专利名称：伽马射线技术快速测量旋风分离器浓度场的装置和图像重构方法
技术领域：
本发明属于工业离心气固分离装置的浓度场实时在线监测领域，涉及一种安装在旋风分离器上浓度场测量的伽马射线截面成像装置，以及配套的浓度场浓度场图像重构算法。
背景技术：
离心分离技术在工业中获得了广泛的应用，例如旋风分离器，旋流器，离心机等分离设备。流体旋转过程形成的超重力离心场是强化非均相分离的有效途径。在离心力场的作用下，颗粒相在场内分布呈现很大的非均匀性。分离设备的流动参数和结构形式直接影响到这种浓度场的分布，进而影响到分离设备的性能，如分离效率和分离压降等。这就需要对离心浓度场进行监视和测量，而目前对工业分离设备的离心浓度场分布的检测尚无比较实用的技术，一直是一个亟待解决的问题。受工艺操作条件、温度和压力的限制，工业装置的分离设备通常由金属建造外壳，设备内部流体的浓度分布不能用采用侵入式仪器的测量，只可以采用非侵入式测量仪器。通常有电容层析成像技术(ElectricalCapacitanceTomography, ECT),电阻层析成像技术(Electrical ResistanceTomography, ERT), X 射线技术，伽马射线技术等等。但受到现场分离设备金属外壳和分离设备尺寸较大的影响，测量信号的衰减较大，以及测量仪器信号发射装置的复杂性，测量操作的难度较大，装置成本较高等因素对测量技术提出了较高的要求。因此除伽马射线技术外，其他方法难以对这种现场条件下的浓度场的进行测量。伽马射线成像技术除安全性要求较高外，兼顾具有系统结构相对简单，操作成本较低，射线穿透力很强，测量非侵入式等独特优势而更适合于这种工业环境下的多相流动状态数据采集。离心分离技术应用的典型设备是旋风分离器，其分离过程见图I。气固两相流进入旋风分离器后形成强烈的旋转运动。气流中的颗粒在离心力的作用下脱离流线向器壁移动，再沿器壁向下螺旋旋转从下部的排尘口流出，而气体则从中心的排气管流出。颗粒在离心力作用下的径向运动逐渐浓缩在外器壁附近，形成比较厚的颗粒层，结果导致颗粒浓度在旋风分离器内呈现很大的非均匀分布。这种浓度分布是旋风分离器分离过程的直接反映，旋风分离器的操作性能和操作状态可以通过旋风分离器的浓度场分布进行实时在线监测。实验测量(ShaohuaLi, Hairui Yang, Hai Zhang, Shi Yang, Junfu Lu,GuangxiYue, Measurements of solid concentration and particle velocitydistributions near thewalI of a cyclone, Chemical Engineering Journal150(2009) 168-173)表明旋风分离器内的固相颗粒主要集中在壁面附近的14mm以内，旋风分离器内大部分空间的浓度非常低，结果在壁面附近形成的气固两相的浓度梯度非常大。以往的伽马射线工业CT图像重构技术主要采用传统的医学CT中的图像重建算法。一方 面，采用这种算法的装置需要非常精密的射线源和探测器位移装置；另一方面，需要采集大量的数据花费较长的时间，难以实现快速测量；再之，与一般的管流多相流测量相比，离心浓度场具有较高的浓度梯度，对图像重建算法的分辨率提出了更高的要求。目前尚无一种适用于工业应用现场的离心浓度场测量的装置和方法，因此有必要开发一种适用于工业应用现场的离心浓度场的测量装置和图像重构方法，利用有限的数据快速获得较高精度的离心分离设备的浓度场分布信息，从而达到对离心分离设备进行有效的状态监测和相关的故障诊断的目的。