DE69620726T2

DE69620726T2 - Passives akustisches Verfahren zur Überwachung von Transferleitungen eines Reaktors

Info

Publication number: DE69620726T2
Application number: DE69620726T
Authority: DE
Inventors: Charles Lambert Baker Jr.; George Dewey Cody; Eugene R. Elzinga Jr.
Original assignee: ExxonMobil Research and Engineering Co
Current assignee: ExxonMobil Technology and Engineering Co
Priority date: 1995-12-22
Filing date: 1996-12-16
Publication date: 2002-10-10
Anticipated expiration: 2016-12-17
Also published as: DE69620726D1; CO4600610A1; AU7547796A; EP0781597A2; ES2175043T3; AU711514B2; US5675071A; EP0781597B1; JPH09236245A; CA2192488A1; EP0781597A3

Description

Hintergrund der Erfindung

Die vorliegende Erfindung betrifft ein passives akustisches Verfahren zur Überwachung von Überführungsleitungen eines Reaktors.
Wirbelbetten und die damit verbundenen Überführungsleitungen, die Teilchen/Gas-Ströme zu diesen hin und von diesen weg transportieren, spielen in vielen Erdölraffinierungs-, chemischen, Trockungs- und Verbrennungsverfahren eine wichtige Rolle. Ein neuerer Artikel in Science [A.M. Squires, M. Kwauk und A. A. Avidan, Science 230, 1329 bis 1136 (1985)] behandelt die Verwendung von Wirbelbettreaktoren zur Verbrennung von pulverisierter Kohle sowie andere Anwendungen wie "das Rösten von Erzen, Calcinieren von Carbonaten, Calcinieren oder Verbrennen von Abfällen, Trocknen von Feststoffen, Cracken von Kohlenwasserstoffen und katalytisches Umwandeln von Gasen". Fluidization Engineering (Daizo Kunii und Octave Levenspiel, Krieger, Malabar, Florida 1987) besprechen ebenfalls eine Vielzahl physikalischer, synthetischer und Raffinierungsverfahren auf Basis der Verwirbelung von Gas/Teilchen-Systemen.
Die Überführung des Feststoff/Gas-Stroms in Wirbelbett- Reaktoren hinein und mitunter auch aus diesen heraus wird durch Überführungsleitungen oder Leitungen mit großem Durchmesser bewirkt, bei denen Teilchen in einem Hochgeschwindigkeitsgasstrom transportiert werden. Diese Überführungsleitungen werden mitunter als "Standrohre", wenn sie einen Gasstrom von Teilchen aus Wirbelbetten entfernen, oder "Steigleitungen" bezeichnet, wenn sie einen Gasstrom von Teilchen in ein Wirbelbett einbringen. Die Teilchendichte in Überführungsleitungen liegt etwas unterhalb derjenigen in Wirbelbetten und liegt bei üblichen Überführungsleitungen im Bereich von 1 bis 30% der Dichte von Wasser.
Die lokale Massendichte in einem Abschnitt der Überführungsleitung, ρm, die lokale Teilchengeschwindigkeit, Vp, und die lokale Querschnittfläche der Leitung mit dem Innendurchmesser D definieren den lokalen Massenfluss der Teilchen durch die Überführungsleitung, F [kg/m²·s] durch ein Raummittel über den Querschnitt der Leitung:
F = (ρmVp)s (1)
Die Massenströmungsrate [kgm/s] ist dann gegeben durch F(πD²/4). In vielen interessierenden Fällen ist die Gleitgeschwindigkeit, der Unterschied zwischen der Teilchengeschwindigkeit und der Gasgeschwindigkeit, gering und über den Querschnitt konstant, und es kann eine erheblich einfachere Annäherung an Gleichung (1) durchgeführt werden. Das Raummittel des Produkts von Teilchendichte und Teilchengeschwindigkeit, das durch Gleichung (1) gegeben ist, wird durch das Produkt aus durchschnittlicher Teilchendichte (ρa = < ρm> ) und durchschnittlicher Teilchengeschwindigkeit (Va = < Vp> ) ersetzt, wie in Gleichung 2 gezeigt wird:
F = < ρmVp> s &sim; < ρm> < Vp> = ρaVa
Wenn die durch Gleichung (2) wiedergegebene Vereinfachung gültig ist, sind Einzelmessungen von beliebigen zwei der drei Größen F, ρa und Va ausreichend, um die dritte zu bestimmen.
Wirbelbetten und die Überführungsleitungen, die Teilchen in sie einspeisen und aus ihnen abziehen, sollen kontinuierlich über Zeitspannen, die mehrere Jahre andauern, betrieben werden. Zahlreiche Faktoren können den vorgesehenen Langzeitbetrieb der Überführungsleitung stören. Unbemerkte Konstruktionsfehler können zu übermäßigen Teilchengeschwindigkeiten in Bereichen der Überführungsleitung führen, die kritische Komponenten erodieren, die die Teilchenströmung aufrechterhalten, wie Gas- oder Einsatzmaterialinjektoren und sogar die hitzebeständige Wand der Überführungsleitung. Hohe Teilchengeschwindigkeiten führen auch zu Teilchenabrieb und zur übermäßigen Erzeugung von "Feinteilen", die dann in den Gasströmen verlorengehen können, die das Wirbelbett verlassen.
Versuche zur Veränderung der Betriebsbedingungen, um sich höheren oder niedrigeren Teilchenmassenströmungsraten anzupassen, wie es häufig beim katalytischen Cracken mit sich ändernden "Einsatzmaterialraten" kommt, kann zu unbemerkten Instabilitäten innerhalb der Überführungsleitung führen. Ein Beispiel für diese Instabilitäten sind stagnierende "Blasen", die die Strömung der Teilchen durch die Leitung begrenzen. Bereiche hoher Teilchendichten ("Stöße") können auf Strukturträger und -komponenten auch zerstörerische Kräfte ausüben. Kritische Komponenten, die die Strömung von Teilchen und Gasen regeln, können im Allgemeinen aus mehreren Gründen versagen. Wenn ihr Ausfall unbemerkt bleibt, verschlechtert sich die Leistung der Überführungsleitung allmählich.
EP-A-0 385 789 beschreibt die Messung der Strömungsanisotropie in einem Zweiphasen-Wirbelbett, bei dem die Teilchen in einem Fluid suspendiert sind. Das Fluid bewegt sich durch das Bett, die Teilchen verbleiben jedoch in Suspension, während die Wandvibrationen gemessen werden. Die Teilchen in einem solchen Wirbelbett bewegen sich in dem Bett und kollidieren mitunter mit den Bettwänden. Das normale Moment der Teilchen, die auf die Wände aufprallen, erzeugt Wandvibrationen. Dieses Dokument beschreibt jedoch nicht die Messungen von Geschwindigkeit, Dichte und Fluss eines strömenden Fluid/Teilchenstroms, insbesondere in Überführungsleitungen.
Borzone et al. [L.A. Borzone, G.E. Klinzing und W.C. Yang, Powder Technology 62, 277 bis 290 (1990)] beschreiben einige der Probleme, die mit Kohleverbrennungs- und -vergasungsanlagen verbunden sind. Diese Autoren erwähnen, dass "die pneumatische Förderung von Feststoffen bei hohen Temperaturen eine Operation mit zunehmender Bedeutung im Bereich der Kohletechnologie ist. Kohleverbrennungs- und -vergasungsanlagen müssen feststoffbeladene Ströme bei hohen Temperaturen nahe an Abschlackungsbedingungen handhaben. Unter diesen Bedingungen werden Erosion und Korrosion zu Hauptproblemen, die das kontinuierliche Betreiben dieser Systeme beeinträchtigen."
Zum effizienten Betreiben von Wirbelbettverfahren gibt es somit einen deutlichen Bedarf nach Überwachung der Betriebsleistung der Überführungsleitungen, die deren kontinuierliches Betreiben ermöglicht. Quantitative Informationen über den Betriebszustand einer Überführungsleitung, ausgedrückt als die Variablen F, Va und ρa, können (1) den Betreiber und die Ingenieure des Verfahrens beim Identifizieren der Quelle der Einschränkungen des Betriebs bei Änderungen der Teilchenmassenströmungsrate unterstützen, (2) den Betreiber und die Ingenieure des Verfahrens beim Identifizieren und Korrigieren von Strömungsbedingungen unterstützen, die zu Wanderosion oder Schäden an Komponenten führen können, (3) den Betreiber und die Ingenieure des Verfahrens beim Identifizieren und Korrigieren von Strömungsbedingungen unterstützen, die zu übermäßigem Teilchenabrieb und somit Teilchenverlust führen, (4) den Betreiber und die Ingenieure des Verfahrens beim Anfahren und Herunterfahren des Verfahrens unterstützen, und (5) Verfahrenskonstuktionsingenieure bei der Validierung halbempirischer Modelle für Teilchenströmung sowie dem Identifizieren von Konstruktionsmängeln unterstützen.
Die neuen erfindungsgemäßen Funde schließen die Beobachtungen ein, dass
1. statistischer Teilchenaufprall auf der Innenseitenwand einer Überführungsleitung andere Quellen für Wandvibrationsgeräusche in bestimmten Frequenzbereichen in kommerziellen Überführungsleitungen dominiert,
2. Verbundwerkstoffe von Überführungsleitungen aus hitzebeständigem Material/Stahl örtlich begrenzte Wandresonanzen zeigen können, die auf Teilchenaufprall innerhalb eines Lateralbereichs in der Größenordnung des ein- bis dreifachen der Wanddicke reagieren. Falls dies nicht der Fall ist, kann selektive Dämpfung der Wand der Überführungsleitung die Reaktion des Beschleunigungsmessers auf einen ähnlichen Empfindlichkeitsradius örtlich begrenzen.

