一种流化床中动态料位的检测方法
【专利摘要】本发明公开了一种流化床中动态料位的测量方法，包括1)使用感应式静电传感器阵列连续采集气固流化床中的感应静电压信号；2)利用上下游相邻电极检测到的感应静电压信号计算颗粒相关速度，并得到相关速度的归一化概率密度分布；3)对比不同轴向位置处电极检测到的颗粒相关速度的归一化概率密度分布特征，得到流化床的动态料位波动区间。本方法具有精度高、在线、非侵入式的特点，设备结构简单，适用性广。
【专利说明】
一种流化床中动态料位的检测方法
技术领域
[0001] 本发明属于气固两相流测量技术领域，具体涉及一种基于相关速度测量的气固流 化床动态料位的检测方法。
【背景技术】
[0002] 气固流化床的料位高度是流化床的基本参数之一。例如，在烯烃聚合流化床反应 器中，料位高度直接影响着聚烯烃产品的质量和产量，及时、准确地检测料位高度，不但能 维持流化床流化质量的稳定，而且可确保流化床在最佳流化高度下进行操作，从而获得高 产量。同样，在燃煤鼓泡流化床中，燃料在床中的高度决定了煤粉颗粒的燃烬度以及燃烧效 率。
[0003] 目前，测量流化床料位的方法主要有压降法、测温法、电容法以及回波法等。压降 法基于这样的原理，即通过床层任一截面的压降大致等于在该截面上颗粒和流体的重量； 床层中沿床高方向任意两点间的压差大致等于这两点间床层静压头，根据颗粒重量沿流化 床轴向分布来确定料位高度。这种方法原理简单、直观，但是由于流化床的平均密度随床高 而变，因而测量值与实际值之间往往误差较大。测温法适用于有化学反应的流化床。当流化 床内存在化学反应时，一般情况下床层温度和自由空间温度之间有一定的差别，若在沿床 高方向安装若干只测温计，测出各点处的温度，根据温度分布来确定料位高度。但是由于在 很多情况下，床层温度和自由空间温度之间没有明显的差别，因此很难准确地估计出实际 床层高度。电容法通过测量插入流化床中的电容极板间的电容量来确定料位，这种方法由 于测量元件需要插入流化床内，因而探头的磨损腐蚀以及静电等会直接影响测量精度。回 波法是在床的顶部安装一个信号发射器(如超声波无线电波或γ射线等），然后测量被料面 反射的回波信号，根据信号自发射到接收所经历的时间，而计算出料位的高度。回波法虽然 应用了先进的测试手段，但测量系统复杂，价格昂贵，测量精度还有待进一步提高。综上所 述，流化床料位高度的检测方法虽有一些，但是各种测量方法作为实际应用都不够令人满 意，特别像测温法和电容法适用范围有限。因此，开发一种精确的、非侵入式的流化床动态 料位在线检测方法，对于监测流化质量、提高流化床产量和产品质量具有重大的意义。
【发明内容】
[0004] -种流化床中动态料位的测量方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
[0005] 1)使用感应式静电传感器阵列连续采集气固流化床中的感应静电压信号；
[0006] 2)利用上下游相邻电极检测到感应静电压信号，结合互相关计算方法，得到颗粒 运动经过上下游电极的相关速度： L
[0007] ^ =-
[0008] 其中vc为荷电颗粒运动的相关速度(m/s)，L为上下游相邻电极中心间的距离(m)， ^为上下游感应静电压信号的渡越时间（s)，由互相关计算方法得到；
[0009] 3)计算一段信号采集时间内得到的多个颗粒相关速度的归一化概率密度分布，对 比不同轴向位置处电极检测到的颗粒相关速度的归一化概率密度分布特征，得到流化床的 动态料位波动区间：与相邻的轴向位置较低的一组上下游电极相比，当一组电极测量得到 的颗粒相关速度分布宽度不再变宽，概率密度峰值对应的相关速度不再增大时，说明该位 置处于动态料位波动区底部；当颗粒相关速度分布同时体现出向上和向下运动的颗粒速度 时，说明该位置处于动态料位波动区间内，且随着床层轴向高度的增加，向下运动的颗粒相 关速度概率密度增大；当颗粒相关速度分布主要集中于向下的颗粒运动，即相关速度主要 为负值时，说明该位置处于动态料位波动区顶部，从而获得了流化床动态料位波动区间。由 此确定的动态料位波动区间底部和顶部位置对应的电极轴向高度的平均值，即为平均料位 高度。
[0010] 所述的采集静电信号的设备包括由感应电极阵列、静电微信号放大电路、数据采 集卡和计算机。
[0011] 所述的静电感应电极可以为弧形或环形，电极宽度与流化床外径的比例为1/50~ 1/15，电极厚度为1~4mm，电极弧度为30°~60°，同一轴向高度处周向电极的安装个数为1 ~6个。
[0012] 所述的感应电极阵列中，相邻电极中心之间的间距为10~50mm。
