密相气力输送过程的固相流量测量系统与测量方法
密相气力输送过程的固相流量测量系统与测量方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及气固两相流领域，具体涉及密相气力输送过程的固相流量测量系统与 测量方法，特别涉及到气流床粉煤加压气化工艺中输送系统的煤粉流量的测量。
【背景技术】
[0002] 气力输送是一项利用气体能量输送固体颗粒的古老而有效的技术，在化工、冶金、 食品加工、医药和能源等领域得到了广泛应用。实际应用中，为了满足生产过程中所需的连 续测量及自动化控制，达到安全、高效和经济运行的要求，粉体质量流量的在线瞬时测量已 成为气力输送系统中亟待解决的关键课题。在气流床粉煤加压气化工艺中，如果进入气化 炉的煤粉质量流率不稳定，重要的操作参数如氧碳比等也就不稳定，结果会造成气化炉内 局部过热，影响反应的稳定进行和气化炉的稳定操作，而且产生的局部高温还有可能损坏 反应器衬里和喷嘴。如果能以一定的置信水平实现对煤粉质量流量的在线测量，便可建立 起煤粉流量的控制调节系统。因此，人们对气固两相流连续测量的重要性和需求不断增加。
[0003] 然而，密相气力输送是一个非常复杂的气固两相流系统。尽管具有输送能力强、输 送能耗低、输送固气比大、气固分离量小等优点，但是输送过程中管道内的固体颗粒运动受 到气流场分布、颗粒与管壁的摩擦以及颗粒与颗粒的相互碰撞等因素的影响，造成颗粒分 布状态在时空尺度上不均匀，流动的波动与不稳定是该系统的主要特征之一。对于这一复 杂体系，固相流量测量一直是个难题。
[0004] 目前，冶金工业中高炉喷吹煤粉的质量流量是采用电子秤称重的方法来计算一段 时间内的平均值，不能实现实时连续测量，直接获得瞬时值。气流床粉煤加压气化工艺采用 进口固体质量流量计测量煤粉的质量流量，仪表使用前需要对其进行使用工况下的实物标 定，操作复杂，仪器价格昂贵。而且标定结果受输送煤粉性质影响，当煤粉物性发生变化时， 测量结果会出现不同程度的偏差。文丘里流量计由于结构简单、性能稳定、经济耐用且不受 输送介质物性变化影响等优点，受到研究者和工程技术人员的关注。其中，Farbar提出的 压差-气固比经验公式，APmix/APgas= 1+mZ，已经广泛应用于低压、稀相气力输送固相流 量的测量。但对于高压密相气力输送过程，载气密度和固气比均较大，传统的压差流量关系 应用于固相流量测量时会产生较大的误差，已经不再适用。
【发明内容】
[0005] 本发明所要解决的技术问题在于克服现有的几种测量技术具有局限性的缺陷，而 提供了一种适合于密相气力输送过程的固相流量测量系统与测量方法。本发明提供的测量 方法不仅满足传统气力输送领域中密相输送（浓度为50~lOOKg?!!!，固相流量的测量要 求，而且能够实时连续测量超浓相（浓度>300Kg?nT3)输送时的固相流量。
[0006] 本发明提供了一种密相气力输送过程的固相流量测量系统；所述的固相流量测量 系统包括依次连通的一输入管道、一文丘里管和一输出管道；所述输入管道、所述文丘里管 和所述输出管道在一条直线上，所述输入管道和所述输出管道的长度分别独立地为大于或 等于80D，D为所述输入管道和所述输出管道的直径；所述的文丘里管包括依次连通的一收 缩段、一喉段和一扩张段，所述输入管道与所述收缩段相连通，所述扩张段与所述输出管道 相连通；所述的固相流量测量系统还包括一流速测量仪、一第一压力测试仪、一第二压力测 试仪和一温度测量仪；其中，所述流速测量仪安装于所述输入管道上，用于测量所述收缩段 的入口处的固相流速Vsl;所述第一压力测试仪安装于所述输入管道上，用于测量所述收缩 段的入口处的气相压力Pi;所述第二压力测试仪安装于所述喉段上，与所述喉段的入口处 的距离为3d以上，用于测量所述喉段处的气相压力P2,d为所述喉段的直径（以下简称喉 径）；所述温度测量仪安装于所述输入管道上，用于测量所述收缩段的入口处的气固相温度 V
[0007] 本发明中，所述收缩段的收缩角0较佳地为3~25°，更佳地为3~10. 5°。所 述扩张段的扩张角a较佳地为1~12°，更佳地为1~8°。所述文丘里管的节流比d/D 较佳地为0. 3~0. 8,更佳地为0. 4~0. 7。所述文丘里管的长径比Lt/d较佳地为不小于 3,更佳地为不小于20;所述长径比是指喉段长度与喉径之比Lt/d。
[0008] 本发明中，所述第二压力测试仪安装于所述喉段上，与所述喉段的入口处的距离 较佳地为20d以上，更佳地为22d。
[0009] 本发明中，所述输入管道和所述输出管道为本领域常规的用于输送气固相的管 道。
[0010] 本发明中，较佳地，所述固相流量测量系统还包括一数据采集系统，所述数据采集 系统还依次与一A/D转换卡(模数转换卡，用于将模拟信号转换成数字信号）和一计算机连 接；所述流速测量仪包括一速度传感器；所述第一压力测试仪包括一第一压力传感器；所 述第二压力测试仪包括一第二压力传感器；所述温度测量仪包括一温度传感器；所述速度 传感器、所述第一压力传感器、所述第二压力传感器和所述温度传感器分别与所述数据采 集系统连接，并将模拟信号输入至所述数据采集系统。
[0011] 其中，所述的计算机较佳地包括存储模块和计算模块，用于实时输出处理后的固 相流量数据。其中，所述的存储模块用于存储输入的压降方程，所述的计算模块用于将采集 到的流速、压力和温度数据代入压降方程中进一步求解固相流量。
[0012] 其中，所述速度传感器安装于所述输入管道上，与所述文丘里管的入口处的距离 较佳地在20D以内，更佳地在ro以内。
[0013] 其中，所述第一压力传感器较佳地为第一膜片式压力传感器，且通过一第一引压 孔安装于所述输入管道上；在沿所述文丘里管的延伸方向上，所述第一引压孔与所述收缩 段的入口处的距离较佳地在20D以内，更佳地在ro以内。所述第二压力传感器较佳地为第 二膜片式压力传感器，且通过一第二引压孔安装于所述文丘里管的喉段上。
[0014] 其中，所述温度传感器较佳地通过一测温孔安装在所述输入管道上，所述测温孔 与所述收缩段的入口处的距离较佳地在20D以内，更佳地在ro以内。
[0015] 本发明还提供了一种密相气力输送过程的固相流量测量方法，所述的固相流量测 量方法包括以下步骤：
[0016] (1)将气固两相流通入上述固相流量测量系统，并启动所述固相流量测量系统，测 量参数Vsl、Pi、P2和;
[0017] (2)将步骤（1)测得的参数Vsl、Pi、P2和代入文丘里管压降方程①：
[0019] 计算出固气两相的质量比Z，再代入公式②：
[0020] Ms =ZMg ②
[0021] 公式②中，由
计算得气相流量&的值(单位为Kg/s)，再计算得 固相流量Ms (单位为Kg/s);
[0022] 方程①中，0为文丘里管节流比，是所述文丘里管的喉径d和所述输入管道的直 径D之比；M为所述气相的气体分子的摩尔质量(单位为g/mol) ;R为摩尔气体常数；Vgl为 所述收缩段的入口处的气相流速，在密相流动中近似等于同一位置处的固相流速Vsl (单位 为m/s) ;Ps为所述固相的密度（单位为Kg/m3);
[0023] 方程①中，C为流出系数，它是雷诺数Re的函数，函数关系可表示为公式③：
[0024]C=f(Re)=aReb③
[0025] 公式③中，雷诺数Re按照如下公式计算：Re = DVglPgl/i!gl，Pgl、1!81分别是所 述文丘里管的入口处的气体密度(单位为Kg/m3)、气体粘度(单位为Pa/s)，Pgl、ygl分别按 照如下公式进行计算：Pgl =PiM/RTi
，其中dg是气体分子直径 (单位为m)，查表可获得；
