氣力輸送固體質(zhì)量流量檢測(cè)技術(shù)研究進(jìn)展

鐘東文

(中國(guó)石化茂名分公司科技發(fā)展部)

氣力輸送固體質(zhì)量流量檢測(cè)技術(shù)研究進(jìn)展

鐘東文

(中國(guó)石化茂名分公司科技發(fā)展部)

由于氣固兩相流的復(fù)雜性，氣力輸送過(guò)程固體質(zhì)量流量這一重要參數(shù)難以準(zhǔn)確測(cè)量。詳細(xì)介紹氣力輸送固體質(zhì)量流量檢測(cè)技術(shù)的原理和研究現(xiàn)狀，總結(jié)了現(xiàn)有的商用流量計(jì)產(chǎn)品。最后，針對(duì)密相輸送發(fā)展越來(lái)越廣泛的現(xiàn)狀，給出了未來(lái)研究的發(fā)展方向。

氣力輸送 質(zhì)量流量 檢測(cè)原理

氣力輸送起源于19世紀(jì)初，當(dāng)時(shí)人們嘗試?yán)蔑L(fēng)扇驅(qū)動(dòng)，通過(guò)管道來(lái)輸送粉體物料。20世紀(jì)初期，人們開(kāi)始對(duì)氣力輸送進(jìn)行理論研究。20世紀(jì)中后期，粉體的氣力輸送技術(shù)迅速發(fā)展并進(jìn)入工業(yè)應(yīng)用階段。目前，對(duì)粉體物料進(jìn)行氣力輸送已成為化工、采礦、冶金、發(fā)電、食品及制藥等眾多領(lǐng)域普遍采用的方法[1]。

氣力輸送過(guò)程中，固體顆粒質(zhì)量流量的測(cè)量有助于調(diào)整最優(yōu)的輸送條件以減小能耗和輸送系統(tǒng)磨損，因此對(duì)該參數(shù)進(jìn)行準(zhǔn)確測(cè)量顯得尤為重要[2]。氣力輸送屬于氣-固兩相流流動(dòng)，與單相流不同，各相間存在界面效應(yīng)和相對(duì)速度，相界面在時(shí)間和空間上都是隨機(jī)可變的，致使其流動(dòng)特性比單相流更復(fù)雜，因而其特性參數(shù)難以檢測(cè)[3]。具體而言，顆粒尺寸分布、濃度分布、速度分布、環(huán)境濕度和顆粒內(nèi)化學(xué)成分的變化都可能影響測(cè)量結(jié)果，引入誤差。除此之外，其他因素(如顆粒形狀、顆粒在測(cè)量段管道內(nèi)側(cè)的沉淀程度等)也可能影響流量的準(zhǔn)確檢測(cè)[4，5]，這些變量是無(wú)法控制和檢測(cè)的，而且在輸送介質(zhì)和固體材料不同時(shí)變化范圍比較大。

目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)氣-固兩相流參數(shù)檢測(cè)做了大量的研究工作，但是商品化的多相流流量計(jì)數(shù)量較少，大部分還處于實(shí)驗(yàn)室研究開(kāi)發(fā)階段。因此，發(fā)展先進(jìn)可靠的兩相流顆粒特性參數(shù)檢測(cè)方法，并開(kāi)發(fā)出方便適用的試驗(yàn)裝置和測(cè)量系統(tǒng)，對(duì)于氣-固兩相流體力學(xué)的研究及其工業(yè)過(guò)程的控制，都是至關(guān)重要的。

1 質(zhì)量流量檢測(cè)技術(shù)

最近幾十年，各式各樣的氣力輸送質(zhì)量流量檢測(cè)技術(shù)層出不窮，這些檢測(cè)技術(shù)基本可以分為直接式測(cè)量和間接式測(cè)量[2，3,6]。其中，直接式測(cè)量通過(guò)檢測(cè)一個(gè)與質(zhì)量流量變化直接關(guān)聯(lián)的敏感變量來(lái)獲得固體質(zhì)量流量。間接式測(cè)量通過(guò)分別測(cè)量固體顆粒的速度和濃度，進(jìn)一步計(jì)算得到顆粒的質(zhì)量流量。

1.1 直接式測(cè)量

1.1.1 科里奧利流量計(jì)

