气力输送过程的固相流量连续测量系统与测量方法
气力输送过程的固相流量连续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，具体地涉及一种气力输送过程的固相流量连续测量 系统与测量方法，特别涉及气流床粉煤加压气化工艺中输送系统煤粉流量的测量。
【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。如果能以一定的置信水平实现对粉体质量流量 的在线测量，便可建立起粉体流量的控制调节系统。
[0003] 但是，由于气力输送系统中气固两相间存在界面效应和相对速度，而且相界面在 时间和空间上具有随机性，致使其流动特性及检测方法远比单相流系统复杂。现有的测量 方法大多不能满足连续测量和自动化控制的要求。尽管国内外都已做了大量的研究工作， 但商品化的多相流流量计为数很少，大部分还处于实验室研究开发阶段。
[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。
[0005] 差压式流量计，尤其是文丘里管由于结构简单、易于安装、便于维护、性能稳定、经 济耐用等优点受到研究者和工程技术人员的青睐。Carlson,Farbar等人经过大量实验和 理论研究，得出了气体颗粒混合物经过文丘里管产生的差压和颗粒含量有对应关系，即著 名的Farbar压差-气固比经验公式APmix/APgas= 1+mZ。该公式已经广泛应用于低压、稀 相气力输送系统，通过搭配气体流量计或密度计，可满足固相流量的测量要求。对于高压密 相气力输送过程，载气密度和固气比的影响均较大。此时，若仍采用Farbar压差-气固比 经验公式测量固相流量，则会产生较大的误差。
【发明内容】
[0006] 本发明所要解决的技术问题在于克服了现有的几种测量技术具有局限性的缺陷， 而提供了一种气力输送过程的固相流量连续测量系统与测量方法。本发明提供的测量方法 满足从稀相到密相、从低压到高压的气力输送系统中固相流量的测量要求，适用于对粉体 进行实时连续的流量测量。本发明的测量装置结构简单，无需搭配气体流量计或密度计使 用，而且不受输送介质物性变化的影响。
[0007] 本发明提供了一种气力输送过程的固相流量连续测量系统；所述的固相流量连 续测量系统包括一输入管道、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；所述喉段的长度Lt与所述喉段的直径d之比大于或等于40 ;所述的固相流量连续 测量系统还包括一第一压力测试仪、一第二压力测试仪、一第三压力测试仪和一温度测量 仪；其中，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20d~ 40d，用于测量该处的气相压力P2 ;所述第三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40d~60d，用于测量该处的气相压力P3 ;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\。
[0008] 本发明中，所述的收缩段的收缩角0较佳地为3~25°，更佳地为3~10. 5°。 所述的扩张段的扩张角a较佳地为1~12°，更佳地为1~8°。所述的文丘里管的节流 比d/D较佳地为0. 3~0. 8,更佳地为0. 4~0. 7。所述喉段的长度Lt与所述喉段的直径d 之比Lt/d(以下简称长径比）较佳地为40~80。
[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；所述第三压力测试仪包括一第三压力传感器；所述温度测量仪包括一温度传感器； 所述第一压力传感器、所述第二压力传感器、所述第三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 段的入口处的距离为本领域常规，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。 所述第三压力传感器较佳地为第三膜片式压力传感器，且通过一第三引压孔安装于所述文 丘里管的喉段上。
[0013] 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为本领域常规，较佳地在20D以内，更佳地在ro以内。
[0014] 本发明还提供了一种气力输送过程的固相流量连续测量方法，所述的测量方法包 括以下步骤：
[0015] (1)将气固两相流通入上述固相流量连续测量系统，并启动所述固相流量连续测 量系统，测量参数PpPyPjPTi;
[0016] (2)将步骤（1)测得的参数Pi、P2、P3和代入文丘里管压降方程组①：
[0018] 即可计算出收缩段入口处的气体速度Vgl (单位为m/s)和固气质量比Z，然后根据 公式
计算得气相流量Mg，然后根据公式②：
[0019] Ms =ZMg ②
[0020] 进一步计算得固相流量札（单位为Kg/s);
[0021] 方程组①中，Ps为固相密度（单位为Kg/m3)，M为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，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；
[0022] 方程组①中，C、C'为流出系数，它们都是雷诺数Re的函数，C与Re的函数关系可 表示为公式③：
[0023] C=f(Re) =aReb ③
[0024] 公式③中，雷诺数Re按照如下公式计算：Re=DVglPgl/ygl，Pgl、ygl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；
[0025] 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连续测量系统采集 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连 续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④
[0027] 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Rei、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，A2 = 0 ，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);
[0028] 同理，对C'也存在函数关系式⑤：
[0029] C，=f'（Re) =a'Reb ⑤
[0030] 系数a'、b'的确定方法同上，不同的是按照方程④计算时，APgas =PrP3 ;
[0031] 方程组①中，m、m'为灵敏度系数，它们都是修正斯托克斯数St的函数，函数关系 为公式⑥：