[0026] 公式③中，系数a、b按照如下方法确定：采用所述的固相流量测量系统采集两组 不同工况下纯气相流的测试数据，分别记为工况一和工况二，并在 所述的固相流量测量系 统的输入管道上加设一气体流量计，用于测量气体的质量流量Mg (单位为Kg/s)，按照方程 ④
[0028] 分别计算出工况一和工况二下的流出系数Ci、C2，并计算对应的雷诺数R ei、Re2，代 入公式③中计算得到系数a、b ;方程④中，APgas = PrP2 (压力单位为Pa)，pg为气相密度 (单位为Kg/m3)，A2为文丘里管喉段处的横截面积，A 2 = 0 ，其中&为文丘里管收缩段入 口处的横截面积(单位为m2);
[0029] 方程①中，m为灵敏度系数，它是修正斯托克斯数St的函数，函数关系为公式⑤：
[0030] m=f(St)=cStd⑤
[0031] 公式⑤中，修正斯托克斯数St按照如下公式计算：
，其中ds是颗粒直径（单位为m)，L。和Lt分别是所 述文丘里管的收缩段和喉段的长度(单位为m);
[0032] 公式⑤中，系数c、d按照如下方法确定：采用所述的固相流量测量系统采集所述 工况一、所述工况二下气固混合流的测试数据，并在所述的固相流量测量系统的输入管道 上加设一气体流量计和一重量测量装置，按照公式⑥得一个m与Z的方程：
[0034] 公式⑥中，APgas值(压力单位为Pa)同公式④，A?^值(压力单位为Pa)的计算 方法同公式④；按照公式Ms =ZMg计算得质量比Z，其中Mg值由所述气体流量计测得，Ms值 由所述重量测量装置测得，在公式⑥中，计算出两组m值，并按照修正斯托克斯数St的计算 公式，计算出两组St值，再代入公式⑤，即可计算出系数c、d。
[0035] 本发明提供的固相流量连续测量系统与测量方法较佳地适用于不同压力下密相 气力输送体系，所述的密相气力输送体系的输送介质较佳地为粉体物料，更佳地为煤粉、石 油焦粉或生物质粉料；所述的密相气力输送体系的气体介质较佳地为压缩空气、氮气或二 氧化碳。
[0036] 当所述的密相气力输送体系的输送介质为煤粉时，所述的流量测量系统与测量方 法较佳地适用于压力范围0~lOMPa、浓度范围50~513Kg/m3的情况，尤其适用于200~ 500Kg/m3的浓度范围。
[0037] 本发明中，所述的入口处、出口处均是相对于气固相流依次通过所述输入管道、所 述文丘里管和所述输出管道的顺序而言的。
[0038] 本发明中，所述的文丘里管通过螺纹或法兰方式与所述输入管道、所述输出管道 连接。
[0039] 本发明中，所述的D、d均是指管道的内径(单位为m)。
[0040] 在符合本领域常识的基础上，上述各优选条件，可任意组合，即得本发明各较佳实 例。
[0041] 本发明所用试剂和原料均市售可得。
[0042] 本发明的积极进步效果在于：本发明综合考虑气力输送过程中压力和固气比的影 响，建立了可适用于不同压力下的密相气力输送体系的文丘里管压降方程，通过固相流量 测量系统实时连续测量固相流量。本发明的特点是流量测量系统结构简单、易于安装、便于 维护、性能稳定、经济耐用且不受输送介质物性变化影响，建立的压降方程突破了传统低压 稀相领域的局限，能够满足不同压力密相气固两相流的固相流量测试要求。本发明的测量 系统所涉及的仪器仪表技术成熟，应用广泛。
【附图说明】
[0043] 图1为固相流量测量系统示意图。
[0044] 图2为文丘里管结构示意图。
[0045] 图3是实施例3的粉煤加压密相气力输送工艺的流程图。
【具体实施方式】
[0046] 下面通过实施例的方式进一步说明本发明，但并不因此将本发明限制在所述的实 施例范围之中。下列实施例中未注明具体条件的实验方法，按照常规方法和条件，或按照商 品说明书选择。
[0047] 下述实施例中，所述的速度传感器通过互相关算法测量气固两相流的颗粒速度。
[0048] 实施例1
[0049] 图1为本发明的气力输送过程的固相流量测量系统的示意图。所述的固相流量测 量系统包括一输入管道1、一文丘里管2和一输出管道3 ;所述输入管道1、所述文丘里管2 和所述输出管道3在一条直线上，所述输入管道1、所述输出管道3的长度为100D，D为所 述输入管道1和所述输出管道3的直径。图2为该系统中的文丘里管2的结构示意图，所 述的文丘里管2包括依次连通的一收缩段201、一喉段202和一扩张段203,所述输入管道1 与所述收缩段201相连通，所述扩张段203与所述输出管道3相连通；所述喉段202的长度 L t与所述喉段202的直径d之比为45 ;所述的固相流量测量系统还包括一流速测量仪4、一 温度测量仪5、一第一压力测试仪6和一第二压力测试仪7 ;其中，所述第一流速测量仪4安 装于所述输入管道1上，与所述收缩段201的入口处的距离为用于测量所述收缩段201 的入口处的固相流速V sl ;所述温度测量仪5安装于所述输入管道1上，与所述收缩段201 的入口处的距离为用于测量所述收缩段201的入口处的气固相温度;所述第一压力 测试仪6安装于所述输入管道1上，与所述收缩段201的入口处的距离为用于测量所述 收缩段201的入口处的气相压力Pi ;所述第二压力测试仪7安装于所述喉段202上，与所述 喉段202的入口处的距离为22d，用于测量该处的气相压力P2。
[0050] 图2中，0为所述收缩段201的收缩角，a为所述扩张段203的扩张角，Le、L t、Ld 分别为收缩段201、喉段202和扩张段203的长度。
[0051] 本实施例中，图1的固相流量测量系统还包括一数据采集系统8,所述数据采集系 统还依次与一 A/D转换卡9 (模数转换卡，用于将模拟信号转换成数字信号)和一计算机10 连接；所述流速测量仪4包括一速度传感器；所述温度测量仪5包括一温度传感器；所述第 一压力测试仪6包括一第一压力传感器；所述第二压力测试仪7包括一第二压力传感器； 所述速度传感器、所述温度传感器、所述第一压力传感器和所述第二压力传感器分别与所 述数据采集系统8连接，并将模拟信号输入至所述数据采集系统8。
[0052] 其中，所述的计算机10还包括存储模块和计算模块，用于实时输出处理后的固相 流量数据。其中，所述的存储模块用于存储输入的压降方程，所述的计算模块用于将采集到 的流速、压力和温度数据代入压降方程中进一步求解固相流量。
[0053] 实施例2
[0054] 本实施例中的固相流量测量系统的结构示意图如图1和图2所示。其中，密相气 力输送过程的固相流量测量方法包括如下步骤：
[0055] (1)建立文丘里管压降比方程
[0056] 对于图2所示的文丘里管，对气固两相流建立总能量方程：
[0058] 其中，Mg、Ms分别为气相和固相的质量流量(单位为Kg/s)，Pp P2分别为文丘里管 的收缩段入口和喉段处的压力（单位为N/m2)，!^、％分别为文丘里管的收缩段入口和喉段处 的高度(单位为m)，P g为气相密度(单位为Kg/m3)，Vgl、Vsl分别为文丘里管的收缩段入口的 气相、固相的平均速度(单位为m/s)，V g2、Vs2分别为文丘里管的喉段处的气相、固相的平均 速度(单位为m/s)，Kg、K s分别为气相和固相的摩擦系数(无量纲)。对于水平安装的文丘里 管，高度项（4-氏）为零；对于垂直安装的文丘里管，高度项（4-氏）是一个常数。为简化分 析，本实施例中忽略高度项。
[0059] 设文丘里管节流比为3 =d/D，文丘里管压降AP=PrP2，方程（1)可简化并转 变成如下形式：
[0061] 其中，Kg+s=Kg+Ks，Ai为文丘里管的收缩段的入口处的横截面积。
[0062] 对于气体单独流经文丘里管时，气体的摩擦系数可以作Kg=0的近似处理，有如下 形式：
[0064] 以式（2)除以式（3)，设质量固气比为
则可 得：
