CN1269886A - 用于确定在两相流的气相中固态和/或液态物质的含量的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于确定在带有气体载体的两相流中所含的固体或/和液体物质的量的方法。本发明的优选应用领域是燃煤发电厂的燃烧管线中气动传送的煤尘量的确定和拧绳的检测。根据本发明,两相流装载有固体和/或液体颗粒,其含量根据确定电磁波的传播的极限频率之下的衰减曲线近似线性区域的频率偏移来确定。此线性区域类似于阶梯函数,其形状大体上稳定,但是随着颗粒负载的增加,其大大地朝向低频偏移。根据本发明,频率的偏移是通过交变电场和由其计算的负载检测的。任何拧绳的出现都可以通过确定在激励交变电场在不同方位的负载来检测。

Description

用于确定在两相流的气相中固态和/或液态物质的含量的方法

本发明涉及用于确定在带有气体载体介质的两相流的气相中固态和/或液态物质的含量的方法。本发明的最合适的应用是确定在烧煤锅炉的煤管线中气动传输的粉化的煤的含量。

在带有气体载体介质的两相流中颗粒非常小的固态或液态物质的运输发生在涡流中是通过使固态和/或液态物质获得足够的运输速度以及足够的质量流率来实现的。特别是精细的固态颗粒的运输通常会导致一种被称作“拧绳(roping)”现象，此时，在运输管截面上的某些区域会出现固态物质的高度集中。粉化的物质的高集中区域或拧绳可能静止处于截面面积的相同位置，并且在该位置长时间十分稳定。有些可能在截面面积内快速改变其位置以及它们的几何形状和/或密度(也就是，在拧绳内固态物质的比浓度)。在管线的每个分支点(也就是管线从一个管分成几个支管的地方)，由于“拧绳”现象的原因，在离开管中的固态质量流的分布变化十分明显。因此，由于在进料管中会出现“拧绳”现象，不能将物料均匀地分布到各个离开管中，所以，从进料管分出的各个管中固态物质的质量流率可能不同。所以，给确定气动运输物质的含量，特别是多分支的配管工作带来很大的困难。

多种测量方法，如等动能线多点取样法，不能传递非常准确的测量数据，因为它们不能用统计有效的方法来覆盖截面面积内的拧绳。另外，这些测量花费时间长，因此，只能在数小时以后才能得到有效值。所以，这些测量方法不能用在闭环系统中。

为了控制发送工艺并平衡在管线中发送的固态物质的量，需要一种快速在线测量系统。很长一段时间以来，人们一直尝试着使用微波测量系统来进行测量。为此，在某一位置上将一定频率的微波连接到管线上，并在管线的上游或下游测量微波的振幅以及相位。这种测量原理的物理背景是载体气体中固态物质的集中或载体气体中液态物质的集中导致管线被测量部位的综合介电常数的变化和微波会影响随介电常数的变化而产生的衰减和相位偏移。在专利EP0717269，EP0669522或US5177334中介绍了根据这种物理原理的一种测量方法。这种方法的敏感度和这些气动输送系统中的微波使用仍不够，特别是在各个管中运输的物质量相差很大时和在每个管线的截面上的拧绳分布很不均匀时，会导致在截面面积的任何具体点上固态或液态物质的局部浓度明显不同。在电厂里烧煤的锅炉中对粉化的煤的测量，需要1克固体每立方米气体载体的分辨率。这种煤的低浓度仅会导致复合介电常数的非常小的变化，因此，对衰减和微波的相位偏移的影响很小。

利用微波来测量质量流率时，由于微波的反射会带来另外的许多问题。特别是在低密度时，微波在管(它表现为类似一个波导)内的衰减小，因此，波在前进过程中几乎没有衰减，所以它能传递一很长的距离，从而导致在管线直径的截面的每个变化处(如管线的分支)微波反射后往回传递，导致管中一直有波存在。这样会导致管中有共振，从而影响测量结果，破坏测量效果。这种微波测量方法的其它缺点在于需要对管子进行根本的物理变化。通常需要在输煤管线中准备一段具有很高几何精度并配备有发送和接收天线的管子。这种特殊的管子必须插在现有的管线中。另外，插入斜的连接器作为输送和接收天线也很困难并且很昂贵。

