一种气固两相流模拟测试装置及相对浓度校验方法与流程

本发明属于发电厂锅炉技术领域，涉及一种气固两相流模拟试验装置，具体地说是涉及用于工业生产中的一种静电法煤粉流动参数在线测量系统校验的气固两相流模拟试验装置。

背景技术：

燃煤发电厂锅炉燃烧的稳定性、经济性与一次风进入炉膛的风速和煤粉浓度的大小及均匀性关系密切，煤粉浓度的高低以及各个煤粉燃烧器的风粉均匀性直接影响到炉内燃烧工况的稳定和锅炉的燃烧效率。

国内电厂的飞灰含碳和风、粉在线检测存在安装率不高、准确性和稳定性差的问题，缺乏反映锅炉燃烧状态的风、粉、煤、灰等参数的精确测量手段，这些都直接影响优化燃烧建模和优化结果的准确性。

利用管道内流动的煤粉与煤粉之间的摩擦以及煤粉与管道之间摩擦产生的电荷，进行煤粉流速与管道内煤粉浓度的检测是十分有效的测量方法之一。世界上利用静电法进行煤粉流量测量的国家有英国、美国、德国和南非等。英国的Yan·Y利用静电法测量煤粉流速获得成功，Millen将静电传感器插入煤粉输入管道测量煤粉浓度取得了中试结果，ABB公司与Teesside大学联合开发的一种插入式静电负荷检测仪，它采用的插入煤粉输送管道的一段短管和一段卷筒，实现了即能测量煤粉浓度，又能测量煤粉速度。

然而在对静电检测风粉流速和浓度的研究过程中发现气固两相流中的湿度、温度对静电检测有比较大的影响，为了更深入研究静电感应传感器对气固两相流颗粒速度、浓度的测量，研究传感器获取的静电信号避免极易受湿度、温度和煤质等因素影响，增强传感器的适应性。

在现有的多种类型的气固两相流测量研究装置中，基本只能够模拟常温常湿环境下的气固两相流速度的校验，对于气固两相流相对质量流量(相对浓度)的校验以及不同气固混合物温度以及湿度状态下，对静电感应的影响却比较束手无策。

技术实现要素：

针对国内外气固两相流模拟/测试装置存在的不足，本发明的目的在于提供一种气固两相流模拟装置，适用于变温、变湿条件下的气固两相流携电能力与流动特性的研究与分析，以及用于对静电原理的气固两相流检测装置的测试研究。本发明还公开了一种用于静电原理测试气固两相流相对浓度校验方法，采用采集到的静电感应信号的标准差与无供粉状态下采集到的静电感应信号标准差的差进行比对。

本申请具体采用以下技术方案：

一种气固两相流模拟试验装置，其特征在于：所述气固两相流模拟试验装置模拟燃煤发电领域一次输粉系统，进行静电检测不同温度、不同含湿量的气固两相流速度及相对浓度。

一种气固两相流模拟测试装置，所述模拟测试装置包括管式电加热器1、喷雾加湿装置2、真空泵3、螺旋给料系统4、试验管路5、布袋除尘器6、高速摄像观察装置7、PLC控制系统8、多个电极传感器；其特征在于：

试验管路5的一端与进气管路相连，进气管路上分别设置有管式电加热器1与喷雾加湿装置2；

螺旋给料系统4的料仓下方通过管道连接到与进气管路相连的试验管路5，所述螺旋给料系统4通过上口法兰连接布袋除尘器6，布袋除尘器6的上部与真空泵3相连，物料颗粒经螺旋给料系统4进入试验管路5与通过进气管路吸入的空气混合形成气固两相流；

所述试验管路5包括水平管路段和竖直管路段，气固两相流在经过试验管路的水平管路段5-1、5-2和竖直管路段5-3后经布袋除尘器6分离后固体落入螺旋给料系统4的料仓进行循环，分离后的气体由真空泵3经过风道排走；

在试验管路5的水平管路段5-1、5-2和竖直管路段5-3上分别安装多组电极传感器以测试气固两相流的静电感应信号标准差，进而计算气固两相流的相对浓度；

在试验管路5的水平管路段和竖直管路段上还分别设置有观察口，所述高速摄像观察装置7通过观察口拍摄试验管路5内的物料固体颗粒的运行轨迹；

所述PLC控制系统8分别与螺旋给料系统4、真空泵3、管式电加热器1、喷雾加湿装置2以及高速摄像观察装置7相连，用于控制螺旋给料系统4的给料量、给料速率，控制真空泵3的电机频率进而控制给风量，控制管式电加热器1和喷雾加湿装置2以设定试验温度和湿度，采集对观察口的拍摄图像。

