CN205719059U - 一种管道气流流量测量装置 - Google Patents

Abstract

一种管道气流流量测量装置，用于管道气固两相流体或单相高温流体流速或流量测量装置，设置于管道中部的风叶转子通过转轴与测风接管连接，测风接管与焊接在管道壁的管座法兰连接，转轴与安装于测风管座的上、下管套连接，转轴两端设置磁铁，磁铁通过磁悬浮力，将转轴与测风接管位置固定，转轴通过转速传感器将输出信号输送到数据处理器进行处理。本实用新型利用一次风管粉混合物流速驱动风叶转子转动，将风叶转子转速转化成管道风速，通过模块处理器计算出风量，避免了测量一次风动压，测压管堵塞问题，可以实现风速或风量在线监测。采用磁悬浮技术和高压清洁空气的密封技术、耐磨材料等技术大为延长了装置的使用寿命。

Description

一种管道气流流量测量装置

技术领域

本实用新型涉及煤粉气固两相流体流速、流量测量或单相高温流体流速、流量测量技术。

背景技术

电站锅炉燃烧系统中，一次风管风速大小是电站锅炉燃烧调整的重要参数，一次风速过大，容易造成锅炉燃烧不稳，甚至灭火；一次风速过小，则会造成一次风管积粉或堵塞，甚至一次风管烧损。长期以来，技术人员为了测量一次风管风粉混合物速度，付出了太多的努力，因此，有多种一次风管风粉混合物在线监测技术已经应用于电站锅炉实际生产中，并取得了一定的效果。但是，也存在着一些无法克服的缺陷。

一般来讲，电站锅炉一次风管道内的气固气流速度主要使用两种方式测量，一种是采用皮托管或靠背管测量出单相气体动压和静压、温度等参数，利用伯努利方程计算出风速、风量和靠背管系数；然后，采用靠背管测量气固两相流体的流速或流量，由于锅炉一次风管道内的主要输送物为煤粉颗粒，靠背管容易堵塞，导致一次风管风速测量误差过大或无法测量。

另一种是采用静电荷法测量，在一次风管上安装两个传感器，两个传感器的距离一定，由于气流通过两个传感器感应的静电荷所产生的波存在一定的时差，因此，根据两个传感器所产生的波的周期与两个传感器之间的距离，可以计算出气流流速。但是，由于气流温度变化，导致用于计算气流流速的系数差别很大，使得测量难以准确照顾到不同温度范围的流速，因此，在温度变化不大的情况下，采用静电荷法测量的气流速度只能反映流体速度的变化趋势，不能真正反映流体的实际流速和流量。

实用新型内容

本实用新型所要解决的技术问题是为了解决上述提出的问题，提供一种在管道内针对高温气体或粉尘浓度较高的气固两相流体的流速或流量 测量装置，以适应电站锅炉负荷及燃用煤质变化，且维护方便、测量准确的管道气流流量测量装置。

所述管道气流流量测量装置，其特征在于，包括风叶转子、转轴、测风接管、转速传感器、测风管座和数据处理器，设置于管道中部的风叶转子与所述转轴的尾端连接，转轴外间隔套设有测风接管，转轴的两端部与测风接管之间通过轴承或磁场连接，测风接管与管道侧壁的测风管座固定连接，所述测风接管的首端外侧固定设有压盖，所述转速传感器与转轴连接，转速传感器的输出端与数据处理器电连接，用于通过数据处理器将转速转换为管道气流流速或流量。

进一步地，在所述转轴的尾部固定套接有下内磁铁，下内磁铁的外周通过间隙设置有下外磁铁，所述下内磁铁和所述下外磁铁的同一端极性相同。

进一步地，所述转轴的首部固定套接有上内磁铁，上内磁铁的外周通过间隙设置有上外磁铁，所述上内磁铁和所述上外磁铁的同一端极性相同。

更近一步地，所述上内磁铁的轴向两侧间隙套设有下磁铁和上磁铁，所述下磁铁和所述上磁铁与转轴之间设有间隙，所述下磁铁和所述上磁铁面对上内磁铁的一端与所面对的上内磁铁端面极性相同。

优选地，所述下内磁铁与所述下外磁铁之间的间隙、所述上内磁铁与所述上外磁铁之间的间隙、所述上内磁铁与所述上磁铁之间的间隙，以及上内磁铁与所述下磁铁之间的间隙为2mm～12mm；下内磁铁、下外磁铁、上内磁铁、上外磁铁、上磁铁和下磁铁为永久磁铁，剩磁强度至少为10KGs。