[0032] m=f(St) =cStd ⑥
[0033] 公式⑥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)，ygl是文丘里管入口气 体粘度(单位为Pa? ^)，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);
[0034] 公式⑥中，系数c、d按照如下方法确定：采用所述的固相流量连续测量系统采集 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⑦得一个m与Z的方程：
[0036] 公式⑦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②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⑦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⑥，即可计算出系数c、d;
[0037] 同理，对m'也存在函数关系式⑧：
[0038] m' =f'（St) =c'Std ⑧
[0039] 系数c'、d'的确定方法同上，不同的是按照方程⑦计算时，APmix =Pi-Py
[0040] 本发明提供的流量测量系统与测量方法较佳地适用于不同压力不同浓度下的气 力输送体系，所述的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。
[0041] 当所述的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0~500Kg/m3的情况。
[0042] 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。
[0043] 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。
[0044] 本发明中，所述的D、d均是指管道的内径(单位为m)。
[0045] 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。
[0046] 本发明所用试剂和原料均市售可得。
[0047] 本发明的积极进步效果在于：
[0048] 本发明综合考虑气力输送过程中压力和固气比的影响，建立了文丘里管压降方 程，通过长喉颈文丘里的双压差固相流量测量装置实时连续测量固相流量。本发明的特点 是文丘里压降方程适用范围广，突破了传统低压稀相领域的局限，能够满足不同压力、不同 浓度下气力输送过程的固相流量测试要求；流量测量装置结构简单无需搭配气体流量计或 密度计，性能稳定、经济耐用且不受输送介质物性变化的影响。
【附图说明】
[0049] 图1为本发明的固相流量连续测量系统的示意图。
[0050] 图2为本发明的长喉颈文丘里管的结构示意图。
【具体实施方式】
[0051] 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。
[0052] 实施例1
[0053] 图1为本发明的气力输送过程的固相流量连续测量系统的示意图。所述的固相流 量连续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Lt与所述喉段202的直径d之比为45 ;所述的固相流量连续测量系统还包括一第一 压力测试仪4、一第二压力测试仪5、一第三压力测试仪6和一温度测量仪7 ;其中，所述第 一压力测试仪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的入口处的气相压力Pi;所述第二压力测试仪5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 ;所述第三压力测 试仪6安装于所述喉段202上，与所述喉段202的入口处的距离为40d，用于测量该处的气 相压力P3 ;所述温度测量仪7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1\。
[0054] 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、Lt、Ld 分别为收缩段201、喉段202和扩张段203的长度。本实施例中，收缩角0为5°，扩张角 a为8°，收缩段长度L。为50mm，喉段长度Lt为270mm，扩张段长度Ld为30mm。
[0055] 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；所述第一压力测试仪4包括一第一压力传感器；所述第二压力测试仪5包括一第二 压力传感器；所述第三压力测试仪6包括一第三压力传感器；所述温度测量仪7包括一温 度传感器；所述第一压力传感器、所述第二压力传感器、所述第三压力传感器和所述温度传 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。
[0056] 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。
[0057] 实施例2
[0058] 本实施例中的固相流量连续测量系统的结构示意图如图1和图2所示。利用该测 试系统进行固相流量测试的方法如下：
[0059] (1)建立气固两相流通过文丘里管的压降比方程
[0060] 对于图1所示的文丘里管，对气固两相流建立总能量方程：
[0062] 其中，Mg、Ms分别为气相和固相的质量流量（Kg/s)，PpP2分别为文丘里管的收缩 段入口和喉段处的压力（N/m2)，氏、4分别为文丘里管的收缩段入口和喉段处的高度（m)， Pg为气相密度（Kg/m3)，Ps为固相密度（Kg/m 3)，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（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（m/ 8)，1(8、1(3分别为气相和固相的摩擦系数(无量纲)。
[0063] 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：
[0065] 对于纯气相介质，式（2)有如下形式：
[0067] 以式（2)除以式（3)，设质量固气比 为Ms/Mg = Z， 则可得： f
[0069] 其中，APmix为气固混合物流经文丘里管时在收缩段入口和喉段所产生的压降，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。方程（4)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。
[0070] (2)建立文丘里管纯气相压降方程