[0066] 其中，APmi x为气固混合物流经文丘里管时在1，2两处所产生的压降，APgas为纯 气相介质流经文丘里管产生的压降。m代表文丘里管压降对固相流量的灵敏程度，称之为灵 敏度系数。
[0067] (2)建立文丘里管纯气相压降方程
[0068] 纯气相流经文丘里管，其质量流量与压差存在如下关系：
[0070] 其中，A2为文丘里管喉段处的截面积，A2 = =AJglPg =VA&Pg，其中 Pg =PM/RT。
[0071] 进一步转化得到纯气相流经文丘里管的压降方程：
[0073] 式中，M为气体分子的摩尔质量，T为气体的热力学温度，R为摩尔气体常数，C为 流出系数。
[0074] (3)确定压降方程关键参数函数关系式
[0075] 气固两相通过文丘里管的纯气相和混合物压降方程分别为（6)和（4)。在实际应 用前，先通过实验获得流出系数C和灵敏度系数m的表达式。
[0076] 研究发现，流出系数C是雷诺数Re(Re=DVgl pgl/ligl)的函数，C=f(Re);灵敏 度系数m是修正斯托克斯数
的函数，m=f(St)，其 中，ds是颗粒直径(单位为m)，ygl是文丘里管的收缩段入口处的气体粘度(单位为Pa?s，，L。和Lt分别是文丘里管收缩段和喉部的长度(单位为m)。
[0077] (4)建立适用于密相气固两相流的文丘里压降方程
[0078] 将方程（6)以及文丘里管流出系数和灵敏度系数的函数关系式C=f(Re)和m= f(St)带入到方程（4)，
[0080] 方程（7)考虑了压力和固气比影响，可应用于不同压力的粉体密相气力输送系统， 先计算出Z，然后再根据式Ms/Mg =Z进一步得出固相流量Ms。
[0081] (5)通过流量测量系统获得固相流量
[0082]计算机10的计算模块对颗粒速度和压力数据进行实时处理，可认为密相流动气 体速度近似等于颗粒速度，求解压降方程，继而获得固相流量。
[0083] 本发明提供的密相气力输送过程的固相流量测量系统具有结构简单、性能稳定、 经济耐用且不受输送介质物性变化影响的优点；所提供的固相流量测量方法突破了传统 低压稀相领域的局限，能够满足从低压到高压的密相气力输送过程的固相流量实时连续测 量。
[0084] 实施例3
[0085] 本实施例中的固相流量测量系统的结构示意图如图1和图2所示，以下结合图3 说明该固相流量测量系统在粉煤加压密相气力输送工艺中的一个实施方案，本实施例所述 的密相气力输送体系的输送介质为煤粉，气体介质为氮气。
[0086] 密相气力输送系统主要由气源、料罐、输送管线、阀门仪表、固相流量测量系统、DCS监测控制和数据采集系统等单元组成。通过气源提供气体进入料罐，控制并调节料罐压 力，使得煤粉在一定压差作用下从给料罐输送至储仓。流程示意图如图3所示，其中11是 气体钢瓶；12、14是缓冲罐；13是冷冻干燥机；15是减压阀；16是气体分配器；17、18、19是 气体质量流量计；20是气体金属浮子流量计；21是称重传感器；22是接料罐；23、28是压力 传感器；24、27、29、31是气动阀门 ；25、26是除尘器；30是发料罐；32是本发明所述的固相 流量测量系统。
[0087] 本实施例中，所述的密相气力输送系统的管道直径（内径）为D=15mm，包括图3中 从发料罐30起至所述固相流量测量系统32、至所述接料罐22的所有管道直径。固相流量 测量系统32被安装在输送管路的水平段上，其输入管道、输出管道的长度均大于80D。
[0088] 固相流量测量系统32中，文丘里管的结构参数：收缩角0为5°，扩张角a为 8°，喉径d为6mm，喉段长度Lt为45d;速度传感器距离文丘里管的收缩段入口处? ;温度 传感器距离文丘里管的收缩段入口处;压力传感器匕和P2分别距离文丘里管的收缩段 入口处ro、距离文丘里管的喉段的入口处22d。
[0089] 输送介质煤粉的平均粒径约为42ym，颗粒密度约为Ps=1400Kg/m3。
[0090] 本实施例获得的高压粉煤密相气固两相流的流出系数和灵敏度系数的函数关系 式的具体过程如下：
[0091]公式C=f(Re) =aReb中，雷诺数Re按照如下公式计算：Re=DVglpgl/ligl，pgl、 Ugl分别是所述文丘里管的入口处的气体密度(单位为Kg/m3)、气体粘度(单位为Pa/s)，Pgl、Ugl分别按照如下公式进行计算：Pgl =PiM/RTi
其中dg 是气体分子直径(单位为m)，查表可获得。
[0092] 其中，系数a、b按照如下方法确定：采用所述的固相流量测量系统采集两组不同 工况下纯气相流的测试数据，分别记为工况一、工况二，并在所述的固相流量测量系统的输 入管道上加设一气体流量计，按照方程
计算出流出系数(^、(：2，并计算对 应的雷诺数Rei、Re2，代入公式C=f(Re) =aReb中计算得到系数a、b。其中，APgas =PfP2 (压力单位为Pa)，Pg为气相密度(单位为Kg/m3)，A2为文丘里管喉段处的横截面积，A2 = ，其中&为文丘里管收缩段入口处的横截面积(单位为m2) ;Mg由所述气体流量计测得 (单位为Kg/s)。
[0093] 公式m=f(St) =cStd中，修正斯托克斯数St按照如下公式计算：
，其中ds是颗粒直径（单位为m)，L。和Lt分别是所 述文丘里管的收缩段和喉段的长度(单位为m)。
[0094] 其中，系数c、d按照如下方法确定：采用所述的固相流量测量系统采集所述工况 一、所述工况二下气固混合流的测试数据，并在所述的固相流量测量系统的输入管道上加 设一气体流量计和一重量测量装置，按照公式
得到一个m与Z的 方程，其中，APgas值(压力单位为Pa)同纯气相流，A?^值(压力单位为Pa)的计算方法同 上；按照公式Ms =ZMg计算得质量比Z，其中Mg值由所述气体流量计测得，Ms值由所述重量 测量装置测得，按照该m与Z的方程计算出两组m值，并按照修正斯托克斯数St的计算公 式，计算出两组St值，再代入公式m=f(St) =cStd，即可计算出系数c、d。
[0095] 最终，获得的流出系数和灵敏度系数分别为C=f(Re) = 14. 07Re-°_185，m=f(St) =2.OSf129。在输送压力932KPa，浓度为458Kg/m3条件下，固相流量测量系统测得的参数 值 ^=7021^8,P2=377KPa，Vgl=Vsl=3. 62m/s，T=293K，代入方程（7)可计算出固相流量Ms 为 1043Kg/h。通过称重传感器测量出实际固相流量为1054Kg/h，表明该固相流量测量系统获 得的流量偏差为-1. 03%，能够较好应用于密相气力输送系统。
[0096]效果实施例1
[0097] 本效果实施例中，所述的密相气力输送系统与实施例3相同，为煤粉输送工艺。其 流出系数按照下述公式计算：C=f(Re) = 14. 07此-°_185,灵敏度系数按照下述公式计算：m=f(St) = 2.0St4 29。其中，输送介质煤粉的平均粒径约为42iim，颗粒密度约为1400Kg/ m3〇
[0098] 本效果实施例中，所述的密相气力输送系统的示意图同实施例3。
[0099] 本发明的固相流量测量系统的测试结果如表1所示。与电子秤称重的方法相比， 本发明能够实现实时连续测量，直接获得瞬时值；与进口固体质量流量计的方法相比，本发 明经济耐用且不受输送介质物性变化影响。利用本发明进行固相流量测量，可以在195~ 513Kg/m3的浓度范围内满足测量要求，偏差在± 10%以内，有效满足了密相气力输送系统的 固相流量测量要求。
[0100] 表1效果实施例1的测量结果
[0102]
[0103] 对比实施例1
