气力输送固体质量流量检测技术研究进展

钟东文

(中国石化茂名分公司科技发展部)

气力输送固体质量流量检测技术研究进展

钟东文

(中国石化茂名分公司科技发展部)

由于气固两相流的复杂性，气力输送过程固体质量流量这一重要参数难以准确测量。详细介绍气力输送固体质量流量检测技术的原理和研究现状，总结了现有的商用流量计产品。最后，针对密相输送发展越来越广泛的现状，给出了未来研究的发展方向。

气力输送 质量流量 检测原理

气力输送起源于19世纪初，当时人们尝试利用风扇驱动，通过管道来输送粉体物料。20世纪初期，人们开始对气力输送进行理论研究。20世纪中后期，粉体的气力输送技术迅速发展并进入工业应用阶段。目前，对粉体物料进行气力输送已成为化工、采矿、冶金、发电、食品及制药等众多领域普遍采用的方法[1]。

气力输送过程中，固体颗粒质量流量的测量有助于调整最优的输送条件以减小能耗和输送系统磨损，因此对该参数进行准确测量显得尤为重要[2]。气力输送属于气-固两相流流动，与单相流不同，各相间存在界面效应和相对速度，相界面在时间和空间上都是随机可变的，致使其流动特性比单相流更复杂，因而其特性参数难以检测[3]。具体而言，颗粒尺寸分布、浓度分布、速度分布、环境湿度和颗粒内化学成分的变化都可能影响测量结果，引入误差。除此之外，其他因素(如颗粒形状、颗粒在测量段管道内侧的沉淀程度等)也可能影响流量的准确检测[4，5]，这些变量是无法控制和检测的，而且在输送介质和固体材料不同时变化范围比较大。

目前，国内外对气-固两相流参数检测做了大量的研究工作，但是商品化的多相流流量计数量较少，大部分还处于实验室研究开发阶段。因此，发展先进可靠的两相流颗粒特性参数检测方法，并开发出方便适用的试验装置和测量系统，对于气-固两相流体力学的研究及其工业过程的控制，都是至关重要的。

1 质量流量检测技术

最近几十年，各式各样的气力输送质量流量检测技术层出不穷，这些检测技术基本可以分为直接式测量和间接式测量[2，3,6]。其中，直接式测量通过检测一个与质量流量变化直接关联的敏感变量来获得固体质量流量。间接式测量通过分别测量固体颗粒的速度和浓度，进一步计算得到颗粒的质量流量。

1.1 直接式测量

1.1.1 科里奥利流量计

科里奥利流量计(CMF)是一种起步较晚但发展较快的直接式测量技术[7]。其测量原理是检测部件的振动或者旋转过程中所受的科里奥利力与质量流量成正比。该方法与被测流体的温度、速度及浓度等参数无关，仅与流体质量有关。在实际工业应用中，旋转管道产生科里奥利力比较困难，因此通常采用管道振动方法使流体产生科里奥利力[8]，如图1所示。需要注意的是，由于在管道内引入了U形弯管，因此会造成管道压降的增加。同时，该流量计安装时需要隔绝外界的振动干扰。对于气固两相流而言，管道的磨损和颗粒的堵塞限制了该方法的应用范围。

图1 科里奥利力产生原理

1.1.2 热平衡法

热平衡法多用于火力发电厂粉煤浓度的测量。该方法是运用传热学原理，通过测量在给定传热条件下的温升，将换热系数与管道内的固体浓度进行关联，并进一步得到固体质量流率[9～11]。其计算原理如下：

Q=hmAΔT

(1)

hm=f(ug,μ)

(2)

式中A——换热面积，m2；

hm——气固混合物的换热系数，W/(m2·K)；

Q——传热量，J；

ug——气体速度，m/s；

ΔT——换热温差，K；

μ——固气质量比。

研究表明，该方法的响应时间较长，不适合质量流量的动态检测，且系统的影响因素较多，重复性较差。

1.2 间接式测量

1.2.1 浓度检测法

1.2.1.1 衰减法

电磁波、声波等通过介质的衰减服从Lambert-Beer定律，即有：

I=I0e-μ′x

(3)

式中I——通过介质后的强度，W；

I0——通过介质前的强度，W；

x——通过介质的有效厚度，m；

μ′——线性衰减常数。

根据这个基本定理，检测透过管道前后的声波或电磁波的强度，固体颗粒的浓度可通过声波衰减程度分析处理得到。可作为衰减法检测源的有可见光、激光[12]、微波[13]、X射线[14]、γ射线[15]及声波[16，17]等。其中，射线法测量范围宽、检测精度高，缺点是费用较高且容易造成放射性污染。光学法对测量环境要求较高，极易受到污染。微波法对湿度敏感。声学法的主要问题是最优频率与颗粒粒径相关。对于细颗粒，最优频率在30kHz左右；对于大颗粒，最优频率在400kHz。