进一步地，在测风管座内的测风接管的外侧套装有耐磨套管；在测风接管的两端外侧分别套设有上管套和下管套，所述下管套的内部与测风接管螺纹连接，下管套的外侧与耐磨套管螺纹连接；下管套外部的内径逐渐缩小到与转轴的间隙为0.2mm～1mm，所述压盖与上管套的外端固定连接，使所述测风接管、下管套、上管套和压盖合围成一个腔体；所述测风接管的部分设于测风管座的外部，在测风管座外部的测风接管设有高压清 洁空气接头，用于向所述腔体内吹入清洁空气，防止测风接管内被灰尘或杂质污染。

作为实施例，所述下管套、耐磨套管和风叶转子为耐磨金属陶瓷材料；所述下内磁铁、下外磁铁、上内磁铁、上外磁铁、上磁铁和下磁铁设于磁铁套内，所述磁铁套与测风管座、上管套或下管套固定连接。

优选地，所述上管套与测风接管的外表面螺纹连接，所述上外磁铁嵌设于测风接管与上管套之间并通过上管套固定，上磁铁与下磁铁分别通过上管套与测风接管凸出的凸台以及上内磁铁外斥的磁力固定；下外磁铁嵌设于下管套和测风接管之间并通过下管套与测风接管之间的螺纹固定。

进一步地，在测风接管与耐磨套管之间设有温度及压力传感器，温度及压力传感器通过导线与所述数据处理器连接，用于计算流体流量，所述温度及压力传感器设于耐磨套管在风管内部的背风面开口处；所述转速传感器为编码器。

一种实施例为，所述转轴的长度为500mm～4000mm；在所述转轴的中部固定套接有一组或多组中内磁铁，中内磁铁的外周通过间隙设置有中外磁铁，所述中内磁铁和所述中外磁铁的同一端极性相同。

本实用新型实现了能够适应高温或气固两相流体的恶劣测量环境的流量准确计量，且几乎不影响流体状态，维护量大为降低，同时提高了测风装置的测量精度，大为延长了使用寿命，有利于提高锅炉燃烧安全性和经济性，减少污染物排放量。

本实用新型管道气固两相流体流速或流量测量装置与现有风量风速或风量测量装置相比较，其突出特点为：

1.本测风装置利用燃煤系统管道中一次风粉混合物流速驱动风叶转子转动，将风叶转子转速转化成风速，通过数据处理器计算出风量和流体流量，避免了测量一次风动压时测压管堵塞问题，首次实现了一次风管风粉混合物气固两相流体流速在线监测。

2.利用磁悬浮技术，消除了转轴所受到的轴向和径向受力，风叶转子受到流体流动驱动力而转动，带动转轴转动。首次将磁悬浮技术用于气固两相流体流速测量装置，使转轴除了受空气摩擦力外，几乎没有其他 摩擦阻力，因此，大幅减少了转轴的摩擦阻力，提高了装置测量精度，大幅延长了测量装置的使用寿命。

3.经过过滤后的高压清洁空气进入测风装置，从下管套与转轴之间的间隙流出，对装置进行非接触密封，阻止风道或一次风管的灰尘进入测风装置而影响装置测量精度和正常工作，使得装置可在严重粉尘环境中长期、稳定运行。

4.对于截面尺寸较大的管道，测量气流流速时，无需改变管道截面结构尺寸、增加风阻，对气流体流场影响小。

5.使用永久磁铁而不是电磁铁作为转轴的支撑，不仅简化了结构，而且提高了测风装置对温度的适应范围，避免了使用电磁铁导致线圈过度发热对设备带来的不利影响。

6.与以往的管道流体测量不同，利用了编码器进行风速测量，提高了装置的测量精度，满足使用精度要求。

7.风叶转子、下管套、耐磨套管均采用金属陶瓷进行加工或处理，大大延长装置使用寿命。

本实用新型利用一次风管中的风粉混合物流动，驱动风叶转子转动，带动与风叶转子连接的转轴转动，来测量一次风管气固两相流体流速，进而计算出流量，解决了高温和高浓度粉尘环境的流量长期准确测量问题；采用金属陶瓷加工风叶转子和耐磨套管，延长装置使用寿命；引入高压清洁空气对装置进行密封，确保装置正常工作；利用磁铁同极相斥的磁悬浮技术原理，消除装置轴向力和径向力，较少摩擦力，提高测量精度。除电站锅炉一次风管风粉混合物气固两相流体风速在线监测外，本实用新型也可应用于二次风道风量在线监测，中速磨煤机入口一次风量在线监测，水泥、冶金、石化等行业的单相流体流速或气固两相流体流速或流量在线监测测量。

