一種流化床中動(dòng)態(tài)料位的檢測(cè)方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種流化床中動(dòng)態(tài)料位的測(cè)量方法，包括1)使用感應(yīng)式靜電傳感器陣列連續(xù)采集氣固流化床中的感應(yīng)靜電壓信號(hào)；2)利用上下游相鄰電極檢測(cè)到的感應(yīng)靜電壓信號(hào)計(jì)算顆粒相關(guān)速度，并得到相關(guān)速度的歸一化概率密度分布；3)對(duì)比不同軸向位置處電極檢測(cè)到的顆粒相關(guān)速度的歸一化概率密度分布特征，得到流化床的動(dòng)態(tài)料位波動(dòng)區(qū)間。本方法具有精度高、在線、非侵入式的特點(diǎn)，設(shè)備結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，適用性廣。
【專利說明】
一種流化床中動(dòng)態(tài)料位的檢測(cè)方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明屬于氣固兩相流測(cè)量技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種基于相關(guān)速度測(cè)量的氣固流 化床動(dòng)態(tài)料位的檢測(cè)方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 氣固流化床的料位高度是流化床的基本參數(shù)之一。例如，在烯烴聚合流化床反應(yīng) 器中，料位高度直接影響著聚烯烴產(chǎn)品的質(zhì)量和產(chǎn)量，及時(shí)、準(zhǔn)確地檢測(cè)料位高度，不但能 維持流化床流化質(zhì)量的穩(wěn)定，而且可確保流化床在最佳流化高度下進(jìn)行操作，從而獲得高 產(chǎn)量。同樣，在燃煤鼓泡流化床中，燃料在床中的高度決定了煤粉顆粒的燃燼度以及燃燒效 率。
[0003] 目前，測(cè)量流化床料位的方法主要有壓降法、測(cè)溫法、電容法以及回波法等。壓降 法基于這樣的原理，即通過床層任一截面的壓降大致等于在該截面上顆粒和流體的重量； 床層中沿床高方向任意兩點(diǎn)間的壓差大致等于這兩點(diǎn)間床層靜壓頭，根據(jù)顆粒重量沿流化 床軸向分布來確定料位高度。這種方法原理簡(jiǎn)單、直觀，但是由于流化床的平均密度隨床高 而變，因而測(cè)量值與實(shí)際值之間往往誤差較大。測(cè)溫法適用于有化學(xué)反應(yīng)的流化床。當(dāng)流化 床內(nèi)存在化學(xué)反應(yīng)時(shí)，一般情況下床層溫度和自由空間溫度之間有一定的差別，若在沿床 高方向安裝若干只測(cè)溫計(jì)，測(cè)出各點(diǎn)處的溫度，根據(jù)溫度分布來確定料位高度。但是由于在 很多情況下，床層溫度和自由空間溫度之間沒有明顯的差別，因此很難準(zhǔn)確地估計(jì)出實(shí)際 床層高度。電容法通過測(cè)量插入流化床中的電容極板間的電容量來確定料位，這種方法由 于測(cè)量元件需要插入流化床內(nèi)，因而探頭的磨損腐蝕以及靜電等會(huì)直接影響測(cè)量精度?；?波法是在床的頂部安裝一個(gè)信號(hào)發(fā)射器(如超聲波無線電波或γ射線等），然后測(cè)量被料面 反射的回波信號(hào)，根據(jù)信號(hào)自發(fā)射到接收所經(jīng)歷的時(shí)間，而計(jì)算出料位的高度?；夭ǚm然 應(yīng)用了先進(jìn)的測(cè)試手段，但測(cè)量系統(tǒng)復(fù)雜，價(jià)格昂貴，測(cè)量精度還有待進(jìn)一步提高。綜上所 述，流化床料位高度的檢測(cè)方法雖有一些，但是各種測(cè)量方法作為實(shí)際應(yīng)用都不夠令人滿 意，特別像測(cè)溫法和電容法適用范圍有限。因此，開發(fā)一種精確的、非侵入式的流化床動(dòng)態(tài) 料位在線檢測(cè)方法，對(duì)于監(jiān)測(cè)流化質(zhì)量、提高流化床產(chǎn)量和產(chǎn)品質(zhì)量具有重大的意義。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] -種流化床中動(dòng)態(tài)料位的測(cè)量方法，其特征在于，所述方法包括以下步驟：