[0071] 纯气相流经文丘里管，其质量流量与压差存在如下关系：
[0073] 其中，A2为文丘里管喉段处的截面积。进一步转化得到纯气相流经文丘里管的压 降方程：
[0075] 式中，M为气体分子质量，为气体的热力学温度(单位为K)，R为摩尔气体常数， C为流出系数。
[0076] (3 )建立双压差文丘里管压降方程组
[0077] 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)。研究发现， 流出系数C与雷诺数Re具有较好的函数关系，C=f(Re);灵敏度系数m与斯托克斯数St 具有较好的函数关系，m=f(St)。
[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] 对于长喉颈文丘里管，如附图2,可分别测量文丘里管入口压力Pi，喉段压力P2、 P3，从而形成方程（8)的双压差文丘里管压降方程组：
[0082] 式中f(Re)、f'（Re)、f(St)和f'（St)是表征流出系数C和灵敏度系数m的函数 式，根据具体的应用系统确定。
[0083] (4)通过长喉颈文丘里的双压差固相流量测量装置测量固相流量。
[0084] 再通过实施例1的固相流量连续测量系统进行测试，并通过计算机的计算模块对 颗粒速度和压力数据进行实时处理，求解压降方程组获得并输出固相流量。
[0085] 实施例3
[0086] 本实施例中的固相流量连续测量系统的结构示意图如图1和图2所示，下面以本 发明在粉煤加压密相气力输送工艺中具体应用为实施进行较为详细的描述。
[0087] 本实施例中，所述包含有长喉颈文丘里管的双压差固相流量连续测量系统被安装 在密相气力输送系统的输送管路上，输送管道直径D为15mm，与所述文丘里管相连的输入 管道和输出管道的长度为100D。
[0088] 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;温度传感器距离文丘里管入口 5D;压力传感器Pi距离文丘里管入口 5D，P2和 P3分别距离文丘里管喉段入口 22d和40d。
[0089] 输送介质煤粉的平均粒径约为42iim，颗粒密度约为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=DVgl pgl/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，查表可获得。其中，系数a、b按照如下方法确定：采用所述的固相流量连 续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 的固相流量连续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，其中，AP^zPi-h，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；Mg由所述气 体流量计测得；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〇
[0092] 同理，对C'也存在函数关系式C' =f'（Re)=a'Reb'，其中系数a'、b'的确定方法同 上，不同的是按照方程
计算时，APgas =Pi-Py
[0093] m、m'为灵敏度系数，它们都是修正斯托克斯数St的函数，函数关 系为公式：m=f(St) =cStd，其中，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)，ygl是文丘里管入口气 体粘度（Pa? ^)，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连续测量系统采集所述 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
得一个m与Z 的方程。其中，APgas值同公式
A的计算方法同上；按照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
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m=f(St) =cStd，即可计算出系数c、d;
[0095] 同理，对m'也存在函数关系式：m' =f'（St) =c'Std。系数c'、d'的确定方法 同上，不同的是按照方程
计算时，APmix =P「P3。
[0096] 最终，本发明获得的长喉颈文丘里的双压差固相流量连续测量系统的流出系数和 灵敏度系数的函数关系式分别为C=f(Re) = 14. 07Re_ai85，m=f(St) = 2. 0St_129 ;C' =f'（Re) = 194. 72Rei36,m' =f'（St) = 1. 3St+74。在输送压力 921KPa，浓度为 326Kg/m3 条件下，固相流量测量系统测得的参数值^=7471^8,P2=405KPa，P3=276KPa，T=293K，代入 方程（8)可计算出固相流量Ms为936Kg/h。通过称重传感器测量出实际固相流量为938Kg/ h，表明该固相流量测量系统获得的流量偏差为-0. 22%，能够较好应用于粉煤加压密相气力 输送工艺。
[0097] 实施例4
[0098] 本实施例中，所述的粉煤加压密相气力输送工艺如实施例3所示。所述的粉煤的 浓度为60Kg/m3,其余测试条件和方法同实施例3。结果表明，采用本发明的固相流量测量 与实际固相流量的偏差为5. 88%。说明本发明同样适用于稀相输送过程的固相流量测量。 [0099] 效果实施例1
[0100] 本效果实施例中，所述的粉煤加压密相气力输送工艺如实施例3所示。输送介质 煤粉的平均粒径约为42pm，颗粒密度约为1400Kg/m3。固相流量连续测量系统的流出系数 和灵敏度系数的函数关系式分别为c=f(Re) = 14. 07Rei185,m=f(St) = 2. 0St_129 ;C' =f'（Re) = 194. 72Rei36,m' =f'（St) = 1. 3St-1_74。
[0101] 固相流量连续测量系统被安装在气力输送系统的输送管路上，输送管道直径D为 15mm。固相流量连续测量系统中，输入和输出管道发长度为100D;文丘里管收缩角0为 5°，扩张角a为8°，喉径d为6mm，喉段长度Lt为45d;温度传感器距离文丘里管入口 压力传感器匕距离文丘里管入口 5D，P2和P3分别距离文丘里管喉段入口 22d和40d。
[0102] 本发明的固相流量连续测量系统在粉煤加压密相气力输送工艺中的应用效果如 表1所示。本发明可以较好地应用于测量浓度由低到高的气力输送固相流量，流量偏差大 多仅在±5%以内，满足工程应用要求。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，本发明具有结构简单、易于 安装、便于维护、性能稳定、 经济耐用等优点。
