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电容式固体质量流量计在粉煤密相气力输送中的应用

电容式固体质量流量计在粉煤密相气力输送中的应用介绍了电容式固体质量流量计在粉煤气力输送过程中的应用情况,探讨了该流量计固有参数设定、管路中安装位置、输送煤粉浓度以及标定方法对其测量精度的影响,对于掌握该流量计的使用方法和性能具有一定指导作用,为气固两相流的基础研究及其工业在线测量提供了有益的参考。
在化工、冶金、发电等诸多行业中,两相流参数的测定对生产安全稳定的进行具有重要的意义。例如在粉煤气化的气力输送系统中,通过在线准确测量加压密相输送条件下的质量流量进而有效控制气化过程的氧煤比,使得气化效率达到最佳,防止因氧煤比失调而导致的安全和工艺指标恶化等问题。
国内外的学者对两相流测量进行了大量的研究,目前的检测技术主要分为光学法[1]、层析成像法[2]、热力学法[3]、电容法[4~5]、核磁共振法[6~7]等。其中电容法具有安全可靠、成本低、经济性好、采用非侵入式测量、易于安装、牢固耐用和响应速度快等优点,因而得到最广泛和深入的研究。本文在粉煤密相气力输送系统中考察了ThermoRamsey制造的电容式固体质量流量计测量煤粉质量流量,并对测量性能和使用方法进行了研究和改进。
1 测量原理及方法
1.1 电容法的测量原理
电容极板系统如图1所示,用电容法测量质量流量的工作原理是将电容极板安装在流动管道外,当管道内气固相比例发生变化,介电常数也会发生相应变化,从而引起电容值改变。测量极板间电容值,再通过数字信号转换,即可得管道内相浓度。
具体使用时应注意以下两点:
①电容极板结构应具有高而均匀的检测场灵敏度,使传感器的测量结果只与相浓度有关而与流型的变化无关;
②由相浓度变化引起的电容量变化十分微小,因此传感器测量电路必须具有较高的稳定性和灵敏度以及较强的抗杂散电容干扰的能力[8]。
为增加电容传感器的灵敏度,许多学者对测量方法加以改进,如对电极极板排列进行优化,采用螺旋表面板电容式相浓度传感器[9]等,也都起到了一定效果。
1.2 固体质量流量计测量原理
本实验采用Ramsey生产的DMK270型固体质量流量计,由如图2所示浓度传感计DC13、速度传感器DK13和显示仪器组成。 浓度和速度的测量通过安装在管线上的电容传感器来实现,管道中物料按顺序流经DC13和DK13,由采集系统进行数据采集。
速度传感器由两个电容传感器构成,两传感器间距为8mm,固体颗粒依次经过两个传感器,理想状态下,固体物料流动形态经过较短距离不发生变化,两传感器可捕捉到相同的物料流动形态信号,由信号间存在的时间差即可计算固体颗粒速度。
浓度传感器测量原理与速度传感器相同,但仅有一个电容传感器,通过有料和无料时电容改变与管道中物料密度成正比来计算浓度。固体质量流量计对速度的测量是绝对的,质量流量是通过所测量到的速度和浓度计算,公式如下:
Q =C×V×Asensor(1)
式中:Q为质量流量;C为固体颗粒浓度;V为固体颗粒速度;Asensor为流量计通道内横截面积。
2 测量结果及分析
2.1 实验装置与流程
粉煤输送装置如图3所示,输送介质为煤粉,干燥空气为载气,煤粉在载气作用下从发料罐经由输送管道向接料罐输送,固体质量流量计安置在相应的输送管线上(水平段、垂直上升段、垂直下降段)。采用Mettler公司的FW-1t型重量传感器测量接料罐中的煤粉质量,Advantech数据采集卡获取实验数据,输入微机进行处理,操作在浙大中控设计的DCS控制系统上完成。
实验所用的煤粉物性如表1所示。
2.2 参数设定和安装位置影响
该固体质量流量计的绝大部分参数为固有的设定值,但也有个别参数是根据系统与使用情况进行自行设定,而这类参数对测量的结果有直接影响,如延迟时间等,因此十分有必要组织有关实验就其对测量结果的影响进行研究。
2.2.1 延迟时间的影响
流量计的测量存在一个延迟时间,延迟时间为测得信号与真实信号之间的时间差,进行测量前要选择一个合适的延迟时间,以使流量计获得最佳的测量性能。延迟时间对测量浓度曲线的影响如图4所示。