科里奧利流量計(jì)(CMF)是一種起步較晚但發(fā)展較快的直接式測(cè)量技術(shù)[7]。其測(cè)量原理是檢測(cè)部件的振動(dòng)或者旋轉(zhuǎn)過(guò)程中所受的科里奧利力與質(zhì)量流量成正比。該方法與被測(cè)流體的溫度、速度及濃度等參數(shù)無(wú)關(guān)，僅與流體質(zhì)量有關(guān)。在實(shí)際工業(yè)應(yīng)用中，旋轉(zhuǎn)管道產(chǎn)生科里奧利力比較困難，因此通常采用管道振動(dòng)方法使流體產(chǎn)生科里奧利力[8]，如圖1所示。需要注意的是，由于在管道內(nèi)引入了U形彎管，因此會(huì)造成管道壓降的增加。同時(shí)，該流量計(jì)安裝時(shí)需要隔絕外界的振動(dòng)干擾。對(duì)于氣固兩相流而言，管道的磨損和顆粒的堵塞限制了該方法的應(yīng)用范圍。

圖1 科里奧利力產(chǎn)生原理

1.1.2 熱平衡法

熱平衡法多用于火力發(fā)電廠粉煤濃度的測(cè)量。該方法是運(yùn)用傳熱學(xué)原理，通過(guò)測(cè)量在給定傳熱條件下的溫升，將換熱系數(shù)與管道內(nèi)的固體濃度進(jìn)行關(guān)聯(lián)，并進(jìn)一步得到固體質(zhì)量流率[9～11]。其計(jì)算原理如下：

Q=hmAΔT

(1)

hm=f(ug,μ)

(2)

式中A——換熱面積，m2；

hm——?dú)夤袒旌衔锏膿Q熱系數(shù)，W/(m2·K)；

Q——傳熱量，J；

ug——?dú)怏w速度，m/s；

ΔT——換熱溫差，K；

μ——固氣質(zhì)量比。

研究表明，該方法的響應(yīng)時(shí)間較長(zhǎng)，不適合質(zhì)量流量的動(dòng)態(tài)檢測(cè)，且系統(tǒng)的影響因素較多，重復(fù)性較差。

1.2 間接式測(cè)量

1.2.1 濃度檢測(cè)法

1.2.1.1 衰減法

電磁波、聲波等通過(guò)介質(zhì)的衰減服從Lambert-Beer定律，即有：

I=I0e-μ′x

(3)

式中I——通過(guò)介質(zhì)后的強(qiáng)度，W；

I0——通過(guò)介質(zhì)前的強(qiáng)度，W；

x——通過(guò)介質(zhì)的有效厚度，m；

μ′——線性衰減常數(shù)。

根據(jù)這個(gè)基本定理，檢測(cè)透過(guò)管道前后的聲波或電磁波的強(qiáng)度，固體顆粒的濃度可通過(guò)聲波衰減程度分析處理得到。可作為衰減法檢測(cè)源的有可見(jiàn)光、激光[12]、微波[13]、X射線[14]、γ射線[15]及聲波[16，17]等。其中，射線法測(cè)量范圍寬、檢測(cè)精度高，缺點(diǎn)是費(fèi)用較高且容易造成放射性污染。光學(xué)法對(duì)測(cè)量環(huán)境要求較高，極易受到污染。微波法對(duì)濕度敏感。聲學(xué)法的主要問(wèn)題是最優(yōu)頻率與顆粒粒徑相關(guān)。對(duì)于細(xì)顆粒，最優(yōu)頻率在30kHz左右；對(duì)于大顆粒，最優(yōu)頻率在400kHz。

1.2.1.2 電學(xué)法

基于顆粒物料的介電特性和靜電特性，研究者們開(kāi)發(fā)了不同的顆粒體積濃度測(cè)量方法——電容法和靜電法。電容法的測(cè)量原理是將電容極板安裝在流動(dòng)管道外，當(dāng)兩極板間流體固體顆粒質(zhì)量濃度發(fā)生變化時(shí)，其相對(duì)介電常數(shù)發(fā)生變化，導(dǎo)致電容發(fā)生變化[18]。電容的變化可以通過(guò)轉(zhuǎn)化為電流或者電壓信號(hào)進(jìn)行測(cè)量。

氣力輸送過(guò)程中，顆粒與壁面以及顆粒間的摩擦碰撞作用使顆粒和管道上累積大量電荷。通過(guò)測(cè)量這些靜電的大小或者顆粒與檢測(cè)裝置之間轉(zhuǎn)移的電荷量，就可以實(shí)現(xiàn)顆粒濃度的測(cè)量，這就是靜電法的測(cè)量原理[19]。然而，影響靜電的因素很多，顆粒特性、管道材料及輸送條件等均會(huì)對(duì)靜電產(chǎn)生影響，因此一些制造商聲明測(cè)得的濃度為相對(duì)值，僅可用于定性比較。