[0005] 1)使用感應(yīng)式靜電傳感器陣列連續(xù)采集氣固流化床中的感應(yīng)靜電壓信號(hào)；
[0006] 2)利用上下游相鄰電極檢測(cè)到感應(yīng)靜電壓信號(hào)，結(jié)合互相關(guān)計(jì)算方法，得到顆粒 運(yùn)動(dòng)經(jīng)過上下游電極的相關(guān)速度： L
[0007] ^ =-
[0008] 其中vc為荷電顆粒運(yùn)動(dòng)的相關(guān)速度(m/s)，L為上下游相鄰電極中心間的距離(m)， ^為上下游感應(yīng)靜電壓信號(hào)的渡越時(shí)間（s)，由互相關(guān)計(jì)算方法得到；
[0009] 3)計(jì)算一段信號(hào)采集時(shí)間內(nèi)得到的多個(gè)顆粒相關(guān)速度的歸一化概率密度分布，對(duì) 比不同軸向位置處電極檢測(cè)到的顆粒相關(guān)速度的歸一化概率密度分布特征，得到流化床的 動(dòng)態(tài)料位波動(dòng)區(qū)間：與相鄰的軸向位置較低的一組上下游電極相比，當(dāng)一組電極測(cè)量得到 的顆粒相關(guān)速度分布寬度不再變寬，概率密度峰值對(duì)應(yīng)的相關(guān)速度不再增大時(shí)，說明該位 置處于動(dòng)態(tài)料位波動(dòng)區(qū)底部；當(dāng)顆粒相關(guān)速度分布同時(shí)體現(xiàn)出向上和向下運(yùn)動(dòng)的顆粒速度 時(shí)，說明該位置處于動(dòng)態(tài)料位波動(dòng)區(qū)間內(nèi)，且隨著床層軸向高度的增加，向下運(yùn)動(dòng)的顆粒相 關(guān)速度概率密度增大；當(dāng)顆粒相關(guān)速度分布主要集中于向下的顆粒運(yùn)動(dòng)，即相關(guān)速度主要 為負(fù)值時(shí)，說明該位置處于動(dòng)態(tài)料位波動(dòng)區(qū)頂部，從而獲得了流化床動(dòng)態(tài)料位波動(dòng)區(qū)間。由 此確定的動(dòng)態(tài)料位波動(dòng)區(qū)間底部和頂部位置對(duì)應(yīng)的電極軸向高度的平均值，即為平均料位 高度。
[0010] 所述的采集靜電信號(hào)的設(shè)備包括由感應(yīng)電極陣列、靜電微信號(hào)放大電路、數(shù)據(jù)采 集卡和計(jì)算機(jī)。
[0011] 所述的靜電感應(yīng)電極可以為弧形或環(huán)形，電極寬度與流化床外徑的比例為1/50~ 1/15，電極厚度為1~4mm，電極弧度為30°~60°，同一軸向高度處周向電極的安裝個(gè)數(shù)為1 ~6個(gè)。
[0012] 所述的感應(yīng)電極陣列中，相鄰電極中心之間的間距為10~50mm。
[0013]所述的采集靜電信號(hào)所用的采樣頻率是0~20kHz。
[0014]所述的采集靜電信號(hào)所用的采樣頻率不超過10kHz。
[0015] 所述的檢測(cè)方法同時(shí)具備在線、不侵入流化床、結(jié)果精確的優(yōu)點(diǎn)，對(duì)于監(jiān)測(cè)流化質(zhì) 量、提高流化床產(chǎn)量和產(chǎn)品質(zhì)量具有重大的意義。
【附圖說明】
[0016] 圖1為有機(jī)玻璃流化床冷模實(shí)驗(yàn)裝置示意圖
[0017] 圖2為實(shí)施例1和3的弧形電極安裝位置示意圖
[0018] 圖3為實(shí)施例1的互相關(guān)函數(shù)示意圖
[0019] 圖4為實(shí)施例1的上下游靜電壓信號(hào)的互相關(guān)系數(shù)示意圖
[0020] 圖5為實(shí)施例1的顆粒群相關(guān)速度歸一化概率密度分布(H 205-230mm)
[0021 ]圖6為實(shí)施例1的不同軸向高度處顆粒相關(guān)速度歸一化概率密度分布及其對(duì)應(yīng)的 流化區(qū)域