本发明还优选采用以下技术方案：

所述试验管路5还设置有试验管路球阀，用于打开或关闭试验管路5。

所述试验管路5的水平试验段为两并列的水平试验管路5-1、5-2，竖直试验段为1竖直试验管路5-3，两段水平试验管路并联后通过弯管与竖直试验管路相连；两段水平试验管路与试验管路具有相同的管路特性，分别采用三通阀门与试验管路5的主管路进行连接。

在试验管路5的两水平试验管路和竖直试验管路上分别设置1个压力测点通过压力变送器测量气固两相流的压力；在竖直试验管路上还设置温度测点和湿度测点，分别通过温度变送器和湿度计测量试验管路内的温度和湿度值。

所述水平试验管路和竖直试验管路上的观察口为采用石英玻璃的透明窗口，将石英玻璃通过法兰与长螺栓连接到对应试验管路的开口上。

所述气固两相流模拟试验装置还设置有旁路管路，所述旁路短路旁接在试验管路5的水平试验段和竖直试验段的两端，所述旁路管路设置有旁路管路球阀，用于打开和关闭旁路管路。

在进行气固两相流模拟试验过程中，打开试验管路球阀，关闭旁路管路球阀；在气固两相流模拟试验前后，可以关闭物料进口阀，打开管式电加热器1，关闭试验球阀，打开旁路管路球阀利用热风对试验装置进行吹扫。

在进气管道上装有涡街流量计，用于测量工况风量。

通过管式电加热器1将进入进气管路的空气温度控制最高可达90℃。

喷雾加湿装置通过调节其强度来改变进入试验管路的喷雾量，喷雾加湿装置有高、中、低、低低四个调节档。

为了尽可能模拟燃煤电厂输粉系统，试验工质选用石英砂，物料颗粒尺寸控制在5um-0.5cm范围内。

所述气固两相流模拟试验装置中的多个传感电极传感器包括水平安装和竖直安装两种不同的安装位置、以及常规电极传感器和经过绝缘处理后的电极传感器。

本申请还同时公开了一种基于气固两相流试验装置的气固两相流相对浓度校验方法，其特征在于，所述校验方法包括如下步骤：

步骤1：管式电加热器、喷雾加湿装置不启动的情况下，保持预定的供气流量Q₀，气固两相流模拟测试装置在没有供粉时，以设定的采样频率，分别以设定次数采集设置在试验管路5的两并列水平试验管路中的电极传感器的静电感应电压信号，分别对上述两处静电感应电压信号求标准差，得到无供粉状态下的电极传感器的标准差U₀₁,U₀₂；

步骤2：在管式电加热器、喷雾加湿装置不启动的情况下，保持所述预定的供气流量Q₀，启动螺旋给料电机进行连续供粉，以与步骤1中相同的采样频率，分别以与步骤1相同的设定次数采集设置在试验管路5的两并列水平试验管路中的电极传感器的静电感应电压信号，分别对上述两处静电感应电压信号求标准差，即得到供粉状态下的电极传感器的标准差U_s1,U_s2；

步骤3：按照下式计算去除掉材质测量影响因素后的试验管路5的两并列水平试验管路中的电极传感器的静电感应信号的标准差，即

${\stackrel{\‾}{U}}_1=(U_{s1}-U_{01})$

${\stackrel{\‾}{U}}_2=(U_{s2}-U_{02})$

按照下式计算得到两处电极传感器测得的气固两相流质量相对浓度，即：

${\mathrm{Perc}}_1=\left({\stackrel{\‾}{U}}_1\right)/({\stackrel{\‾}{U}}_1+{\stackrel{\‾}{U}}_2)$

${\mathrm{Perc}}_2=\left({\stackrel{\‾}{U}}_2\right)/({\stackrel{\‾}{U}}_1+{\stackrel{\‾}{U}}_2)$