[0103] 表1效果实施例1的测量结果
【主权项】
1. 一种气力输送过程的固相流量连续测量系统，其特征在于，其包括一输入管道、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；所述喉段的长度Lt与所述喉 段的直径d之比大于或等于40 ;所述的固相流量连续测量系统还包括一第一压力测试仪、 一第二压力测试仪、一第三压力测试仪和一温度测量仪；其中，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20d~40d，用于测量该处的气相压力P2 ;所 述第三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40d~60d，用于测量 该处的气相压力P3 ;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所述的固相流量连续测量系统，其特征在于，所述的收缩段的收缩角 Θ为3~25°，较佳地为3~10.5° ;所述的扩张段的扩张角α为1~12°，较佳地为 1~8° ;所述的文丘里管的节流比d/D为0. 3~0. 8,较佳地为0. 4~0. 7 ;所述喉段的长 度Lt与所述喉段的直径d之比Lt/d为40~80。3. 如权利要求1所述的固相流量连续测量系统，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 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 述第三压力测试仪包括一第三压力传感器；所述温度测量仪包括一温度传感器；所述第一 压力传感器、所述第二压力传感器、所述第三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所述的固相流量连续测量系统，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为20D以内，较佳地在以 内。5. 如权利要求3所述的固相流量连续测量系统，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。6. 如权利要求3所述的固相流量连续测量系统，其特征在于，所述第三压力传感器为 第三膜片式压力传感器，且通过一第三引压孔安装于所述文丘里管的喉段上。7. 如权利要求3所述的固相流量连续测量系统，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为20D以内，较 佳地为以内。8. -种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： (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连续测量系统，并启动 所述固相流量连续测量系统，测量参数Pi、P2、P3和T1 ; (2) 将步骤（1)测得的参数Pp P2、P3和T1代入文丘里管压降方程组① ：即可计算出收缩段入口处的气体速度Vgl和固气质量比Z，然后根据公式计算得气相流量Mg，然后根据公式②： Ms = ZMg ② 进一步计算得固相流量Ms; 方程组①中，Ps为固相密度，M为气相的气体分子的摩尔质量，R为摩尔气体常数，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； 方程组①中，C、C'为流出系数，它们都是雷诺数Re的函数，C与Re的函数关系可表示 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 ;八,=2.67χ10_26α/ρω /<，其中dg是气体分子直径，查表可获得； 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连续测量系统采集两组 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连续测 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④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； 同理，对C'也存在函数关系式⑤： Ct =f (Re) =a' Reb ⑤ 系数a'、b'的确定方法同上，不同的是按照方程④计算时，APgas = P1-P3; 方程组①中，m、m'为灵敏度系数，它们都是修正斯托克斯数St的函数，函数关系为公 式⑥： m=f (St) = cStd ⑥ 公式⑥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，μ gl是文丘里管入口气体粘度，L。和Lt分别是所述文丘里管的收缩段 和喉段的长度； 公式⑥中，系数C、d按照如下方法确定：采用所述的固相流量连续测量系统采集所述 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⑦得一个m与Z的方程：公式⑦中，APgas值同公式④，APmix的计算方法同公式④；按照公式②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⑦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⑥，即可计算 出系数c、d ; 同理，对m'也存在函数关系式⑧： m' = f'（St) = c' Std ⑧ 系数c'、d'的确定方法同上，不同的是按照方程⑦计算时，APmix = P1-P3159. 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、不同浓度下的气力输送体系；所述的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〇~lOMPa、浓度范围0~ 500Kg/m3的工况。
【专利摘要】本发明公开了一种气力输送过程的固相流量连续测量系统与测量方法。所述的固相流量连续测量系统包括一输入管道、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；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；所述喉段的长度Lt与所述喉段的直径d之比大于或等于40；所述的固相流量连续测量系统还包括一第一压力测试仪、一第二压力测试仪、一第三压力测试仪和一温度测量仪。本发明可以满足从稀相到密相的固相流量的连续测量，偏差仅在±5%以内。
【IPC分类】G01F1/88
【公开号】CN104897221
【申请号】CN201410084357
