一种评估密相气力输送系统固相质量流量的方法与流程

本发明涉及气固两相流领域，尤其是涉及一种评估密相气力输送系统固相质量流量的方法。

背景技术：

粉煤密相气力输送是气流床粉煤加压气化工艺过程中的核心技术之一。在气流床粉煤加压气化工艺中，对气化炉供料的稳定性直接关系到气化工艺指标和气化炉的稳定运行。在向气化炉供料过程中，如果加入的煤粉质量流量发生波动，重要的操作参数如氧碳比等就会不稳定，造成气化炉内温度偏高或偏低，影响反应的正常进行和气化炉的稳定操作：或因局部高温损坏反应器衬里和喷嘴，或因炉温过低出现堵渣现象。因此，在输送过程中对煤粉质量流量准确测量是非常重要的。通过在线准确测量高压密相输送条件下的固相质量流量，可进而有效控制气化过程的氧煤比，使得气化效率达到最佳以防止因氧煤比失调而引起的安全和工艺指标恶化。

国内外学者对气固两相流的流量测量进行了大量的研究，但实际运用于在线检测最普遍的方法还是通过电容法进行实际流量的检测。例如，在气流床粉煤加压气化装置上就经常使用电容式固体质量流量计，通过测量管道内的煤粉浓度和速度来获得煤粉的质量流量。但是，该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，且仪器价格昂贵。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。

另一方面，差压法测量气固两相流量尽管因其结构简单和较好的经济性在众多气固两相流量测量方法中受到青睐。但是，这一方法通常主要应用于气液两相和低压、稀相气固两相流。对于气流床粉煤加压气化工艺涉及的密相气力输送过程，输送载气的密度和管道内的固气比严重偏离了传统差压模型的应用范畴，无法适合用于密相气力输送系统的固相质量流量评估。此外，电子秤称重法在实际测量固相质量流量中也有应用，但是电子秤称重法获得的固相质量流量是一段时间内的平均值，不能直接获得瞬时值。

因此，急需开发一种操作简便、成本低、偏差小且可实时评估密相气力输送系统固相质量流量的方法。

技术实现要素：

本发明所解决的技术问题在于克服现有的电容法评估固体质量流量操作复杂、仪器价格昂贵、标定结果受输送煤粉性质影响，和现有的差压法评估气固两相流量无法适合用于密相气力输送系统，以及电子秤称重法无法实时评估固体质量流量的缺陷，提供了一种评估密相气力输送系统固相质量流量的方法。本发明的评估方法操作简便，成本低，可实现密相气力输送过程中固相流量的实时、连续测量，且偏差在±10％以内。

本发明通过以下技术方案解决上述技术问题。

本发明提供了一种评估密相气力输送系统固相质量流量的方法，所述方法包括如下步骤：

(1)获取安装在密相气力输送管路上的文丘里管的结构参数以及输送介质的参数；所述文丘里管的结构参数包括文丘里管的进口管道直径D、喉径d、节流比β、喉部面积A_t、收缩段长度L_c和喉段长度L_t；所述输送介质的参数包括气体密度ρ_g、气体分子的摩尔质量M、气体分子直径d_g、固体颗粒直径d_p和固体颗粒密度ρ_p；

(2)在密相气力输送系统上进行纯气相和气固两相标定实验，获得拟合系数a、b、c、d，具体包括步骤S1和步骤S2：

步骤S1：进行至少两组气相标定实验，获得拟合系数a、b，该步骤包括：

步骤S1-1：测量从密相气力输送系统不同部位注入的气体体积流量Q_g1、Q_g2、Q_g3，单位Nm³/s，并根据式1计算得到气相质量流量M_g，单位kg/s；

M_g＝(Q_g1+Q_g2+Q_g3)ρ_Ng 1

式1中，ρ_Ng为气体在标准状态下的密度，单位kg/Nm³；

步骤S1-2：测量气体的压强P_g1和温度T₁，并根据式2～4计算得到文丘里管入口处的气体密度ρ_g1、表观气速U_g1和气体粘度μ_g1；

ρ_g1＝P_g1M/RT₁ 2

U_g1＝4M_g/ρ_g1πD² 3

${\mathrm{\μ}}_{g1}=2.67\×{10}^{-26}{\left({\mathrm{MT}}_1\right)}^{0.5}/d_g^2---4$