附图说明

附图是本实用新型结构示意图。

图中：1—压盖，2—数据处理器，3—转速传感器，4—上磁铁，5—上内磁铁，6—上外磁铁，7—下磁铁，8—上管套，9—测风接管法兰，10 —管座法兰，11—转轴，12—测风管座，13—耐磨套管，14—管道，15—温度及压力传感器，16—下外磁铁，17—下管套，18—下内磁铁，19—风叶转子，20—测风接管，21—高压清洁空气接头，22—中内磁铁，23—中外磁铁。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本实用新型进一步说明：如图1所示管道气流流量测量装置，包括风叶转子19、转轴11、测风接管20、转速传感器3、测风管座12和数据处理器2。

其中转速传感器3选用编码器，编码器可将转动角度转变为脉冲输出，根据不同型号的编码器精度，每周可输出360～2400个脉冲，数据处理器2可使用PLC、单片机或DSP，编码器的输出信号可直接接入数据处理器或DCS控制系统。

风叶转子19设有三只绕轴转动的半圆碗或三个风叶，半圆碗的圆心或风叶的中心线设置于管道中轴线，风叶转子19采用金属陶瓷，其中心轴与所述转轴11的尾端固定连接，转轴11外间隔套设有测风接管20，转轴11的两端部与测风接管之间通过轴承或磁铁连接，若使用轴承则需要选用昂贵耐磨的宝石轴承。

如图所示，管道14的一侧设有与管道连通的柱形的测风管座12，测风管座的外端设有管座法兰10，管座法兰10通过测风接管法兰9密封连接，测风接管法兰9与测风接管20焊接为一体，且测风接管法兰位于测风接管的中轴线上。使用测风管座安装测风装置不需要改变管道形态，对管道气流没有明显影响。理论与试验数据证明，轴的转速与驱动风叶转子转动的风速成正比，因此，通过风洞试验或就地标定出轴的转速与风速的关系系数，就可以准确测量被测介质流速。

本实用新型技术方案的风叶转子式测速在高温或气固两相流体管道中首次提出并应用，虽然在常温低风速的清洁空气环境中，风叶转子连接转轴可以用来测量风速，但是在粉尘浓度较高的气固两相流体环境中根本无法使用这种方式测量流体速度，尤其在煤粉气力输送系统的管道中，管道流速可高达40m/s，或在管道截面积很大的二次风道(风道长3-5m， 宽8-10m)，根据等截面法，需要安装多个测风装置方能准确测出流场流速，使得转轴长度超过500mm，甚至长达4m，因此对于粉尘浓度高的气固两相流体管道，尤其是煤粉气力输送管道中测风速需要面临的问题是：

1.支撑转轴的轴承无法在重粉尘的环境中使用，轴承极易被磨损；

2.由于转轴长度过长，使得转轴重量较大，轴向和径向的轴承受力大，轴承容易损坏；

3.由于风速高，轴承长时间连续工作磨损大，消耗过大；

4.转轴过长，使得转轴容易弯曲，尤其在高转速下，转轴的径向跳动很大，对轴承的冲击过大；

5.即使将装置密封，长时间的粉尘在转轴附近堆积也同样会造成转动障碍和转轴的磨损；

6.管道中气流流速大，温度高，粉尘浓度高，对装置的磨损严重。

为解决上述问题，本实用新型方案采用了以下方案：

在测风管座12内的测风接管20的外侧套装有耐磨套管13，在测风接管20的尾端以下套管17覆盖转轴与耐磨套管13之间的间隙，下套管17与耐磨套管13通过螺纹固定，转轴11由于工作于转动状态，下套管17需要与转轴11之间留有间隙。如图，耐磨套管13与测风接管法兰9固定连接，转轴尾端伸出下套管的部分为风叶转子19。风叶转子19、下套管17和耐磨套管13将转轴11和测风接管20与管道内气流基本隔离，如图所示，所述下管套17的内部与测风接管20螺纹连接，下管套17的外侧与耐磨套管13螺纹连接；下管套17外部的内径逐渐缩小到与转轴11的间隙为0.5mm。而风叶转子19、下套管17和耐磨套管13使用耐磨金属陶瓷材料，使测风装置具备了耐磨防护性能。

