气体涡轮流量计

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微波透射式粉煤流量计在气化装置中的应用

2019-03-22 15:15:46 气体涡轮流量计 阅读
     煤气化是煤炭清洁高效利用的核心技术[1 - 2]。粉煤的密相气力输送是煤气化过程的重要技术之 一。为保证可靠准确的粉煤传输,粉煤及其输送载 气的气固两相流流量测量技术引起了广泛的关注[3]。目前应用于气固两相流的流量检测方法主  要分为直接法和间接法两大类[4]。采用直接法的  质量流量计能够直接感知气固两相流的质量流量, 如传热法[5 - 6]和科里奥利力法[7]。在间接法中,气 固两相流的浓度和流速将会被分开测量,然后在一 定条件下经过计算得到质量流量。测量气固两相流 浓度的方法主要包括电容式、静电式、核放射式、超  声法、微波反射法和文式管等方法[8  - 13]。测量气固两相流流速的方法主要有相关法和激光多普勒法 等[14  - 16]。由于工业现场严苛的环境条件,目前应用于粉煤输送的质量流量计主要包括电容式、静电式、核放射式。该文设计了一种基于微波透射式原理的粉煤质量流量计,并在工业现场与核放射式流量计进行对比实验,验证系统性能。
1微波透射式流量计的测量原理
在微波透射式流量计中,微波经由发射天线发 出,穿透气固两相流后,被另一侧的接收装置接收。对于粉煤气化传输装置中的粉煤流而言,其载气对 于微波来说可近似为无损介质,而粉煤是一种有损 介质。介质存在极化现象,在微波场的作用下,将微波能量转换为热能,耗散在传输介质中。粉煤介质
在微波场中所吸收的微波能量为:式中: σd 为介质的电导率; ω 为微波频率; εn 为介质
的复介电常数 εe 的虚部( 即 εe = ε' - jεn ) ; E 为介质中的电场强度; V 为物料体积。
从式( 1) 中可以看出,微波能量衰减程度与介质的导电率或与复介电常数的虚部成正比。而气固 两相流的平均电导率与气固两相流中的固体含量成 正比关系。在微波频率和传输路径固定的情况下, 粉煤载气两相流中,粉煤的浓度越大,微波能量的衰 减越大。基于上述原理,微波的衰减程度将作为粉 煤浓度和粉煤流型变化的衡量参数。
2微波透射式流量计的系统构成
系统结构示意图如图 1 所示。微波透射式流量测量技术属于间接法,分为浓度测量和速度测量两部分。浓度测量部分包括一对微波发射和接收单元及相关引线,流速测量部分包括两对微波发射和接收单元及相关引线。三对微波发射和接收单元位于封闭腔体内部,外部为金属屏蔽装置,屏蔽外部干扰信号; 内部为非金属保护层,防止粉煤流颗粒对微波发射和接收单元的损伤。
在浓度测量过程中,微波发射单元发射的电磁波穿过粉煤载气两相流后会发生能量衰减。粉煤载气流中的固体浓度越大,接收单元接收到的微波信号能量越小。将其转变为电信号,以表示粉煤载气流的固体浓度( 记为 ρ( t) ) 。在速度测量过程中,图1 中的 7 和 9 两对微波发射和接收装置的作用原理相同,都能够检测与粉煤载气流浓度和流型相关的信号,通过信号的相关法可以得到粉煤流流经 7 和9 两对微波发射接收装置间的时间 Δt,而流经的距
离 d 为已知,由此由式( 2) 可以测出粉煤流速。测量得到粉煤载气流的固体浓度和流速后,可以根据式( 3) 求得质量流量。
式中: K 为待标定的常数因子; q ( t) 为质量流量( kg / s) ; T 为数据采样时间( s) ; A 为粉煤输送管道的有效截面积( m2 ) ; v( t) 为粉煤流速( m / s) ; ρ( t) 为粉煤浓度( kg / m3 ) 。