从已有的有关伽马射线两相流测量的专利看，这些专利主要是进行有关的层析成像算法的研究，考察对象以管流为主。例如，中国专利201110026739. 6，伽马射线截面成像装置、多相流流量测量装置及测量方法，装置采用两组射束对浓度场进行测量，并采用传统的CT图像重建算法对浓度场分布进行重构，可以用于一般管流的气固浓度图像重构。这个专利尚不能适用于离心浓度场的测量，也不能达到快速实时监测的要求。此外，对于接近于轴对称分布的高浓度梯度离心浓度场未有探究。中国专利200810240476. 7，旋流浓集的稀疏气固两相流电容层析成像测量方法及装置，采用6极板的电容层析成像的方法测量旋流装置的颗粒浓集分布情况，不适用于现场高温，高压旋风分离器的浓度场测量。
发明内容
本发明的目的在于提供伽马射线技术快速测量旋风分离器浓度场的装置，主要应用于涉及离心浓度场分离装置的检测和监视，也可以为石油石化等典型离心浓度分离器进行操作状态的实时监测。本发明伽马射线技术快速测量旋风分离器浓度场的装置，包括伽马射线源(I)、探测器(2)。其特征在于装置由一个双束射线源I (图2)或者两个单束射线源I (图3)以及两个探测器2构成；双束射线源的装置(图2)设置其中一束射线穿过浓度场中心，另一束射线穿过其他适合的弦；单束射线源的装置(图3、4)则设置其中一束射线穿过浓度场中心，另一束射线与前一束射束交叉(图3)或者平行(图4)。伽马射线源I和探测器2采用直接固定在离心分离装置3上或者采用支架固定于离心分离装置3外的两侧，均无移动。伽马射线技术快速测量旋风分离器浓度场的装置，其特征在于两个或一个伽马射线源发射的射束采用平行(图4)或者有一定的夹角(图3)穿过测量的离心浓度分布区域。伽马射线技术快速测量旋风分离器浓度场的装置，其特征在于所述的两个伽马射线源位于离心分离装置的同一侧，两个探测器位于装置的另一侧，便于射线的单侧隔离和防护。伽马射线技术快速测量旋风分离器浓度场的装置，其特征在于射线源发射的两束伽马射线中有一束经过离心分离装置的几何中心。伽马射线技术快速测量旋风分离器浓度场的装置，其特征在于另一束不过中心射束与离心分离装置几何中心之间的距离应小于浓度场半径且大于半径的四分之一。同时提供基于上述伽马射线离心浓度场测量装置的图像重建方法，包括以下旋风分离器浓度分布模型的构造过程。旋风分离器的分离过程是依靠旋转气流产生的离心力场进行颗粒分离的。颗粒群、在受到离心力的作用后，逐渐向器壁输送、浓缩、堆积。影响颗粒向器壁输送过程的两个主要因素是气流的输送和颗粒自身的浓度扩散。设旋风分离器的浓度场是轴对称的，若颗粒沿径向向外的输送速度为IV，则在径向r处单位面积上的沉降通量Qltt为Qpr = CrUpr其中(；为r处的颗粒浓度。同时，由于湍流扩散作用通过上述单位面积的浓度扩散通量Qpd为Qpd=-Dt-式中Dt为湍流扩撒系数。当沉降通量与扩散通量处于平衡时，有Qp,+Qpd = 0，从而得到CrUpr — Dt -J- = 0 旋风分离器纯气流流场与加入颗粒后的颗粒的旋风分离器流场有很大的不同，气流的切向速度显著下降，而颗粒的速度分布又直接受到气流流场的作用。颗粒沿径向的沉降速度IV是切向气体速度产生的离心力和向心的径向气体速度产生的曳力综合作用结果。根据旋风分离器内径向速度的分布特点，假设旋风分离器内颗粒径向速度IV分布式为upr = K (R-r)式中K为常数。则浓度分布C = Cr exp -{R-r)2Ck为旋风分离器边壁的颗粒浓度。由上式可知，影响旋风分离器内颗粒浓度分布的主要因素有径向速度IV、颗粒的扩散系数Dt和边壁的颗粒浓度CK。将颗粒扩散系数Dt与常数K合并为k，则上式进一步简化为
