测量在管道中流动的流体中具有悬浮的固体微粒的混合物的参数的装置和方法制造方法及图纸

提供一种装置１０和方法，所述装置和方法包括被置于沿管道１４的轴向布置的预定轴向位置ｘ↓［１］－ｘ↓［Ｎ］上的不稳定压力传感器１５－１８的空间阵列，用于测量在管道１４内流动的固定微粒／流体混合物１２的至少一个参数。所述压力传感器１５－１８将声压信号Ｐ↓［１］（ｔ）－Ｐ↓［Ｎ］（ｔ）提供到信号处理单元３０，所述信号处理单元３０使用声空间阵列信号处理技术确定管道１４内的微粒／流体混合物１２的声速ａ↓［ｍｉｘ］（ω）。待测的主要参数包括流体／微粒浓度，流体／微粒混合物体积流量，以及微粒尺寸。利用分散模型确定基于频率的声速，从而确定感兴趣的参数。所述计算至少一个参数使用声压来进行计算。（*该技术在2023年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种测量管道内通过的流的装置，更特别地涉及一种利用声动态压力测量在流中传播的声速从而确定例如管道中流的微粒/流体比、微粒尺寸以及体积流速等参数的装置和方法，所述流具有在持续的流体中悬浮的微粒。
技术介绍
本专利技术提供一种测量管道中的流体/微粒混合物的参数的方法，该方法可以在许多应用中、例如在化学、制药、石油以及发电工业中使用。特别地，本专利技术提供一种在粉状燃料传送系统中使用的测量粉煤和空气混合物的方法，该粉状燃料传送系统位于在发电工业中使用的占大比例的燃煤锅炉中。当前，在美国，超过50％的电是用煤产生的。虽然，在美国，煤被认为是节省成本且丰富的资源，但是主要出于保护环境的考虑，煤的使用已经受到限制。为了减轻这种影响，美国能源部门和发电企业设计了大量的计划来发展工艺以减少燃煤的环境影响。这些洁净煤计划包括被设计用于在减少污染物、例如未燃煤、灰以及氮氧化物(NOx)的同时改进燃烧过程以提高效率的技术。测量煤管道内的流速和空气/煤混合物的成分的能力是任何被设计用于优化PF传送系统的性能的系统或策略的一个重要方面。企业认识到了这一点，并且因此一直在发展各种不同的技术以执行这种测量。这些技术包括基于采样装置的探测器，以及基于各种不同的技术(包括静电荷，微波，以及超声波)的实时仪表。
技术实现思路
本专利技术的目的包括提供一种在工业锅炉系统和相关的过程、例如燃煤锅炉系统中测量通过管道中的微粒/流体混合物传播的声速从而确定该混合物的特定参数的系统。根据本专利技术，一种用于测量管道中微粒/流体混合物的至少一个参数的装置包括由至少两个压力传感器组成的空间阵列，所述传感器沿管道布置在不同轴向位置上。每一个压力传感器在相应的轴向位置上测量管道内的不稳定压力。每一个所述传感器在所述传感器中相应的一个传感器的所述轴向位置上提供指示管道内不稳定压力的压力信号。信号处理器响应于所述压力信号提供指示管道内混合物的至少一个参数的信号。根据本专利技术，一种用于测量管道内微粒/流体混合物的至少一个参数的方法包括在沿管道的至少两个预定的轴向测量位置上测量管道内的不稳定压力，从而在至少两个预定的轴向测量位置中的每一个位置上提供指示管道内不稳定压力的压力信号。此外，所述方法还包括利用在轴向测量位置上测量的不稳定压力计算管道中微粒/流体混合物的至少一个参数。本专利技术的上述以及其它目的、特征和优点根据下面对其示范性实施方式的详细描述将变得更显而易见。附图说明附图1是根据本专利技术的、用于测量在管道中流动的流体/微粒混合物的声速的流量计的方框图。附图2是根据本专利技术的在燃煤锅炉系统中的粉状燃料(PF)/空气混合物参数测量系统的示意图。附图3是表示附图2所示系统特有的煤的微粒尺寸的放大的照片。附图4是根据本专利技术的、混合物的声速与按照空气/煤质量流比的频率的关系曲线图。附图5是根据本专利技术的、作为空气/煤混合物频率的函数的声速的实际数据和模型的曲线图。附图6是表示根据本专利技术针对PF/空气混合物参数测量系统的不同阵列的声速的标准偏差与频率的关系曲线图。附图7是根据本专利技术作为频率的函数的声速的曲线图，该频率是具有固定的微粒尺寸(50毫米)和变化的空气/燃料质量比的空气/煤混合物的频率。附图8是根据本专利技术作为频率的函数的声速的曲线图，该频率是具有变化的微粒尺寸而空气/燃料质量比等于1.8的空气/煤混合物的频率。附图9是根据本专利技术的作为空气/煤比率的函数的声速的曲线图。附图10是根据本专利技术用于从分析模型以及用试验方法确定的分散的声速数据中确定空气/燃料比和微粒尺寸的优化过程的流程图。