式2中，M是气体分子的摩尔质量，单位为kg/mol，R是摩尔气体常数；式4中，d_g是气体分子直径，单位为m；

步骤S1-3：测量气体通过文丘里管的压差△P_g，单位Pa，并根据所得ρ_g1、U_g1、μ_g1、M_g和式5～6计算获得雷诺数Re和流出系数C_d：

Re＝DU_g1ρ_g1/μ_g1 5

$C_d=\frac{M_g}{A_t}\sqrt{\frac{1-{\mathrm{\β}}^4}{2{\mathrm{\ρ}}_g{\mathrm{\Δp}}_g}}---6$

步骤S1-4：重复步骤S1-1～S1-3至少一次，并对所得的C_d和Re进行回归模型分析，获得C_d与Re的关系式如式7所示，并计算得到拟合系数a、b；

C_d＝a·Re^b 7

步骤S2：进行至少两组气固两相标定实验，获得拟合系数c、d，该步骤包括：

步骤S2-1：测量从密相气力输送系统不同部位注入的气体体积流量Q_g1、Q_g2、Q_g3，单位Nm³/s，用电子秤称重测量固体质量流量M_s，单位kg/s，并根据式8计算得到气相质量流量M_g，单位kg/s；

M_g＝(Q_g1+Q_g2+Q_g3)ρ_Ng-M_s/ρ_p 8

式8中，ρ_Ng为气体在标准状态下的密度，单位kg/Nm³；

步骤S2-2：根据步骤S2-1所得M_g、步骤①所得C_d及式6计算得到△P_g；

步骤S2-3：测量气固相混合物通过文丘里管的压差△P_mix，单位Pa，并根据步骤S2-1所得M_s和M_g计算得到输送固气比Z，Z＝M_s/M_g，单位kg/kg，然后再根据式9和式10计算得到压降比系数m和修正斯托克斯数St；

m＝[(Δp_mix/Δp_g)k-1.0]/Z 9

式9中，k为修正因子，k＝1+Zρ_g/ρ_p；

$St={\mathrm{\ρ}}_p{d}_p^2{U}_{g1}/\{18{\mathrm{\μ}}_{g1}\[\left(\frac{{\mathrm{\β}}^2}{1+{\mathrm{\β}}^2}\right)2L_c+{\mathrm{\β}}^2{L}_t\]\}---10$

步骤S2-4：重复步骤S2-1～S2-3至少一次，并对所得的m和St进行回归模型分析，获得m与St的关系式如式11所示，并计算得到拟合系数c、d；

m＝c·St^d 11

(3)根据步骤(1)所述的文丘里管的结构参数、输送介质的参数和步骤(2)所得拟合系数a、b、c、d，计算评估密相气力输送系统的固体质量流量M_s，获得固体质量流量值，具体步骤如下：

①测量进入密相气力输送系统的气体流量Q_g1、Q_g2、Q_g3，和文丘里管的进口处温度T₁，以及文丘里管进口处和喉管处的压力P₁、P₂，计算得到气固相混合物通过文丘里管的压差△P_mix，△P_mix＝P₁-P₂；

②设定固相流量初值M_s0，根据式8计算得到气相流量M_g；

③根据式2～5、式7和所得拟合系数a、b计算得到流出系数C_d，根据式10、式11和所得拟合系数c、d计算得到压降比系数m；

④根据所得M_g、C_d及式6计算得到△P_g；

⑤根据式12计算得到固相质量流量M_s；

$M_s=\frac{{\mathrm{\ΔP}}_{mix}/{\mathrm{\ΔP}}_g-1}{m-({\mathrm{\ρ}}_{g1}/{\mathrm{\ρ}}_p)({\mathrm{\ΔP}}_{mix}/{\mathrm{\ΔP}}_g)}{M}_g---12$

