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