專利名稱：測量多相流壓力的方法與裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬流體測量技術(shù)領(lǐng)域， 具體涉及一種測量多相流壓力的方法與裝置。
背景技術(shù)：
流體壓力是流體流動中需要測量的一個(gè)重要基本參數(shù)。流體壓力的測量在電力、化工、航空、航天、制冷、石油、環(huán)保等領(lǐng)域有非常廣泛的應(yīng)用。許多在工業(yè)生產(chǎn)中廣泛使用的流量測量裝置其實(shí)質(zhì)也是壓力測量，如，孔板(測量流體節(jié)流前的壓力和節(jié)流中的壓力)，畢托管(測量流體的動壓和靜壓)，文丘利管(測量流體節(jié)流前的壓力和節(jié)流中的壓力)，彎頭法(測量流體流過彎頭時(shí)內(nèi)外壁的壓力差)等[1]。這些流量測量方法目前仍是大多數(shù)工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域中最常使用的方法。
目前流體流動的壓力測量方法有三種，利用壓力表(金屬彈簧管)，壓電材料(一些受到壓力后可輸出電荷的材料)和液柱高(利用一細(xì)管中液柱的高度反映壓力的大小)。這些方法一般是利用導(dǎo)壓管將被測流體的壓力引到測量元件上，如金屬彈簧管，壓電材料，液面等(也可以直接將壓電材料放入流場中或安放在流體流動的管內(nèi)壁上感受流體壓力)，這些測量元件根據(jù)其本身的物理特性輸出反映壓力大小的物理量。在這些測量方法中，被測介質(zhì)均通過導(dǎo)壓管直接與測量元件相接觸(壓電材料有時(shí)不通過導(dǎo)壓管而直接與被測介質(zhì)接觸)。就目前的研究和使用狀況看，還沒有一種方法能在被測介質(zhì)(流體)與測量元件不直接接觸的情況下，直接測量出被測介質(zhì)的壓力。在激光方法中，被測介質(zhì)雖不與測量元件直接接觸，但該方法只能直接測出被測介質(zhì)的密度場[2]，若能知道被測介質(zhì)的溫度，可以根據(jù)溫度、密度、壓力之間的關(guān)系計(jì)算出被測介質(zhì)的壓力(其它非接觸式方法也類似)。因此，如果被測介質(zhì)溫度高，則測量元件必須耐高溫，如果被測介質(zhì)是腐蝕性物質(zhì)，則測量元件必須耐腐蝕，這樣測量元件的價(jià)格就很高。不僅如此，在有些工況下，測量還將無法進(jìn)行。例如，被測介質(zhì)為氣固兩相流體，這時(shí)，如將測量元件直接放置在氣固兩相流中，測量元件將會被磨損，如將測量元件通過導(dǎo)壓管與氣固兩相流相連，則導(dǎo)壓管易被堵塞，這兩種情況都會使測量無法進(jìn)行。因此，如何測量氣固兩相流中的壓力，并保證測量元件不被磨損或測壓管不被堵塞，并使測量裝置能長期在線運(yùn)行，各國科學(xué)家和工程技術(shù)人員，對此進(jìn)行了大量研究，但仍沒能解決這個(gè)問題。目前較常采用的方法是，用一股單相空氣，反吹導(dǎo)壓管，以疏通堵塞。但即使這樣，過一段時(shí)間后，還是須將測量元件拆下清理，以使得測量能夠正常進(jìn)行。
電站鍋爐煤粉管道內(nèi)煤粉濃度(氣固兩相流)的在線監(jiān)測對實(shí)現(xiàn)鍋爐和制粉系統(tǒng)的安全優(yōu)化運(yùn)行、節(jié)能及環(huán)保等均有著非常重要的意義，其監(jiān)測技術(shù)也是提高鍋爐燃燒效率的關(guān)鍵技術(shù)之一。通過準(zhǔn)確地測量煤粉管道內(nèi)煤粉的濃度，可以保證進(jìn)入各燃燒器的煤粉量均勻，獲得高的鍋爐燃燒效率(節(jié)能)，防止因爐內(nèi)火焰偏斜而導(dǎo)致鍋爐的結(jié)渣和高溫腐蝕事故的發(fā)生，以及提高制粉系統(tǒng)的安全性等。同時(shí)，通過測量各燃燒器的煤粉濃度，對合理配風(fēng)，降低NOx排放濃度也會有很好的作用。