本发明的一个目的是提供一种用于确定在带有气体载体介质的两相流的气相中固态和/或液态物质的含量的方法，它可以用于低密度和煤的密度变化很小的场合，同时，它不需要对现有配管工作进行大的修改。所以，任务是开发一种方法，它可以提供1克每立方米的气体载体的最小分辩率，同时，对管线的测量通道的几何形状没有很严格的规定。

根据本发明，通过权利要求1可以实现该目的，下面的权利要求书介绍了本发明的优选使用场合。本发明利用在波传导截止频率之下沿恒定波导通道的交变电场的频率和衰减之间的已知物量关系，其中，衰减从低频率高衰减到高频率低衰减线性减小。在截止频率之下高衰减和低衰减之间的过渡段具有固定的形状，即使在固态或液态物质相对高浓度时，它也不会由于向发送气体中加入固态或液态物质后引起介电常数的变化而产生明显的变化。然而，一旦固态或液态物质加到测量通道中时，曲线的过渡部分会偏移到低频率，频率的偏移量可以用作对载体气体中固体或液体密度的测量。

本发明的一个目的是通过一发送天线连接一交变电场，并确定沿固定测量通道下游或上游这种交变电场的强度，因此，首先要用空管来进行记录，然后确定频率偏移量，从而用质量载荷和介电常数以及频率偏移之间的关系计算载体气体中固态或液态物质的量，为此，需要确定由与低频率相关的高衰减和与高频率相关的低衰减限制的过渡曲线的线性部分。使用能限制噪音率的真实接收器可以在过渡曲线上找到拐点，它可以通过曲线的差别来确定。在这个曲线的近似线性部分上，频率的任何变化都会导致衰减的变化。因此，对过渡曲线的线性部分上的测量点和测量范围的测量精度可以很高。

本发明有多种应用途径，一种是用于当管线是空的时，用过渡曲线的直线部分内的相应频率来确定特征衰减值。为了确定管线中物质的量，频率可以从一个低的开始频逐渐升高直至测定的衰减值达到为空管而确定的参考值。开始频率可以选择得较小一点或等于最低频率，在具体的应用场合下过渡曲线的直线部分可以偏移到最低频率。开始频率可以通过从过渡曲线的近似线性部分的较低频率中减去在密度最大时可能发生的最大的Δf。这种频率偏移可以通过下式来计算： $\mathrm{\Δf}=f_0(1-1/\sqrt{{\mathrm{\μ}}_r{\mathrm{\ϵ}}_r})$

其中，f₀是空管线的参考频率，μ_r是相对渗透性，ε_r是气体载体介质和固态和/或液态物质的混合物的相对介电常数。空管特征衰减值和装载管特征衰减值的频率差值就是对管线中固态或液态物质密度的测量。

可以理解，对于最大敏感度，最好选择过渡曲线的最陡部分的参考点，也就是，过渡曲线的近似线性部分，其中的反射点是曲线的一个好点。

为了加快测量的运算，最好选择一固定的步宽，增加每步的频率，从而计算每步之间的衰减点，直至发现参考点。如上所述，空管的参考衰减点和装载管的参考衰减点之间的频率差值是对管中固态或液态物质的浓度的测量。

当然，也可以用曲线的近似线性部分中的两单个测量点来描述参考点，用在装载管状态下测量的另一特征衰减值来计算装载管的Δf。

上述测量方法的一个重要优点在于它对测量管线的几何约束(如管子的圆度及其形状精度)要求不严。该测量可以在根据DIN误差制造的钢管中进行。即使在这些标准管中，测量方法的敏感度也非常好，并高于1克每立方米载体气体。

本方法的另一优点是交变电场的激励是通过很短的失配天线来进行的。这同样也适合于接收天线。这样，由于磨损而造成的天线长度和形状的任何变化都不会影响测量，也不需要因为腐蚀而更换天线。另外，这些短天线还可以用于没有任何大机械修改的管线中。本发明的方法在用于包含固态或液态物质的拧绳的两相流时优点特别明显。为了测量这些拧绳，必须用两套天线(它们的方位偏移90度)，根据上述频率来测量过渡曲线及其近似线性部分的变化。