其中：Perc₁为两并列水平试验管路中的其中一水平试验管路内的气固两相流质量相对浓度；

Perc₂为两并列水平试验管路中的另一水平试验管路内的气固两相流质量相对浓度；

步骤4：将上述的Perc₁与Perc₂计算结果与50％质量相对浓度进行对比，得到校核偏差值△Perc₁，△Perc₂；

步骤5：在管式电加热器分别在第一预设温度、第二预设温度下，重复步骤1、2、3、4进行试验，其中第二预设温度高于第一预设温度；

步骤6：在保持步骤5通过管式电加热器在不同的预设温度的条件下，启动喷雾加湿装置分别以从低至高的多种不同的喷雾流量，重复步骤1、2、3、4、5进行试验；

步骤7：对以上步骤5、6得到的气固两相流质量相对浓度值校核偏差值进行比较，通过曲线分析得出温度、湿度对气固两相流相对浓度校核偏差值的影响关系。

本发明相对于现有技术，具有以下有益效果：

本发明可以模拟燃煤发电领域一次输粉系统等一系列实际工程煤粉检测及分配案例，进行静电检测的安装位置研究、气固两相流速度及相对浓度检测校验研究。另外，本发明结构简单，易于推广。

1、测试多传感电极安装方向对静电感应能力的影响，即水平安装与竖直安装位置的区别，进而分析对速度检测的影响；

2、测试气固两相流混合物温度变化对电极传感器进行气固两相流携电感应能力的影响；

3、测试气固两相流混合物湿度变化对电极传感器进行气固两相流携电感应能力的影响；

4、测试不同传感电极形式对气固两相流携电感应能力的影响。

附图说明

图1为本申请气固两相流试验装置结构框图；

图2为相对浓度校验方法流程图。

具体实施方式

下面根据说明书附图，结合优选实施例对本发明的技术方案进一步详细说明。

如图1所示，本发明包括管式电加热器1、喷雾加湿装置2、真空泵3、螺旋给料系统4、试验管路5-1、5-2、5-3、布袋除尘器6、高速摄像观察装置7、PLC控制系统8、电极传感器。

气固两相流试验装置由进气管路、试验管路、吹扫旁路管路构成。整个试验装置含有3段试验管路，其中包含一段竖直试验管路和两段水平试验管路，以满足对竖直安装与水平安装位置对待测试件测量结果的影响；水平管段、竖直管段通过多组弯管连接，其中弯管半径为300mm。为了用于气固两相流相对浓度的校验，两段水平试验管路与试验管路具有相同的管路特性，分别采用三通阀门与试验管路进行连接，以上管路均采用Q102×11mm的不锈钢管。

在水平试验管段和竖直试验管段设置有观测管段，观察段采用300mm长的石英玻璃，通过法兰与长螺栓连接到试验管路上，既可供实验人员观察管道内气-固两相流的流动状态，也可供高速摄像观察装置7所用的透明窗口。高速摄像观察装置7与试验观察段光轴高度一致，且光轴与观察段的中心垂直相交，高速摄像观察装置通过数据线连接至PLC控制器8中，利用高速摄像观察装置7能够拍摄到固体颗粒的运行轨迹。

试验时，管式电加热器有启动和不启动两种状态，在管式电加热器启动状态下，空气在真空泵3的抽取下，经过预热进入试验管段。调节管式电加热器的功率，可使进入试验管段的空气温度最高预热到90℃。管式电加热器出口至气固混合点的管路上包有25mm后的保温层，以减少热量损失。空气的体积流量用涡街流量计测量，空气的流量可由PLC控制器8中设定真空泵3电机频率予以控制，气体流量能够控制在70m³/h～700m³/h的范围变动。

为了模拟气固两相流含湿量对静电传感电极静电感应能力的影响，在气路管道上安装喷雾加湿装置2，以改变气固两相流内的湿度，喷雾加湿装置2的排气口通过橡皮软管连接焊接在气路管路上的T型底座上，通过文丘里喷射器设计，加大管路负压，以加大喷雾。通过改变气固两相流流动的湿度环境，以用来研究不同含湿量下湿颗粒的携电特性，定量分析无源静电感应检测的临界点湿度。喷雾加湿装置分别为高、中、低、低低四档，通过手动调节不同的档位以改变不用的加湿量。

螺旋给料系统4包含料斗、喂料电机、给料螺杆、螺旋称，构成了一个匀速给料系统。喂料电机采用变频电机，以满足不同给料量的控制。料斗下口平头法兰连接螺旋给料机，上口法兰连接布袋除尘器。给料螺杆与螺旋称采用软连接，以便实现对料斗的称重。喂料电机采用变频电机，以满足不同给料量的控制。