3工业现场试验
3. 1 参数标定
微波固体流量计在使用之前需要在中试试验系统中进行校正。煤粉从发料仓进行加压输送,经过流量调节阀,进入竖直管道。然后流经水平管道进入收料仓。发料仓与收料仓之间保持 0. 4 MPa 的压差。输送压差增大时,输送动力增加,粉煤质量流量与流速相应增大。竖直管道上安装有该文设计的微波固体质量流量计。收料仓装有称重计,可以作为粉煤质量流量的参考。粉煤流速、粉煤浓度、气压差、称重计读数由数据采集卡每秒读取一次。
参数标定的具体流程为: 开始加压输送,并读取称重计读数; 几分钟后,停止输送,并读取称重计读数; 2 次读数差除以时间为平均固体质量流量,而固体流速和固体浓度由流量计测出,以此标定式( 3) 中的常数 K; 重复以上步骤 5 次,通过取平均值确定常数 K。
3. 2 工业现场对比试验
对微波透射式质量流量计在工业现场的气化装 置中进行了验证试验,测试其对流量突变的响应速 度。粉煤气化装置示意图如图 2 所示,有 4 条粉煤输送管路通向气化炉,管径 59. 8  mm。4 条管线的粉煤总流量约为 72  t / h,载气流量为 70 ~ 100  kN·m3 / h。
每条管路上都安装一台微波透射式质量流量计与一 台商用核放射式质量流量计做对比性试验。核放射 式质量流量计也属于间接法测量的设备,内部利用 静电式传感器测量流速,利用核放射式传感器测量 浓度。核放射式流量计测得的浓度为粉煤与载气混 合物的平均浓度,因此需要进行粉煤净浓度补偿。为此需要测出粉煤输送管线中的温度压力,首先 进行载气浓度的温压补偿,然后进行粉煤净浓度补粉煤气力输送装置,可以通过调整输送端与末端的气压差来调整粉煤的输送量。在载气流量基本恒定的情况下,粉煤的流速、浓度和质量流量将随气压差变化而相应变化。核放射式流量计中静电式传感器和微波式流量计微波传感器对粉煤流速测量曲线如图 3 所示,2 种流量计对流速的测量值跟随气压差变化,测量结果一致。核放射式流量计和微波式流量计的浓度测量曲线如图 4 所示,2 种流量计对浓度的测量值跟随气压差变化,测量结果变化趋势一致。其中,核放射式流量计的浓度测量值未进偿。需要额外的压力、温度等测量设备[17]。而利用微波流量计测得的流速、浓度可以通过式( 3) 得到质量流量。微波式流量计无需进行温度、压力补偿, 结构更为简单。2 种流量计测得的流速、浓度和质量流量通过各自的控制单元传输给 DCS( Distribu- ted Control System,集散控制系统) 作为粉煤气化工艺中的控制参量。
行煤粉净浓度补偿。2 种流量计测得浓度和流速后进行计算后的终输出值如图 5 所示,2 种流量计对粉煤质量流量的测量值跟随气压差变化,测量结果一致。实验结果表明,微波透射式流量计和核放射式流量计都具备对粉煤流速、浓度和质量流量变化的良好动态跟踪能力。然而,核放射式流量计不仅需要进行粉煤净浓度补偿,需要额外的气压和温度传感器,还需要考虑长期使用后放射源衰减造成的零点偏移,以及放射性污染风险等问题。
4结语
该文设计了一种基于微波透射法的气固两相流 流量计,能够用于煤气化工艺中密相气力输送的粉 煤流量测量。在工业现场的密相气力输送装置中, 与核放射式流量计进行了对比性试验,结果表明二 者均对粉煤流的流速、浓度和流量变化具备良好的 动态跟踪能力。但是微波透射式流量计与核放射式 流量计相比,不需要进行粉煤净浓度补偿,结构较为 简单; 也不存在长期使用后的零点漂移及放射性污染风险等问题。

 

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