所述上位机连接第一密封阀和第二密封阀用于阀门的启闭控制，所述压差计连接上位机用于采集压力信号。
3.根据权利要求2所述的基于压差法的两相流浓度测量装置，其特征在于：所述位于第一密封阀和第二密封阀之间的竖直管段的自上端至下端分为颗粒沉降减速段和颗粒沉降匀速段，所述压差计的测压管低压端安装于颗粒沉降匀速段的上部。
4.根据权利要求1-3任一项所述的基于压差法的两相流浓度测量装置，其特征在于：所述的两相流为气固两相流或气液两相流。
5.一种基于压差法的两相流浓度测量装置，其特征在于：包括工业输送管道、采样管、第一密封阀、第二密封阀和压差计，所述采样管包括由进口端至出口端顺序连接在一起的进样管段、竖直管段和回流管段，所述进样管段接入工业两相流输送管道，所述回流管段的出口连通工业输送管道，所述第一密封阀设置于竖直管段的上部，所述第二密封阀设置于竖直管段的下部，所述压差计的测压管低压端安装于竖直管段上部并位于第一密封阀下方，所述压差计的测压管高压端安装于竖直管段下部并位于第二密封阀上方。
6.根据权利要求5所述的基于压差法的两相流浓度测量装置，其特征在于：所述压差计连接上位机用于压力信号的采集，所述上位机连接第一密封阀和第二密封阀用于阀门的启闭控制。
7.根据权利要求6所述的基于压差法的两相流浓度测量装置，其特征在于：所述位于第一密封阀和第二密封阀之间的竖直管段的自上端至下端分为颗粒沉降减速段和颗粒沉降匀速段，所述压差计的测压管低压端安装于颗粒沉降匀速段的上部。
8.根据权利要求5-7任一项所述的基于压差法的两相流浓度测量装置，其特征在于：所述的两相流为气固两相流或气液两相流。
9.一种基于压差法的两相流浓度测量方法，其特征在于：包括权利要求1-8任一项所述的基于压差法的两相流浓度测量装置，通过以下步骤进行测量：
进入采样管内的两相流稳定后，关闭第一密封阀和第二密封阀，使竖直管段中进入的两相流在重力作用下沉降；读取压差计的数值，通过以下公式计算两相流中的颗粒体积浓度φ：
公式(1)中，φ为两相流中的颗粒或液滴体积浓度，ΔP为压差计测得的压差值，ρp为颗粒或液滴密度，ρg为空气密度，g为重力加速度，H为压差计的测压管高压端至测压管低压端之间的距离。
10.根据权利要求9所述的基于压差法的两相流浓度测量方法，其特征在于：首先关闭第二密封阀，再关闭第一密封阀，然后进行压差的测量。
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