一种可能的方法是间断地测量0度和90度，根据上述方法确定每套天线(轴对齐)上频率的偏移。根据测量方向(0度或90度)，可能的拧绳将会导致频率偏移量的差别。通过平均这些结果，总的测量浓度将会反应在管线的整个截面面积上的固态物质的平均浓度。

本发明可能用来确定几何位置以及在管线截面面积内拧绳的密度。为此这两个交变电场用方位偏移90度具有相同相位和频率的天线来激励。可以确定沿着测量通道这两个电场的过渡曲线的近似线性部分的频率的偏移。两个电场的频率的激励和偏移是同时进行的。两个交变电场将叠加形成一个交变电场。类似地，过渡曲线的近似线性部分的所得的频率偏移将作为对所得交变电场在最终方位的浓度的测量。通过改变两个方位偏移90度的天线耦合的各个交变电场的最大幅值，可以改变最终所得的交变电场的方位。最好保持所得交变电场的幅值为一常数。通过用不同的方位来反复进行测量，所得电场将会呈现出在过渡曲线的近似线性部分的最大和最小的频率偏移。如果有拧绳出现，最大和最小频率偏移将会在方位上偏移90度。用最大和最小的方位角，可以确定拧绳的位置。因为交变电场是对称的，所以可能出现两个可能的角度，这也就是对最大和最小位置的解释。

这就意味着在最大频率偏移时，交变电场的方位角可以用下式表示：

               α_st＝α_F+n180°

其中，α_st是拧绳的方位角，α_F是交变电场的方位角，n是自然数。这就意味着所测到的拧绳可能含糊不清地出现在截面面积的两个相对的四分之一的圆弧上。

可以用最大和最小的频率比来确定拧绳所在的最大和最小的电场强度的比。利用在管线截面上已知交变电场的强度分布来确定拧绳的径向位置。

为了排除可能出现拧绳的两个方位中的一个，需要进行另一个测量步骤，来确定拧绳是出现在截面面积的上部还是下部。根据本发明，这是通过确定在两个方位偏移90度的天线中的诱导电流来实现的。如果确定处在方位0度上的天线的位置，那么将要确定在180度方向上一相同强度、但极性相反的交变电场。在90度位置，只要在截面面积上均匀加载，在这个位置上的电场强度以及在天线中产生的诱导电流将为0。一旦在截面面积中发送天线所在的一半内产生拧绳，交变电场将被破坏，方位偏移90度的接收天线将会接收到一极性相反的电场强度。该电场将产生一诱导电流，该电流的相位和发送天线中的交变电流相差180度。当拧绳是出现在截面面积中与发送天线所在区相反的一半内时，接收天线中的电流的相位将和发送天线的相同。最好交换天线的发送和接收功能。这样，可以测量到接收和发送天线附近的拧绳。

本发明还可以测量发送物料的发送速度。为此，由于湍流特性而引起的发送物料的密度随时间的变化在管线上轴向分开的测量通道上被记录下来，并用一相关过滤器来计算密度轨迹的时间偏移。从这个时间偏移和两个测量通道的轴向距离，可以算出发送物料的发送速度。从平均密度和发送速度可以算出质量流率。

下面将参考附图介绍本发明，其中：

图1是燃煤电站的燃烧管的一部分；

图2是一曲线，示出了在高衰减和低衰减之间的深过渡区域频率和衰减之间的关系；

图3是在炉子管线的截面面积内出现拧绳时(0度方位)，所得到的交变电场；

图4是在炉子管线的截面面积内出现拧绳时(90度方位)，所得到的交变电场。

目标是测量燃煤电场的管线(管线的截面是圆形，直径为500毫米)内部，以测量在发送空气中粉化的煤的量，并测量管线截面内出现的拧绳。假设管线1的温度是恒定的，沿管线轴向凿两个洞，轴向间距为1000毫米。每个孔(50毫米)上固定一短的失配天线。该天线可以用通常的连接线来固定。最好用短失配天线，因为它能忍受由于煤颗粒而引起的低机械磨损。另外，任何机械磨损都会影响天线的电特性，不过影响程度很小。在煤气混合物2的物流方向上的第一天线用作发送器，第二个天线3用作接收天线。为了防止在波导上会传播任何谐波，每个天线都配有硬限制低通道过滤器，其截止频率稍高于波导1的截止频率。