[0104] 气固两相通过变截面管道时，两相流的流速、压强等都随着流道截面积的变化发 生相应改变。一般认为，两相流的速度差越小，压力波动越小，流体越稳定。本对比实施例 中，所述第二测压点的安装位置与所述喉段的入口处的距离在3d以内。结果表明，第二压 力传感器的所测压力波动较大，可重复性很差，由此构成的固相流量测量系统将无法较好 地应用于工业生产中。
【主权项】
1. 一种密相气力输送过程的固相流量测量系统，其特征在于，其包括依次连通的一输 入管道、一文丘里管和一输出管道；所述输入管道、所述文丘里管和所述输出管道在一条直 线上，所述输入管道和所述输出管道的长度分别独立地为大于或等于80D，D为所述输入管 道和所述输出管道的直径；所述的文丘里管包括依次连通的一收缩段、一喉段和一扩张段， 所述输入管道与所述收缩段相连通，所述扩张段与所述输出管道相连通；所述的固相流量 测量系统还包括一流速测量仪、一第一压力测试仪、一第二压力测试仪和一温度测量仪；其 中，所述流速测量仪安装于所述输入管道上，用于测量所述收缩段的入口处的固相流速Vsl ; 所述第一压力测试仪安装于所述输入管道上，用于测量所述收缩段的入口处的气相压力 P1 ;所述第二压力测试仪安装于所述喉段上，与所述喉段的入口处的距离为3d以上，用于测 量所述喉段处的气相压力P2, d为所述喉段的直径；所述温度测量仪安装于所述输入管道 上，用于测量所述收缩段的入口处的气固相温度1\。2. 如权利要求1所述的固相流量测量系统，其特征在于，所述收缩段的收缩角Θ为 3~25°，较佳地为3~10.5° ;所述扩张段的扩张角α为1~12°，较佳地为1~8° ; 所述文丘里管的节流比d/D为0. 3~0. 8,较佳地为0. 4~0. 7 ;所述文丘里管的长径比Lt/ d不小于3,较佳地为不小于20, Lt为所述喉段的长度；所述第二压力测试仪安装于所述喉 段上，与所述喉段的入口处的距离为20d以上，较佳地为22d。3. 如权利要求1所述的固相流量测量系统，其特征在于，所述固相流量测量系统还包 括一数据采集系统，所述数据采集系统还依次与一 A/D转换卡和一计算机连接；所述流速 测量仪包括一速度传感器；所述第一压力测试仪包括一第一压力传感器；所述第二压力测 试仪包括一第二压力传感器；所述温度测量仪包括一温度传感器；所述速度传感器、所述 第一压力传感器、所述第二压力传感器和所述温度传感器分别与所述数据采集系统连接， 并将模拟信号输入至所述数据采集系统。4. 如权利要求3所述的固相流量测量系统，其特征在于，所述速度传感器安装于所述 输入管道上，与所述文丘里管的入口处的距离在20D以内，较佳地在以内。5. 如权利要求3所述的固相流量测量系统，其特征在于，所述第一压力传感器为第一 膜片式压力传感器，且通过一第一引压孔安装于所述输入管道上；在沿所述文丘里管的延 伸方向上，所述第一引压孔与所述收缩段的入口处的距离在20D以内，较佳地在以内。6. 如权利要求3所述的固相流量测量系统，其特征在于，所述第二压力传感器为第二 膜片式压力传感器，且通过一第二引压孔安装于所述文丘里管的喉段上。7. 如权利要求3所述的固相流量测量系统，其特征在于，所述温度传感器通过一测温 孔安装在所述输入管道上，所述测温孔与所述收缩段的入口处的距离在20D以内，较佳地 在以内。8. -种密相气力输送过程的固相流量测量方法，其特征在于，所述的测量方法包括以 下步骤： (1) 将气固两相流通入如权利要求1-7任一项所述的固相流量测量系统，并启动所述 固相流量测量系统，测量参数Vsl、Pp P2和T1 ; (2) 将步骤（1)测得的参数Vsl、Pp P2和T1代入文丘里管压降方程①：① 计算出固气两相的质量比Z，再代入公式②： Ms = ZMg ② 公式②中，由计算得气相流量Mg的值，再计算得固相流量M s ; 方程①中，β为文丘里管节流比，是所述文丘里管的喉径d和所述输入管道的直径D之 比；M为所述气相的气体分子的摩尔质量；R为摩尔气体常数；Vgl为所述收缩段的入口处的 气相流速，在密相流动中近似等于同一位置处的固相流速Vsl ; P s为所述固相的密度； 方程①中，C为流出系数，它是雷诺数Re的函数，函数关系可表示为公式③： C=f (Re) = aReb ③ 公式③中，雷诺数Re按照如下公式计算：Re = DVglPgl/ygl，Pgl、μ8?分别是所述文 丘里管的入口处的气体密度、气体粘度，P gl、μ gl分别按照如下公式进行计算：P gl = P1M/ RT1 ;/igl = 2.67 XI / <,其中dg是气体分子直径； 公式③中，系数a、b按照如下方法确定：采用所述的固相流量测量系统采集两组不同 工况下纯气相流的测试数据，分别记为工况一和工况二，并在所述的固相流量测量系统的 输入管道上加设一气体流量计，用于测量气体的质量流量Mg，按照方程④④ 分别计算出工况一和工况二下的流出系数C1X2，并计算对应的雷诺数Rei、Re 2，代入公 式③中计算得到系数a、b;方程④中，APgas = P1-P2, pg为气相密度，A2为文丘里管喉段处 的横截面积，A2 = β 2A1，其中A1为文丘里管收缩段入口处的横截面积； 方程①中，m为灵敏度系数，它是修正斯托克斯数St的函数，函数关系为公式⑤： m=f (St) = cStd ⑤ 公式⑤中，修正斯托克斯数St按照如下公式计算：其中ds是颗粒直径，L。和Lt分别是所述文丘里管 的收缩段和喉段的长度； 公式⑤中，系数c、d按照如下方法确定：采用所述的固相流量测量系统采集所述工况 一、所述工况二下气固混合流的测试数据，并在所述的固相流量测量系统的输入管道上加 设一气体流量计和一重量测量装置，按照公式⑥得一个m与Z的方程：⑥ 公式⑥中，Λ Pgas值同公式④，Λ Pmix值的计算方法同公式④；按照公式Ms = ZMg计算得 质量比Ζ，其中Mg值由所述气体流量计测得，Ms值由所述重量测量装置测得，在公式⑥中，计 算出两组m值，并按照修正斯托克斯数St的计算公式，计算出两组St值，再代入公式⑤，即 可计算出系数C、d。9. 如权利要求8所述的固相流量测量方法，其特征在于，所述的固相流量测量方法适 用于不同压力下的密相气力输送体系；所述的密相气力输送体系的输送介质较佳地为粉体 物料，更佳地为煤粉、石油焦粉或生物质粉料；所述的密相气力输送体系的气体介质较佳地 为压缩空气、氮气或二氧化碳。10. 如权利要求8所述的固相流量测量方法，其特征在于，当所述的密相气力输送体系 的输送介质为煤粉时，所述的固相流量测量方法适用于压力范围0~lOMPa、浓度范围50~ 513Kg/m3的工况，较佳地适用于200~500Kg/m3的浓度范围下的工况。
【专利摘要】本发明公开了一种密相气力输送过程的固相流量测量系统与测量方法。所述固相流量测量系统包括依次连通的一输入管道、一文丘里管和一输出管道；所述输入管道、所述文丘里管和所述输出管道在一条直线上，所述输入管道和所述输出管道的长度分别独立地为大于或等于80D，D为所述输入管道和所述输出管道的直径；所述的文丘里管包括依次连通的一收缩段、一喉段和一扩张段，所述输入管道与所述收缩段相连通，所述扩张段与所述输出管道相连通；所述的固相流量测量系统还包括一流速测量仪、一第一压力测试仪、一第二压力测试仪和一温度测量仪。本发明能够实现密相气力输送过程中固相流量的实时、连续测量，直接获得瞬时值；且偏差仅在±10%以内。
【IPC分类】G01F1/88, G01F1/74
【公开号】CN104897222
【申请号】CN201410084401
【发明人】陆海峰, 郭晓镭, 龚欣, 梁钦锋, 代正华, 刘海峰, 许建良, 于广锁, 王辅臣, 王亦飞, 陈雪莉, 李伟锋, 周志杰, 王兴军, 赵辉, 李超, 龚岩
【申请人】华东理工大学, 上海熠能燃气科技有限公司
【公开日】2015年9月9日