⑥比较计算值M_s与初值M_s0的偏差|M_s-M_s0|，判断所得偏差与设定的极小值ξ间的大小关系：若|M_s-M_s0|≤ξ，则步骤⑤计算得到的M_s即为最终评估得到的固相质量流量值；若|M_s-M_s0|＞ξ，则设定一个固相质量流量的增量△M_s，令M_s0’＝M_s0+△M_s，将该M_s0’作为新设的初值，重复步骤②～⑥进行反复迭代，直至计算得到的固相质量流量M_s’与所设初值M_s0’间的偏差小于极小值ξ，对应的固相质量流量M_s’即为最终评估得到的固相质量流量值。

步骤(1)中，所述输送介质为本领域常规用于密相气力输送系统的输送介质；所述输送介质的固体相较佳地为粉体物料，更佳地为煤粉、石油焦粉或生物质粉料；所述输送介质的气体相较佳地为压缩空气、氮气或二氧化碳。

步骤(2)的步骤S1中，Q_g1、Q_g2、Q_g3为在气相标定实验中从密相气力输送系统不同部位注入的气体体积流量；步骤(2)的步骤S2中，Q_g1、Q_g2、Q_g3为在气固两相标定实验中从密相气力输送系统不同部位注入的气体体积流量；步骤(3)的步骤①中，Q_g1、Q_g2、Q_g3为在具体评估应用时从密相气力输送系统不同部位注入的气体体积流量。其中，所述不同部位本领域技术人员可根据惯常经验选择，一般可选择输送介质的给料罐中上部、给料罐底部和给料罐底部出口处。所述Q_g1、Q_g2、Q_g3一般由安装在上述不同部位管路上的气体流量计或金属浮子流量计测得。

步骤(2)的步骤S1-2中，所述压强P_g1和温度T₁本领域技术人员均知晓如何测量，一般P_g1由安装在文丘里管进口处的压力传感器测量，T₁由安装在文丘里管进口处的温度传感器测量。

步骤(2)的步骤S1-3中，△P_g为纯气相气体通过文丘里管的压差，本领域技术人员均知晓如何测量所述△P_g，一般由安装在文丘里管进口处和喉管处的压力传感器测得，分别将进口处和喉管处的压力传感器测得的值标记为p_g1和p_g2，则△P_g＝p_g1-p_g2。

步骤(2)的步骤S2-3中，△P_mix为气固混合物通过文丘里管的压差，本领域技术人员均知晓如何测量所述△P_mix，一般由安装在文丘里管进口处和喉管处的压力传感器测得，分别将进口处和喉管处的压力传感器测得的值标记为P₁和P₂，则△P_mix＝P₁-P₂。

步骤(3)中，所述M_s0、△M_s和ξ本领域技术人员可根据实际情况进行设定，其中△M_s和ξ一般可按照本领域固相质量流量的测量精度进行设定，所述固相质量流量的测量精度一般在0.0001～10kg/h范围内。M_s0的值设定不同，并不会影响最终迭代得到的固相质量流量的值，只是会增加或缩减迭代步骤。所述迭代本领域技术人员均知晓如何进行，一般可通过MATLAB或EXCEL来实现。

本发明中，所述标准状态为本领域技术术语，用于指气体处于标准温度273K，标准压强101kPa下的状态。

本发明中，所述密相气力输送系统可为本领域常规的密相气力输送系统。

本发明中，所述评估密相气力输送系统固相质量流量的方法可适用于不同压力下的密相气力输送体系。所述输送介质的固体相为煤粉时，所述方法较佳地适用于压力范围在0～10MPa、浓度范围在100～500kg/m³的输送介质，更佳地适用于压力范围在0～10MPa、浓度范围在200～400kg/m³的输送介质，最佳地适用于压力范围在0.5～5MPa、浓度范围在150～350kg/m³的输送介质。