为了确定测量通道的参数，首先记录在空管线上交变电场的衰减随频率的变化。为此，交变电场被诱导到发送天线2上，并连接到波导1上，发送到接收天线3上的交变电场被记录成频率的函数。在图2中描述了一种典型的曲线，其中，在1.3MHz的范围内衰减陡峭地降低，曲线的过渡部分近似直线。记录以后，可以确定在高衰减值和低衰减值之间过渡曲线的近似线性部分。在约348.5MHz的低限频率下高衰减值约45db，在约349.8MHz的高限频率下高衰减值约20db。在此参考范围内，可以用约32db的相应衰减值来确定在349.3MHz下的拐点。

在过渡曲线的近似线性范围内，梯度大，这就意味着管线电载荷的很小变化将会引起衰减的明显变化。上和下衰减阈值的绝对值取决于交变电场的大小以及接收器的敏感度。参考图2，可以确定在350MHz下在低频f0以下没有波传导。该频率也称作截止频率。

本发明显示，管线的最大载荷为1500克细煤颗粒每立方米载体气体。所得到的该煤和空气混合物的介电常数为ε_r＝1.003，相对磁导率μ_r约为1，用公式 $\mathrm{\Δf}=f_0(1-1/\sqrt{{\mathrm{\μ}}_r{\mathrm{\ϵ}}_r})$ 可以计算出523KHz的Δf值。为了确定空气中粉化的煤的含量，对发送天线2激励一交变电场，其具有约为347.9MHz的起始频率(它反应了空管的上衰减值降低了计算出的Δf)，交变电场沿着测量通道的衰减是通过接收天线3来确定的。衰减首先在与接近线性参考范围相关的衰减之上。交变电场的频率将阶梯式增加，直到相应衰减值达到线性参考范围内。在图2中用虚线表示的曲线显示了在装载管中测得的衰减值。在交变电场的频率为348.2MHz时，用装载管测得的衰减值为44dB。该装载管衰减值位于近似线性参考范围内。使用空管时该衰减值可以达到348.6MHz。这就意味着在装载状态下衰减曲线的近似线性部分与空管相比偏移了约0.4MHz。使用关系式 $\mathrm{\Δf}=f_0(1-1/\sqrt{{\mathrm{\μ}}_r{\mathrm{\ϵ}}_r})$ 在近似线性区域内频率的偏移Δf可以用来计算煤和空气混合物的相对介电常数ε_r的变化，因此可以计算在载体气体中的煤的浓度。此时，相对导磁率μ_r约为1。在这个例中可以算得浓度为0.16克煤每立方米空气。为了增加这种方法的敏感度，最好确定在曲线的线性部分内的拐点，并改变频率以确定空气中煤的量，直到衰减值等于拐点的值。这样的优点在于拐点就是过渡曲线线性部分内的最大辐射点。

为了加快测量，最好将开始频率在满载管的最低频率的基础上加上最低和最高阈值的差值(在此例中为1.3MHz)。这样可以保证测量点可以达到最小测量量，从而可以获得位于过渡曲线的线性部分的衰减值。使用该基本测量点，过渡曲线近似线性部分的频率偏移要么可以直接计算，要么可以利用线性方程来计算拐点，从而确定装载管和非装载管的值Δf。

为了测定管中的拧绳，需要在燃烧管线1的测量部分上安装两个另外的天线3和4。这些天线(2和3)在方位上偏移90度，并且彼此轴对齐。为了确定由拧绳形成的典型的装载，用上述发送和接收天线2、3、4和5来测定管线的电载荷，并通过平均两个方向上的值来测量质量流率。这样，由于考虑到了拧绳，所以测量更加精确。通过多次平均这些值，平均值更加精确，并反应管线中的实际质量流率。最好，通过增加另外的测量循环直到总体值的变化不很明显。