【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，具体地涉及一种气力输送过程的固相流量连续测量 系统与测量方法，特别涉及气流床粉煤加压气化工艺中输送系统煤粉流量的测量。
【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。如果能以一定的置信水平实现对粉体质量流量 的在线测量，便可建立起粉体流量的控制调节系统。
[0003] 但是，由于气力输送系统中气固两相间存在界面效应和相对速度，而且相界面在 时间和空间上具有随机性，致使其流动特性及检测方法远比单相流系统复杂。现有的测量 方法大多不能满足连续测量和自动化控制的要求。尽管国内外都已做了大量的研究工作， 但商品化的多相流流量计为数很少，大部分还处于实验室研究开发阶段。
[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。
[0005] 差压式流量计，尤其是文丘里管由于结构简单、易于安装、便于维护、性能稳定、经 济耐用等优点受到研究者和工程技术人员的青睐。Carlson,Farbar等人经过大量实验和 理论研究，得出了气体颗粒混合物经过文丘里管产生的差压和颗粒含量有对应关系，即著 名的Farbar压差-气固比经验公式APmix/APgas= 1+mZ。该公式已经广泛应用于低压、稀 相气力输送系统，通过搭配气体流量计或密度计，可满足固相流量的测量要求。对于高压密 相气力输送过程，载气密度和固气比的影响均较大。此时，若仍采用Farbar压差-气固比 经验公式测量固相流量，则会产生较大的误差。
【发明内容】
[0006] 本发明所要解决的技术问题在于克服了现有的几种测量技术具有局限性的缺陷， 而提供了一种气力输送过程的固相流量连续测量系统与测量方法。本发明提供的测量方法 满足从稀相到密相、从低压到高压的气力输送系统中固相流量的测量要求，适用于对粉体 进行实时连续的流量测量。本发明的测量装置结构简单，无需搭配气体流量计或密度计使 用，而且不受输送介质物性变化的影响。
[0007] 本发明提供了一种气力输送过程的固相流量连续测量系统；所述的固相流量连 续测量系统包括一输入管道、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；所述喉段的长度Lt与所述喉段的直径d之比大于或等于40 ;所述的固相流量连续 测量系统还包括一第一压力测试仪、一第二压力测试仪、一第三压力测试仪和一温度测量 仪；其中，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20d~ 40d，用于测量该处的气相压力P2 ;所述第三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40d~60d，用于测量该处的气相压力P3 ;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\。
[0008] 本发明中，所述的收缩段的收缩角0较佳地为3~25°，更佳地为3~10. 5°。 所述的扩张段的扩张角a较佳地为1~12°，更佳地为1~8°。所述的文丘里管的节流 比d/D较佳地为0. 3~0. 8,更佳地为0. 4~0. 7。所述喉段的长度Lt与所述喉段的直径d 之比Lt/d(以下简称长径比）较佳地为40~80。
[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；所述第三压力测试仪包括一第三压力传感器；所述温度测量仪包括一温度传感器； 所述第一压力传感器、所述第二压力传感器、所述第三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 段的入口处的距离为本领域常规，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。 所述第三压力传感器较佳地为第三膜片式压力传感器，且通过一第三引压孔安装于所述文 丘里管的喉段上。
[0013] 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为本领域常规，较佳地在20D以内，更佳地在ro以内。
[0014] 本发明还提供了一种气力输送过程的固相流量连续测量方法，所述的测量方法包 括以下步骤：
[0015] (1)将气固两相流通入上述固相流量连续测量系统，并启动所述固相流量连续测 量系统，测量参数PpPyPjPTi;
[0016] (2)将步骤（1)测得的参数Pi、P2、P3和代入文丘里管压降方程组①：
[0018] 即可计算出收缩段入口处的气体速度Vgl (单位为m/s)和固气质量比Z，然后根据 公式
计算得气相流量Mg，然后根据公式②：
[0019] Ms =ZMg ②
[0020] 进一步计算得固相流量札（单位为Kg/s);
[0021] 方程组①中，Ps为固相密度（单位为Kg/m3)，M为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，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；
[0022] 方程组①中，C、C'为流出系数，它们都是雷诺数Re的函数，C与Re的函数关系可 表示为公式③：
[0023] C=f(Re) =aReb ③
[0024] 公式③中，雷诺数Re按照如下公式计算：Re=DVglPgl/ygl，Pgl、ygl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；
[0025] 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连续测量系统采集 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连 续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④
[0027] 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Rei、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，A2 = 0 ，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);
[0028] 同理，对C'也存在函数关系式⑤：
[0029] C，=f'（Re) =a'Reb ⑤
[0030] 系数a'、b'的确定方法同上，不同的是按照方程④计算时，APgas =PrP3 ;
[0031] 方程组①中，m、m'为灵敏度系数，它们都是修正斯托克斯数St的函数，函数关系 为公式⑥：
[0032] m=f(St) =cStd ⑥