在符合本领域常识的基础上，上述各优选条件，可任意组合，即得本发明各较佳实例。

本发明所用试剂和原料均市售可得。

本发明的积极进步效果在于：

(1)本发明通过引入两相流动因子修正载气密度和固气比影响，将传统应用于稀相的文丘里管压降模型推广至密相气力输送领域，并且结合本发明提出的迭代算法，可满足密相气力输送系统的固相流量测量，突破了以往文丘里流量计仅适用于稀相气固输送体系的局限。

(2)本发明的评估方法借助常见的仪器仪表测量必要的输送参数，并通过设定固相流量的初值解决了管道内气相流量难以测量的难题，并且采用偏差最小的迭代试差逻辑算法评估固相质量流量，实现了密相气力输送过程中固相质量流量的评估偏差在±10％以内。

(3)本发明的评估方法与现有的电子秤称重法相比，能够实现固相质量流量的实时连续测量，直接获得瞬时值；与现有的固体质量流量计法相比，使用的文丘里管结构简单、经济耐用，涉及的相关仪器仪表技术成熟，应用广泛。

附图说明

图1为实施例1用于评估固相质量流量的密相气力输送系统的结构示意图，其中，1为气体钢瓶，2为气体缓冲罐，31、32、33为气体流量计，4为输送罐，51、52、53、54、55为压力传感器，6为固体质量流量计，7为温度传感器，8为文丘里管，9为电子秤，10为称重罐，11为除尘器。

图2为文丘里管8的结构示意图，其中，D和d分别为文丘里管进口和喉部的直径，L_c、L_t和L_d分别为文丘里管收缩段长度、喉段长度和扩张段长度，箭头为文丘里管内的气固两相流动方向。

图3为实施例1密相气力输送系统固相质量流量的测量模块的结构示意图，其中，箭头表示气流方向，8为文丘里管，7为温度传感器，51、52为压力传感器，12为数据采集系统，13为转换卡，14为计算机。

具体实施方式

下面通过实施例的方式进一步说明本发明，但并不因此将本发明限制在所述的实施例范围之中。下列实施例中未注明具体条件的实验方法，按照常规方法和条件，或按照商品说明书选择。

实施例1

本实施例中评估密相气力输送系统固相质量流量的方法以气流床粉煤加压气化工艺过程中的粉煤密相气力输送为例。

该粉煤密相气力输送系统主要由气源、料罐、输送管路、阀门、仪器仪表、DCS监测控制和数据采集系统等单元组成，具体参见图1，图中1为气体钢瓶，2为气体缓冲罐，31、32、33为气体流量计，4为输送罐，51、52、53、54、55为压力传感器，6为固体质量流量计，7为温度传感器，8为文丘里管，9为电子秤，10为称重罐，11为除尘器。粉煤密相气力输送系统通过气源提供气体进入输送罐，控制并调节输送罐压力，使得煤粉在一定压差作用下从输送罐输送至称重罐。

其中，文丘里管8的结构示意图参见图2，图中D和d分别为文丘里管进口和喉部的直径，L_c、L_t和L_d分别为文丘里管收缩段长度、喉段长度和扩张段长度，箭头表明文丘里管内的气固两相流动方向。文丘里管8被安装在气力输送管路上，源头的输送罐压力(0.5-5Mpa)依据气化炉负荷水平作相应调整，输送浓度为150-350kg/³。

其中，粉煤密相气力输送系统固相质量流量的测量模块主要由文丘里管、压力传感器和温度传感器组成，该压力传感器和温度传感器还分别与一数据采集系统连接，用于将模拟信号输入至数据采集系统，该数据采集系统还依次与一转换卡和一计算机连接，其中转换卡用于将模拟信号转换成数字信号，计算机用于处理采集到的各参数数值以求解得到固相质量流量。测量模块的结构示意图参见图3，图中箭头表示气流方向，8为文丘里管，7为温度传感器，51、52为压力传感器，12为数据采集系统，13为转换卡，14为计算机。