【申请日】2014年3月7日
【技术领域】
[0001] 本发明涉及气固两相流领域，具体涉及密相气力输送过程的固相流量测量系统与 测量方法，特别涉及到气流床粉煤加压气化工艺中输送系统的煤粉流量的测量。
【背景技术】
[0002] 气力输送是一项利用气体能量输送固体颗粒的古老而有效的技术，在化工、冶金、 食品加工、医药和能源等领域得到了广泛应用。实际应用中，为了满足生产过程中所需的连 续测量及自动化控制，达到安全、高效和经济运行的要求，粉体质量流量的在线瞬时测量已 成为气力输送系统中亟待解决的关键课题。在气流床粉煤加压气化工艺中，如果进入气化 炉的煤粉质量流率不稳定，重要的操作参数如氧碳比等也就不稳定，结果会造成气化炉内 局部过热，影响反应的稳定进行和气化炉的稳定操作，而且产生的局部高温还有可能损坏 反应器衬里和喷嘴。如果能以一定的置信水平实现对煤粉质量流量的在线测量，便可建立 起煤粉流量的控制调节系统。因此，人们对气固两相流连续测量的重要性和需求不断增加。
[0003] 然而，密相气力输送是一个非常复杂的气固两相流系统。尽管具有输送能力强、输 送能耗低、输送固气比大、气固分离量小等优点，但是输送过程中管道内的固体颗粒运动受 到气流场分布、颗粒与管壁的摩擦以及颗粒与颗粒的相互碰撞等因素的影响，造成颗粒分 布状态在时空尺度上不均匀，流动的波动与不稳定是该系统的主要特征之一。对于这一复 杂体系，固相流量测量一直是个难题。
[0004] 目前，冶金工业中高炉喷吹煤粉的质量流量是采用电子秤称重的方法来计算一段 时间内的平均值，不能实现实时连续测量，直接获得瞬时值。气流床粉煤加压气化工艺采用 进口固体质量流量计测量煤粉的质量流量，仪表使用前需要对其进行使用工况下的实物标 定，操作复杂，仪器价格昂贵。而且标定结果受输送煤粉性质影响，当煤粉物性发生变化时， 测量结果会出现不同程度的偏差。文丘里流量计由于结构简单、性能稳定、经济耐用且不受 输送介质物性变化影响等优点，受到研究者和工程技术人员的关注。其中，Farbar提出的 压差-气固比经验公式，APmix/APgas= 1+mZ，已经广泛应用于低压、稀相气力输送固相流 量的测量。但对于高压密相气力输送过程，载气密度和固气比均较大，传统的压差流量关系 应用于固相流量测量时会产生较大的误差，已经不再适用。
【发明内容】
[0005] 本发明所要解决的技术问题在于克服现有的几种测量技术具有局限性的缺陷，而 提供了一种适合于密相气力输送过程的固相流量测量系统与测量方法。本发明提供的测量 方法不仅满足传统气力输送领域中密相输送（浓度为50~lOOKg?!!!，固相流量的测量要 求，而且能够实时连续测量超浓相（浓度>300Kg?nT3)输送时的固相流量。
[0006] 本发明提供了一种密相气力输送过程的固相流量测量系统；所述的固相流量测量 系统包括依次连通的一输入管道、一文丘里管和一输出管道；所述输入管道、所述文丘里管 和所述输出管道在一条直线上，所述输入管道和所述输出管道的长度分别独立地为大于或 等于80D，D为所述输入管道和所述输出管道的直径；所述的文丘里管包括依次连通的一收 缩段、一喉段和一扩张段，所述输入管道与所述收缩段相连通，所述扩张段与所述输出管道 相连通；所述的固相流量测量系统还包括一流速测量仪、一第一压力测试仪、一第二压力测 试仪和一温度测量仪；其中，所述流速测量仪安装于所述输入管道上，用于测量所述收缩段 的入口处的固相流速Vsl;所述第一压力测试仪安装于所述输入管道上，用于测量所述收缩 段的入口处的气相压力Pi;所述第二压力测试仪安装于所述喉段上，与所述喉段的入口处 的距离为3d以上，用于测量所述喉段处的气相压力P2,d为所述喉段的直径（以下简称喉 径）；所述温度测量仪安装于所述输入管道上，用于测量所述收缩段的入口处的气固相温度 V
[0007] 本发明中，所述收缩段的收缩角0较佳地为3~25°，更佳地为3~10. 5°。所 述扩张段的扩张角a较佳地为1~12°，更佳地为1~8°。所述文丘里管的节流比d/D 较佳地为0. 3~0. 8,更佳地为0. 4~0. 7。所述文丘里管的长径比Lt/d较佳地为不小于 3,更佳地为不小于20;所述长径比是指喉段长度与喉径之比Lt/d。
[0008] 本发明中，所述第二压力测试仪安装于所述喉段上，与所述喉段的入口处的距离 较佳地为20d以上，更佳地为22d。
[0009] 本发明中，所述输入管道和所述输出管道为本领域常规的用于输送气固相的管 道。
[0010] 本发明中，较佳地，所述固相流量测量系统还包括一数据采集系统，所述数据采集 系统还依次与一A/D转换卡(模数转换卡，用于将模拟信号转换成数字信号）和一计算机连 接；所述流速测量仪包括一速度传感器；所述第一压力测试仪包括一第一压力传感器；所 述第二压力测试仪包括一第二压力传感器；所述温度测量仪包括一温度传感器；所述速度 传感器、所述第一压力传感器、所述第二压力传感器和所述温度传感器分别与所述数据采 集系统连接，并将模拟信号输入至所述数据采集系统。
[0011] 其中，所述的计算机较佳地包括存储模块和计算模块，用于实时输出处理后的固 相流量数据。其中，所述的存储模块用于存储输入的压降方程，所述的计算模块用于将采集 到的流速、压力和温度数据代入压降方程中进一步求解固相流量。
[0012] 其中，所述速度传感器安装于所述输入管道上，与所述文丘里管的入口处的距离 较佳地在20D以内，更佳地在ro以内。
[0013] 其中，所述第一压力传感器较佳地为第一膜片式压力传感器，且通过一第一引压 孔安装于所述输入管道上；在沿所述文丘里管的延伸方向上，所述第一引压孔与所述收缩 段的入口处的距离较佳地在20D以内，更佳地在ro以内。所述第二压力传感器较佳地为第 二膜片式压力传感器，且通过一第二引压孔安装于所述文丘里管的喉段上。
[0014] 其中，所述温度传感器较佳地通过一测温孔安装在所述输入管道上，所述测温孔 与所述收缩段的入口处的距离较佳地在20D以内，更佳地在ro以内。
[0015] 本发明还提供了一种密相气力输送过程的固相流量测量方法，所述的固相流量测 量方法包括以下步骤：
[0016] (1)将气固两相流通入上述固相流量测量系统，并启动所述固相流量测量系统，测 量参数Vsl、Pi、P2和;
[0017] (2)将步骤（1)测得的参数Vsl、Pi、P2和代入文丘里管压降方程①：
[0019] 计算出固气两相的质量比Z，再代入公式②：
[0020] Ms =ZMg ②
[0021] 公式②中，由
计算得气相流量&的值(单位为Kg/s)，再计算得 固相流量Ms (单位为Kg/s);
[0022] 方程①中，0为文丘里管节流比，是所述文丘里管的喉径d和所述输入管道的直 径D之比；M为所述气相的气体分子的摩尔质量(单位为g/mol) ;R为摩尔气体常数；Vgl为 所述收缩段的入口处的气相流速，在密相流动中近似等于同一位置处的固相流速Vsl (单位 为m/s) ;Ps为所述固相的密度（单位为Kg/m3);
[0023] 方程①中，C为流出系数，它是雷诺数Re的函数，函数关系可表示为公式③：
[0024]C=f(Re)=aReb③
[0025] 公式③中，雷诺数Re按照如下公式计算：Re = DVglPgl/i!gl，Pgl、1!81分别是所 述文丘里管的入口处的气体密度(单位为Kg/m3)、气体粘度(单位为Pa/s)，Pgl、ygl分别按 照如下公式进行计算：Pgl =PiM/RTi
，其中dg是气体分子直径 (单位为m)，查表可获得；
[0026] 公式③中，系数a、b按照如下方法确定：采用所述的固相流量测量系统采集两组 不同工况下纯气相流的测试数据，分别记为工况一和工况二，并在 所述的固相流量测量系 统的输入管道上加设一气体流量计，用于测量气体的质量流量Mg (单位为Kg/s)，按照方程 ④