[0022] 圖7為實(shí)施例2的環(huán)形電極安裝位置示意圖
[0023] 圖8為實(shí)施例2的不同軸向高度處顆粒相關(guān)速度歸一化概率密度分布及其對(duì)應(yīng)的 流化區(qū)域
[0024] 圖9為實(shí)施例3的不同軸向高度處顆粒相關(guān)速度歸一化概率密度分布及其對(duì)應(yīng)的 流化區(qū)域
【具體實(shí)施方式】 [0025] 實(shí)施例1
[0026]采用有機(jī)玻璃流化床冷模實(shí)驗(yàn)裝置進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，裝置示意圖如圖1所示，由流化系統(tǒng) 和檢測(cè)系統(tǒng)組成，1是計(jì)算機(jī)，2是數(shù)據(jù)采集卡，3是風(fēng)機(jī)，4是干燥器，5是流量計(jì)，6是進(jìn)氣閥。 流化顆粒為L(zhǎng)LDPE顆粒，顆粒的物性參數(shù)如表1所示，屬于Geldart B類顆粒，由傳統(tǒng)壓降法 測(cè)量得到的起始流化速度(umf)為0.2m/s。流化氣體的相對(duì)濕度為8~15 %，實(shí)驗(yàn)在室溫下進(jìn) 行。在實(shí)驗(yàn)涉及的表觀氣速(u)下，流化床始終處于鼓泡流化狀態(tài)。表2所示為該顆粒的料重 及實(shí)驗(yàn)氣速范圍。
[0027] 表1 LLDPE顆粒的部分物性參數(shù)
[0028]
[0029] 表2 B類型流化顆粒料重及實(shí)驗(yàn)氣速
[0030]
[0031] 檢測(cè)系統(tǒng)由弧形感應(yīng)電極、靜電微信號(hào)放大電路、數(shù)據(jù)采集卡(NI，USB-6212)和計(jì) 算機(jī)構(gòu)成。其中弧形感應(yīng)電極為銅質(zhì)弧形電極，緊密貼附并固定于流化床外壁面上，固定弧 形電極的螺栓未伸入至流化床內(nèi)，不與流化顆粒接觸。每個(gè)測(cè)量截面上均勻分布4個(gè)電極， 弧形電極的安裝位置如圖2所示，每組電極中相鄰電極的間距（電極中心之間的距離）為 25_。電極由分布板上方沿床高依次編號(hào)為1-12,在下文中以S 1-2代表利用1號(hào)和2號(hào)電極 上的靜電壓信號(hào)進(jìn)行相關(guān)計(jì)算得到的相關(guān)速度，依此類推。流化過程中，顆粒不斷進(jìn)入和離 開弧形電極感應(yīng)區(qū)域，電極表面的感應(yīng)電荷不斷發(fā)生變化，從而在檢測(cè)回路中產(chǎn)生感應(yīng)電 流，使用靜電微信號(hào)放大電路對(duì)這一靜電信號(hào)的變化進(jìn)行轉(zhuǎn)換、濾波和放大，得到感應(yīng)靜電 壓信號(hào)。采樣頻率選擇4000Hz，采樣時(shí)間為200s。
[0032]進(jìn)行實(shí)驗(yàn)采集數(shù)據(jù)：
[0033] 1)使用干燥空氣將有機(jī)玻璃流化床吹掃lOmin，隨后加入1.5kg預(yù)先干燥過的 LLDPE顆粒，靜床高為265mm。
[0034] 2)在一定的表觀氣速下將顆粒流化30min，以保證顆粒充分荷電，達(dá)到飽和。同時(shí) 采集不同軸向高度和周向位置處弧形電極上的靜電壓信號(hào)，采樣時(shí)間為200s。
[0035] 3)切斷氣源，停止流化，卸料。
[0036] 數(shù)據(jù)處理：
[0037] 1)選取距離分布板205mm和230mm處的靜電壓信號(hào)分別記為x(t)和y(t)，利用互相 關(guān)函數(shù)公式對(duì)兩個(gè)信號(hào)的數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，得到互相關(guān)函數(shù)R xy(i)，如圖3,公式如下：
[0038]
[0039] 其中T為積分時(shí)間其值為2s，τ為時(shí)間間隔；