[0033] 公式⑥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)，ygl是文丘里管入口气 体粘度(单位为Pa? ^)，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);
[0034] 公式⑥中，系数c、d按照如下方法确定：采用所述的固相流量连续测量系统采集 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⑦得一个m与Z的方程：
[0036] 公式⑦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②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⑦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⑥，即可计算出系数c、d;
[0037] 同理，对m'也存在函数关系式⑧：
[0038] m' =f'（St) =c'Std ⑧
[0039] 系数c'、d'的确定方法同上，不同的是按照方程⑦计算时，APmix =Pi-Py
[0040] 本发明提供的流量测量系统与测量方法较佳地适用于不同压力不同浓度下的气 力输送体系，所述的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。
[0041] 当所述的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0~500Kg/m3的情况。
[0042] 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。
[0043] 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。
[0044] 本发明中，所述的D、d均是指管道的内径(单位为m)。
[0045] 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。
[0046] 本发明所用试剂和原料均市售可得。
[0047] 本发明的积极进步效果在于：
[0048] 本发明综合考虑气力输送过程中压力和固气比的影响，建立了文丘里管压降方 程，通过长喉颈文丘里的双压差固相流量测量装置实时连续测量固相流量。本发明的特点 是文丘里压降方程适用范围广，突破了传统低压稀相领域的局限，能够满足不同压力、不同 浓度下气力输送过程的固相流量测试要求；流量测量装置结构简单无需搭配气体流量计或 密度计，性能稳定、经济耐用且不受输送介质物性变化的影响。
【附图说明】
[0049] 图1为本发明的固相流量连续测量系统的示意图。
[0050] 图2为本发明的长喉颈文丘里管的结构示意图。
【具体实施方式】
[0051] 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。
[0052] 实施例1
[0053] 图1为本发明的气力输送过程的固相流量连续测量系统的示意图。所述的固相流 量连续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Lt与所述喉段202的直径d之比为45 ;所述的固相流量连续测量系统还包括一第一 压力测试仪4、一第二压力测试仪5、一第三压力测试仪6和一温度测量仪7 ;其中，所述第 一压力测试仪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的入口处的气相压力Pi;所述第二压力测试仪5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 ;所述第三压力测 试仪6安装于所述喉段202上，与所述喉段202的入口处的距离为40d，用于测量该处的气 相压力P3 ;所述温度测量仪7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1\。
[0054] 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、Lt、Ld 分别为收缩段201、喉段202和扩张段203的长度。本实施例中，收缩角0为5°，扩张角 a为8°，收缩段长度L。为50mm，喉段长度Lt为270mm，扩张段长度Ld为30mm。
[0055] 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；所述第一压力测试仪4包括一第一压力传感器；所述第二压力测试仪5包括一第二 压力传感器；所述第三压力测试仪6包括一第三压力传感器；所述温度测量仪7包括一温 度传感器；所述第一压力传感器、所述第二压力传感器、所述第三压力传感器和所述温度传 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。
[0056] 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。
[0057] 实施例2
[0058] 本实施例中的固相流量连续测量系统的结构示意图如图1和图2所示。利用该测 试系统进行固相流量测试的方法如下：
[0059] (1)建立气固两相流通过文丘里管的压降比方程
[0060] 对于图1所示的文丘里管，对气固两相流建立总能量方程：
[0062] 其中，Mg、Ms分别为气相和固相的质量流量（Kg/s)，PpP2分别为文丘里管的收缩 段入口和喉段处的压力（N/m2)，氏、4分别为文丘里管的收缩段入口和喉段处的高度（m)， Pg为气相密度（Kg/m3)，Ps为固相密度（Kg/m 3)，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（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（m/ 8)，1(8、1(3分别为气相和固相的摩擦系数(无量纲)。
[0063] 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：
[0065] 对于纯气相介质，式（2)有如下形式：
[0067] 以式（2)除以式（3)，设质量固气比 为Ms/Mg = Z， 则可得： f
[0069] 其中，APmix为气固混合物流经文丘里管时在收缩段入口和喉段所产生的压降，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。方程（4)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。
[0070] (2)建立文丘里管纯气相压降方程
[0071] 纯气相流经文丘里管，其质量流量与压差存在如下关系：
[0073] 其中，A2为文丘里管喉段处的截面积。进一步转化得到纯气相流经文丘里管的压 降方程：