本实施例评估粉煤密相气力输送固相质量流量的方法包括如下步骤：

(1)获取安装在密相气力输送管路上的文丘里管的结构参数以及输送介质的参数；

文丘里管的结构参数如下：文丘里管的进口管道直径D＝15mm、喉径d＝6mm、节流比β＝0.4、喉部面积A_t＝28.26mm²、收缩段长度L_c＝52mm、喉段长度L_t＝26mm；

输送介质的固体相为煤粉，气体相为氮气，具体参数如下：气体密度ρ_Ng＝1.25kg/Nm³、气体分子的摩尔质量M＝28g/mol、气体分子直径d_g＝0.304nm、固体颗粒直径d_p＝42.5μm和固体颗粒密度ρ_p＝1400kg/m³；

(2)在密相气力输送系统上进行纯气相和气固两相标定实验，获得拟合系数a、b、c、d，具体包括步骤S1和步骤S2：

步骤S1：进行至少两组气相标定实验，获得拟合系数a、b，该步骤包括：

步骤S1-1：通过气体流量计31、32、33测量从密相气力输送系统不同部位注入的气体体积流量Q_g1、Q_g2、Q_g3，单位Nm³/s，并根据式1计算得到气相质量流量M_g，单位kg/s；

M_g＝(Q_g1+Q_g2+Q_g3)ρ_Ng 1

式1中，ρ_Ng为气体在标准状态下的密度，单位kg/Nm³；

步骤S1-2：通过压力传感器51测量气体压强P_g1、通过温度传感器7测量气体温度T₁，并根据式2～4计算得到文丘里管入口处的气体密度ρ_g1、表观气速U_g1和气体粘度μ_g1；

ρ_g1＝P_g1M/RT₁ 2

U_g1＝4M_g/ρ_g1πD² 3

${\mathrm{\μ}}_{g1}=2.67\×{10}^{-26}{\left({\mathrm{MT}}_1\right)}^{0.5}/d_g^2---4$

式2中，M是气体分子的摩尔质量，单位为kg/mol，R是摩尔气体常数；式4中，d_g是气体分子直径，单位为m；

步骤S1-3：分别通过压力传感器51、52测量气体在文丘里管进口和喉口处的压力p_g1、p_g2，计算气体通过文丘里管的压差△P_g，△P_g＝p_g1-p_g2，并根据所得ρ_g1、U_g1、μ_g1、M_g和式5～6计算获得雷诺数Re和流出系数C_d：

Re＝DU_g1ρ_g1/μ_g1 5

$C_d=\frac{M_g}{A_t}\sqrt{\frac{1-{\mathrm{\β}}^4}{2{\mathrm{\ρ}}_g{\mathrm{\Δp}}_g}}---6$

步骤S1-4：重复步骤S1-1～S1-3至少一次，并对所得的C_d和Re进行回归模型分析，获得C_d与Re的关系式如式7所示，并计算得到拟合系数a、b；

C_d＝a·Re^b 7

步骤S2：进行至少两组气固两相标定实验，获得拟合系数c、d，该步骤包括：

步骤S2-1：通过气体流量计31、32、33测量从密相气力输送系统不同部位注入的气体体积流量Q_g1、Q_g2、Q_g3，单位Nm³/s，用电子秤9称重测量固体质量流量M_s，单位kg/s，并根据式8计算得到气相质量流量M_g，单位kg/s；

M_g＝(Q_g1+Q_g2+Q_g3)ρ_Ng-M_s/ρ_p 8

式8中，ρ_Ng为气体在标准状态下的密度，单位kg/Nm³；

步骤S2-2：根据步骤S2-1所得M_g、步骤①所得C_d及式6计算得到△P_g；

步骤S2-3：分别通过压力传感器51、52测量气固混合物在文丘里管进口和喉口处的压力P₁、P₂，并计算气固相混合物通过文丘里管的压差△P_mix，△P_mix＝P₁-P₂，单位Pa，并根据步骤S2-1所得M_s和M_g计算得到输送固气比Z，Z＝M_s/M_g，单位kg/kg，然后再根据式9和式10计算得到压降比系数m和修正斯托克斯数St；

m＝[(Δp_mix/Δp_g)k-1.0]/Z 9

式9中，k为修正因子，k＝1+Zρ_g/ρ_p；

$St={\mathrm{\ρ}}_p{d}_p^2{U}_{g1}/\{18{\mathrm{\μ}}_{g1}\[\left(\frac{{\mathrm{\β}}^2}{1+{\mathrm{\β}}^2}\right)2L_c+{\mathrm{\β}}^2{L}_t\]\}---10$