[0028] 分别计算出工况一和工况二下的流出系数Ci、C2，并计算对应的雷诺数R ei、Re2，代 入公式③中计算得到系数a、b ;方程④中，APgas = PrP2 (压力单位为Pa)，pg为气相密度 (单位为Kg/m3)，A2为文丘里管喉段处的横截面积，A 2 = 0 ，其中&为文丘里管收缩段入 口处的横截面积(单位为m2);
[0029] 方程①中，m为灵敏度系数，它是修正斯托克斯数St的函数，函数关系为公式⑤：
[0030] m=f(St)=cStd⑤
[0031] 公式⑤中，修正斯托克斯数St按照如下公式计算：
，其中ds是颗粒直径（单位为m)，L。和Lt分别是所 述文丘里管的收缩段和喉段的长度(单位为m);
[0032] 公式⑤中，系数c、d按照如下方法确定：采用所述的固相流量测量系统采集所述 工况一、所述工况二下气固混合流的测试数据，并在所述的固相流量测量系统的输入管道 上加设一气体流量计和一重量测量装置，按照公式⑥得一个m与Z的方程：
[0034] 公式⑥中，APgas值(压力单位为Pa)同公式④，A?^值(压力单位为Pa)的计算 方法同公式④；按照公式Ms =ZMg计算得质量比Z，其中Mg值由所述气体流量计测得，Ms值 由所述重量测量装置测得，在公式⑥中，计算出两组m值，并按照修正斯托克斯数St的计算 公式，计算出两组St值，再代入公式⑤，即可计算出系数c、d。
[0035] 本发明提供的固相流量连续测量系统与测量方法较佳地适用于不同压力下密相 气力输送体系，所述的密相气力输送体系的输送介质较佳地为粉体物料，更佳地为煤粉、石 油焦粉或生物质粉料；所述的密相气力输送体系的气体介质较佳地为压缩空气、氮气或二 氧化碳。
[0036] 当所述的密相气力输送体系的输送介质为煤粉时，所述的流量测量系统与测量方 法较佳地适用于压力范围0~lOMPa、浓度范围50~513Kg/m3的情况，尤其适用于200~ 500Kg/m3的浓度范围。
[0037] 本发明中，所述的入口处、出口处均是相对于气固相流依次通过所述输入管道、所 述文丘里管和所述输出管道的顺序而言的。
[0038] 本发明中，所述的文丘里管通过螺纹或法兰方式与所述输入管道、所述输出管道 连接。
[0039] 本发明中，所述的D、d均是指管道的内径(单位为m)。
[0040] 在符合本领域常识的基础上，上述各优选条件，可任意组合，即得本发明各较佳实 例。
[0041] 本发明所用试剂和原料均市售可得。
[0042] 本发明的积极进步效果在于：本发明综合考虑气力输送过程中压力和固气比的影 响，建立了可适用于不同压力下的密相气力输送体系的文丘里管压降方程，通过固相流量 测量系统实时连续测量固相流量。本发明的特点是流量测量系统结构简单、易于安装、便于 维护、性能稳定、经济耐用且不受输送介质物性变化影响，建立的压降方程突破了传统低压 稀相领域的局限，能够满足不同压力密相气固两相流的固相流量测试要求。本发明的测量 系统所涉及的仪器仪表技术成熟，应用广泛。
【附图说明】
[0043] 图1为固相流量测量系统示意图。
[0044] 图2为文丘里管结构示意图。
[0045] 图3是实施例3的粉煤加压密相气力输送工艺的流程图。
【具体实施方式】
[0046] 下面通过实施例的方式进一步说明本发明，但并不因此将本发明限制在所述的实 施例范围之中。下列实施例中未注明具体条件的实验方法，按照常规方法和条件，或按照商 品说明书选择。
[0047] 下述实施例中，所述的速度传感器通过互相关算法测量气固两相流的颗粒速度。
[0048] 实施例1
[0049] 图1为本发明的气力输送过程的固相流量测量系统的示意图。所述的固相流量测 量系统包括一输入管道1、一文丘里管2和一输出管道3 ;所述输入管道1、所述文丘里管2 和所述输出管道3在一条直线上，所述输入管道1、所述输出管道3的长度为100D，D为所 述输入管道1和所述输出管道3的直径。图2为该系统中的文丘里管2的结构示意图，所 述的文丘里管2包括依次连通的一收缩段201、一喉段202和一扩张段203,所述输入管道1 与所述收缩段201相连通，所述扩张段203与所述输出管道3相连通；所述喉段202的长度 L t与所述喉段202的直径d之比为45 ;所述的固相流量测量系统还包括一流速测量仪4、一 温度测量仪5、一第一压力测试仪6和一第二压力测试仪7 ;其中，所述第一流速测量仪4安 装于所述输入管道1上，与所述收缩段201的入口处的距离为用于测量所述收缩段201 的入口处的固相流速V sl ;所述温度测量仪5安装于所述输入管道1上，与所述收缩段201 的入口处的距离为用于测量所述收缩段201的入口处的气固相温度;所述第一压力 测试仪6安装于所述输入管道1上，与所述收缩段201的入口处的距离为用于测量所述 收缩段201的入口处的气相压力Pi ;所述第二压力测试仪7安装于所述喉段202上，与所述 喉段202的入口处的距离为22d，用于测量该处的气相压力P2。
[0050] 图2中，0为所述收缩段201的收缩角，a为所述扩张段203的扩张角，Le、L t、Ld 分别为收缩段201、喉段202和扩张段203的长度。
[0051] 本实施例中，图1的固相流量测量系统还包括一数据采集系统8,所述数据采集系 统还依次与一 A/D转换卡9 (模数转换卡，用于将模拟信号转换成数字信号)和一计算机10 连接；所述流速测量仪4包括一速度传感器；所述温度测量仪5包括一温度传感器；所述第 一压力测试仪6包括一第一压力传感器；所述第二压力测试仪7包括一第二压力传感器； 所述速度传感器、所述温度传感器、所述第一压力传感器和所述第二压力传感器分别与所 述数据采集系统8连接，并将模拟信号输入至所述数据采集系统8。
[0052] 其中，所述的计算机10还包括存储模块和计算模块，用于实时输出处理后的固相 流量数据。其中，所述的存储模块用于存储输入的压降方程，所述的计算模块用于将采集到 的流速、压力和温度数据代入压降方程中进一步求解固相流量。
[0053] 实施例2
[0054] 本实施例中的固相流量测量系统的结构示意图如图1和图2所示。其中，密相气 力输送过程的固相流量测量方法包括如下步骤：
[0055] (1)建立文丘里管压降比方程
[0056] 对于图2所示的文丘里管，对气固两相流建立总能量方程：
[0058] 其中，Mg、Ms分别为气相和固相的质量流量(单位为Kg/s)，Pp P2分别为文丘里管 的收缩段入口和喉段处的压力（单位为N/m2)，!^、％分别为文丘里管的收缩段入口和喉段处 的高度(单位为m)，P g为气相密度(单位为Kg/m3)，Vgl、Vsl分别为文丘里管的收缩段入口的 气相、固相的平均速度(单位为m/s)，V g2、Vs2分别为文丘里管的喉段处的气相、固相的平均 速度(单位为m/s)，Kg、K s分别为气相和固相的摩擦系数(无量纲)。对于水平安装的文丘里 管，高度项（4-氏）为零；对于垂直安装的文丘里管，高度项（4-氏）是一个常数。为简化分 析，本实施例中忽略高度项。
[0059] 设文丘里管节流比为3 =d/D，文丘里管压降AP=PrP2，方程（1)可简化并转 变成如下形式：
[0061] 其中，Kg+s=Kg+Ks，Ai为文丘里管的收缩段的入口处的横截面积。
[0062] 对于气体单独流经文丘里管时，气体的摩擦系数可以作Kg=0的近似处理，有如下 形式：
[0064] 以式（2)除以式（3)，设质量固气比为
则可 得：
[0066] 其中，APmi x为气固混合物流经文丘里管时在1，2两处所产生的压降，APgas为纯 气相介质流经文丘里管产生的压降。m代表文丘里管压降对固相流量的灵敏程度，称之为灵 敏度系数。