[0075] 式中，M为气体分子质量，为气体的热力学温度(单位为K)，R为摩尔气体常数， C为流出系数。
[0076] (3 )建立双压差文丘里管压降方程组
[0077] 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)。研究发现， 流出系数C与雷诺数Re具有较好的函数关系，C=f(Re);灵敏度系数m与斯托克斯数St 具有较好的函数关系，m=f(St)。
[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] 对于长喉颈文丘里管，如附图2,可分别测量文丘里管入口压力Pi，喉段压力P2、 P3，从而形成方程（8)的双压差文丘里管压降方程组：
[0082] 式中f(Re)、f'（Re)、f(St)和f'（St)是表征流出系数C和灵敏度系数m的函数 式，根据具体的应用系统确定。
[0083] (4)通过长喉颈文丘里的双压差固相流量测量装置测量固相流量。
[0084] 再通过实施例1的固相流量连续测量系统进行测试，并通过计算机的计算模块对 颗粒速度和压力数据进行实时处理，求解压降方程组获得并输出固相流量。
[0085] 实施例3
[0086] 本实施例中的固相流量连续测量系统的结构示意图如图1和图2所示，下面以本 发明在粉煤加压密相气力输送工艺中具体应用为实施进行较为详细的描述。
[0087] 本实施例中，所述包含有长喉颈文丘里管的双压差固相流量连续测量系统被安装 在密相气力输送系统的输送管路上，输送管道直径D为15mm，与所述文丘里管相连的输入 管道和输出管道的长度为100D。
[0088] 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;温度传感器距离文丘里管入口 5D;压力传感器Pi距离文丘里管入口 5D，P2和 P3分别距离文丘里管喉段入口 22d和40d。
[0089] 输送介质煤粉的平均粒径约为42iim，颗粒密度约为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=DVgl pgl/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，查表可获得。其中，系数a、b按照如下方法确定：采用所述的固相流量连 续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 的固相流量连续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，其中，AP^zPi-h，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；Mg由所述气 体流量计测得；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〇
[0092] 同理，对C'也存在函数关系式C' =f'（Re)=a'Reb'，其中系数a'、b'的确定方法同 上，不同的是按照方程
计算时，APgas =Pi-Py
[0093] m、m'为灵敏度系数，它们都是修正斯托克斯数St的函数，函数关 系为公式：m=f(St) =cStd，其中，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)，ygl是文丘里管入口气 体粘度（Pa? ^)，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连续测量系统采集所述 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
得一个m与Z 的方程。其中，APgas值同公式
A的计算方法同上；按照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
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m=f(St) =cStd，即可计算出系数c、d;
[0095] 同理，对m'也存在函数关系式：m' =f'（St) =c'Std。系数c'、d'的确定方法 同上，不同的是按照方程
计算时，APmix =P「P3。
[0096] 最终，本发明获得的长喉颈文丘里的双压差固相流量连续测量系统的流出系数和 灵敏度系数的函数关系式分别为C=f(Re) = 14. 07Re_ai85，m=f(St) = 2. 0St_129 ;C' =f'（Re) = 194. 72Rei36,m' =f'（St) = 1. 3St+74。在输送压力 921KPa，浓度为 326Kg/m3 条件下，固相流量测量系统测得的参数值^=7471^8,P2=405KPa，P3=276KPa，T=293K，代入 方程（8)可计算出固相流量Ms为936Kg/h。通过称重传感器测量出实际固相流量为938Kg/ h，表明该固相流量测量系统获得的流量偏差为-0. 22%，能够较好应用于粉煤加压密相气力 输送工艺。
[0097] 实施例4
[0098] 本实施例中，所述的粉煤加压密相气力输送工艺如实施例3所示。所述的粉煤的 浓度为60Kg/m3,其余测试条件和方法同实施例3。结果表明，采用本发明的固相流量测量 与实际固相流量的偏差为5. 88%。说明本发明同样适用于稀相输送过程的固相流量测量。 [0099] 效果实施例1
[0100] 本效果实施例中，所述的粉煤加压密相气力输送工艺如实施例3所示。输送介质 煤粉的平均粒径约为42pm，颗粒密度约为1400Kg/m3。固相流量连续测量系统的流出系数 和灵敏度系数的函数关系式分别为c=f(Re) = 14. 07Rei185,m=f(St) = 2. 0St_129 ;C' =f'（Re) = 194. 72Rei36,m' =f'（St) = 1. 3St-1_74。
[0101] 固相流量连续测量系统被安装在气力输送系统的输送管路上，输送管道直径D为 15mm。固相流量连续测量系统中，输入和输出管道发长度为100D;文丘里管收缩角0为 5°，扩张角a为8°，喉径d为6mm，喉段长度Lt为45d;温度传感器距离文丘里管入口 压力传感器匕距离文丘里管入口 5D，P2和P3分别距离文丘里管喉段入口 22d和40d。
[0102] 本发明的固相流量连续测量系统在粉煤加压密相气力输送工艺中的应用效果如 表1所示。本发明可以较好地应用于测量浓度由低到高的气力输送固相流量，流量偏差大 多仅在±5%以内，满足工程应用要求。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，本发明具有结构简单、易于 安装、便于维护、性能稳定、 经济耐用等优点。
[0103] 表1效果实施例1的测量结果
【主权项】