步骤S2-4：重复步骤S2-1～S2-3至少一次，并对所得的m和St进行回归模型分析，获得m与St的关系式如式11所示，并计算得到拟合系数c、d；

m＝c·St^d 11

(3)根据步骤(1)所述的文丘里管的结构参数、输送介质的参数和步骤(2)所得拟合系数a、b、c、d，计算评估密相气力输送系统的固体质量流量M_s，获得固体质量流量值，具体步骤如下：

①测量进入密相气力输送系统的气体流量Q_g1、Q_g2、Q_g3，和文丘里管的进口处温度T₁，以及文丘里管进口处和喉管处的压力P₁、P₂，计算得到气固相混合物通过文丘里管的压差△P_mix；

②设定固相流量初值M_s0，根据式8计算得到气相流量M_g；

③根据式2～5、式7和所得拟合系数a、b计算得到流出系数C_d，根据式10、式11和所得拟合系数c、d计算得到压降比系数m；

④根据所得M_g、C_d及式6计算得到△P_g；

⑤根据式12计算得到固相质量流量M_s；

$M_s=\frac{{\mathrm{\ΔP}}_{mix}/{\mathrm{\ΔP}}_g-1}{m-({\mathrm{\ρ}}_{g1}/{\mathrm{\ρ}}_p)({\mathrm{\ΔP}}_{mix}/{\mathrm{\ΔP}}_g)}{M}_g---12$

⑥比较计算值M_s与初值M_s0的偏差|M_s-M_s0|，判断所得偏差与设定的极小值ξ＝0.001kg/h间的大小关系：若|M_s-M_s0|≤ξ，则步骤⑤计算得到的M_s即为最终评估得到的固相质量流量值；若|M_s-M_s0|＞ξ，则设定一个固相质量流量的增量△M_s，令M_s0’＝M_s0+△M_s，将该M_s0’作为新设的初值，重复步骤②～⑥进行反复迭代，直至计算得到的固相质量流量M_s’与所设初值M_s0’间的偏差小于极小值ξ，对应的固相质量流量M_s’即为最终评估得到的固相质量流量值，其中迭代处理在计算机14上进行，最终评估得到的固相质量流量值按照四舍五入原则取整数。

上述各参数的测量结果和固相质量流量的评估结果如下表所示：

效果实施例1

本效果实施例将实施例1评估得到的固相质量流量值与电子秤称重法实测的值进行比对，其中电子秤称重法测量固相质量流量时所用的密相气力输送系统、文丘里结构参数、输送介质参数及拟合系数皆与实施例1相同。电子称重法的具体操作为：通过安装在称重罐4上的电子秤9对称重罐进行称重，每隔15分钟记录电子秤读数，从而获得该时间间隔内的固相质量流量平均值。具体比对结果如下表所示：

由上表可知，采用本发明方法评估的固体质量流量与电子称重法测量的实际值非常接近，偏差均在±10％以内。而且本发明方法能够实现实时连续测量，直接获得瞬时值，在100-400Kg/m³的浓度范围内均能有效满足密相气力输送系统的固相质量流量的测量要求。

效果实施例2

将本发明实施例1评估得到的第7组固相质量流量值与固体质量流量计实测的值进行比对，其中采用固体质量流量计测量固相质量流量时所用的密相气力输送系统、文丘里结构参数、输送介质参数及拟合系数皆与实施例1相同。结果固体质量流量计测得的实际值为1087kg/h，与本发明实施例1获得的固相质量流量评估值的偏差在8％左右，表明本发明能够作为固体质量流量计的一种替代或补充产品。