[0040] 2)上述步驟可以得到100個(gè)互相關(guān)函數(shù)Rxy(i)，選取每一個(gè)互相關(guān)函數(shù)中互相關(guān)系 數(shù)最大值和對(duì)應(yīng)的渡越時(shí)間得到100個(gè)(Tm，R)點(diǎn)，如圖4，結(jié)合最大互相關(guān)系數(shù)閾值(>0.6) 進(jìn)行篩選，然后利用相關(guān)速度計(jì)算公式得到上下游靜電壓信號(hào)的互相關(guān)系數(shù)及相關(guān)速度 v。，公式如下：
[0041]
[0042] 其中V。為相關(guān)速度，L為上下游電極幾何中心之間的距離相關(guān)速度；
[0043] 3)對(duì)顆粒相關(guān)速度歸一化后得到其概率密度分布，如圖5;
[0044] 4)將所有同組相鄰電極計(jì)算得到的顆粒群相關(guān)速度的歸一化概率密度分布曲線 畫在同一坐標(biāo)圖上，如圖6,結(jié)合電極的具體位置，推測(cè)該氣速下，動(dòng)態(tài)料位的波動(dòng)區(qū)間為 320~430mm，平均料位高度為375mm。實(shí)驗(yàn)過程中通過攝像法觀察到的動(dòng)態(tài)料位波動(dòng)區(qū)間為 340~440mm，平均料位高度為390mm，與通過顆粒群相關(guān)速度分布判斷的料位波動(dòng)區(qū)間基本 相符，相對(duì)誤差為3.8%。
[0045] 實(shí)施例2
[0046]將實(shí)施例1中的流化床換成直徑為420mm的有機(jī)玻璃流化床，LLDPE顆粒的料重增 加到13.5g，保證靜床高與實(shí)施例1保持一致。電極排布如圖7所示，使用與流化床匹配的環(huán) 形感應(yīng)電極陣列，感應(yīng)電極的寬帶度為40mm，電極陣列排布方式與實(shí)施例1 一致，采樣頻率 提高到6000Hz，將表觀氣速增大至0.7m/s。
[0047]進(jìn)行實(shí)驗(yàn)采集數(shù)據(jù)：
[0048] 1)使用干燥空氣將有機(jī)玻璃流化床吹掃lOmin，隨后加入13.5kg預(yù)先干燥過的 LLDPE顆粒，靜床高為265mm。
[0049] 2)在一定的表觀氣速下將顆粒流化30min，以保證顆粒充分荷電，達(dá)到飽和。同時(shí) 采集不同軸向高度和周向位置處弧形電極上的靜電壓信號(hào)，采樣時(shí)間為200s。
[0050] 3)切斷氣源，停止流化，卸料。
[0051]采集數(shù)據(jù)后計(jì)算顆粒相關(guān)速度，得到不同位置處顆粒相關(guān)速度的歸一化概率密度 分布如圖8。
[0052]結(jié)合電極的具體位置，推測(cè)該氣速下，動(dòng)態(tài)料位的波動(dòng)區(qū)間為405~605mm，平均料 位高度為505mm。實(shí)驗(yàn)過程中觀察到的動(dòng)態(tài)料位波動(dòng)區(qū)間為390~590mm，平均料位高度為 490_，與通過顆粒群相關(guān)速度分布判斷的料位波動(dòng)區(qū)間基本相符，相對(duì)誤差為3.1%。
[0053] 實(shí)施例3
[0054] 實(shí)驗(yàn)裝置和實(shí)驗(yàn)方法與實(shí)施例1相同。流化顆粒換成PP顆粒，顆粒的物性參數(shù)如表 3所示，屬于Geldart D類顆粒，由傳統(tǒng)壓降法測(cè)量得到的起始流化速度(umf)為0.5m/s，該顆 粒的料重及實(shí)驗(yàn)氣速范圍如表4所示。
[0055]表3 PP顆粒的部分物性參數(shù)
[0056]
[0057] 表4 PP顆粒料重及實(shí)驗(yàn)氣速 [0058]
[0059] 信號(hào)采集方法和數(shù)據(jù)處理方法均與實(shí)施例1相同，得到不同位置處顆粒群相關(guān)速 度的歸一化概率密度分布如圖9。