为了测量拧绳，在天线2和4上激励两个交变电场。电场必须有相同的频率和耦合的相位。这两个电场在燃烧管线1内叠加，从而形成交变电场。使用天线3和5可以测量发送来的相同频率和耦合相位的交变电场，进而确定沿测量通道上所得的交变电场的衰减。通过改变频率相同和耦合相位的交变电场的振幅，在管线上叠加的彼此偏移90度的电场的方向可以转动的角度最大为90度。通过让交变电场当中之一的相位反相，在一个天线上所得交变电场的转动角度可以增加到180度。在该例中，通过天线2和4，在直径为500毫米的燃烧管线中，激励交变电场，其具有+20dbm的衰减(它相当于100mW的发送功率)。为了让由两个偏移90度的电场形成的电场的方位以22.5度的阶梯转动，馈送各个激励天线的同轴线需要根据下表来进行衰减。

方位	天线2	天线4
			0°	0dB	-50dB
22.5°	-1dB	-9dB
			45°	-3dB	-3dB
67.5°	-9dB	-1dB
			90°	-50dB	0dB
112.5°	-9dB(反相，180°)	-1dB
			135°	-3dB(反相，180°)	-3dB
157.5°	-1dB(反相，180°)	-9dB

在每个方位中，载体气体中粉化的煤的浓度处于交变电场中，以确定上述过渡曲线的线性部分的频率偏移。下表示出了相应的频率偏移：

方位	频率偏移
		0°	125KHz
22.5°	177KHz
		45°	200KHz
67.5°	266KHz
		90°	376KHz
112.5°	260KHz
		135°	192KHz
157.5°	160KHz

可以看出最大的频率偏移在90度。在90度的方位处，管线截面上出现拧绳。图3和4示出了在方位0度(图3)和方位90度(图4)上燃烧管线1的截面内所得的交变电场。从最大频率偏移(最大煤浓度)和最小频率偏移(最小煤密度)的比例可以确定拧绳的径向位置。此时，比例为1∶3，因此拧绳接近于管壁。比例越接近于1，拧绳越接近管线截面的中心。管线中心出现的拧绳测量不到。

如果拧绳在管线的截面上的位置不变和或多或少稳定时，对拧绳的测量是有用的。在实际应用中，可假设在几个毫秒内的实际测量次数。通常拧绳测量的目的是破坏测量点下游的拧绳。因此仅对准静态拧绳感兴趣。

Claims (10)

1.一种用于测量气体载体介质中固态和/或液态物质含量的方法，采用步骤：在两相流内激励一电信号；在流动方向的上或下游位置接收电信号；与激励源位置处的信号相比较从而确定电信号的变化，并通过电信号的改变以及不用载体介质或在载体介质中用预定量的固态和/或液态物质的校准测量来确定两相流中包含的固态和/或液态物质的量，这种方法包括以下步骤：

A.使用电信号，其为一交变电场，不能作为电磁波在测量通道中传波；

B.确定测量通道的参数，通道中没有或者有一定量的固态和/或液态物质，通过记录沿测量通道的交变电场的衰减随频率的变化，并通过确定在低阈频率下的高衰减阈值和高阈频率下的低衰减阈值之间的衰减过渡曲线的最陡部分内的近似线性部分，最后将曲线的这个部分作为参考部分存储起来。

