基于电容成像的料腿内气固两相流浓度测量

　　1　引　　言

　　气固两相流技术在电力、冶金、化工、食品等工业部门中起着重要的作用。例如循环流化床分离器料腿中的气固两相流是决定循环倍率的重要参数,其质量流量测量和控制是一个急需解决又长期未能很好解决的难题。许多研究者对气固两相流中颗粒浓度的测量提出了许多方法,比如浓度测量采用光学法[1-2]、超声波[3-4]法等;速度和流量测量采用热平衡法[5]、压差法[6]、动量法[7]、激光法[8]、传热法[9]、电容法[10-11]等,虽然各种测量方法都有自己的优点,但不可避免地存在一定的缺点以及应用范围。电容层析成像技术[12]是20世纪90年代发展起来的一项新的浓度测量技术,开始应用于气固、气液两相流测量中[13-15],它不会对流场产生干扰,不受固体浓度、加速度、透明度的限制,是一种非侵入式、快速测量技术。

　　本文主要是针对旋风分离器下降管中的浓度测量问题,应用ECT这一新颖的方法加以研究,验证其可行性,并得到有应用价值的结果。

　　2　电容层析成像测量原理

　　图1为典型的8电极ECT测量系统,包括3部分:电容传感器、电容采集系统和计算机。电容传感器通常采用8~16电极,布置在测量管道的外侧,测量时检测两两电极间的电容。由于两相流体中各相具有不同的介电常数,当各相组分分布或浓度发生变化时,将引起测量电极对间的电容值发生变化。采用阵列式电容传感器,各电极之间相互组合的多个测量值便可反映多相流体的浓度以及在管截面上的相分布情况。通过数学的方法,则可以将电容信号的变化反推出物质的分布情况,这一成像过程称为电容层析成像的逆过程,最简单的成像过程是线性逆反推(lnearback projection,LBP),计算公式如下:

　　线性逆反推算法虽然快,但是成像质量差;迭代法虽然成像质量好但是耗时太长,因此多用来进行离线分析。本文采用刘石等人[16]提出的预迭代的方法,大致思想如下:

　　算法分两步进行,首先根据式(2)离线进行迭代计算得出一系数矩阵Dz,然后用此系数矩阵进行在线成像测量,如同LBP方法一样,这样既提高了成像质量又没有影响成像的速度。式中G为n阶图像向量。其中m为测量的电容个数,12电极为66, 8电极为28,n为测量区域的像素个数。本文中使用8电极圆形传感器,布置在旋风分离器的料腿直管上,横截面如图2所示,截面象　素剖分为81×81,即n值。C为m阶电容向量;S为m×n阶矩阵,反映电容值变化受物质分布的影响程度[17],也被称为敏感场。

　　3　实验装置

　　实验系统如图3所示,空气通过抽风机的抽吸作用进入管道,物料从贮煤仓由螺杆式给粉机送入煤粉混合器,与空气混合后形成气固两相流,然后进入旋风分离器直管料腿,最后进入除尘系统。实验中,料腿直管采用玻璃管,长200 mm,外径30 mm,壁厚2 mm,传感器电极数目为8,长度为35 mm,均匀布置在料腿直管上。物料选用电厂粉煤灰,固体粉粒体平均粒径为50μm,物质密度为2 350 kg/m3,携带粉粒体的气体为常温空气。通过可调转速电机控制螺杆式给粉机的给料量,从而进行不同浓度的配制。物料与空气在混合段混合后进入旋风分离器,ECT传感装置系统就布置在旋风分离器的料腿直管上,最后混合流体经另一旋风分离器分离后粉粒体进入收集箱以被循环使用。阀门1的主要作用是调节外部空气的吸入量,从而进一步调节旋风分离器内的风量;通过阀门2的开闭以及开启程度主要研究分离器顶部抽吸作用对断面浓度分布的影响。