基于電容和靜電原理設(shè)計(jì)的濃度測(cè)量裝置價(jià)格低廉且易于安裝應(yīng)用，但是研究也表明這些探頭對(duì)濕度、顆粒粒徑和化學(xué)組分的變化較為敏感[20]，同時(shí)，探頭的空間靈敏度不均也會(huì)對(duì)測(cè)量結(jié)果造成復(fù)雜的影響[21]。

1.2.1.3 聲學(xué)法

根據(jù)聲波信號(hào)的獲取方式不同，可以分為主動(dòng)式聲波法和被動(dòng)式聲波法。主動(dòng)式聲波法是通過(guò)主動(dòng)發(fā)射一定頻率和強(qiáng)度的聲波信號(hào)，通過(guò)信號(hào)的衰減來(lái)表征固相濃度，其衰減規(guī)律服從Lambert-Beer定律。被動(dòng)式聲波法通過(guò)采集輸送過(guò)程中顆粒與壁面之間發(fā)生摩擦和碰撞作用產(chǎn)生的聲波信號(hào)，提取其中包含的與顆粒粒徑、顆粒濃度等相關(guān)的信息[22，23]，利用傅里葉變化、小波分解等信號(hào)處理手段進(jìn)行分析，得到固體顆粒的濃度。曹翌佳等以4種不同粒徑聚乙烯顆粒在高速運(yùn)動(dòng)條件下的聲發(fā)射信號(hào)，結(jié)合小波分析建立了單粒徑顆粒質(zhì)量流量的預(yù)測(cè)模型[22]。在此基礎(chǔ)上，假設(shè)混合顆粒聲發(fā)射能量為各單一粒徑顆粒聲發(fā)射能量的線性疊加，進(jìn)一步得到了混合顆粒的質(zhì)量流量預(yù)測(cè)模型。魏舸裔等通過(guò)小波包分解，以各小波尺度的聲信號(hào)能量為特征參數(shù)，運(yùn)用偏最小二乘回歸方法建立固體顆粒質(zhì)量流量的檢測(cè)模型，提高了運(yùn)算效率[23]。這種方法結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、安裝方便、不侵入流場(chǎng)，可以實(shí)現(xiàn)連續(xù)在線測(cè)量；其難點(diǎn)在于信號(hào)的處理和分析較為復(fù)雜。

1.2.1.4 過(guò)程層析成像法

過(guò)程層析成像法是20世紀(jì)80年代發(fā)展起來(lái)的一種可以對(duì)氣力輸送管道中顆粒濃度分布進(jìn)行檢測(cè)的技術(shù)。它不僅具有不侵入流場(chǎng)、實(shí)時(shí)在線檢測(cè)的優(yōu)點(diǎn)，還可以對(duì)流型進(jìn)行辨析，是一種極具競(jìng)爭(zhēng)力的檢測(cè)技術(shù)。

過(guò)程層析成像法包括電容[24]、電荷[25]、超聲[26]、射線[27]及光學(xué)[28]層析成像等多種形式，圖2為雙層電容層析成像裝置示意圖。近年來(lái)，層析成像技術(shù)在氣-固兩相流中得到了廣泛應(yīng)用。過(guò)程層析成像法的技術(shù)難點(diǎn)是如何從重構(gòu)的圖像中獲得定量的相關(guān)參數(shù)。同時(shí)，成像的空間分辨率還需要進(jìn)一步提高。

圖2 雙層電容層析成像裝置示意圖

1.2.2 速度檢測(cè)法

1.2.2.1 相關(guān)法

相關(guān)法類(lèi)測(cè)速原理是利用流體內(nèi)部的流動(dòng)噪聲或外加能量，將流體的流速測(cè)量轉(zhuǎn)化為流體通過(guò)相距兩截面的時(shí)間間隔的測(cè)量問(wèn)題，運(yùn)用相關(guān)測(cè)量技術(shù)實(shí)現(xiàn)流體速度的在線測(cè)量[29]。互相關(guān)測(cè)速可采用電容[30]、靜電[31]、超聲[32]及光學(xué)[33]等多種形式。測(cè)量時(shí)往往要求流動(dòng)穩(wěn)定，固體濃度分布盡量均勻，否則可能出現(xiàn)不清楚的相關(guān)峰值，造成較大誤差。