[0060] 結(jié)合電極的具體位置，推測(cè)該氣速下，動(dòng)態(tài)料位的波動(dòng)區(qū)間為380~580mm，平均料 位高度為480mm。實(shí)驗(yàn)過程中觀察到的動(dòng)態(tài)料位波動(dòng)區(qū)間為365~565mm，平均料位高度為 465_，與通過顆粒群相關(guān)速度分布判斷的料位波動(dòng)區(qū)間基本相符，相對(duì)誤差為3.2%。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種流化床中動(dòng)態(tài)料位的測(cè)量方法，其特征在于，所述方法包括W下步驟： 1) 使用帶感應(yīng)式靜電傳感器陣列的靜電信號(hào)采集設(shè)備連續(xù)采集氣固流化床中的感應(yīng) 靜電壓信號(hào)； 2) 利用上下游相鄰電極檢測(cè)到的感應(yīng)靜電壓信號(hào)，結(jié)合互相關(guān)計(jì)算方法，得到顆粒運(yùn) 動(dòng)經(jīng)過上下游電極的相關(guān)速度： L, 其中Vc為荷電顆粒運(yùn)動(dòng)的相關(guān)速度(m/s)，L為上下游相鄰電極中屯、間的距離(m)，Tm為 上下游感應(yīng)靜電壓信號(hào)的渡越時(shí)間（S)，由互相關(guān)計(jì)算方法得到； 3) 計(jì)算一段信號(hào)采集時(shí)間內(nèi)得到的多個(gè)顆粒相關(guān)速度的歸一化概率密度分布，對(duì)比不 同軸向位置處電極檢測(cè)到的顆粒相關(guān)速度的歸一化概率密度分布特征，得到流化床的動(dòng)態(tài) 料位波動(dòng)區(qū)間： 與相鄰的軸向位置較低的一組上下游電極相比，當(dāng)一組電極測(cè)量得到的顆粒相關(guān)速度 分布范圍發(fā)生突變，由完全為正速度轉(zhuǎn)變?yōu)榧扔姓俣?，又有?fù)速度時(shí)，則表明該測(cè)量位置 位于動(dòng)態(tài)料位的下方； 當(dāng)顆粒相關(guān)速度分布由同時(shí)存在向上和向下的運(yùn)動(dòng)速度，或只存在向下的運(yùn)動(dòng)速度， 轉(zhuǎn)變?yōu)闊o法測(cè)量到有效的靜電信號(hào)時(shí)，說明該位置處于動(dòng)態(tài)料位波動(dòng)區(qū)頂部； 從而獲得流化床動(dòng)態(tài)料位波動(dòng)區(qū)間，由此確定的動(dòng)態(tài)料位波動(dòng)區(qū)間底部和頂部位置對(duì) 應(yīng)的電極軸向高度的平均值，即為平均料位高度。2. 如權(quán)利要求1所述的一種流化床動(dòng)態(tài)料位的檢測(cè)方法，其特征在于，所述的靜電信號(hào) 采集設(shè)備包括由感應(yīng)式靜電傳感器陣列、靜電微信號(hào)放大電路、數(shù)據(jù)采集卡和計(jì)算機(jī)。3. 如權(quán)利要求1所述的一種流化床動(dòng)態(tài)料位的檢測(cè)方法，其特征在于，所述的感應(yīng)式靜 電傳感器陣列中的靜電感應(yīng)電極為弧形或環(huán)形，電極寬度與流化床外徑的比例為1/50~1/ 15,電極厚度為1~4mm;當(dāng)靜電感應(yīng)電極為弧形時(shí)，電極弧度為30°~60°，同一軸向高度處 周向電極的安裝個(gè)數(shù)為1~6個(gè)。4. 如權(quán)利要求1所述的一種流化床動(dòng)態(tài)料位的檢測(cè)方法，其特征在于，所述的感應(yīng)式靜 電傳感器陣列中，相鄰電極中屯、之間的間距為10~50mm。5. 如權(quán)利要求1所述的一種流化床動(dòng)態(tài)料位的檢測(cè)方法，其特征在于，所述的靜電信號(hào) 采集設(shè)備的采樣頻率是0~20曲Z。6. 如權(quán)利要求5所述的一種流化床動(dòng)態(tài)料位的檢測(cè)方法，其特征在于，所述的靜電信號(hào) 采集設(shè)備的采樣頻率不超過10曲Z。
【文檔編號(hào)】G01F23/22GK105973343SQ201610486952
【公開日】2016年9月28日
【申請(qǐng)日】2016年6月23日
【發(fā)明人】黃正梁, 王靖岱, 張擎, 婁浙棟, 楊遙, 董克增, 葛世軼, 陽永榮, 蔣斌波, 廖祖維, 孫婧元, 陸飛鵬, 范小強(qiáng), 王浩同
【申請(qǐng)人】浙江大學(xué)