气固两相流流量和浓度的气动式测量方法 本发明涉及一种气固两相流流量和浓度的测量方法。
管道气固两相流在工程中是一种常见的物理现象。例如，电厂一次风送粉管道就是气固两相流。气固两相流流量和固相浓度的在线测量是一个困难而复杂的技术问题，世界各国的科学家和技术人员对此做了大量研究。大体上采用的技术有两类，一类是接触式的方法，一类是非接触式的方法。非接触式的方法具有精度高的优点，但该法对使用场合要求较高，有的还有放射性危险，固在较多场合不能应用；接触式方法主要是利用管道弯头处内外壁之间的压力差，测量气固两相流的流量，该方法理论研究比较成熟，但是，在实际工程中一般在管道弯头处安置直接测量压力的元件，如压力传感器。由于管道中固相物质的作用，测量元件存在严重的堵塞和磨损问题。时间稍长，测量就无法进行。
本发明的目的在于提出一种测量精度高、应用范围广，能避免堵塞和磨损问题，从而确保测量顺利进行的气固两相流流量和浓度地测量方法。
本发明的目的是由下述方案实现的：在气固两相流主管路的弯头处中心线部位设置一个气动支路，通过测量气动支路中气体的流量、压力或气动支路的动力风机的电流大小，即可测得主管道弯头处的内外壁压力差，从而可计算获得管道中气固两相流的流量及固相浓度。气动支路的设置如图1所示。在管道弯头处中心线部位的内外壁分别开一小孔A和B，A、B孔处分别与相应管径的支管道连接，管道中通入气压略大于主管道内压力的气流即可。由于本发明利用气动支路的方式，固称本发明为气动式测量方法。
本发明方法测量气固两相流的工作原理如下：由于离心力的作用，流体流过弯头处时，其内外壁产生压力差，而该压力差与管道流量之间存在对应关系。因此，测出弯头内外壁的压力差，即可计算得到管道的流量及固相浓度。具体说明如下：
前苏联科学家凯苏娃(кe c o B a，л·A·и·д p·，и c c д e дo B a H и e Ц e H T p б e ж H Ы Х Π p e o б p a 3 a B a T e д eй P a c x oдa э a Π Ы Л e H H o Γ o B o эдy x a， и э Bэ H e p Γ e T и к a，No．3，1978)曾就空气与固相(如煤粉)混合物流过弯头时的流量测量问题进行了研究，其结果如下：
W=CD2ρΔpR2-r2Rrπ(R-R2-r2)-------(1)]]>式中：R-弯头中心线上的弯曲半径，m；
γ-弯头处管子的内半径，m；
W-空气与固相(煤粉)混合物的质量流量，kg／s；
ρ-空气与固相(煤粉)混合物的密度，kg／m3；
CD-系数，由试验决定，CD与煤粉浓度成线性关系，并与弯头的转弯角度及R／r有关；
△p-弯头转弯处内外管壁压差，N／m2。
从(1)可以看出，在已知混合物密度ρ情况下，只要测出压差△p，既可知管内流动的空气煤粉混合物的质量流量W。混合物密度ρ有许多方法可测出，如量热法，也可在两个弯头处，设置同样的两个装置，对(1)式联立求解获得。问题的关键转化为管道弯头处内外壁压力差△p的测量。一般是在弯头转弯处安置压力传感器。但是，如前所述存在堵塞和磨损问题。
本发明设置气动支路的方法可解决上述问题。因为，本发明直接测量的是气动支路中的有关物理量，不存在堵塞和磨损问题，可确保测量顺利进行。而且，测量安全可靠，精度高，应用范围广。例如，电厂风力输送煤粉管道等气固两相流的流量和固相浓度的在线测量。
为了通过气动支路有效测得主管道弯头处内外壁压力差，本发明对气动支路的设计可采用下述两种实施方案。
方案1，气动支路设计成封闭回路形式。回路中设置有一个气源，在A、B两点附近分别设置一组气体流量计和压力计及相应控制阀，如图所示。气源对回路产生气压。气源压力要求大于主管道中的流体压力。经研究发现，当气源压力一定时，通过A、B两小孔的管路(气动支路)的气体流量与A、B两点的压力直接相关。因此，只要测得气动支路中气体流量，即可知道A、B两点的压力。进而可获得主管道中气固两相流的流量和固相物质浓度。若在主管道的另一个弯头处或一段管道上再设置一个同样的气动支路回路，则可通过联立方程(1)，求得管道中的固相浓度，即可实现气固两相流的流量和固相浓度同时在线测量。本方案中，气动回路中的气体流量比较小(回路管径很小)，不会对主管道中的气固两相流的流量产生影响。另外，由于气源压力大于主管道中的流体压力，主管道中的固相颗粒不会进入气动支路。因此，其测量是单相气的流量，不会产生磨损与堵塞问题。
关于气动支路的压力、流量(已直接测量获得)和A、B两端处流体压力的关系，介绍如下：
根据伯努利方程(管径相同)，有下式：P1r-P2r=cu22g--------------(2)]]>
其中，P1、P2为气动支路中A端(或B端)管道的任一截面处的压力，N／m2。这里P1取气源压力，P2取A点(B点)处的压力，记为PA(PB)，g为重力加速度，γ为气体重度，γ／g=ρ为气体密度，kg／m3。u为气流速度，c为系数，理想情况下，一般c取1。于是有关系式：P2=P1-12cρu2---------------(3)]]>
因此，测得A端支路中的单位时间流量(u=流量／管径)，即可由(3)式方便算得PA。同理，测得B端支路中的流量，即可获得PB。进一步可得：△P=PA-PB。(3)式中，ρ和管径均为已知量。
方案2，气动支路设计成开路形式，即在气动支路中，在A、B两孔的附近分别设置一个风机，风机的电动机采用同步电机，如图3所示。风机功率可以采用较小的，风机产生的气压要求略大于主管道中流体的压力即可。由于同步电机的转速额定，风机的转速也恒定。当管路内压力发生变化(不变化也一样)时，电动机转速不变，只有通过电机的电流发生变化。压力变大，电流变大；压力变小，电流变小，即一定的电流对应一定的压力。这种对应关系由同步电机的本身给出。因此，只要分别测出支路上两个风机的电流大小(电流的测量方便而准确)，即可由上述对应关系获知A、B两点的压力：PA和PB，从而得△P=PA-PB。与方案1类似，在主管道的另一个弯头处或一段管道上再设置一个开路式气动支路，则也可通过联立方程(1)式，求得管道中的固相浓度，即可实现气固两相流的流量和固相浓度的同时在线测量。
附图说明：
图1为气动支路图示。
图2为封闭式气动支路图示。
图3为开放式气动支路图示。
图中标号：1为主管路弯头，A、B为弯头中心线部位的小孔，2为气动支路，3为气源，4为压力计，5为流量计，6为控制阀，7为风机。