Zusammenfassung der Erfindung

Die vorliegende Erfindung ist ein Verfahren zur nicht-intrusiven Bestimmung von durchschnittlicher Teilchengeschwindigkeit und durchschnittlicher Teilchenmassendichte aus dem Massenfluss und der PNS-Beschleunigung in einer Gas/Teilchen-Überführungsleitung. Das Verfahren schließt die Stufen ein, in denen die RMS-Beschleunigung der Wand der Überführungsleitung an einer oder mehreren Positionen entlang der Länge der Überführungsleitung bestimmt wird, der durchschnittliche Massenfluss durch die Überführungsleitung bestimmt wird und aus beiden Werten die durchschnittliche Teilchenmassendichte oder die durchschnittliche Teilchengeschwindigkeit aus der RMS-Beschleunigung und dem durchschnittlichen Massenfluss bestimmt wird.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Fig. 1 ist ein Beispiel für Überführungsleitungen, die Katalysatorteilchen in einem katalytischen Wirbelbett-Crackverfahren transportieren.
Fig. 2 zeigt ein Schema für den Messaufbau zur Überwachung der Wandvibrationen der Verbundwand einer Überführungsleitung, die durch Teilchenaufprall erzeugt werden, und illustriert auch die Kalibrierung der Reaktion der Wand mit einem Schmiedehammer.
Fig. 3 zeigt ein Schema für den Überwachungsaufbau zur Messung der RMS-Beschleunigung für ein transportables System.
Figur, 4 zeigt ein Schema für den Überwachungsaufbau zur Messung der RMS-Beschleunigung für ein Online-System.
Fig. 5 zeigt ein Beispiel für RNS-Beschleunigung bei Überführungsleitungsmessungen bei einer Überführungsleitung an zwei identischen Anlagen, wobei eine Überführungsleitungserosion zeigt und die andere nicht.
Fig. 6 zeigt die Unabhängigkeit der RMS-Beschleunigung von der Bandbreite.
Fig. 7 zeigt eine Auftragung der geschätzten Teilchengeschwindigkeit bei zwei unterschiedlichen Reaktoren.
Fig. 8 zeigt eine schematische Auftragung der Wirkung von stagnierenden Blasen auf die RMS-Beschleunigung A.
Fig. 9 zeigt eine schematische Auftragung des Effekts von Stoßen auf die zeitliche Variation der durchschnittlichen Teilchengeschwindigkeit Va und RMS-Beschleunigung A.
Fig. 10 ist eine schematische Darstellung eines Wirbelbett-Kohlebrenners.
Fig. 11 zeigt eine Umkreisanordnung von Kohleinjektoren um das Bett eines Wirbelbett-Kohlebrenners herum.

Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform

Die vorliegende Erfindung ist ein Verfahren zur nicht-intrusiven Messung und Überwachung der lokalen Strömungsparameter (Massenfluss F, durchschnittlicher Teilchengeschwindigkeit Va, durchschnittlicher Teilchendichte ρa) des enthaltenen Zweiphasenfluids (Teilchen/Gas) in einer Überführungsleitung und die Verwendung dieser Informationen, um lokale Informationen über den Strömungszustand der Teilchenströmung innerhalb der Überführungsleitung zu erhalten. Speziell beschreibt sie eine nicht-intrusive Messung, die einen Beschleunigungsmesser oder eine Reihe von Beschleunigungsmessern verwendet, die geeignet auf der Außenwand der Überführungsleitung montiert sind, deren Ausgabe wie hier beschrieben einer Signalverarbeitung unterzogen wird, um
(1) durchschnittliche Teilchengeschwindigkeit und Massendichte über einen Querschnitt einer Überführungsleitung abzuschätzen und zu überwachen, falls die Massenströmungsrate in der Leitung bekannt ist,
(2) Änderungen der durchschnittlichen Teilchengeschwindigkeit und Massendichte über einen Querschnittabschnitt einer Überführungsleitung aufgrund von Veränderungen in den Betriebsbedingungen von Komponenten nachzuweisen, falls die Massenströmungsrate der Leitung bekannt ist,
(3) die durchschnittliche Massenströmungsrate in der Leitung basierend auf einer einmalig erfolgenden empirischen Kalibrierung der Leitung und in Frage kommender Messposition zu messen und zu überwachen,
(4) Änderungen der durchschnittlichen Massenströmungsrate über einen Querschnitt einer Überführungsleitung aufgrund von Änderungen in den Betriebsbedingungen von Komponenten in der Leitung nachzuweisen, falls die Gasströmung in der Leitung konstant ist,
(5) Bereiche der Überführungsleitung mit hoher Gasgeschwindigkeit zu identifizieren, die zur Erzeugung einer übermäßigen Anzahl von Katalysatorfeinteilen beitragen können, und die Leistung von Veränderungen von Gasströmung zu überwachen, um hohe Teilchengeschwindigkeiten zu beseitigen, die Wanderosion verursachen. Wie gesagt führen hohe Teilchengeschwindigkeiten auch zu Teilchenerosion und übermäßigem Katalysatorverlust sowie übermäßiger Erzeugung von Feinteilen.
(6) Bereiche der Überführungsleitung mit "stagnierenden Blasen" zu identifizieren, die Steigerungen des Teilchenmassenflusses in der Leitung begrenzen.
(7) Änderungen der Betriebsbedingungen und der Leitungskonstruktion zu validieren, um durch geeignete Konstruktion oder Betriebsbedingungen örtlich begrenzte Bereiche der Überführungsleitung mit "stagnierenden Blasen" zu beseitigen, die Steigerungen der Teilchenmassenströmung in der Leitung begrenzen.