[0067] (2)建立文丘里管纯气相压降方程
[0068] 纯气相流经文丘里管，其质量流量与压差存在如下关系：
[0070] 其中，A2为文丘里管喉段处的截面积，A2 = =AJglPg =VA&Pg，其中 Pg =PM/RT。
[0071] 进一步转化得到纯气相流经文丘里管的压降方程：
[0073] 式中，M为气体分子的摩尔质量，T为气体的热力学温度，R为摩尔气体常数，C为 流出系数。
[0074] (3)确定压降方程关键参数函数关系式
[0075] 气固两相通过文丘里管的纯气相和混合物压降方程分别为（6)和（4)。在实际应 用前，先通过实验获得流出系数C和灵敏度系数m的表达式。
[0076] 研究发现，流出系数C是雷诺数Re(Re=DVgl pgl/ligl)的函数，C=f(Re);灵敏 度系数m是修正斯托克斯数
的函数，m=f(St)，其 中，ds是颗粒直径(单位为m)，ygl是文丘里管的收缩段入口处的气体粘度(单位为Pa?s，，L。和Lt分别是文丘里管收缩段和喉部的长度(单位为m)。
[0077] (4)建立适用于密相气固两相流的文丘里压降方程
[0078] 将方程（6)以及文丘里管流出系数和灵敏度系数的函数关系式C=f(Re)和m= f(St)带入到方程（4)，
[0080] 方程（7)考虑了压力和固气比影响，可应用于不同压力的粉体密相气力输送系统， 先计算出Z，然后再根据式Ms/Mg =Z进一步得出固相流量Ms。
[0081] (5)通过流量测量系统获得固相流量
[0082]计算机10的计算模块对颗粒速度和压力数据进行实时处理，可认为密相流动气 体速度近似等于颗粒速度，求解压降方程，继而获得固相流量。
[0083] 本发明提供的密相气力输送过程的固相流量测量系统具有结构简单、性能稳定、 经济耐用且不受输送介质物性变化影响的优点；所提供的固相流量测量方法突破了传统 低压稀相领域的局限，能够满足从低压到高压的密相气力输送过程的固相流量实时连续测 量。
[0084] 实施例3
[0085] 本实施例中的固相流量测量系统的结构示意图如图1和图2所示，以下结合图3 说明该固相流量测量系统在粉煤加压密相气力输送工艺中的一个实施方案，本实施例所述 的密相气力输送体系的输送介质为煤粉，气体介质为氮气。
[0086] 密相气力输送系统主要由气源、料罐、输送管线、阀门仪表、固相流量测量系统、DCS监测控制和数据采集系统等单元组成。通过气源提供气体进入料罐，控制并调节料罐压 力，使得煤粉在一定压差作用下从给料罐输送至储仓。流程示意图如图3所示，其中11是 气体钢瓶；12、14是缓冲罐；13是冷冻干燥机；15是减压阀；16是气体分配器；17、18、19是 气体质量流量计；20是气体金属浮子流量计；21是称重传感器；22是接料罐；23、28是压力 传感器；24、27、29、31是气动阀门 ；25、26是除尘器；30是发料罐；32是本发明所述的固相 流量测量系统。
[0087] 本实施例中，所述的密相气力输送系统的管道直径（内径）为D=15mm，包括图3中 从发料罐30起至所述固相流量测量系统32、至所述接料罐22的所有管道直径。固相流量 测量系统32被安装在输送管路的水平段上，其输入管道、输出管道的长度均大于80D。
[0088] 固相流量测量系统32中，文丘里管的结构参数：收缩角0为5°，扩张角a为 8°，喉径d为6mm，喉段长度Lt为45d;速度传感器距离文丘里管的收缩段入口处? ;温度 传感器距离文丘里管的收缩段入口处;压力传感器匕和P2分别距离文丘里管的收缩段 入口处ro、距离文丘里管的喉段的入口处22d。
[0089] 输送介质煤粉的平均粒径约为42ym，颗粒密度约为Ps=1400Kg/m3。
[0090] 本实施例获得的高压粉煤密相气固两相流的流出系数和灵敏度系数的函数关系 式的具体过程如下：
[0091]公式C=f(Re) =aReb中，雷诺数Re按照如下公式计算：Re=DVglpgl/ligl，pgl、 Ugl分别是所述文丘里管的入口处的气体密度(单位为Kg/m3)、气体粘度(单位为Pa/s)，Pgl、Ugl分别按照如下公式进行计算：Pgl =PiM/RTi
其中dg 是气体分子直径(单位为m)，查表可获得。
[0092] 其中，系数a、b按照如下方法确定：采用所述的固相流量测量系统采集两组不同 工况下纯气相流的测试数据，分别记为工况一、工况二，并在所述的固相流量测量系统的输 入管道上加设一气体流量计，按照方程
计算出流出系数(^、(：2，并计算对 应的雷诺数Rei、Re2，代入公式C=f(Re) =aReb中计算得到系数a、b。其中，APgas =PfP2 (压力单位为Pa)，Pg为气相密度(单位为Kg/m3)，A2为文丘里管喉段处的横截面积，A2 = ，其中&为文丘里管收缩段入口处的横截面积(单位为m2) ;Mg由所述气体流量计测得 (单位为Kg/s)。
[0093] 公式m=f(St) =cStd中，修正斯托克斯数St按照如下公式计算：
，其中ds是颗粒直径（单位为m)，L。和Lt分别是所 述文丘里管的收缩段和喉段的长度(单位为m)。
[0094] 其中，系数c、d按照如下方法确定：采用所述的固相流量测量系统采集所述工况 一、所述工况二下气固混合流的测试数据，并在所述的固相流量测量系统的输入管道上加 设一气体流量计和一重量测量装置，按照公式
得到一个m与Z的 方程，其中，APgas值(压力单位为Pa)同纯气相流，A?^值(压力单位为Pa)的计算方法同 上；按照公式Ms =ZMg计算得质量比Z，其中Mg值由所述气体流量计测得，Ms值由所述重量 测量装置测得，按照该m与Z的方程计算出两组m值，并按照修正斯托克斯数St的计算公 式，计算出两组St值，再代入公式m=f(St) =cStd，即可计算出系数c、d。
[0095] 最终，获得的流出系数和灵敏度系数分别为C=f(Re) = 14. 07Re-°_185，m=f(St) =2.OSf129。在输送压力932KPa，浓度为458Kg/m3条件下，固相流量测量系统测得的参数 值 ^=7021^8,P2=377KPa，Vgl=Vsl=3. 62m/s，T=293K，代入方程（7)可计算出固相流量Ms 为 1043Kg/h。通过称重传感器测量出实际固相流量为1054Kg/h，表明该固相流量测量系统获 得的流量偏差为-1. 03%，能够较好应用于密相气力输送系统。
[0096]效果实施例1
[0097] 本效果实施例中，所述的密相气力输送系统与实施例3相同，为煤粉输送工艺。其 流出系数按照下述公式计算：C=f(Re) = 14. 07此-°_185,灵敏度系数按照下述公式计算：m=f(St) = 2.0St4 29。其中，输送介质煤粉的平均粒径约为42iim，颗粒密度约为1400Kg/ m3〇
[0098] 本效果实施例中，所述的密相气力输送系统的示意图同实施例3。
[0099] 本发明的固相流量测量系统的测试结果如表1所示。与电子秤称重的方法相比， 本发明能够实现实时连续测量，直接获得瞬时值；与进口固体质量流量计的方法相比，本发 明经济耐用且不受输送介质物性变化影响。利用本发明进行固相流量测量，可以在195~ 513Kg/m3的浓度范围内满足测量要求，偏差在± 10%以内，有效满足了密相气力输送系统的 固相流量测量要求。
[0100] 表1效果实施例1的测量结果
[0102]
[0103] 对比实施例1
[0104] 气固两相通过变截面管道时，两相流的流速、压强等都随着流道截面积的变化发 生相应改变。一般认为，两相流的速度差越小，压力波动越小，流体越稳定。本对比实施例 中，所述第二测压点的安装位置与所述喉段的入口处的距离在3d以内。结果表明，第二压 力传感器的所测压力波动较大，可重复性很差，由此构成的固相流量测量系统将无法较好 地应用于工业生产中。