[0013]所述的采集静电信号所用的采样频率是0~20kHz。
[0014]所述的采集静电信号所用的采样频率不超过10kHz。
[0015] 所述的检测方法同时具备在线、不侵入流化床、结果精确的优点，对于监测流化质 量、提高流化床产量和产品质量具有重大的意义。
【附图说明】
[0016] 图1为有机玻璃流化床冷模实验装置示意图
[0017] 图2为实施例1和3的弧形电极安装位置示意图
[0018] 图3为实施例1的互相关函数示意图
[0019] 图4为实施例1的上下游静电压信号的互相关系数示意图
[0020] 图5为实施例1的颗粒群相关速度归一化概率密度分布(H 205-230mm)
[0021 ]图6为实施例1的不同轴向高度处颗粒相关速度归一化概率密度分布及其对应的 流化区域
[0022] 图7为实施例2的环形电极安装位置示意图
[0023] 图8为实施例2的不同轴向高度处颗粒相关速度归一化概率密度分布及其对应的 流化区域
[0024] 图9为实施例3的不同轴向高度处颗粒相关速度归一化概率密度分布及其对应的 流化区域
【具体实施方式】 [0025] 实施例1
[0026]采用有机玻璃流化床冷模实验装置进行实验，装置示意图如图1所示，由流化系统 和检测系统组成，1是计算机，2是数据采集卡，3是风机，4是干燥器，5是流量计，6是进气阀。 流化颗粒为LLDPE颗粒，颗粒的物性参数如表1所示，属于Geldart B类颗粒，由传统压降法 测量得到的起始流化速度(umf)为0.2m/s。流化气体的相对湿度为8~15 %，实验在室温下进 行。在实验涉及的表观气速(u)下，流化床始终处于鼓泡流化状态。表2所示为该颗粒的料重 及实验气速范围。
[0027] 表1 LLDPE颗粒的部分物性参数
[0028]
[0029] 表2 B类型流化颗粒料重及实验气速
[0030]
[0031] 检测系统由弧形感应电极、静电微信号放大电路、数据采集卡(NI，USB-6212)和计 算机构成。其中弧形感应电极为铜质弧形电极，紧密贴附并固定于流化床外壁面上，固定弧 形电极的螺栓未伸入至流化床内，不与流化颗粒接触。每个测量截面上均匀分布4个电极， 弧形电极的安装位置如图2所示，每组电极中相邻电极的间距（电极中心之间的距离）为 25_。电极由分布板上方沿床高依次编号为1-12,在下文中以S 1-2代表利用1号和2号电极 上的静电压信号进行相关计算得到的相关速度，依此类推。流化过程中，颗粒不断进入和离 开弧形电极感应区域，电极表面的感应电荷不断发生变化，从而在检测回路中产生感应电 流，使用静电微信号放大电路对这一静电信号的变化进行转换、滤波和放大，得到感应静电 压信号。采样频率选择4000Hz，采样时间为200s。
[0032]进行实验采集数据：
[0033] 1)使用干燥空气将有机玻璃流化床吹扫lOmin，随后加入1.5kg预先干燥过的 LLDPE颗粒，静床高为265mm。
[0034] 2)在一定的表观气速下将颗粒流化30min，以保证颗粒充分荷电，达到饱和。同时 采集不同轴向高度和周向位置处弧形电极上的静电压信号，采样时间为200s。
[0035] 3)切断气源，停止流化，卸料。
[0036] 数据处理：
[0037] 1)选取距离分布板205mm和230mm处的静电压信号分别记为x(t)和y(t)，利用互相 关函数公式对两个信号的数据进行计算，得到互相关函数R xy(i)，如图3,公式如下：
[0038]
[0039] 其中T为积分时间其值为2s，τ为时间间隔；
[0040] 2)上述步骤可以得到100个互相关函数Rxy(i)，选取每一个互相关函数中互相关系 数最大值和对应的渡越时间得到100个(Tm，R)点，如图4，结合最大互相关系数阈值(>0.6) 进行筛选，然后利用相关速度计算公式得到上下游静电压信号的互相关系数及相关速度 v。，公式如下：
[0041]
[0042] 其中V。为相关速度，L为上下游电极几何中心之间的距离相关速度；
[0043] 3)对颗粒相关速度归一化后得到其概率密度分布，如图5;
[0044] 4)将所有同组相邻电极计算得到的颗粒群相关速度的归一化概率密度分布曲线 画在同一坐标图上，如图6,结合电极的具体位置，推测该气速下，动态料位的波动区间为 320~430mm，平均料位高度为375mm。实验过程中通过摄像法观察到的动态料位波动区间为 340~440mm，平均料位高度为390mm，与通过颗粒群相关速度分布判断的料位波动区间基本 相符，相对误差为3.8%。
[0045] 实施例2