Mathematischer Hintergrund

Das Leistungsspektrum der Beschleunigung einer Wand einer Überführungsleitung kann erhalten werden, indem ein Beschleunigungsmesser an der Wand befestigt und das statistische Zeitsignal der Wandbeschleunigung durch Standard-Signalverarbeitungstechniken entweder in Echtzeit oder für aufgezeichnete Daten analysiert wird. Die Ausgabe dieser Signalverarbeitungstechniken, die Fachleuten wohl bekannt sind, ist das Leistungsspektrum SA(f) der Wand. Die Root Mean Square Acceleration (Quadratischer Mittelwert der Beschleunigung) (RMS-Beschleunigung) A über die Frequenzbänder zwischen f&sub1; und f&sub2; ist durch das Integral des Leistungsspektrums definiert als
A² = SA(f)df (3)
Bei vielen Anwendungen kann der Wert A durch einfaches Bandpassfiltern des Beschleunigungszeitsignals über ein geeignetes Frequenzband (f&sub1; → f&sub2;) um eine Zentralfrequenz f&sub0; herum erhalten werden, wobei f&sub1; = f&sub0; - B und f&sub2; = f&sub0; + B, und die Gesamtbandbreite = 2B, gefolgt von der Messung der Leistung innerhalb dieser Bandbreite. Wir werden nachfolgend weiterhin das Konzept des Beschleunigungs-Leistungsspektrums verwenden, obwohl Fachleute erkennen werden, dass es andere und mitunter bequemere Techniken zum Erhalten der RMS-Beschleunigung über ein gegebenes Frequenzband gibt, wie oben erwähnt ist.
Es kann durch die Theorie der statistischen Signale in Anwendung auf Körperschall einer Wand gezeigt werden, dass das Leistungsspektrum der Beschleunigung SA(f) durch das Produkt der Größe der Überführungsfunktion der Wand H(f, rj) ² und des Leistungsspektrums der statistischen Kraft an der Position rj gegeben ist, das von der Wand ausgeht, SF(f, rj).
SA(f) = Σ H(f, rj) ²SF(f, rj) (4)
Die Überführungsfunktion der Wand kann empirisch erhalten werden aus der durchschnittlichen Reaktion des Beschleunigungsmessers an der Wand auf die zeitabhängige Kraft von einem Schmiedehammer auf die Wand in einem Abstand "rj" von dem Beschleunigungsmesser entfernt (beispielsweise einem Schmiedehammer 9202 von Bruel und Kjaer). Wie Fachleuten im Bereich des Körperschalls bekannt ist, ist der Wert H(f, rj) definiert als
wobei a(f, 0) und F(f, r&sub3;) die jeweiligen Fourier-Transformationen des Beschleunigungsmessers und Hammerimpulses sind und die Klammer < > einen Mittelwert der Hammeranregungen bedeutet.
Bei hitzebeständigen Verbundwänden von Überführungsleitungen, die in Erdölraffinerien vorkommen, ist eine gute Annäherung für H(f, rj) oft eine lokale Reaktion
Gleichung (5) enthält vier Konstanten R&sub0;, f&sub0;, w und H&sub0;, die alle genau durch Kalibrierung erhalten oder durch Rechnung abgeschätzt werden können:
(1) Die Konstante, R&sub0;, definiert einen Reaktionskreis um den Beschleunigungsmesser herum. Bei vielen Verbundwänden aus Stahl/hitzebeständigem Material, die in der Erdölraffinierung vorkommen, liegt R&sub0; in der Größenordnung des ein- bis dreifachen der Wanddicke.
(2) Die Konstanten, f&sub0; und w, sind die Frequenz und Breite der Wandresonanz, die üblicherweise von Verbundwänden aus Stahl/hitzebeständigem Material gezeigt werden, die in der Erdölraffinierung vorkommen. Es hat sich herausgestellt, dass f&sub0; in guter Näherung der klassischen Formel für die eindimensionale Resonanz der Verbundwand entspricht.
(3) Die Konstante, H&sub0;, ist die Beschleunigungsreaktion der Wand am Punkt des Aufpralls und bei der Frequenz f&sub0;. Fachleute im Bereich des Körperschalls erkennen, das diese Größe leicht aus der Geometrie und den elastischen Eigenschaften der Wand abgeschätzt werden kann [R.H. Lyon, Statistical Energy Analysis of Dynamical Systems: Theory and Applications (MIT Press, Cambridge, Mass. 1975), siehe auch L. Cremer und M. Heckl, Structure Borne Sound (Springer-Verlag, Berlin (1988)l. Fachleuten im Bereich des Körperschalls ist auch bekannt, dass die Größe H(f, R) (und H&sub0;) direkt durch Anregung der Wand der Überführungsleitung mit Hammerschlägen gemessen werden kann. Somit können alle Konstanten von Gleichung (5) genau durch Kalibrierung erhalten oder durch Rechnung abgeschätzt werden.
Aus dem statistischen elastischen Aufprall von Teilchen mit der Masse Mp und Normalgeschwindigkeit Vn mit einer starren Wand ist ersichtlich, dass die Momentänderung mit einem ringförmigen Flächenelement der Wand in einem Abstand "rj" von dem Beschleunigungsmesser durch ein Leistungsspektrum beschrieben werden kann, das durch
SF(f, rj) = (2Mp(rj)Vn(rj))²ρb(rj)Vn(rj)2πrjdrj (6)
gegeben ist, in der ρb(rj) die Volumendichte von Teilchen neben dem Element der Fläche 2πrj drj ist und Vn(rj) die Normalgeschwindigkeit von Teilchen an der Wand ist. Im Folgenden werden wir die explizite Abhängigkeit der Größen Mp, Vn, ρb von dem Abstand rj eliminieren.
Das Fehlen jeder expliziten Abhängigkeit von der Frequenz auf der rechten Seite von Gleichung (6) bedarf der Erörterung. Sie hängt von zwei Überlegungen ab: (1) Kürze der Teilchenaufprallzeit und einem oberen Grenzwert der Frequenz, bis zu dem Beschleunigungsmesser verwendet werden können. Dieser obere Grenzwert muss unter ihrer Eigen- oder Anlagenresonanz liegen und hat somit die Größenordnung von 30 kHz. Die Teilchenaufprallzeit bestimmt wiederum die Maximalfrequenz, unterhalb derer das Leistungsspektrum SP(F, rj) frequenzunabhängig ist. Diese Frequenz fP ist näherungsweise gegeben durch die Schallgeschwindigkeit in dem Teilchen, geteilt durch das zehnfache des Teilchendurchmessers. Die Frequenzunabhängigkeit von Gleichung (6) ist somit gültig für Teilchen mit so großen Durchmessern wie einigen Millimetern bis zu einem oberen Grenzwert der Frequenz von 40 kHz.