从测量结果中可以看出,输送过程中浓度曲线存在波动,同一输送过程中延迟时间为2 s时波动最大,10 s和20 s时情况相近。因为延迟时间和流量计内部的电流信号滤波相关联,延迟时间越大,流量计输出信号中过滤掉的噪波也越多,但也存在过长的延迟时间导致信号失真的问题,说明书建议设置通常不应该超过10 s,所以一般取延迟时间取为10 s。固体流量计用于工业生产时,设置适当的延迟时间对开车和采集数据都是重要的,只有适当的延迟时间才能防止因噪波的影响带来的信号波动。
2.2.2 安装位置的影响
在工业生产或实验室实际操作中会产生因不同实验工况需要在管路的不同位置进行测量的情况,在管路的不同位置处物料流动状态和流型也是不同的,水平管中由于重力作用一般为沙丘流或栓塞流,竖直管中重力对物料作用平均,但物料与物料和物料与管壁之间摩擦力的不同会导致流动状态各异,所以本实验将延迟时间设定为10 s,分别将固体质量流量计置于水平段,竖直段的上升管和下降管,检测流量计在管道不同位置的测量精度。测量完毕后组织实验对结果进行验证,误差如表2所示。
浓度随时间变化如图5所示。可以看出随着质量流量计安装在不同位置,浓度随时间变化情况也不同,水平段和下降管的浓度波动较平缓,上升段的波动则略有增大,这与两相流在管路中的流动情况不同有关,流动稳定的管段测量结果更为准确。实验结果表明安装位置对测量结果也是有一定影响的,上升段的精确程度要低于水平段和下降段,因此当流量计需要安装在不同的位置时应该对流量计在使用范围内进行重新确认校正曲线及测量精度。
2.3 DMK270型固体质量流量计的标定及测量
固体质量流量计的校正是通过改变其校正因子来实现的,校正因子定义如下:
G0/K0=G1/K1(2)
式中:K0为流量计初始默认校正因子;K1为需通过标定得到的校正因子;G0为称重传感器测得重量;G1为质量流量计测得重量。
由于粉煤气力输送系统中煤粉浓度非常高,远大于传统意义上的密相输送,且浓度是直接指示输送情况的参数,就浓度对流量计测量过程的影响进行研究就显得十分必要,水平管输送时不同浓度条件下质量流量测量结果如表3所示。
可见流量计测量时存在一个合适的浓度范围,浓度很低时测量误差会变大直至不可测量,而浓度高到一定程度,误差也会增大。流量计使用说明书上指出在实际浓度30 kg·m-3以下无法测量,但实际应用中50 kg·m-3时,流量计显示就出现紊乱的情况,测量浓度值稳定但读数偏大,同时速度值剧烈跳动,无法正常使用,而此处压力测量信号表明输送处于稳定状态,这是因为在物料浓度减小到一定程度,速度传感器捕捉煤粉颗粒流动信号时变得困难,甚至无法捕捉速度信号而造成。根据实验结果可以看出适宜的范围在100 kg·m-3以上,所以不同系统进行测量前,都要确定固体质量流量计适用的浓度范围,以保证固体质量流量计的测量精度。
证实输送浓度对流量计测量结果有较大影响后,本试验又对不同浓度范围下流量计精度进行测量,采用浓度范围90~200 kg·m-3和200~350 kg·m-3的情况,获得了质量流量与校正因子关系如图6所示。
质量流量的误差通过称重传感器与固体质量流量计所测得质量流量的差值获得,对不同浓度的测量结果进行误差分析如表4所示。
可以看出流量计误差的大小与浓度有关,较高浓度时测量结果误差不超过2%,而在低浓度测量时,粉煤流动的速度变大,浓度变稀,速度传感器的信号捕捉变得困难,所以在测量效果上也略差于高浓度的结果。
通过对Ramsey公司DK270型流量计的测量结果分析,证明用电容式固体质量流量计来测量气力输送系统中的质量流率能够保证测量精度,为粉煤密相气力输送中质量流量的测量提供了可靠的测量手段。
固体质量流量计固有的测量参数对测量精度有一定影响,设置适合输送系统的延迟时间对开车和采集数据是极其重要的。输送过程中适宜的测量范围应高于100 kg·m-3,浓度低于50 kg·m-3将由于速度测量值的剧烈波动而无法测量,当需要在此区间操作时应辅助以其他测量手段。
安装位置对质量流量计的测量精度有一定的影响,上升管段误差较大,当需要改变安装位置则要对流量计重新校正。
点击次数:  更新时间:2017-03-17 22:44:53  【打印此页】  【关闭