物料颗粒从料仓下方放落到螺旋给料机内连续推出，并经螺旋秤称重后被系统内的负压吸入试验管道，与空气混合成气-固两相流。单位时间内物料颗粒的进料量可以通过改变给料电机的转速加以控制。

布袋除尘器一是避免粉尘对除尘器后电动调节阀产生不良影响，二是防止粉尘进入空气，造成污染。除尘器出口连接排气管路。气固两相流分别经过水平试验段和竖直管路段后经布袋除尘器分离后固体可以落入料仓进行循环，分离后的气体经过风道排走，最小除尘粒径为0.1μm。为了防止加湿后的物料经布袋除尘器分离后，除尘器内部发生粘连，在试验装置中设置有吹扫旁路，以用来无供应物料时，采用热空气吹扫干燥除尘器，保证除尘效果。

该气-固两相流试验装置的运行除真空泵是人工启动外其余的所有操作，包括流量范围(空气流量，物料的进料量)的预先设定、每种流动状态下测量次数的设定、数据采集和处理等，都是PLC控制器控制下自动进行。在每次测量中，传感器输出的静电信号间互相关函数的计算，是由互相关信号分析仪在PLC的指令控制下完成的。

在试验管路上设置有3个压力测点，分别位于单位长度水平、竖直试验管段。在竖直试验管段设置温度测点和湿度测点。在气路管道上同时装有涡街流量计，用于计算工况风量。

所述的多个电极传感器9-1、9-2、9-3、9-4、9-5、9-6通过法兰与长螺栓固定在试验管路上。电极传感器分为常规电极传感器和经过绝缘处理后的电极传感器，以用来直接对比改变气固两相流湿度后对测量信号的影响。

具体电极传感器的布置方式为：将一对常规电极传感器9-1、9-3分别安装在水平试验段5-1、5-2上右侧的位置；将一对经过绝缘处理的电极传感器9-2、9-4分别安装在水平试验段5-1、5-2上左侧的位置；将一个常规电极传感器9-5和一个经过绝缘处理的电极传感器9-6分别安装在竖直试验段；电极传感器通过长螺栓与试验管路上的法兰连接，固定在试验管路上，分别采用通过通信线与PLC连接。

试验流程为：安装好气固两相流试验装置，关闭旁路球阀，通过上料口将物料装入到试验装置中，打开试验管路球阀，启动真空泵，使气体处于较高速运动状态，当气流稳定后，打开螺旋给料电机，使其稳定地工作在某一转速下，当流动风流量信号和压力信号均稳定后，同步记录流动风风压、流量、各种差压以及电极传感器等信号。

通过改变真空泵的频率来改变整个气体流速，所述试验装置能够满足气体流速在20～35m/s的流动速度，通过改变螺旋给料机的频率来改变气固两相流的密度，所述试验装置能够满足固气体积浓度在0.05～0.5％之间变化，以完成所有试验工况。

进行变温工况试验时，启动管式电加热器，控制气固两相流温度最高可调至90℃；若进行不同湿度气氛下的气固两相流试验时，只需启动所述喷雾加湿装置2。值得注意的是，为了防止由于物料湿度过大，导致布袋除尘器发生少许物料粘连后，可通过关闭物料进口阀，打开管式电加热器，关闭试验球阀，打开旁路吹扫球阀利用热风进行试验装置吹扫。

本申请还同时公开了一种基于气固两相流试验装置的气固两相流相对浓度校验方法，相对浓度校验时利用安装在水平试验管路的9-1、9-3作为一对电极传感器或利用9-2、9-4作为一对电极传感器进行试验，其特征在于，所述校验方法包括如下步骤：

步骤1：管式电加热器、喷雾加湿装置不启动的情况下，保持预定的供气流量Q₀，试验装置没有供粉时，以>10kHz的采样频率(如，15kHz、20kHz、25kHz)的采样频率，分别采集到5000次9-1、9-3电极传感器的静电感应电压信号，分别对9-1、9-3的电压信号求标准差，得到无供粉状态下的电极传感器的标准差U₀₁,U₀₂。标准差的计算方法如下：

$U_{01}=\sqrt{\frac{1}{5000}\underset{1}{\overset{5000}{\Σ}}{(x_{01i}-{\stackrel{\‾}{U}}_{01})}^2}$

$U_{02}=\sqrt{\frac{1}{5000}\underset{1}{\overset{5000}{\Σ}}{(x_{02i}-{\stackrel{\‾}{U}}_{02})}^2}$