1. 一种气力输送过程的固相流量连续测量系统，其特征在于，其包括一输入管道、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；所述喉段的长度Lt与所述喉 段的直径d之比大于或等于40 ;所述的固相流量连续测量系统还包括一第一压力测试仪、 一第二压力测试仪、一第三压力测试仪和一温度测量仪；其中，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20d~40d，用于测量该处的气相压力P2 ;所 述第三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40d~60d，用于测量 该处的气相压力P3 ;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所述的固相流量连续测量系统，其特征在于，所述的收缩段的收缩角 Θ为3~25°，较佳地为3~10.5° ;所述的扩张段的扩张角α为1~12°，较佳地为 1~8° ;所述的文丘里管的节流比d/D为0. 3~0. 8,较佳地为0. 4~0. 7 ;所述喉段的长 度Lt与所述喉段的直径d之比Lt/d为40~80。3. 如权利要求1所述的固相流量连续测量系统，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 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 述第三压力测试仪包括一第三压力传感器；所述温度测量仪包括一温度传感器；所述第一 压力传感器、所述第二压力传感器、所述第三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所述的固相流量连续测量系统，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为20D以内，较佳地在以 内。5. 如权利要求3所述的固相流量连续测量系统，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。6. 如权利要求3所述的固相流量连续测量系统，其特征在于，所述第三压力传感器为 第三膜片式压力传感器，且通过一第三引压孔安装于所述文丘里管的喉段上。7. 如权利要求3所述的固相流量连续测量系统，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为20D以内，较 佳地为以内。8. -种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： (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连续测量系统，并启动 所述固相流量连续测量系统，测量参数Pi、P2、P3和T1 ; (2) 将步骤（1)测得的参数Pp P2、P3和T1代入文丘里管压降方程组① ：即可计算出收缩段入口处的气体速度Vgl和固气质量比Z，然后根据公式计算得气相流量Mg，然后根据公式②： Ms = ZMg ② 进一步计算得固相流量Ms; 方程组①中，Ps为固相密度，M为气相的气体分子的摩尔质量，R为摩尔气体常数，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； 方程组①中，C、C'为流出系数，它们都是雷诺数Re的函数，C与Re的函数关系可表示 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 ;八,=2.67χ10_26α/ρω /<，其中dg是气体分子直径，查表可获得； 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连续测量系统采集两组 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连续测 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④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； 同理，对C'也存在函数关系式⑤： Ct =f (Re) =a' Reb ⑤ 系数a'、b'的确定方法同上，不同的是按照方程④计算时，APgas = P1-P3; 方程组①中，m、m'为灵敏度系数，它们都是修正斯托克斯数St的函数，函数关系为公 式⑥： m=f (St) = cStd ⑥ 公式⑥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，μ gl是文丘里管入口气体粘度，L。和Lt分别是所述文丘里管的收缩段 和喉段的长度； 公式⑥中，系数C、d按照如下方法确定：采用所述的固相流量连续测量系统采集所述 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⑦得一个m与Z的方程：公式⑦中，APgas值同公式④，APmix的计算方法同公式④；按照公式②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⑦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⑥，即可计算 出系数c、d ; 同理，对m'也存在函数关系式⑧： m' = f'（St) = c' Std ⑧ 系数c'、d'的确定方法同上，不同的是按照方程⑦计算时，APmix = P1-P3159. 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、不同浓度下的气力输送体系；所述的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〇~lOMPa、浓度范围0~ 500Kg/m3的工况。
【专利摘要】本发明公开了一种气力输送过程的固相流量连续测量系统与测量方法。所述的固相流量连续测量系统包括一输入管道、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；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；所述喉段的长度Lt与所述喉段的直径d之比大于或等于40；所述的固相流量连续测量系统还包括一第一压力测试仪、一第二压力测试仪、一第三压力测试仪和一温度测量仪。本发明可以满足从稀相到密相的固相流量的连续测量，偏差仅在±5%以内。
【IPC分类】G01F1/88
【公开号】CN104897221
【申请号】CN201410084357
【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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