In den Gleichungen (4) bis (6) wird die Summe durch ein Integral ersetzt:
A² = G&sub0; (4MPρmVn³) (7)
wobei ρm die durchschnittliche Massendichte der Wirbelgasmischung ist, MP die durchschnittliche Teilchenmasse und Vn die durchschnittliche Teilchengeschwindigkeit senkrecht zu der Wand der Überführungsleitung ist. Wir können Mp über durchschnittlichen Teilchendurchmesser dp und durchschnittliche Teilchendichte ρP definieren, somit ist Mp = (π/6) ρPdP³. Die Größe G&sub0; ist ausschließlich proportional zu der Wand und ist gegeben durch
G&sub0; = H(f) ²df (8)
in der H(f) ² das Raumintegral der Überführungsfunktion
H(f)² = H(f, r) ²2πrdr. (9)
definiert. Für die in Gleichung (5) gezeigte Form der Überführungsfunktion und wenn f&sub2; > > f&sub0; > > f&sub1; gilt
Go = [Ho²wπ][(π/2)Ro² (10)
Bei Überführungswänden, die nicht die in Gleichung (5) definierte örtlich begrenzte Resonanz zeigen, werden Fachleute auf dem Gebiet des Körperschalls erkennen, dass es eine äquivalente Form der Größe G&sub0; gibt, die nur von den akustischen Eigenschaften der Wand und dem Frequenzband f&sub1; bis f&sub2; abhängt. Bei glatten Wänden, bei denen der Bereich über einem Band der Breite 2B mit der Frequenz f&sub0; als Mittelwert liegt, kann diese äquivalente Form als
G&sub1; = ( H(fo,O) ²)(4Bηs)(R&sub1;²) (11)
angegeben werden, wobei
Die Konstanten der Gleichung (12) beziehen sich auf eine Wand, die aus einem starren Material mit der Dicke h, Dichte p und Schallgeschwindigkeit in Längsrichtung Cr aufgebaut ist. Die Größe ηs ist eine dimensionslose Dämpfungskonstante für die Wand und R&sub1; ist ein Dämpfungsabstand, der definiert ist durch
Die Existenz örtlich begrenzter Resonanzen in der Verbundwand der Überführungsleitung unterstützt das Identifizieren der Quelle der Wandanregung, ist für das Merkmal der lokalen Messung dieses Patents jedoch nicht kritisch, das auch durch Aufbringen eines kreisförmigen Rings aus Dämpfungsmaterial um den Beschleunigungsmesser herum erhalten werden kann.
Gleichungen (11-12) sind Fachleuten im Bereich des Körperschalls wohl bekannt [R. H. Lyon, Statistical Energy Analysis of Dynamical Systems: Theory and Applications (MIT Press, Cambridge, Mass. 1975), siehe auch L. Cremer und M. Heckl, Structure Borne Sound (Springer Verlag, Berlin (1988)]. Bei einer Wand, die keine örtlich begrenzten Resonanzen zeigt, bleibt die allgemeine Form von Gleichung (7) erhalten, die die RMS-Beschleunigung der Wand, A, mit den Eigenschaften des durch die Wand begrenzten aufgewirbelten Gas/Teilchen-Systems verknüpft. Basierend auf einer geeigneten Wahl von Zentralfrequenz, f&sub0;, und gewählter Bandbreite, 2B, so dass der Teilchengeräusch das Beschleunigungs-Leistungsspektrum dominiert, ist die RMS-Beschleunigung wiederum durch eine Gleichung der Form von Gleichung (7)
A² = G&sub1;(4MpρmVn³) (14)
gegeben und im Allgemeinen A² = (4MpG)(ρmVn³) (15)
wobei G entweder G&sub0; oder G&sub1; wiedergibt.
Wichtig für die in diesem Patent beschriebene Anwendung ist die Trennung von Gleichung (14) in einen Teil, der von den Eigenschaften der Wand (G) abhängt, und einen Teil, der von den Eigenschaften des Zweiphasenfluids (Teilchen/Gas) auf der Innenseite der Wand abhängt, (4MpρmVn³). Änderungen der Größe A reagieren somit auf Änderungen der Größen Vn und ρm aus Referenz- oder Basisfallbedingungen. Zudem reicht eine einmalige Kalibrierung des Beschleunigungsmessers durch Anregung mittels Hammerschlag aus, um die Größe H(f&sub0;rj) zur Bestimmung der Größenordnung von G zu bestimmen.
Gleichung (14) ist aus dem Aufprall von festen Teilchen in dem Zweiphasenmedium als Äquivalent des statistischen Aufpralls vieler Hämmer abgeleitet worden. Es ist das Vibrationsäquivalent zu dem elektrischen Phänomen des "Schrotrauschens". Gleichung (14) verknüpft eine leicht messbare Größe, A, mit Eigenschaften der Teilchen neben der Wand. Somit kann A zur Überwachung des Strömungszustands verwendet werden, ausgedrückt als Änderungen der Größe von ρm, Mp und Vn. Große Veränderungen von MP sind für viele petrochemische Verfahren ungewöhnlich und eine Hauptanwendung der Erfindung besteht in der Überwachung von ρm und Vn.
Das Kombinieren von Gleichung (14) mit Gleichung (2), F = Vnρn, die ρm mit ρa gleichsetzt und die Geschwindigkeiten mit der Oberflächengeschwindigkeit des Gases, VS, in Beziehung setzt, ergibt die Gleichungen für Va und ρa.
wobei
S = Vn/Vs
R = Va/Vs
Diese sind die dieser Erfindung zu Grunde liegenden fundamentalen Formeln.
Der Parameter G wird im Fall von G&sub0; aus der Beziehung
(4MpGo) = ((π²/2)Ho²Ro²w(4π/6)ρpdp) (19)
bestimmt, oder durch Kombinieren der Gleichungen (11), (12) und (13), falls G&sub1; verwendet werden muss.
Weil Mp und G Parameter der transportierten Teilchen selbst beziehungsweise der Überführungsleitung allein sind, gilt die Beziehung