上套管8与测风接管20的上端外侧螺纹连接，所述压盖1与上管套18的外端固定连接，使所述测风接管20、下管套17、上管套8和压盖1合围成一个腔体；所述测风接管20的部分设于测风管座12的外部，在测风管座12外部的测风接管20设有高压清洁空气接头21，用于向所述腔体内输入清洁空气，防止测风接管20内被灰尘或杂质污染。因此下套管17与转轴11之间的间隙受到腔体内正压的作用，使管道气体无法侵入到 腔体内，从而保持了腔体内的洁净和装置的工作环境。

为了尽量减小转轴的磨损，延长使用寿命，实施例取消了轴承的使用，在所述转轴11的尾部固定套接有下内磁铁18，下内磁铁18的外周通过间隙设置有下外磁铁16，所述下内磁铁18和所述下外磁铁16的同一端极性相同，且与转轴11同轴。所述转轴11的首部固定套接有上内磁铁5，上内磁铁5的外周通过间隙设置有上外磁铁6，所述上内磁铁5和所述上外磁铁6的同一端极性相同，且与转轴11同轴。所述上内磁铁5的轴向两侧间隙套设有下磁铁7和上磁铁4，所述下磁铁7和所述上磁铁4与转轴之间设有间隙，所述下磁铁7和所述上磁铁4面对上内磁铁5的一端与所面对的上内磁铁端面极性相同，且与转轴11同轴。

所述下内磁铁与所述下外磁铁之间的间隙、所述上内磁铁与所述上外磁铁之间的间隙、所述上内磁铁与所述上磁铁之间的间隙，以及上内磁铁与所述下磁铁之间的间隙为2-10mm。内磁铁的长度短可以使其便于安装操作，内磁铁四周在外磁铁的磁力范围内完全处于悬浮状态。

下内磁铁、下外磁铁、上内磁铁、上外磁铁、上磁铁和下磁铁均使用永久磁铁，磁铁的剩磁强度至少为10KGs。永久磁铁避免了加重设备的发热，且简化了结构。由于转轴长度大，重量大，在高速转动时的冲击力大，需要磁铁具有足够强的磁力支撑。

使用磁悬浮技术，使转轴悬浮，彻底避免了接触磨损，也避免了转轴高速旋转带来的径向跳动冲击，从而使装置的使用寿命大为延长。

为了避免转轴过长导致转轴的中段径向晃动，在转轴的中段可以设置一个或多个径向磁悬浮支撑点，在所述转轴的中部固定套接有中内磁铁22，中内磁铁的外周通过间隙设置有中外磁铁23，所述中内磁铁和所述中外磁铁的同一端极性相同。

下套管和上套管的一个重要作用是方便磁铁的安装，由于永久磁铁难以加工，在如图结构中，所述上管套8与测风接管20的外表面螺纹连接，所述上外磁铁6嵌设于测风接管与上管套之间并通过上管套固定，上磁铁4与下磁铁7分别通过上管套与测风接管凸出的凸台以及上内磁铁外斥的磁力固定；下外磁铁16嵌设于下管套17和测风接管20之间并通过下管 套与测风接管之间的螺纹固定。

另一种磁铁安装的实施例是，所述下内磁铁、下外磁铁、上内磁铁、上外磁铁、上磁铁和下磁铁设于抗磁材料的磁铁套内，磁铁套易于加工，所述磁铁套与测风管座、上管套或下管套固定连接。磁铁置于磁铁套内易于清洁维护和更换。

为了便于测量流体的质量流量和体积流量，需要测量管道内的气压和温度，在测风接管与耐磨套管之间设有温度及压力传感器15，所述温度及压力传感器15设于耐磨套管在风管内部的背风面开口处，并通过在测风接管与耐磨套管之间的导线连接到数据处理器。使得传感器首次在受到保护的情况下能够在管道内测到温度和压力的直接数据。

Claims (10)