電站鍋爐煤粉管道內(nèi)煤粉濃度的測量吸引了大量的研究。所有的研究可分為接觸式和非接觸式兩大類，接觸式方法如，熱平衡法，差壓法，等速取樣法等，接觸式方法還無法克服磨損或堵塞兩大難題。即使是用的較多的熱平衡方法測量煤粉濃度[3]，對溫度套管還需采用耐磨材料，并需定期檢修。另一類非接觸式方法如，靜電法[4]，電容法[5]，光學(xué)法[6]等，這類方法對使用場合或輸送煤粉的管材有一定的限制，因此，這類方法還無法在工業(yè)現(xiàn)場使用。到目前為止，一種能夠在工業(yè)現(xiàn)場使用，并能長期在線運(yùn)行，傳感器不被磨損和堵塞的煤粉濃度測量方法是國內(nèi)外科學(xué)家和工程技術(shù)人員努力工作的目標(biāo)。本項(xiàng)發(fā)明能夠?qū)@一目標(biāo)做出貢獻(xiàn)。并有望解決電站鍋爐煤粉管道內(nèi)，煤粉濃度測量中傳感器磨損和堵塞兩大難題。
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發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的在于提出一種可確保測量元件不被磨損、測壓管道不被堵塞，因而能長期在線運(yùn)行的測量多相流中壓力的方法及其裝置。
本發(fā)明提出的測量多相流中壓力的方法，其基本思路如下；用一股單相流體(氣體)射入被測流體中，這股單相氣體的流量和壓力與被測流體的壓力有關(guān)。實(shí)際上被測流體的壓力即為這股單相流體(氣體)的背壓，當(dāng)被測流體的壓力發(fā)生變化時(shí)這股單相流體(氣體)的流量和壓力也發(fā)生變化，它們之間的變化有一定規(guī)律。因此，測量出射入被測流體中的單相流體(氣體)的流量和壓力，根據(jù)上述即可知被測流體的壓力。實(shí)際上，根據(jù)流體力學(xué)知識，如果單相流體的流量為零，這股單相流體的壓力即為被測流體在該處的靜壓。如果被測流體是氣固兩相流，我們就可知?dú)夤虄上嗔鞯膲毫Γ蝗绻粶y流體是氣液兩相流，我們就可知?dú)庖簝上嗔鲏毫?，如果被測流體是某種高溫或腐蝕性介質(zhì)，我們就可知這種高溫或腐蝕性介質(zhì)的壓力，等等……。這就意味著我們只需對常溫下的單相流體(空氣)進(jìn)行測量，就可知其它種種復(fù)雜工況或多相介質(zhì)的壓力。這種方法有兩個(gè)顯著的特點(diǎn)，(1)可采用成熟的單相流儀表進(jìn)行測量，測量元件只與單相流體相接觸；(2)被測介質(zhì)沒有直接與測量元件相接觸，但測量儀表確可反映被測介質(zhì)的壓力大小。
對應(yīng)于上述測量方法，本發(fā)明設(shè)計(jì)了相應(yīng)的測量裝置。其結(jié)構(gòu)如圖1所示，它由單相流體源(如單相氣源)、調(diào)節(jié)閥、單相流體流量計(jì)、導(dǎo)壓管和壓力表組成，其中，單相流體源1、調(diào)節(jié)閥2、單相流體流量計(jì)3由管道4依次連接，單相流量計(jì)3通過導(dǎo)壓管5與壓力表6連接，并與被測多相流管路連通(在B點(diǎn))。
當(dāng)被測的是氣固或氣液相流時(shí)，單相流體源1可以是穩(wěn)定的單相氣源，流體流量計(jì)2可以是氣體流量計(jì)，壓力表為氣體壓力表。該測量裝置，使用范圍廣，對測量現(xiàn)場幾乎沒有什么限制，產(chǎn)品的價(jià)格也不高(采用成熟單相流儀表)，可非常方便地推廣到工業(yè)現(xiàn)場使用。在這種方法中被測介質(zhì)的壓力依靠單相空氣進(jìn)行傳遞，這股單相空氣像一個(gè)傳遞壓力的“元件”，可將它叫做“氣體探針”。從上述兩個(gè)顯著特點(diǎn)中可以看出，如果被測介質(zhì)為電站鍋爐煤粉管道中煤粉與空氣的混合物(氣固兩相流)，采用本發(fā)明方法，測量可以長期在線運(yùn)行，而傳感器不會被堵塞和磨損。從而解決長期困擾我們的傳感器磨損和堵塞兩大難題。如果氣固兩相流壓力的測量問題解決后，進(jìn)而可以研制出新型的氣固兩相流混合物質(zhì)量流量或固相濃度的測量裝置(如采用彎頭法等)。