1.2.1.2 电学法

基于颗粒物料的介电特性和静电特性，研究者们开发了不同的颗粒体积浓度测量方法——电容法和静电法。电容法的测量原理是将电容极板安装在流动管道外，当两极板间流体固体颗粒质量浓度发生变化时，其相对介电常数发生变化，导致电容发生变化[18]。电容的变化可以通过转化为电流或者电压信号进行测量。

气力输送过程中，颗粒与壁面以及颗粒间的摩擦碰撞作用使颗粒和管道上累积大量电荷。通过测量这些静电的大小或者颗粒与检测装置之间转移的电荷量，就可以实现颗粒浓度的测量，这就是静电法的测量原理[19]。然而，影响静电的因素很多，颗粒特性、管道材料及输送条件等均会对静电产生影响，因此一些制造商声明测得的浓度为相对值，仅可用于定性比较。

基于电容和静电原理设计的浓度测量装置价格低廉且易于安装应用，但是研究也表明这些探头对湿度、颗粒粒径和化学组分的变化较为敏感[20]，同时，探头的空间灵敏度不均也会对测量结果造成复杂的影响[21]。

1.2.1.3 声学法

根据声波信号的获取方式不同，可以分为主动式声波法和被动式声波法。主动式声波法是通过主动发射一定频率和强度的声波信号，通过信号的衰减来表征固相浓度，其衰减规律服从Lambert-Beer定律。被动式声波法通过采集输送过程中颗粒与壁面之间发生摩擦和碰撞作用产生的声波信号，提取其中包含的与颗粒粒径、颗粒浓度等相关的信息[22，23]，利用傅里叶变化、小波分解等信号处理手段进行分析，得到固体颗粒的浓度。曹翌佳等以4种不同粒径聚乙烯颗粒在高速运动条件下的声发射信号，结合小波分析建立了单粒径颗粒质量流量的预测模型[22]。在此基础上，假设混合颗粒声发射能量为各单一粒径颗粒声发射能量的线性叠加，进一步得到了混合颗粒的质量流量预测模型。魏舸裔等通过小波包分解，以各小波尺度的声信号能量为特征参数，运用偏最小二乘回归方法建立固体颗粒质量流量的检测模型，提高了运算效率[23]。这种方法结构简单、安装方便、不侵入流场，可以实现连续在线测量；其难点在于信号的处理和分析较为复杂。

1.2.1.4 过程层析成像法

过程层析成像法是20世纪80年代发展起来的一种可以对气力输送管道中颗粒浓度分布进行检测的技术。它不仅具有不侵入流场、实时在线检测的优点，还可以对流型进行辨析，是一种极具竞争力的检测技术。

过程层析成像法包括电容[24]、电荷[25]、超声[26]、射线[27]及光学[28]层析成像等多种形式，图2为双层电容层析成像装置示意图。近年来，层析成像技术在气-固两相流中得到了广泛应用。过程层析成像法的技术难点是如何从重构的图像中获得定量的相关参数。同时，成像的空间分辨率还需要进一步提高。

图2 双层电容层析成像装置示意图

1.2.2 速度检测法

1.2.2.1 相关法

相关法类测速原理是利用流体内部的流动噪声或外加能量，将流体的流速测量转化为流体通过相距两截面的时间间隔的测量问题，运用相关测量技术实现流体速度的在线测量[29]。互相关测速可采用电容[30]、静电[31]、超声[32]及光学[33]等多种形式。测量时往往要求流动稳定，固体浓度分布尽量均匀，否则可能出现不清楚的相关峰值，造成较大误差。

相关法类测速方法通常需要在气力输送管道上安装两只完全相同的传感器，它们之间的距离为L。流体流经两传感器输出信号x(t)和y(t)，利用相关器对x(t)和y(t)做互相关运算处理，可以得到互相关函数Rxy(τ)，其表达式为：

(4)

互相关函数图像峰值所对应的位置即为延迟时间τm，当被测流体在管道中的流动满足“凝固”流动图形假设时，其速度vs的表达式为：

(5)

目前，大多数研究测量的速度为平均速度，然而随着密相输送应用越来越广泛，浓度均布的要求很难实现，管道截面上速度的分布不能再忽略。文献[34]采用图3所示的环形电极测量整个截面的平均速度，同时采用8组弧形电极测量电极附近的局部速度以获得平面内的速度分布，结果表明管道顶部的速度通常要大于底部的速度，且环形电极测得的平均速度往往大于弧形电极测得的局部速度。

图3 静电互相关测速电极示意图

1.2.2.2 多普勒法

多普勒测速运用多普勒频移定理来检测固体颗粒速度[35]。多普勒测速可以采用激光、微波及超声波等作为发射源，从发射源以一个固定的入射频率fT射向被检测流体，被流体中的颗粒反射后以反射频率fR被接收器接收。输出信号和接收信号的频率差与流体颗粒的速度vs有如下关系：