1.一种管道气流流量测量装置，其特征在于，包括风叶转子(19)、转轴(11)、测风接管(20)、转速传感器(3)、测风管座(12)和数据处理器(2)，设置于管道中部的风叶转子(19)与所述转轴(11)的尾端连接，转轴外间隔套设有测风接管(20)，转轴的两端部与测风接管之间通过轴承或磁场连接，测风接管与管道侧壁的测风管座(12)固定连接，所述测风接管的首端外侧固定设有压盖(1)，所述转速传感器(3)与转轴连接，转速传感器的输出端与数据处理器(2)电连接，用于通过数据处理器将转速转换为管道气流流速或流量。

2.根据权利要求1所述的管道气流流量测量装置，其特征在于：在所述转轴的尾部固定套接有下内磁铁(18)，下内磁铁的外周通过间隙设置有下外磁铁(16)，所述下内磁铁(18)和所述下外磁铁(16)的同一端极性相同。

3.根据权利要求2所述的管道气流流量测量装置，其特征在于：所述转轴的首部固定套接有上内磁铁(5)，上内磁铁的外周通过间隙设置有上外磁铁(6)，所述上内磁铁(5)和所述上外磁铁(6)的同一端极性相同。

4.根据权利要求3所述的管道气流流量测量装置，其特征在于：所述上内磁铁(5)的轴向两侧间隙套设有下磁铁(7)和上磁铁(4)，所述下磁铁(7)和所述上磁铁(4)与转轴之间设有间隙，所述下磁铁(7)和所述上磁铁(4)面对上内磁铁(5)的一端与所面对的上内磁铁端面极性相同。

5.根据权利要求4所述的管道气流流量测量装置，其特征在于：所述下内磁铁与所述下外磁铁之间的间隙、所述上内磁铁与所述上外磁铁之间的间隙、所述上内磁铁与所述上磁铁之间的间隙，以及上内磁铁与所述下磁铁之间的间隙为2mm～12mm；下内磁铁、下外磁铁、上内磁铁、上外磁铁、上磁铁和下磁铁为永久磁铁，剩磁强度至少为10KGs。

6.根据权利要求5所述的管道气流流量测量装置，其特征在于：在 测风管座内的测风接管的外侧套装有耐磨套管(13)；在测风接管的两端外侧分别套设有上管套(8)和下管套(17)，所述下管套的内部与测风接管螺纹连接，下管套的外侧与耐磨套管螺纹连接；下管套外部的内径逐渐缩小到与转轴的间隙为0.2mm～1mm，所述压盖(1)与上管套的外端固定连接，使所述测风接管、下管套、上管套和压盖合围成一个腔体；所述测风接管的部分设于测风管座(12)的外部，在测风管座外部的测风接管设有高压清洁空气接头(21)，用于向所述腔体内吹入清洁空气，防止测风接管内被灰尘或杂质污染。

7.根据权利要求6所述的管道气流流量测量装置，其特征在于：所述下管套、耐磨套管和风叶转子(19)为耐磨金属陶瓷材料；所述下内磁铁、下外磁铁、上内磁铁、上外磁铁、上磁铁和下磁铁设于磁铁套内，所述磁铁套与测风管座、上管套或下管套固定连接。

8.根据权利要求6所述的管道气流流量测量装置，其特征在于：所述上管套(8)与测风接管(20)的外表面螺纹连接，所述上外磁铁(6)嵌设于测风接管与上管套之间并通过上管套固定，上磁铁(4)与下磁铁(7)分别通过上管套与测风接管凸出的凸台以及上内磁铁外斥的磁力固定；下外磁铁(16)嵌设于下管套(17)和测风接管(20)之间并通过下管套与测风接管之间的螺纹固定。

9.根据权利要求1所述的管道气流流量测量装置，其特征在于：在测风接管与耐磨套管之间设有温度及压力传感器(15)，温度及压力传感器通过导线与所述数据处理器连接，用于计算流体流量，所述温度及压力传感器(15)设于耐磨套管在风管内部的背风面开口处；所述转速传感器为编码器。

10.根据权利要求1所述的管道气流流量测量装置，其特征在于：所述转轴的长度为500mm～4000mm；在所述转轴的中部固定套接有一组或多组中内磁铁(22)，中内磁铁的外周通过间隙设置有中外磁铁(23)，所述中内磁铁和所述中外磁铁的同一端极性相同。