本發(fā)明利用一股氣流來感受被測介質(zhì)的工況參數(shù)，這股氣流起到了傳遞被測介質(zhì)工況參數(shù)的作用，在測量儀表不直接接觸被測介質(zhì)的情況下，測量儀表也能直接感受到被測介質(zhì)的工況參數(shù)。


圖1為本發(fā)明的測量裝置結(jié)構(gòu)圖示。
圖中標(biāo)號1為單相流體源，2為調(diào)節(jié)閥，3為單相流體流量計(jì)，4為連接管道，5為導(dǎo)壓管，6為壓力表，7為導(dǎo)壓管，8為壓力表，A、B分別為導(dǎo)壓管7和導(dǎo)壓管5與被測多相流管道的連接點(diǎn)。
具體實(shí)施例方式
下面通過實(shí)施例進(jìn)一步描述本發(fā)明。
以被測介質(zhì)為氣固兩相流為例，裝置簡圖如圖1所示，圖中安置壓力表8是為了將本發(fā)明的方法與常規(guī)的測量方法相比較。被測介質(zhì)選用氣固兩相流體。氣固兩相流及單相氣流管路的材料在試驗(yàn)段處，可選用有機(jī)玻璃，以便進(jìn)行觀察或照相紀(jì)錄。
根據(jù)流體力學(xué)中的伯諾里方程(Bernoulli)，不考慮損失，對圖1中單相氣體管路有下式P0=PB+μ2ρ2+zρg]]>式中P0-穩(wěn)定氣源的壓強(qiáng)，N/m2，u-單相氣體管路中氣體速度m/s，ρ-單相氣體密度，kg/m3，
z-穩(wěn)定氣源距B點(diǎn)的高度，m，PB-測點(diǎn)B處的壓強(qiáng)，N/m2，g-重力加速度，m/s2。由上式可知，在已知單相氣體流速u，穩(wěn)定氣源的壓強(qiáng)P0和高度z情況下，即可知被測介質(zhì)在B點(diǎn)處的壓強(qiáng)PB，這樣就實(shí)現(xiàn)了對被測介質(zhì)壓力的測量。
測試開始時(shí)，可將調(diào)節(jié)閥的開度由大到小調(diào)節(jié)直到為零，這時(shí)在單相氣流管路中，氣體流量為零，管路中充滿單相氣體，壓力表6的讀數(shù)即為被測介質(zhì)(氣固兩相流)在B處橫截面上的靜壓。壓力表8測量的是該壓力表所在位置A處的氣固兩相流體的靜壓，不計(jì)壓力表6和壓力表8之間的沿程損失(在氣體流量為零時(shí)，兩者之間的損失為零。當(dāng)單相氣體有一定流量時(shí)，其沿程損失很小可以忽略，原因是流速低，距離短)，兩個(gè)壓力表的讀數(shù)應(yīng)該相同(如考慮兩者的沿程損失，讀數(shù)的誤差可以采用一定的方法修正)。但這兩者的測量狀況是不同的，區(qū)別在于壓力表8的導(dǎo)壓管中充滿被測介質(zhì)(氣固兩相流體)，而壓力表6的導(dǎo)壓管中則充滿單相氣體。測量時(shí)壓力表8的導(dǎo)壓管會被堵塞，使測量不能進(jìn)行。而壓力表6的導(dǎo)壓管不會被堵塞，測量可以長期在線運(yùn)行。為確保被測介質(zhì)不進(jìn)入壓力表6所在的導(dǎo)壓管內(nèi)，可保持在此導(dǎo)壓管內(nèi)有一定單相氣體流量，單相氣體流量的大小需根據(jù)測試、觀察及理論分析，原則是確保壓力表6所在的導(dǎo)壓管內(nèi)無被測介質(zhì)。這時(shí)壓力表6讀數(shù)可反映被測介質(zhì)壓力的大小。
根據(jù)流體力學(xué)有關(guān)知識，從圖1中我們可以看出，如果壓力表6所在的導(dǎo)壓管中單相氣體流量為零，則壓力表6和壓力表8的讀數(shù)應(yīng)相同(不考慮兩者之間微小的沿程損失)，它們之間的不同之處在于，各自導(dǎo)壓管中的介質(zhì)不同，一個(gè)是被測介質(zhì)(壓力表8)，另一個(gè)是單相空氣(壓力表6)，所以壓力表8長期測量導(dǎo)壓管將會被堵塞(有時(shí)30分鐘就會堵塞)，而壓力表6的測量則不會。由圖1可以看出，當(dāng)氣固兩相流體流過圖1中B點(diǎn)附近時(shí)，導(dǎo)壓管內(nèi)有一定壓力的單相空氣會阻止被測介質(zhì)進(jìn)入導(dǎo)壓孔內(nèi)，被測流體與導(dǎo)壓管內(nèi)單相氣體相接觸的面積為該處導(dǎo)壓孔截面積的大小。這時(shí)導(dǎo)壓管內(nèi)的空氣柱感受并傳遞著被測流體的工況參數(shù)的變化，由于導(dǎo)壓管內(nèi)單相氣體流速為零(或很小)，單相氣體的壓縮性可不考慮，因此這時(shí)壓力表6的導(dǎo)壓管內(nèi)單相空氣可當(dāng)作一個(gè)傳感器，它好像一根由氣體制成的探針或傳感器，所以將其叫做氣體傳感器，該傳感器感受并傳遞著被測流體的工況參數(shù)。