其中，U₀₁为无供粉状态下，电极传感器9-1采集到的静电感应电压信号标准差；

U₀₂为无供粉状态下，电极传感器9-3采集到的静电感应电压信号标准差；

x_01i为长度为5000的数组，为求得的x_01i数组的平均值；

x_02i为长度为5000的数组，为求得的x_02i数组的平均值。

步骤2：管式电加热器、喷雾加湿装置不启动的情况下，保持预定的供气流量Q₀，启动螺旋给料电机进行连续供粉，以步骤1的采样频率，分别采集到5000次9-1、9-3电极传感器的静电感应电压信号，分别对9-1、9-3的电压信号求标准差，计算得到供粉状态下的电极传感器的标准差为U_s1,U_s2。

$U_{s1}=\sqrt{\frac{1}{5000}\underset{1}{\overset{5000}{\Σ}}{(x_{s1i}-{\stackrel{\‾}{U}}_{s1})}^2}$

$U_{s2}=\sqrt{\frac{1}{5000}\underset{1}{\overset{5000}{\Σ}}{(x_{s2i}-{\stackrel{\‾}{U}}_{s2})}^2}$

其中，U_s1为供粉状态下，电极传感器9-1采集到的静电感应电压信号标准差；

U_s2为供粉状态下，电极传感器9-3采集到的静电感应电压信号标准差；

x_s1i为长度为5000的数组，为求得的x_s1i数组的平均值；

x_s2i为长度为5000的数组，为求得的x_s2i数组的平均值。

步骤3：计算得到9-1、9-3电极传感器的去除掉材质等测量影响因素后的静电感应信号的标准差，即

${\stackrel{\‾}{U}}_1=(U_{s1}-U_{01})$

${\stackrel{\‾}{U}}_2=(U_{s2}-U_{02})$

计算得到气固两相流质量相对浓度，即：

${\mathrm{Perc}}_1=\left({\stackrel{\‾}{U}}_1\right)/({\stackrel{\‾}{U}}_1+{\stackrel{\‾}{U}}_2)$

${\mathrm{Perc}}_2=\left({\stackrel{\‾}{U}}_2\right)/({\stackrel{\‾}{U}}_1+{\stackrel{\‾}{U}}_2)$

其中：Perc₁为电极传感器9-1测量到的试验管路5-1内的气固两相流质量相对浓度；

Perc₂为电极传感器9-3测量到的试验管路5-1内的气固两相流质量相对分配浓度。

步骤4：因水平试验段5-1、5-2具有相同的结构、材料、相对位置布置等特性，即这两段试验段具有相同的管路特性，完全并联的两段管路，分配到的气固两相流质量流量是一致的，因此，每一个管路所对应的质量相对浓度为50％，将上述的Perc₁与Perc₂计算结果与50％进行对比，得到校核偏差值△Perc₁，△Perc₂。

步骤5：在管式电加热器在第一预设温度T₁与第二预设温度T₂下，重复步骤1、2、3、4进行试验。

其中，第一预设温度T₁小于第二预设温度T₂。

第一预设温度范围T₁取值范围为30～60℃，第二预设温度T₂的取值范围为65～90℃。

在本申请的多个实施例中，T1可设置为35℃、45℃、50℃或55℃，T2可设置为70℃、75℃、80℃或85℃等。

步骤6：在保持步骤5通过管式电加热器分别设定的温度条件下，启动喷雾加湿装置以从低至高的多种不同喷雾流量，重复步骤1、2、3、4进行试验；在本申请实施例中，喷雾流量M分别设置为9g/s、18g/s、27g/s。

步骤7：对以上步骤5、6的气固两相流质量相对浓度值校核偏差值△Perc₁，△Perc₂进行比较，通过曲线分析温度、湿度对气固两相流相对浓度校核偏差值的影响关系。

Δ_T，M＝f(T、M)

其中，Δ_T，M温度、湿度对气固两相流质量相对浓度值校核偏差值影响因素。申请人结合说明书附图对本发明的实施例做了详细的说明与描述，但是本领域技术人员应该理解，以上实施例仅为本发明的优选实施方案，详尽的说明只是为了帮助读者更好地理解本发明精神，而并非对本发明保护范围的限制，相反，任何基于本发明的发明精神所作的任何改进或修饰都应当落在本发明的保护范围之内。