(6)

式中c——电磁波速度，m/s；

fR——反射频率，Hz；

fT——入射频率，Hz；

θ——入射角，(°)。

c和θ已知，固体速度可以通过检测多普勒频移来确定。其不足之处在于该方法仅适用于稀相气力输送过程。

1.2.2.3 空间滤波法

理论上，由于传感器有限的物理尺寸和几何形状，任何形式的传感器对原始流动信号都存在一定形式的空间滤波效应。因此，可以设计特定的空间滤波器使滤波频率与流体的移动速度成线性相关，从而实现对颗粒速度的在线检测。自相关函数分析是空间滤波法中常用的处理方法。对滤波信号的带宽和周期变量采用自相关函数分析可以得到颗粒的移动速度。近年来，报道的有电容空间滤波法[36]、静电空间滤波法[37]及光学空间滤波法[38]等。

1.2.2.4 摄像法

Song D等提出了一种新颖的颗粒速度测量方法，即通过控制相机的曝光时间得到拉长的模糊图像[39]，如图4所示。利用图像处理手段和曝光时间，计算得到颗粒的运动速度。该方法设备简单，但仅适用于稀相输送过程。

a. 气速11.0m/s b. 气速13.3m/s

2 现有检测技术总结

现有气力输送固体质量流量检测技术的总结见表1。可以看出，现有检测方法均存在不足，固体质量流量的精确测量难以实现。直接式测量方法主要包括科里奥利流量计和热学法两种方法，其中热学法的响应时间较长，重复性较差，应用比较困难。科里奥利流量计在气液体系中应用较多，但对于气固两相流而言，容易引起管道磨损和颗粒堵塞。

间接式测量方法分别测量固体浓度和速度，再计算得到固体质量流量。浓度测量方法中，射线法测量范围宽、检测精度高，且受环境参数的影响小，是一种比较准确的测量方法。但由于其设备复杂，且存在辐射危害,因此研究者们一直在寻求替代产品。静电和声发射信号中包含大量与颗粒运动相关的信息，但是其信号分析和处理较为困难。傅立叶变化、小波分析等先进数据处理方法的引入将有助于这些技术的发展。层析成像技术能够得到管道截面上浓度分布的信息，这些信息对密相输送过程质量流量的检测十分重要，具有较好的发展前景。但目前而言，该方法的分辨率和灵敏度较低，设备比较复杂，距离工业应用还有一定距离。互相关检测方法是最常用的速度测量方法之一，但是它所测得的速度多为平均速度。当颗粒在空间内存在一定分布时，这一平均速度的物理意义较为模糊。采用多组探头测定不同位置处的速度分布的方法有助于解决这一问题。空间滤波法受颗粒粒径影响较大。多普勒法和摄像法仅适用于稀相输送，应用范围受到一定限制。

表1 气力输送固体质量流量的检测技术

目前市场上出现的一些商品化的多相流固体质量流量计见表2。这些流量计大多采用间接式测量，且以电学法、声学法和微波法为主。

表2 商品化的多相流固体质量流量计

3 发展趋势展望

近年来，随着低速密相输送系统越来越广泛的应用，气固两相流固体质量流量计的开发将面临一系列新的问题。在密相输送中，固体浓度较高，导致部分检测方法失效。同时，固体的浓度和速度分布更加不均，甚至可能出现栓塞流等极端情况。这就要求新开发的气固两相流固体质量流量计能够适应较宽范围内的浓度和速度变化，同时需要具备较高的灵敏度。综上所述，在未来的研究中，以下几个方面需要重点考虑：

a. 先进数据处理方法与现有检测手段的结合，特别是与静电法和声学法的结合；

b. 颗粒浓度和速度分布的测量越来越重要，层析成像技术将得到更为广泛的重视；

c. 单一检测方法都存在各自的局限性，不同检测手段之间的耦合，实现数据融合，是进一步提升流量检测的精度和适用范围的有效手段。

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ProgressinStudyofMonitoringTechniquesforMassFlowRateMeasurementinPneumaticallyConveyingBulkSolids

ZHONG Dong-wen
(TechnicDevelopingDept,SinopecMaomingCompany)

Complexity of gas-solid flow makes measurement of solids’ mass flow rate difficult in pneumatic conveying process. Both working principle and development of monitoring techniques for mass flow rate measurement were introduced and commercial flow measurement devices were summarized and their later development were discussed.

pneumatic conveying, mass flow rate, measurement principle

TQ032

A

1000-3932(2017)02-0113-07

2016-09-07，

2017-01-09)

钟东文(1966-)，高级工程师，从事石油化工技术质量管理工作，Zhongdw112@126.com。