采用氣流作為傳感器，傳遞被測介質(zhì)的工況參數(shù)。這在傳感器方面是一個(gè)新的方法，這樣的傳感器有兩個(gè)顯著特點(diǎn)，(1)可采用成熟的單相流儀表進(jìn)行測量，測量元件只與單相流體相接觸；(2)被測介質(zhì)沒有直接與測量元件相接觸，但測量儀表可反映被測介質(zhì)的壓力大小。這種方法非常適合用在一些特殊介質(zhì)的測量場合，如氣固兩相流、氣液兩相流、三相流或多相流，高溫介質(zhì)及強(qiáng)腐蝕性介質(zhì)等，以上這些測量工況都是目前工業(yè)生產(chǎn)常遇到而還沒有解決的難題。
采用本項(xiàng)目提出的方法進(jìn)行氣固兩相流的測量，可解決接觸式測量方法中傳感器磨損和堵塞兩大難題。若用在高溫介質(zhì)或強(qiáng)腐蝕性介質(zhì)的測量中，傳感器不必耐高溫和耐腐蝕性。
權(quán)利要求
1.一種測量多相流中壓力的方法，其特征在于用一股單相流體射入被測流體中，測量出射入被測流體中的單相流體的流量和壓力，根據(jù)被測流體的壓力即為這股單相流體的背壓的特性，從而獲得被測流體的壓力。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的測量多相流中壓力的方法，其特征在于對于氣固兩相流，采用的單相流體為氣體。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的測量多相流中壓力的方法，其特征在于被測介質(zhì)的測量點(diǎn)B處的壓強(qiáng)是PB=P0-u2ρ2-zρg]]>式中P0-穩(wěn)定氣源的壓強(qiáng)，N/m2，u-單相氣體管路中氣體速度m/s，ρ-單相氣體密度，kg/m3，z-穩(wěn)定氣源距B點(diǎn)的高度，m，g-重力加速度，m/s2。
4.一種如權(quán)利要求1所述的多相流中壓力的裝置，其特征在于由單相流體源、調(diào)節(jié)閥、單相流體流量計(jì)、導(dǎo)壓管和壓力表組成，其中，單相流體源1、調(diào)節(jié)閥2、單相流體流量計(jì)3由管道4依次連接，單相流量計(jì)3通過導(dǎo)壓管5與壓力表6連接，并與被測多相流管路連通。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的測量多相流中壓力的裝置，其特征在于對于氣固兩相流，所說的單相流體源為壓力穩(wěn)定的氣源。
全文摘要
本發(fā)明屬流體測量技術(shù)領(lǐng)域，具體為一種測量多相流體壓力的方法與裝置。其中測量方法的基本思想如下用一股單相流體(氣體)射入被測流體中，測量出射入單相流體(氣體)的流量和壓力，根據(jù)被測流體壓力與射入流體的流量和壓力的關(guān)系，即可測得被測流體的壓力。測量裝置由單相氣體源、調(diào)節(jié)閥、流量計(jì)、導(dǎo)壓管、壓力表等依次連接組成，并設(shè)置于被測流體的管路上。這里采用單相氣體傳遞壓力，因此也稱該裝置為氣體傳感器。本發(fā)明解決了接觸式測量中傳感器磨損與堵塞的問題，在高溫介質(zhì)或強(qiáng)腐蝕介質(zhì)測量中，傳感器不必具有耐高溫和耐腐蝕性。
文檔編號G01L11/00GK1587942SQ20041006661
公開日2005年3月2日 申請日期2004年9月23日 優(yōu)先權(quán)日2004年9月23日
發(fā)明者李永光 申請人:上海電力學(xué)院