相關(guān)法類(lèi)測(cè)速方法通常需要在氣力輸送管道上安裝兩只完全相同的傳感器，它們之間的距離為L(zhǎng)。流體流經(jīng)兩傳感器輸出信號(hào)x(t)和y(t)，利用相關(guān)器對(duì)x(t)和y(t)做互相關(guān)運(yùn)算處理，可以得到互相關(guān)函數(shù)Rxy(τ)，其表達(dá)式為：

(4)

互相關(guān)函數(shù)圖像峰值所對(duì)應(yīng)的位置即為延遲時(shí)間τm，當(dāng)被測(cè)流體在管道中的流動(dòng)滿足“凝固”流動(dòng)圖形假設(shè)時(shí)，其速度vs的表達(dá)式為：

(5)

目前，大多數(shù)研究測(cè)量的速度為平均速度，然而隨著密相輸送應(yīng)用越來(lái)越廣泛，濃度均布的要求很難實(shí)現(xiàn)，管道截面上速度的分布不能再忽略。文獻(xiàn)[34]采用圖3所示的環(huán)形電極測(cè)量整個(gè)截面的平均速度，同時(shí)采用8組弧形電極測(cè)量電極附近的局部速度以獲得平面內(nèi)的速度分布，結(jié)果表明管道頂部的速度通常要大于底部的速度，且環(huán)形電極測(cè)得的平均速度往往大于弧形電極測(cè)得的局部速度。

圖3 靜電互相關(guān)測(cè)速電極示意圖

1.2.2.2 多普勒法

多普勒測(cè)速運(yùn)用多普勒頻移定理來(lái)檢測(cè)固體顆粒速度[35]。多普勒測(cè)速可以采用激光、微波及超聲波等作為發(fā)射源，從發(fā)射源以一個(gè)固定的入射頻率fT射向被檢測(cè)流體，被流體中的顆粒反射后以反射頻率fR被接收器接收。輸出信號(hào)和接收信號(hào)的頻率差與流體顆粒的速度vs有如下關(guān)系：

(6)

式中c——電磁波速度，m/s；

fR——反射頻率，Hz；

fT——入射頻率，Hz；

θ——入射角，(°)。

c和θ已知，固體速度可以通過(guò)檢測(cè)多普勒頻移來(lái)確定。其不足之處在于該方法僅適用于稀相氣力輸送過(guò)程。

1.2.2.3 空間濾波法

理論上，由于傳感器有限的物理尺寸和幾何形狀，任何形式的傳感器對(duì)原始流動(dòng)信號(hào)都存在一定形式的空間濾波效應(yīng)。因此，可以設(shè)計(jì)特定的空間濾波器使濾波頻率與流體的移動(dòng)速度成線性相關(guān)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)顆粒速度的在線檢測(cè)。自相關(guān)函數(shù)分析是空間濾波法中常用的處理方法。對(duì)濾波信號(hào)的帶寬和周期變量采用自相關(guān)函數(shù)分析可以得到顆粒的移動(dòng)速度。近年來(lái)，報(bào)道的有電容空間濾波法[36]、靜電空間濾波法[37]及光學(xué)空間濾波法[38]等。

1.2.2.4 攝像法

Song D等提出了一種新穎的顆粒速度測(cè)量方法，即通過(guò)控制相機(jī)的曝光時(shí)間得到拉長(zhǎng)的模糊圖像[39]，如圖4所示。利用圖像處理手段和曝光時(shí)間，計(jì)算得到顆粒的運(yùn)動(dòng)速度。該方法設(shè)備簡(jiǎn)單，但僅適用于稀相輸送過(guò)程。

a. 氣速11.0m/s b. 氣速13.3m/s

2 現(xiàn)有檢測(cè)技術(shù)總結(jié)

現(xiàn)有氣力輸送固體質(zhì)量流量檢測(cè)技術(shù)的總結(jié)見(jiàn)表1。可以看出，現(xiàn)有檢測(cè)方法均存在不足，固體質(zhì)量流量的精確測(cè)量難以實(shí)現(xiàn)。直接式測(cè)量方法主要包括科里奧利流量計(jì)和熱學(xué)法兩種方法，其中熱學(xué)法的響應(yīng)時(shí)間較長(zhǎng)，重復(fù)性較差，應(yīng)用比較困難。科里奧利流量計(jì)在氣液體系中應(yīng)用較多，但對(duì)于氣固兩相流而言，容易引起管道磨損和顆粒堵塞。