附图11是将附图10的优化过程应用于由传感器阵列记录的数据的结果的曲线图，所述传感器阵列监听6英寸圆环管道中微粒尺寸为50微米、气流速率为100英尺/秒、空气/燃料比为1.8的流。附图12是将附图10的优化过程应用于一系列具有变化的空气/燃料比的数据集的结果的曲线图。附图13是根据本专利技术由压力传感器阵列处理的数据的kω曲线图，所述压力传感器用于测量在管道中流动的煤/空气混合物的声速。附图14是根据本专利技术的具有PVDF的多个压力传感器的侧视图，所述压力传感器夹到管道的外表面上。附图15是附图14的一个压力传感器的局部透视图。具体实施例方式参照附图1，提供一种实施本专利技术的流量计10，该流量计测量固体微粒的混合物12的多个参数/特征，所述固体微粒悬浮在管道或导管14中流动的持续流体中，其中，将流体限定为液体和/或气体。该流量计可以被配置成和设计成测量通过混合物传播的声速。该流量计可以测量混合物流12的下面的参数中的至少一个流体/微粒浓度(体积相位分数volumetric phase fraction)，体积流率，固体微粒的尺寸，混合物的质量流量，以及混合物的速度。为了确定这些参数的任何一个，流量计10测量由通过在管道14中流动的混合物传播的声速(SOS)产生的不稳定压力，这将在下文中更详细地描述。混合物12的固体微粒可以是任何尺寸、形状和材料。例如，该微粒的尺寸可以小到粉末形式、颗粒形式，或尺寸更大。流量计10可以在任何传送在通过管道的流体中悬浮的固体微粒的应用中使用，例如在化学、制药、石油以及发电的应用中使用。例如，本专利技术非常适用于测量发电系统的参数(例如，空气/煤比率，微粒尺寸)，该发电系统使用粉煤来点燃蒸汽锅炉系统的炉子。作为一个实例，本专利技术将在用于发电的粉状燃料(PF)传送系统的上下文中论述，但是应当理解，该流量计也可以应用于许多如上文所述的其它的应用。附图2的燃煤锅炉系统2中示出了典型的PF传送系统1。煤在磨粉机3中被粉碎并夹带在空气中，从而通过用于传送的管道12将PF/空气混合物传输到炉子6，所述空气由多种装置、如风扇4产生。典型的炉子具有多于50个煤管道，每一个煤管道的直径为12-20英寸。典型地，大于300Mw的大型实用锅炉可具有4-11台给炉供给的磨粉机。PF传送系统将适当数量的燃料和空气共同地和分别地通过这些多个煤管道传送到炉子的能力，对该燃煤锅炉的性能以及排放有着很强的影响。众所周知，PF传送系统1中的不均匀性可以导致燃料/空气比的变化，造成热点、高NOx产生区域以及未燃烧的燃料。必须充分地认识PF燃料传送系统1和锅炉系统2的性能之间的联系。包含了本专利技术的流量计10能够测量燃料/空气比以及提供给炉子的粉煤的微粒尺寸，从而向操作者提供反馈，以提供煤的更有效的燃烧。如上所述，本专利技术的流量计10可以被配置和设计成测量并处理检测到的不稳定压力P1(t)-PN(t))，从而确定混合物流12的参数，该不稳定压力由通过混合物传播的声波产生。附图1表示了一个这样的流量计10，该流量计测量通过流体/微粒混合物传播的一维声波的声速(SOS)，从而确定混合物的成分，也就是混合物的流体/微粒比。该流量计也可以确定微粒的平均尺寸、混合物的速度以及混合物的体积流率。众所周知，在例如SONAR和RADAR场中，声音通过不同的介质以不同的速度传播。管道14内的混合物的声速可以使用多种公知的技术来确定，例如在2002年3月12日授权的标题为“Fluid ParameterMeasurement in Pipes Using Acoustic Pressures”的美国专利No.6354147和2001年本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种测量管道中微粒／流体混合物的至少一个参数的装置，包括：　　　　至少两个压力传感器的空间阵列，所述传感器布置在沿管道的不同轴向位置上，并且每一个所述传感器在相应的轴向位置上测量管道内的不稳定压力，每一个所述传感器在所述传感器中相应的一个传感器的所述轴向位置上提供指示管道内的不稳定压力的压力信号；以及　　　　信号处理器，所述信号处理器响应于所述压力信号，并且提供指示管道内混合物的至少一个参数的信号。

【技术特征摘要】
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【专利技术属性】
技术研发人员：DL吉斯林，DH罗斯，
申请(专利权)人：塞德拉公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]