(4MpG)1/&sub2; = K[m²/kg·s] (20)
allgemein. K ist ein charakteristischer Parameter des Systems, der sich im Zeitverlauf nicht ändert. K kann durch direkte Messung der durchschnittlichen Teilchenmasse und der mechanischen und elastischen Eigenschaften der Überführungsleitung bestimmt werden. K kann auch durch eine einmalige Kalibrierung bestimmt werden, wie nachfolgend beschrieben wird.
Es hat sich bei einer weiten Vielfalt von Überführungsleitungen, die Teilchen im Bereich von 60 bis 150 mm Durchmesser tragen, unter bekannten Strömungsbedingungen herausgestellt, dass S R 0,7 eine vernünftige Näherung ist. Unter diesen Bedingungen kann Gleichung (15) umformuliert werden (Anmerkung: [] bedeutet Einheiten)
und Gleichung (16) kann so formuliert werden:
K kann wie oben gezeigt gemessen werden. Wenn F, A und einer von Va oder ρa bekannt sind, kann K zudem empirisch bestimmt werden.
Die durchschnittliche Teilchengeschwindigkeit Va für konstanten Fluss F ist proportional zu der RMS-Beschleunigung A, und die durchschnittliche Massendichte ρa der Teilchen ist umgekehrt proportional zu der RMS-Beschleunigung A unter denselben Annahmen. Die Einfachheit dieses Ergebnisses ist überraschend und erleichtert die einmalige Kalibrierung von Gleichung (21) und Gleichung (22), wenn beliebige zwei der folgenden drei Größen in einer Überführungsleitung bekannt sind: (1) durchschnittliche Teilchengeschwindigkeit Va, (2) durchschnittliche Massendichte ρa, (3) durchschnittlicher Massenfluss, F.
Daher können in diesen Fällen Werte für ρa und Va erhalten werden, in denen K einfach durch Messen von Fluss (F) und quadratischem Mittelwert der Beschleunigung A bekannt ist. Die Berechnung von ρa erfordert nicht die Berechnung von Va und umgekehrt.
Strömung durch die Überführungsleitungen im stationären zustand wird durch Gleichgewichtstemperaturmessungen und Schiebereinstellungen bestimmt. Die Messung des durchschnittlichen Massenflusses F, der üblicherweise durch globale Verfahrensbedingungen wie Wärmebilanz oder aus Systemdruckabfällen bestimmt wird, ermöglicht die Verwendung der Gleichung 21 und 22 zur Bestimmung der durchschnittlichen Teilchendichte ρa und der durchschnittlichen Teilchengeschwindigkeit Va an spezifischen Positionen aus einer nicht-intrusiven passiven Messung der RMS-Beschleunigung am fraglichen Punkt.
Aus Gleichungen (16-22) geht hervor, dass eine Messung der RMS-Beschleunigung A über ein Frequenzband, in dem das Teilchenaufprallgeräusch andere Geräuschquellen dominiert, ausreicht, um
(1) die durchschnittliche Teilchengeschwindigkeit Va und die durchschnittliche Teilchendichte ρa zu bestimmen, falls der Massenfluss durch die Leitung bekannt ist und der Wert von K durch Kalbrierung oder Messung bekannt ist,
(2) Bereiche der Überführungsleitung zu identifizieren, in denen die durchschnittliche Teilchengeschwindigkeit hoch genug ist, um bei konstanter Strömungsrate Erosion einer hitzebeständigen Wand hervorzurufen. Wie bereits gesagt führen hohe Teilchengeschwindigkeiten auch zu Teilchenabrieb und übermäßigem Teilchenverlust sowie übermäßiger Erzeugung von Feinteilen in die Atmosphäre.
(3) Bereiche der Überführungsleitung zu identifizieren, in denen "stagnierende Blasen" die Strömung zunehmend begrenzen,
(4) zeitweilige Abweichung der RNS-Beschleunigung A zu bestimmen, falls "Stoßen" auftritt,
(5) Konstruktionswerte für durchschnittliche Teilchengeschwindigkeit und Massendichte für eine gegebene Teilchenmassenströmungsrate zu validieren.
In allen obigen Fällen können Messungen der Größe A entweder nach Bedarf mit tragbaren Geräten oder in Echtzeit mit dauerhaft montierten Beschleunigungsmessern, geeigneter lokaler Signalverarbeitung und Übertragung von geeigneten Signalen an einen Kontrollraum erfolgen.
Ein Merkmal der Erfindung besteht in der Möglichkeit, einen Beschleunigungsmesser am Stahlmantel eines hitzebeständig ausgekleideten Gefäßes oder einer hitzebeständig ausgekleideten Leitung anzuordnen und die RMS-Beschleunigung in einem Frequenzband zu erhalten, in dem das Teilchenaufprallgeräusch das Beschleunigungs-Leistungsspektrum dominiert. Da in den meisten Raffinerie- oder chemischen Verfahnen der in der Überführungsleitung mitgeführte Massenfluss bekannt ist, schränkt die erforderliche Information über die Größe F die Brauchbarkeit des in diesem Patent beschriebenen Verfahrens nicht ein.
Wesentlich für die Anwendung ist die Frequenzunabhängigkeit des Kraft-Leistungsspektrums des Teilchenaufpralls. Wie bereits gesagt begrenzt diese Einschränkung die Anwendung auf Teilchen mit weniger als einigen Millimetern für Frequenzen unter 40 kHz.
Die direkte Bestimmung der Konstante G kann durch Hammerschlagmessungen auf der Außenwand der Überführungsleitung erfolgen, obwohl die Berechnung durch die üblichen Körperschallgleichungen ausreichend sein mag.
Die Existenz örtlich begrenzter Resonanzen in der Verbundwand der Überführungsleitung ist zum Identifizieren der Quelle der Wandanregung hilfreich, ist jedoch für die lokale Messeigenart des Patents nicht kritisch, das auch durch Aufbringen eines kreisförmigen Rings aus Dämpfungsmaterial um den Beschleunigungsmesser herum erhalten werden kann.