[0046]将实施例1中的流化床换成直径为420mm的有机玻璃流化床，LLDPE颗粒的料重增 加到13.5g，保证静床高与实施例1保持一致。电极排布如图7所示，使用与流化床匹配的环 形感应电极阵列，感应电极的宽带度为40mm，电极阵列排布方式与实施例1 一致，采样频率 提高到6000Hz，将表观气速增大至0.7m/s。
[0047]进行实验采集数据：
[0048] 1)使用干燥空气将有机玻璃流化床吹扫lOmin，随后加入13.5kg预先干燥过的 LLDPE颗粒，静床高为265mm。
[0049] 2)在一定的表观气速下将颗粒流化30min，以保证颗粒充分荷电，达到饱和。同时 采集不同轴向高度和周向位置处弧形电极上的静电压信号，采样时间为200s。
[0050] 3)切断气源，停止流化，卸料。
[0051]采集数据后计算颗粒相关速度，得到不同位置处颗粒相关速度的归一化概率密度 分布如图8。
[0052]结合电极的具体位置，推测该气速下，动态料位的波动区间为405~605mm，平均料 位高度为505mm。实验过程中观察到的动态料位波动区间为390~590mm，平均料位高度为 490_，与通过颗粒群相关速度分布判断的料位波动区间基本相符，相对误差为3.1%。
[0053] 实施例3
[0054] 实验装置和实验方法与实施例1相同。流化颗粒换成PP颗粒，颗粒的物性参数如表 3所示，属于Geldart D类颗粒，由传统压降法测量得到的起始流化速度(umf)为0.5m/s，该颗 粒的料重及实验气速范围如表4所示。
[0055]表3 PP颗粒的部分物性参数
[0056]
[0057] 表4 PP颗粒料重及实验气速 [0058]
[0059] 信号采集方法和数据处理方法均与实施例1相同，得到不同位置处颗粒群相关速 度的归一化概率密度分布如图9。
[0060] 结合电极的具体位置，推测该气速下，动态料位的波动区间为380~580mm，平均料 位高度为480mm。实验过程中观察到的动态料位波动区间为365~565mm，平均料位高度为 465_，与通过颗粒群相关速度分布判断的料位波动区间基本相符，相对误差为3.2%。
【主权项】
1. 一种流化床中动态料位的测量方法，其特征在于，所述方法包括W下步骤： 1) 使用带感应式静电传感器阵列的静电信号采集设备连续采集气固流化床中的感应 静电压信号； 2) 利用上下游相邻电极检测到的感应静电压信号，结合互相关计算方法，得到颗粒运 动经过上下游电极的相关速度： L, 其中Vc为荷电颗粒运动的相关速度(m/s)，L为上下游相邻电极中屯、间的距离(m)，Tm为 上下游感应静电压信号的渡越时间（S)，由互相关计算方法得到； 3) 计算一段信号采集时间内得到的多个颗粒相关速度的归一化概率密度分布，对比不 同轴向位置处电极检测到的颗粒相关速度的归一化概率密度分布特征，得到流化床的动态 料位波动区间： 与相邻的轴向位置较低的一组上下游电极相比，当一组电极测量得到的颗粒相关速度 分布范围发生突变，由完全为正速度转变为既有正速度，又有负速度时，则表明该测量位置 位于动态料位的下方； 当颗粒相关速度分布由同时存在向上和向下的运动速度，或只存在向下的运动速度， 转变为无法测量到有效的静电信号时，说明该位置处于动态料位波动区顶部； 从而获得流化床动态料位波动区间，由此确定的动态料位波动区间底部和顶部位置对 应的电极轴向高度的平均值，即为平均料位高度。2. 如权利要求1所述的一种流化床动态料位的检测方法，其特征在于，所述的静电信号 采集设备包括由感应式静电传感器阵列、静电微信号放大电路、数据采集卡和计算机。3. 如权利要求1所述的一种流化床动态料位的检测方法，其特征在于，所述的感应式静 电传感器阵列中的静电感应电极为弧形或环形，电极宽度与流化床外径的比例为1/50~1/ 15,电极厚度为1~4mm;当静电感应电极为弧形时，电极弧度为30°~60°，同一轴向高度处 周向电极的安装个数为1~6个。4. 如权利要求1所述的一种流化床动态料位的检测方法，其特征在于，所述的感应式静 电传感器阵列中，相邻电极中屯、之间的间距为10~50mm。5. 如权利要求1所述的一种流化床动态料位的检测方法，其特征在于，所述的静电信号 采集设备的采样频率是0~20曲Z。6. 如权利要求5所述的一种流化床动态料位的检测方法，其特征在于，所述的静电信号 采集设备的采样频率不超过10曲Z。
【文档编号】G01F23/22GK105973343SQ201610486952
【公开日】2016年9月28日
【申请日】2016年6月23日
【发明人】黄正梁, 王靖岱, 张擎, 娄浙栋, 杨遥, 董克增, 葛世轶, 阳永荣, 蒋斌波, 廖祖维, 孙婧元, 陆飞鹏, 范小强, 王浩同
【申请人】浙江大学