C = Cr exp[-A:(i -r)2J万古军2008年发表于《燃料科学与技术》第14卷第6期，第562-568页，《温度对旋风分离器内颗粒浓度分布影响的模拟》的文章推导了旋风分离器的径向浓度分布，文中设颗粒的径向速度为常量。颗粒径向速度IV与颗粒所在的径向位置有一定的关系，因此本模型的颗粒径向速度IV分布式假设采用一次拟合，浓度场将更逼近旋风分离器的实际情况。此时可以认为整个旋风分离器的时均浓度场符合以下轴对称的浓度分布模型p(x,y) = Cfl exp[-k(R — ^Jx2 + y2)]基于上述伽马射线离心浓度场测量装置的图像重建方法的模型，具有以下重构计算过程对于伽马射线束测量数据的结果可以计算获得线平均浓度，根据以上模型，则两束射束的线平均浓度分别等于
r n , , , Cr \e-k{R-x)ldx过中心R {
P =——^-
PavoIR
权利要求
1.伽马射线技术快速测量旋风分离器浓度场的装置，包括射线源1，探测器2。其特征在于装置由一个双束伽马射线源I或者两个单束伽马射线源I以及两个探测器2构成；伽马射线源I和探测器2采用直接固定或者采用支架固定于离心分离装置3外的两侧，均无移动。
2.根据权利要求I所述的伽马射线技术快速测量旋风分离器浓度场的装置，其特征在于两个或一个伽马射线源发射的射束采 用平行或者有一定的夹角穿过测量的离心浓度分布区域。
3.根据权利要求I所述的伽马射线技术快速测量旋风分离器浓度场的装置，其特征在于所述的两个伽马射线源位于离心分离装置的同一侧，两个探测器位于装置的另一侧。
4.根据权利要求I所述的伽马射线技术快速测量旋风分离器浓度场的装置，其特征在于射线源发射的两束伽马射线中有一束经过离心分离装置的几何中心。
5.根据权利要求I所述的伽马射线技术快速测量旋风分离器浓度场的装置，其特征在于另一束不过中心射束与离心分离装置几何中心之间的距离应小于离心浓度场半径且大于半径的四分之一。
6.根据权利要求I所述伽马射线技术快速测量旋风分离器浓度场装置的图像重建算法，其特征在于将整个离心浓度场的分布认为符合式p(x，y) = Cr exp[-/c(R - ^jx2 +y2)]^模型，并利用伽马射线技术快速测量旋风分离器浓度场装置的测量数据构建求解方程获得浓度场的分布。
全文摘要
伽马射线技术快速测量旋风分离器浓度场的装置和图像重构方法，涉及工业离心分离装置内离心浓度场在线实时监测的装置，其特征在于装置由一个或者两个伽马射线源1及两个探测器2构成；伽马射线源1和探测器2固定或采用支架位于离心分离装置3两侧；离心浓度场仅由两束平行或具有一定夹角的射线射束获取浓度场数据，其中一束穿过中心；图形重建方法，涉及上述装置测量获取的数据进行图形重建的方法，其特征在于可以将两束射束获取的测量数据重构而获得离心浓度场时均浓度分布。由于装置测量无移动，易安装和长周期运行；且仅由单向发射的两束射束，便于隔离和防护，从而增加伽马射线工业应用的安全性；可以应用离心浓度场实时监测和故障诊断。
文档编号G01N15/06GK102661913SQ20121014423
公开日2012年9月12日 申请日期2012年5月11日 优先权日2012年5月11日
发明者严超宇, 刘小成, 宋健斐, 张万松, 张琼, 陈建义, 马媛媛, 魏耀东 申请人:中国石油大学(北京)