Implementierung der Erfindung

Die vorliegende Erfindung ist ein passives akustisches Verfahren zum Messen und Überwachen der Teilchenströmung in einer Überführungsleitung, in der eine Gas/Teilchen-Mischung strömt. Ein Beispiel für solche Überführungsleitungen ist in Fig. 1 gezeigt, die schematisch einen katalytischen Cracker von Öl zu Benzin zeigt. Das Verfahren soll Betreiber von Wirbelbett-Reaktoren und Verbrennungsanlagen unterstützen, indem
(1) die Leistung ihres Systems hinsichtlich des Stofftransports optimiert wird,
(2) Bereiche der Überführungsleitung identifiziert werden, die hinsichtlich des Stofftransports von der Vorgabe abweichen,
(3) Bereiche der Überführungsleitung identifiziert werden, die aufgrund hoher Teilchengeschwindigkeiten aufgrund von entweder Komponentenausfall oder Änderungen der Betriebsbedingungen anfällig für Teilchenerosion sind. Wie gesagt führen hohe Teilchengeschwindigkeiten auch zu Teilchenabrieb und übermäßigem Verlust von Katalysatorteilchen sowie übermäßiger Erzeugung von Feinteilen,
(4) Betriebsschwankungen der Betriebszustände der Leitung identifiziert werden, die zum Transport von "Stößen" von Teilchen führen, die schließlich zum Ausfall von Bauteilen oder Geräten führen.
Zur Nutzung der Erfindung werden Beschleunigungsmesser (beispielsweise ein Bruel und Kjaer 4384) an der Wand der Überführungsleitung befestigt, wo die Strömungscharakteristika wie in Fig. 2 gezeigt gemessen werden sollen. Die Befestigung kann entweder über eine Bolzenmontage zur dauerhaften Installation oder über eine magnetische Montage (beispielsweise Bruel und Kjaer Typ UA 0642) und eine hochglanzpolierte Oberfläche zur zeitweiligen Montage erfolgen. Gewünschtenfalls kann die Reaktion des Beschleunigungsmessers auf Teilchenaufprall durch Schlagen mit einem Schmiedehammer (beispielsweise Bruel und Kjaer 8202) auf die fragliche Position kalibriert werden.
Fig. 3 zeigt das Verfahren, bei dem das elektrische Signal aus einem oder mehreren Beschleunigungsmessern durch einen Ladungsverstärker (beispielsweise Bruel und Kjaer 2635) in eine Spannung umgewandelt wird, dessen Ausgabe in der Anlage durch einen tragbaren Signalprozessor über ein Frequenzband, das durch Teilchenaufprallgeräusch dominiert wird, in die RMS-Beschleunigung umgewandelt wird. Die Ausgabe des tragbaren Signalprozessors wird zur nachfolgenden Analyse gespeichert.
Fig. 4 zeigt eine weitere Ausführungsform, bei der die Ausgabe des Beschleunigungsmessers wieder durch einen Ladungsverstärker (beispielsweise Bruel und Kjaer 2635) in eine Spannung umgewandelt wird, jedoch ein permanentes Digitalsystem die Daten verarbeitet, um eine Spannung zu erzeugen, die über ein Frequenzband, das durch Teilchenaufprallgeräusch dominiert wird, proportional zu der RMS-Beschleunigung ist. Die Ausgabe der Beschleunigung über einen Frequenzbereich, der durch Teilchenaufprallgeräusch dominiert wird. Die Ausgabe des permanenten Digitalsystems wird dann durch geeignete Mittel auf den Kontrollraum übertragen, wo geeignete Algorithmen sie in eine visuelle Anzeige von durchschnittlicher Teilchengeschwindigkeit, durchschnittlicher Teilchendichte und durchschnittlichem Fluss über die Länge der Überführungsleitung umwandeln. In der Anzeige im Kontrollraum sind bedeutsame Abweichungen von den Vorgabewerten geeignet dargestellt.
Fig. 5 ist ein Beispiel für das Verfahren, das den Gegenstand dieser Erfindung bildet. Drei Kurven sind gezeigt, die die RMS-Beschleunigung als Funktion der Position auf einer Überführungsleitung auftragen. Die durch die durchgezogenen Linien angegebenen Kurven entsprechen dem normalen Betrieb der Überführungsleitung zu zwei unterschiedlichen Zeiten. Die gestrichelte Kurve entspricht anormalem Betrieb der Überführungsleitung zu zwei unterschiedlichen Zeiten, die zu Wanderosion führt, bei Betriebsbedingungen, die zu übermäßigen Teilchengeschwindigkeiten und somit Wanderosion führen.
Die Wahl des Frequenzbands, über das die RMS-Beschleunigung definiert wird, ist nicht kritisch, wie in Fig. 6 gezeigt ist, die eine Auftragung des Verhältnisses der RMS-Beschleunigung über eine örtlich begrenzte Wandresonanz (4 bis 6 kHz) zu der RNS-Beschleunigung über ein Band von 0 bis 25,6 kHz ist.
Fig. 7 illustriert die Umwandlung von RMS-Beschleunigung in Teilchengeschwindigkeit, wobei der Innendurchmesser der Überführungsleitung und die Massenströmungsrate in der Leitung bekannt sind, wie in Gleichung (17a) beschrieben ist. Erosionsgeschwindigkeiten für 100 um Teilchen hängen von der Beschaffenheit des hitzebeständigen Materials ab, werden jedoch üblicherweise als über 200 ft/s liegend angesehen. Hohe Teilchengeschwindigkeiten führen wie gesagt auch zu Teilchenerosion und übermäßigem Verlust von Katalysatoren sowie zur übermäßigen Erzeugung von Feinteilchen. Die durch die durchgezogenen Linien angegebenen Kurven entsprechen normalem Betrieb der Überführungsleitung zu zwei unterschiedlichen Zeiten. Die gestrichelte Kurve entspricht anormalem Betrieb der Überführungsleitung durch Änderungen der Betriebsbedingungen, die zu übermäßigen Teilchengeschwindigkeiten und somit Wanderosion führen, zu zwei unterschiedlichen Zeiten, der zu Wanderosion führt.
Es ist mitunter möglich, eine empirische Beziehung zwischen durchschnittlicher Teilchengeschwindigkeit und durchschnittlicher Teilchendichte in einer Überführungsleitung festzustellen. Wenn diese Beziehung existiert, entsprechen Änderungen der RMS- Wandbeschleunigung Änderungen des Teilchenflusses. Fig. 8 veranschaulicht, wie dieses Phänomen sich zum Warnen von Bedienungspersonal im Kontrollraum anwenden lässt, dass Stoßen existiert, oder um vielleicht die Änderung des Flusses als Funktion der Zeit zusammen mit der Zeit zwischen den Stößen anzuzeigen.
Fig. 9 zeigt die Ausgabe eines tragbaren Systems für sowohl Beschleunigung als auch Geschwindigkeit als Funktion des Abstands, wodurch die Position einer stagnierenden Blase in der Überführungsleitung angezeigt wird.
Einige Strömungsstörungen in Überführungsleitungen einschließlich Symptomen und Maßnahmen sind in Tabelle 1 angegeben. Tabelle 1 Einige Strömungsstörungen in Überführungsleitungen: Symptome und Maßnahme