間接式測(cè)量方法分別測(cè)量固體濃度和速度，再計(jì)算得到固體質(zhì)量流量。濃度測(cè)量方法中，射線法測(cè)量范圍寬、檢測(cè)精度高，且受環(huán)境參數(shù)的影響小，是一種比較準(zhǔn)確的測(cè)量方法。但由于其設(shè)備復(fù)雜，且存在輻射危害,因此研究者們一直在尋求替代產(chǎn)品。靜電和聲發(fā)射信號(hào)中包含大量與顆粒運(yùn)動(dòng)相關(guān)的信息，但是其信號(hào)分析和處理較為困難。傅立葉變化、小波分析等先進(jìn)數(shù)據(jù)處理方法的引入將有助于這些技術(shù)的發(fā)展。層析成像技術(shù)能夠得到管道截面上濃度分布的信息，這些信息對(duì)密相輸送過(guò)程質(zhì)量流量的檢測(cè)十分重要，具有較好的發(fā)展前景。但目前而言，該方法的分辨率和靈敏度較低，設(shè)備比較復(fù)雜，距離工業(yè)應(yīng)用還有一定距離。互相關(guān)檢測(cè)方法是最常用的速度測(cè)量方法之一，但是它所測(cè)得的速度多為平均速度。當(dāng)顆粒在空間內(nèi)存在一定分布時(shí)，這一平均速度的物理意義較為模糊。采用多組探頭測(cè)定不同位置處的速度分布的方法有助于解決這一問(wèn)題。空間濾波法受顆粒粒徑影響較大。多普勒法和攝像法僅適用于稀相輸送，應(yīng)用范圍受到一定限制。

表1 氣力輸送固體質(zhì)量流量的檢測(cè)技術(shù)

目前市場(chǎng)上出現(xiàn)的一些商品化的多相流固體質(zhì)量流量計(jì)見(jiàn)表2。這些流量計(jì)大多采用間接式測(cè)量，且以電學(xué)法、聲學(xué)法和微波法為主。

表2 商品化的多相流固體質(zhì)量流量計(jì)

3 發(fā)展趨勢(shì)展望

近年來(lái)，隨著低速密相輸送系統(tǒng)越來(lái)越廣泛的應(yīng)用，氣固兩相流固體質(zhì)量流量計(jì)的開(kāi)發(fā)將面臨一系列新的問(wèn)題。在密相輸送中，固體濃度較高，導(dǎo)致部分檢測(cè)方法失效。同時(shí)，固體的濃度和速度分布更加不均，甚至可能出現(xiàn)栓塞流等極端情況。這就要求新開(kāi)發(fā)的氣固兩相流固體質(zhì)量流量計(jì)能夠適應(yīng)較寬范圍內(nèi)的濃度和速度變化，同時(shí)需要具備較高的靈敏度。綜上所述，在未來(lái)的研究中，以下幾個(gè)方面需要重點(diǎn)考慮：

a. 先進(jìn)數(shù)據(jù)處理方法與現(xiàn)有檢測(cè)手段的結(jié)合，特別是與靜電法和聲學(xué)法的結(jié)合；

b. 顆粒濃度和速度分布的測(cè)量越來(lái)越重要，層析成像技術(shù)將得到更為廣泛的重視；

c. 單一檢測(cè)方法都存在各自的局限性，不同檢測(cè)手段之間的耦合，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)融合，是進(jìn)一步提升流量檢測(cè)的精度和適用范圍的有效手段。

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ProgressinStudyofMonitoringTechniquesforMassFlowRateMeasurementinPneumaticallyConveyingBulkSolids

ZHONG Dong-wen
(TechnicDevelopingDept,SinopecMaomingCompany)

Complexity of gas-solid flow makes measurement of solids’ mass flow rate difficult in pneumatic conveying process. Both working principle and development of monitoring techniques for mass flow rate measurement were introduced and commercial flow measurement devices were summarized and their later development were discussed.

pneumatic conveying, mass flow rate, measurement principle

TQ032

A

1000-3932(2017)02-0113-07

2016-09-07，

2017-01-09)

鐘東文(1966-)，高級(jí)工程師，從事石油化工技術(shù)質(zhì)量管理工作，Zhongdw112@126.com。