气固两相流质量流量测量的新方法

　　1　引　　言

　　粉体物料的气力输送,是典型的气固两相流动,在能源,冶金,化工,环境,国防等有关部门中的应用越来越广泛。为了满足生产过程中所需的连续测量及自动化控制,以达到安全,高效和经济运行的要求,粉体质量流量的在线瞬时测量已成为气力输送系统中亟待解决的关键课题。现有系统大多不能满足以上要求。例如,冶金工业中高炉喷吹煤粉的质量流量现在是采用电子秤称重的办法计算一段时间内的平均值[1],而不能直接获得瞬时值。即便如此,由于频繁的倒罐和罐内压力变化的影响,平均值在相应时段内也不能使用。如果能以一定的置信水平实现对煤粉质量流量的在线测量,便可建立起煤粉流量的控制调节系统。由于对气固两相流连续测量的重要性和需求不断增加,人们提出了很多不同的仪表设计和概念[2]。在此基础上,本文提　　出了采用电容传感器测量气固两相流中固相质量流量的新方法。

　　2　测量原理

　　在气固两相流的测量中固气质量比Z是一个十分重要的参数,根据定义有:

　　在管道上任取一段作为控制体,设其体积为V,其中固相所占体积为Vs,固相质量为ms,气相所占体积为Vg,气相质量为mg,则有:

　　这样,可用三个无因次数vs/vg,ρp/ρg,ρs/ρp表示气固两相流的固气比Z。

　　上式中ρs/ρp为固相的体积浓度,即,固相体积占气固两相流总体积的百分比。在实际测量时,采用电容传感器测量固相浓度信号。由于零点漂移等因素的影响,难以准确测得ρs/ρp。为此,仍从(3)式出发,并将其展开成如下的级数形式:

　　根据工况参数绘出C取不同值时vs/vg随vg的变化曲线如图1所示。

　　高炉正常喷吹时,气流速度在10～20(m/s)之间,在此区间内,将C取为最大值0.05时,vs/vg变化小于3%,以实测数据计算,vs/vg变化小于1%,据此可以认为vs/vg是一个常数。

　　ρs与ρp之比,即固相的体积浓度在固气比较小时是一个远小于1的值,其高次项很快趋近于零。例如,在管内压力为5个大气压,固气比为10,温度为40℃时,ρs/ρp小于5%。

　　通过对电容传感器的结构及尺寸采用有限元方法进行优化设计,采用螺旋极板,增加边保护等措施,可以使其具有较为均匀的检测场灵敏度分布,在实验室对该传感器进行了测试,结果表明:检测场均匀性误差为4.18%,从而使浓度传感器的输出信号基本不受流型的影响。电容传感器的电容检测线路采用了具有较强抗杂散电容能力的C/V转换电路,非线性度指标为0.6%,这样保证了浓度传感器的输出信号与固相浓度之间存在良好的线性关系。