Beispiel

Eine Anwendung dieser Erfindung besteht in der Überwachung der Überführungsleitungen/Injektoren einer Wirbelbett-Kohleverbrennungsanlage. Wirbelbettverbrennung von Kohle ist eine Alternative zu den traditionellen Verbrennungsverfahren auf Basis von pulverisierter Kohle. Wirbelbett-Kohleverbrennung ist vorteilhaft, weil Kessel, die diese Technik verwenden, weniger Schadstoffe emittieren, höhere Wärmeübertragungskoeffizienten aufweisen und bei niedrigeren Temperaturen als pulverisierte Kohleanlagen arbeiten. Aufgrund dieser Vorteile hat die Verwendung von Wirbelbett-Kohleverbrennung in den letzten Jahren dramatisch zugenommen.
Ein Wirbelbett-Kohlebrenner ist schematisch in Fig. 10 gezeigt. Eine Herausforderung für den Betreiber eines Wirbelbett- Kohlebrenners ist das richtige Einspeisen von Kohle in das Bett. Kohle muss derart eingebracht werden, dass sie gleichförmig über die gesamte Fläche des Betts verteilt wird. Aus ungleichmäßiger Verteilung resultierende kohlereiche Zonen sind für den Betrieb der Anlage nachteilig. Ein Verfahren zur Überwindung dieser Schwierigkeit besteht in der Einbringung der Kohle durch eine Anzahl von Kohleinjektoren, die im Umkreis um das Bett herum angeordnet sind, wie in Fig. 11 gezeigt ist.
Diese Erfindung kann zur Überwachung der Leistung von jeder Düse und zur Lieferung von Echtzeit-Anzeigen der Wandbeschleunigungen, des Massenflusses der Kohle, der durchschnittlichen Teilchendichte und der durchschnittlichen Teilchengeschwindigkeit in den Überführungsleitungen verwendet werden, die zu den Injektordüsen führen. Um diese Messungen durchzuführen, werden Beschleunigungsmesser physikalisch durch eines der oben beschriebenen Verfahren an den Überführungsleitungen befestigt. Es muss ein Anfangstest durchgeführt werden, um sicherzustellen, dass die Beschleunigungsmesser richtig platziert sind. Der Fluss in der Überführungsleitung wird dann gemessen und mit den Änderungen des Signals aus dem Beschleunigungsmesser verglichen, die in dem gleichen Zeitraum stattfinden. Eine Korrelation zwischen Massenfluss und Wandbeschleunigung zeigt, dass die Beschleunigungsmesser richtig platziert sind.
Nachdem die Beschleunigungsmesser richtig platziert worden sind, kann die Erfindung zur Überwachung der Überführungsleitungen verendet werden, die zu den Injektoren führen. Jede Veränderung der RMS-Wandbeschleunigung in Bezug auf die anderen Leitungen ist ein Anzeichen für eine Veränderung in entweder Fluss oder Geschwindigkeit. Eine einmalige Kalibrierung, die die RMS- Wandbeschleunigung von jeder Leitung an einem speziellen Punkt entlang der Leitungen abgleicht, oder eine unabhängige Kalibrierung ermöglicht die Messung von Änderungen in entweder Durchfluss oder Geschwindigkeit. Die Werte von entweder Durchfluss oder Geschwindigkeit werden dann dem Betreiber der Anlage angezeigt, der die geeigneten Schritte zur Optimierung des Betriebs des Brenners in die Wege leiten kann.

Claims

1. Verfahren zur nicht-intrusiven Bestimmung von durchschnittlicher Teilchengeschwindigkeit, durchschnittlicher Teilchenmassendichte und durchschnittlichem Massenfluss in einer Gas/Teilchen-Überführungsleitung als Funktion entweder der Position entlang der Leitung oder der verstrichenen Zeit, bei dem

(a) Wandvibrationen der Überführungsleitung an mehr als einer Position entlang der Länge der Überführungsleitung zu einer speziellen Zeit gemessen werden, zu der sich Gas und Teilchen in der Überführungsleitung in Längsrichtung bewegen, um ein Leistungsspektrum der Wandvibrationen zu bestimmen,

(b) aus dem Leistungsspektrum die EMS-Beschleunigung bestimmt wird,

(c) der durchschnittliche Massenfluss durch die Überführungsleitung bestimmt wird, und

(d) die durchschnittliche Teilchenmassendichte und/oder die durchschnittliche Teilchengeschwindigkeit aus der RMS-Beschleunigung und dem durchschnittlichen Massenfluss zu einem speziellen Zeitpunkt und an einer speziellen Position entlang der Überführungsleitung bestimmt wird bzw. werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem ferner die durchschnittliche Teilchenmassendichte und/oder die durchschnittliche Teilchengeschwindigkeit aus der RMS-Beschleunigung und dem durchschnittlichen Massenfluss zu einem späteren Zeitpunkt und/oder an einer anderen Position entlang der Überführungsleitung bestimmt wird bzw. werden.

3. Verfahren nach Anspruch 2, bei dem ferner die Änderung der durchschnittlichen Teilchenmassendichte und/oder der durchschnittlichen Teilchengeschwindigkeit als Funktion der Position entlang der Überführungsleitung und/oder als Funktion der Zeit bestimmt wird bzw. werden.

4. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die durchschnittliche Teilchengeschwindigkeit proportional zu der RMS-Beschleunigung und umgekehrt proportional zu der Quadratwurzel des durchschnittlichen Massenflusses ist.

5. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die durchschnittliche Teilchenmassendichte proportional zu dem durchschnittlichen Massenfluss hoch drei Halbe und umgekehrt proportional zu der RMS-Beschleunigung ist.