【主权项】
1. 一种密相气力输送过程的固相流量测量系统，其特征在于，其包括依次连通的一输 入管道、一文丘里管和一输出管道；所述输入管道、所述文丘里管和所述输出管道在一条直 线上，所述输入管道和所述输出管道的长度分别独立地为大于或等于80D，D为所述输入管 道和所述输出管道的直径；所述的文丘里管包括依次连通的一收缩段、一喉段和一扩张段， 所述输入管道与所述收缩段相连通，所述扩张段与所述输出管道相连通；所述的固相流量 测量系统还包括一流速测量仪、一第一压力测试仪、一第二压力测试仪和一温度测量仪；其 中，所述流速测量仪安装于所述输入管道上，用于测量所述收缩段的入口处的固相流速Vsl ; 所述第一压力测试仪安装于所述输入管道上，用于测量所述收缩段的入口处的气相压力 P1 ;所述第二压力测试仪安装于所述喉段上，与所述喉段的入口处的距离为3d以上，用于测 量所述喉段处的气相压力P2, d为所述喉段的直径；所述温度测量仪安装于所述输入管道 上，用于测量所述收缩段的入口处的气固相温度1\。2. 如权利要求1所述的固相流量测量系统，其特征在于，所述收缩段的收缩角Θ为 3~25°，较佳地为3~10.5° ;所述扩张段的扩张角α为1~12°，较佳地为1~8° ; 所述文丘里管的节流比d/D为0. 3~0. 8,较佳地为0. 4~0. 7 ;所述文丘里管的长径比Lt/ d不小于3,较佳地为不小于20, Lt为所述喉段的长度；所述第二压力测试仪安装于所述喉 段上，与所述喉段的入口处的距离为20d以上，较佳地为22d。3. 如权利要求1所述的固相流量测量系统，其特征在于，所述固相流量测量系统还包 括一数据采集系统，所述数据采集系统还依次与一 A/D转换卡和一计算机连接；所述流速 测量仪包括一速度传感器；所述第一压力测试仪包括一第一压力传感器；所述第二压力测 试仪包括一第二压力传感器；所述温度测量仪包括一温度传感器；所述速度传感器、所述 第一压力传感器、所述第二压力传感器和所述温度传感器分别与所述数据采集系统连接， 并将模拟信号输入至所述数据采集系统。4. 如权利要求3所述的固相流量测量系统，其特征在于，所述速度传感器安装于所述 输入管道上，与所述文丘里管的入口处的距离在20D以内，较佳地在以内。5. 如权利要求3所述的固相流量测量系统，其特征在于，所述第一压力传感器为第一 膜片式压力传感器，且通过一第一引压孔安装于所述输入管道上；在沿所述文丘里管的延 伸方向上，所述第一引压孔与所述收缩段的入口处的距离在20D以内，较佳地在以内。6. 如权利要求3所述的固相流量测量系统，其特征在于，所述第二压力传感器为第二 膜片式压力传感器，且通过一第二引压孔安装于所述文丘里管的喉段上。7. 如权利要求3所述的固相流量测量系统，其特征在于，所述温度传感器通过一测温 孔安装在所述输入管道上，所述测温孔与所述收缩段的入口处的距离在20D以内，较佳地 在以内。8. -种密相气力输送过程的固相流量测量方法，其特征在于，所述的测量方法包括以 下步骤： (1) 将气固两相流通入如权利要求1-7任一项所述的固相流量测量系统，并启动所述 固相流量测量系统，测量参数Vsl、Pp P2和T1 ; (2) 将步骤（1)测得的参数Vsl、Pp P2和T1代入文丘里管压降方程①：① 计算出固气两相的质量比Z，再代入公式②： Ms = ZMg ② 公式②中，由计算得气相流量Mg的值，再计算得固相流量M s ; 方程①中，β为文丘里管节流比，是所述文丘里管的喉径d和所述输入管道的直径D之 比；M为所述气相的气体分子的摩尔质量；R为摩尔气体常数；Vgl为所述收缩段的入口处的 气相流速，在密相流动中近似等于同一位置处的固相流速Vsl ; P s为所述固相的密度； 方程①中，C为流出系数，它是雷诺数Re的函数，函数关系可表示为公式③： C=f (Re) = aReb ③ 公式③中，雷诺数Re按照如下公式计算：Re = DVglPgl/ygl，Pgl、μ8?分别是所述文 丘里管的入口处的气体密度、气体粘度，P gl、μ gl分别按照如下公式进行计算：P gl = P1M/ RT1 ;/igl = 2.67 XI / <,其中dg是气体分子直径； 公式③中，系数a、b按照如下方法确定：采用所述的固相流量测量系统采集两组不同 工况下纯气相流的测试数据，分别记为工况一和工况二，并在所述的固相流量测量系统的 输入管道上加设一气体流量计，用于测量气体的质量流量Mg，按照方程④④ 分别计算出工况一和工况二下的流出系数C1X2，并计算对应的雷诺数Rei、Re 2，代入公 式③中计算得到系数a、b;方程④中，APgas = P1-P2, pg为气相密度，A2为文丘里管喉段处 的横截面积，A2 = β 2A1，其中A1为文丘里管收缩段入口处的横截面积； 方程①中，m为灵敏度系数，它是修正斯托克斯数St的函数，函数关系为公式⑤： m=f (St) = cStd ⑤ 公式⑤中，修正斯托克斯数St按照如下公式计算：其中ds是颗粒直径，L。和Lt分别是所述文丘里管 的收缩段和喉段的长度； 公式⑤中，系数c、d按照如下方法确定：采用所述的固相流量测量系统采集所述工况 一、所述工况二下气固混合流的测试数据，并在所述的固相流量测量系统的输入管道上加 设一气体流量计和一重量测量装置，按照公式⑥得一个m与Z的方程：⑥ 公式⑥中，Λ Pgas值同公式④，Λ Pmix值的计算方法同公式④；按照公式Ms = ZMg计算得 质量比Ζ，其中Mg值由所述气体流量计测得，Ms值由所述重量测量装置测得，在公式⑥中，计 算出两组m值，并按照修正斯托克斯数St的计算公式，计算出两组St值，再代入公式⑤，即 可计算出系数C、d。9. 如权利要求8所述的固相流量测量方法，其特征在于，所述的固相流量测量方法适 用于不同压力下的密相气力输送体系；所述的密相气力输送体系的输送介质较佳地为粉体 物料，更佳地为煤粉、石油焦粉或生物质粉料；所述的密相气力输送体系的气体介质较佳地 为压缩空气、氮气或二氧化碳。10. 如权利要求8所述的固相流量测量方法，其特征在于，当所述的密相气力输送体系 的输送介质为煤粉时，所述的固相流量测量方法适用于压力范围0~lOMPa、浓度范围50~ 513Kg/m3的工况，较佳地适用于200~500Kg/m3的浓度范围下的工况。
【专利摘要】本发明公开了一种密相气力输送过程的固相流量测量系统与测量方法。所述固相流量测量系统包括依次连通的一输入管道、一文丘里管和一输出管道；所述输入管道、所述文丘里管和所述输出管道在一条直线上，所述输入管道和所述输出管道的长度分别独立地为大于或等于80D，D为所述输入管道和所述输出管道的直径；所述的文丘里管包括依次连通的一收缩段、一喉段和一扩张段，所述输入管道与所述收缩段相连通，所述扩张段与所述输出管道相连通；所述的固相流量测量系统还包括一流速测量仪、一第一压力测试仪、一第二压力测试仪和一温度测量仪。本发明能够实现密相气力输送过程中固相流量的实时、连续测量，直接获得瞬时值；且偏差仅在±10%以内。
【IPC分类】G01F1/88, G01F1/74
【公开号】CN104897222
【申请号】CN201410084401
【发明人】陆海峰, 郭晓镭, 龚欣, 梁钦锋, 代正华, 刘海峰, 许建良, 于广锁, 王辅臣, 王亦飞, 陈雪莉, 李伟锋, 周志杰, 王兴军, 赵辉, 李超, 龚岩
【申请人】华东理工大学, 上海熠能燃气科技有限公司
【公开日】2015年9月9日
【申请日】2014年3月7日
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