C.用合适的测量算法来测量过渡曲线的近似线性部分的频率偏移，从而确定管线内固态或液态物质的含量。

2.如权利要求1所述的方法，还包括如下步骤：

用偏移了Δf的频率来激励一交变电场，Δf是在最大载荷状态下过渡曲线的近似线性部分的频率偏移，它是通过 $\mathrm{\Δf}=f_0(1-1/\sqrt{{\mathrm{\μ}}_r{\mathrm{\ϵ}}_r})$ 来计算的，其中，f₀是非装载管线系统的截止频率；μ_r是相对导磁率，ε_r是气体载体介质和所包含的液态和/或固态物质的混合物的相对介电常数，进而用接收天线来测量交变电场的衰减，并将测量的衰减和选择来作为用权利要求1的步骤B确定的衰减阈值的衰减进行比较，然后逐渐增加测量的频率直到测量阈值等于所选择的参考衰减值，在测量曲线的参考范围内空管的参考衰减相关的频率和与装载管测量曲线的相关频率的差值用于计算管线中固态和/或液态物质的量。

3.如上面权利要求之一所述的方法，还包括：

确定过渡曲线的近似线性部分内的拐点，从而根据权利要求1所述的步骤B确定测量通道的参数。

4.如上面权利要求之一所述的方法，还包括：

使用拐点作为参考，从而根据权利要求2来确定Δf。

5.如权利要求1或2所述的方法，还包括使用交变电场来确定两相流中固态和/或液态物质的量，其中

D.使用一开始频率，它是将用权利要求1的步骤B确定的参考部分的低频率偏移一个Δf，Δf是在管线的最大液态或固态载荷下过渡曲线的近似线性部分的偏移，记录交变电场的衰减并将它与曲线的参考部分比较；

E.将交变电场的频率增加过渡曲线的参考部分的高低频率之间的差值的最大值，并反复测量交变电场的衰减的步骤，直到测量的衰减值位于曲线参考部分的低和高衰减阈值的范围内；和

F.通过比较在测量的衰减及其相关频率以及与在用空管测量的过渡曲线的原始参考部分内的相同衰减相关的频率的差值，来确定固态和/或液态物质的量。

6.如上面权利要求之一所述的方法，还包括步骤：

在方位角偏移90度的两个方位上，在导电管线或管线系统的一部分上，同时激励一交变电场，并用两个方位角偏移90度的接收天线，在激励源轴向的上游或下游位置记录这些交变电场的发送，这两个接收天线与发送天线轴向对齐，并且在权利要求1或2到5所述的步骤B和C可以确定固态和/或液态物质的量，并且还从每个方位的单个值来计算平均值。

7.如权利要求6所述的方法，还包括：

重复上述测量，直到在上面两个方位当中一个测量时测量总值的平均值不会在某一个阈值的上、下波动。

8.如权利要求1到5之一所述的方法，包括：

在导电管线或管线系统中，激励两个频率相同、相位耦合的交变电场，它们的方位偏移90度，并在方位偏移90度且与交变电场的激励源轴向对齐的两个位置上记录上述交变电场的上游或下游的传送，并叠加方位偏移90度两个交变电场，从而获得一个交变电场，它可以通过改变两个彼此偏移90度且相位耦合的交变电场的振幅而转动，也可以通过改变两个交变电场当中一个的相位，总的相位最大可以改变180度，所得的电场可以用来根据权利要求1或2到5所述的步骤B和C来确定管线中固态和/或液态物质的量，另外可以转动所得的交变电场的方位，直到测到固态和/或液态物质的最大和最小量，从这些测量值和最大和最小固态和/或液态物质的量所处的方位，在180度范围内可以明确地确定现存拧绳的几何位置和密度。

9.如权利要求8所述的方法，还包括：

根据权利要求8在360度范围内确定拧绳的位置，以使在180度范围内可以明确地确定拧绳的位置，另外，在另一步中，激励一频率处于过渡曲线的近似线性部分内的交变电场，并用相位与发送天线偏移90度的接收天线来记录，用在接收天线上诱导的交变电场的相位信息可以明确地确定拧绳的位置，其中，使用对发送天线的0方位的判别，如果在发送天线上的交变电流和在接收天线的交变电流的相位相同，可以确定拧绳的位置在90度到270度的范围内，如果在发送天线上的交变电流和在接收天线的交变电流的相位相反，可以确定拧绳的位置在大于270度到小于90度的范围内。

10.如上面权利要求之一所述的方法，包括：

激励一交变电场并用失配的短天线接收这种交变电场。

Images