[发明专利]两相流流动参数监测方法和系统

说明书

技术领域

本发明涉及对两相流流动参数的监测，尤其是对气固两相流流动参数的监测。

背景技术

气固两相流等两相流广泛地应用于电力、冶金、制药等工业生产实践中。例如，在电力和冶金领域中，煤粉通过气力进行输送，就是一类典型的气固两相流。这种气力输送技术能够提高燃烧效率、改善生产环境、减轻劳动强度，因此有助于解决日益突出的燃煤能源浪费及环境恶化等问题。

在电力行业，燃煤量和助燃空气的合理分配是大型锅炉优化燃烧的基本条件之一。对于燃煤锅炉，煤粉碎后经风力输送并通过分配器均匀分配到多个燃烧器中。若各燃烧器间由于管道中煤粉流量不一致会影响燃烧器的风煤比，导致燃烧率下降，增加未燃碳水平及高的NO_x排放量。严重时着火后延、燃烧不稳，造成锅炉爆管及燃烧器损坏变形，一次风管堵塞及着火事故。此外，煤粉浓度偏高时，使灰的燃烧熔化温度降低，进而造成局部结渣。

在冶金工业，高炉喷吹煤粉是炼铁工艺中降低成本、提高产品质量的重大技术措施。高炉煤粉喷吹通过高炉风口喷吹支管向高炉输送煤粉，煤粉由一次风携带，经喷煤风口支管进入炉膛燃烧，因而各煤粉管之间煤粉浓度与速度对高炉的燃烧有很大影响。若各个喷煤风口支管中的煤粉质量流量不一致，则燃烧不能很好组织，容易引起火焰偏斜、结焦、燃烧不稳等。若风口支管发生堵塞，可能造成煤粉溢出风口、烧坏风口，煤粉在热风围管中燃烧，引起局部过热和管道破裂，损坏热风主管，甚至引起煤粉在热风管中发生爆炸，如长时间发生堵塞，会造成高炉长时间休风，影响安全生产及炉况顺行。

因此，必须对管道中流动的煤粉-空气两相流的流动参数进行监测，以监控管道中气固两相流的流动状态，或者对事故进行报警。

然而，气固两相流存在浓度分布不均、流型复杂等原因，固相参数测量是世界公认的难题，也是电力及冶金行业急需而一直未能很好解决的难题。

目前，对煤粉-空气流动状态的检测方法有两大类，一是接触法。这种方法是通过将传感器直接置放在管道中实现流场的监测。但接触法往往会影响流场，不仅得不到真实的流动状态，而且可能成为故障的原因。传感器由于直接受到流体的冲刷容易损坏，也是接触法的一个缺点。二是非接触法。非接触法主要有温差法及光学检测法。温差法的原理是基于高炉喷吹系统煤粉的温度高于环境温度，同时也高于干冷脱水后压缩空气温度的实际工况，根据故障前后的温差变化进行状态监测。该方法对于在封闭环境下的高炉各喷煤管道，具有一定的适用性。但是，对于室外环境下的喷煤管道，由于季节、风向、日光、环境温度对于不同位置的喷煤管道影响不同，造成监测系统的温差判断规则难以归纳。即使在封闭环境下，温差判断规则也难以确定。光学检测法采用装配进风口窥视孔前面圆锥空间的光学检测器，监视高炉风口的状态。该方法在高炉休风、维护风口时，需对该装置进行拆装，引起不便。而且，光学检测法要求被测区域透光性能好，被测流体固相浓度适宜。然而，实际应用中管道基本不透明，煤粉在气力输送过程中经常出现脉动流、疏密流等流型，成为光学检测法应用的主要障碍。

因此，如何方便、准确地监测两相流流动参数仍然是一个亟待解决的技术难题。

在生产实践中，需要监测的两相流流动参数主要包括固相体积浓度、两相流流速、质量流量以及温度等。其中，固相体积浓度、两相流流速是迄今为止尚无准确、可靠的方法进行监测的流动参数。

发明内容

根据本发明的一个方面，提供了一种两相流流动参数监测方法，所述两相流包括工质相和载体相并在管道中流过，所述管道包括至少一段由介电材料形成的介电材料管，所述介电材料管和所述管道具有相同的内径，所述方法包括在所述两相流流过所述管道时利用电容法检测出所述两相流的所述工质相的体积浓度和所述两相流的流速，其中，

检测工质相体积浓度的过程包括：在所述介电材料管外表面上，沿所述介电材料管纵向以相同方式将至少一对电极板扭转成螺旋形状；检测所述两相流流过所述介电材料管时在所述至少一对电极板上感生出的电容；按照关系式C＝K·[ε_g+(ε_s-ε_g)·β]计算出所述两相流的所述工质相的体积浓度，其中，C是通过所述至少一对电极板检测到的电容值，K是由结构尺寸决定的特征参数，ε_s和ε_g分别是所述两相流的所述工质相和所述载体相的介电常数，β是所述工质相的体积浓度，