測(cè)量在管道中流動(dòng)的流體中具有懸浮的固體微粒的混合物的參數(shù)的裝置和方法制造方法及圖紙

提供一種裝置１０和方法，所述裝置和方法包括被置于沿管道１４的軸向布置的預(yù)定軸向位置ｘ↓［１］－ｘ↓［Ｎ］上的不穩(wěn)定壓力傳感器１５－１８的空間陣列，用于測(cè)量在管道１４內(nèi)流動(dòng)的固定微粒／流體混合物１２的至少一個(gè)參數(shù)。所述壓力傳感器１５－１８將聲壓信號(hào)Ｐ↓［１］（ｔ）－Ｐ↓［Ｎ］（ｔ）提供到信號(hào)處理單元３０，所述信號(hào)處理單元３０使用聲空間陣列信號(hào)處理技術(shù)確定管道１４內(nèi)的微粒／流體混合物１２的聲速ａ↓［ｍｉｘ］（ω）。待測(cè)的主要參數(shù)包括流體／微粒濃度，流體／微粒混合物體積流量，以及微粒尺寸。利用分散模型確定基于頻率的聲速，從而確定感興趣的參數(shù)。所述計(jì)算至少一個(gè)參數(shù)使用聲壓來(lái)進(jìn)行計(jì)算。（*該技術(shù)在2023年保護(hù)過(guò)期，可自由使用*）

【技術(shù)實(shí)現(xiàn)步驟摘要】

本專(zhuān)利技術(shù)涉及一種測(cè)量管道內(nèi)通過(guò)的流的裝置，更特別地涉及一種利用聲動(dòng)態(tài)壓力測(cè)量在流中傳播的聲速?gòu)亩_定例如管道中流的微粒/流體比、微粒尺寸以及體積流速等參數(shù)的裝置和方法，所述流具有在持續(xù)的流體中懸浮的微粒。
技術(shù)介紹
本專(zhuān)利技術(shù)提供一種測(cè)量管道中的流體/微粒混合物的參數(shù)的方法，該方法可以在許多應(yīng)用中、例如在化學(xué)、制藥、石油以及發(fā)電工業(yè)中使用。特別地，本專(zhuān)利技術(shù)提供一種在粉狀燃料傳送系統(tǒng)中使用的測(cè)量粉煤和空氣混合物的方法，該粉狀燃料傳送系統(tǒng)位于在發(fā)電工業(yè)中使用的占大比例的燃煤鍋爐中。當(dāng)前，在美國(guó)，超過(guò)50％的電是用煤產(chǎn)生的。雖然，在美國(guó)，煤被認(rèn)為是節(jié)省成本且豐富的資源，但是主要出于保護(hù)環(huán)境的考慮，煤的使用已經(jīng)受到限制。為了減輕這種影響，美國(guó)能源部門(mén)和發(fā)電企業(yè)設(shè)計(jì)了大量的計(jì)劃來(lái)發(fā)展工藝以減少燃煤的環(huán)境影響。這些潔凈煤計(jì)劃包括被設(shè)計(jì)用于在減少污染物、例如未燃煤、灰以及氮氧化物(NOx)的同時(shí)改進(jìn)燃燒過(guò)程以提高效率的技術(shù)。測(cè)量煤管道內(nèi)的流速和空氣/煤混合物的成分的能力是任何被設(shè)計(jì)用于優(yōu)化PF傳送系統(tǒng)的性能的系統(tǒng)或策略的一個(gè)重要方面。企業(yè)認(rèn)識(shí)到了這一點(diǎn)，并且因此一直在發(fā)展各種不同的技術(shù)以執(zhí)行這種測(cè)量。這些技術(shù)包括基于采樣裝置的探測(cè)器，以及基于各種不同的技術(shù)(包括靜電荷，微波，以及超聲波)的實(shí)時(shí)儀表。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路
本專(zhuān)利技術(shù)的目的包括提供一種在工業(yè)鍋爐系統(tǒng)和相關(guān)的過(guò)程、例如燃煤鍋爐系統(tǒng)中測(cè)量通過(guò)管道中的微粒/流體混合物傳播的聲速?gòu)亩_定該混合物的特定參數(shù)的系統(tǒng)。根據(jù)本專(zhuān)利技術(shù)，一種用于測(cè)量管道中微粒/流體混合物的至少一個(gè)參數(shù)的裝置包括由至少兩個(gè)壓力傳感器組成的空間陣列，所述傳感器沿管道布置在不同軸向位置上。每一個(gè)壓力傳感器在相應(yīng)的軸向位置上測(cè)量管道內(nèi)的不穩(wěn)定壓力。每一個(gè)所述傳感器在所述傳感器中相應(yīng)的一個(gè)傳感器的所述軸向位置上提供指示管道內(nèi)不穩(wěn)定壓力的壓力信號(hào)。信號(hào)處理器響應(yīng)于所述壓力信號(hào)提供指示管道內(nèi)混合物的至少一個(gè)參數(shù)的信號(hào)。根據(jù)本專(zhuān)利技術(shù)，一種用于測(cè)量管道內(nèi)微粒/流體混合物的至少一個(gè)參數(shù)的方法包括在沿管道的至少兩個(gè)預(yù)定的軸向測(cè)量位置上測(cè)量管道內(nèi)的不穩(wěn)定壓力，從而在至少兩個(gè)預(yù)定的軸向測(cè)量位置中的每一個(gè)位置上提供指示管道內(nèi)不穩(wěn)定壓力的壓力信號(hào)。此外，所述方法還包括利用在軸向測(cè)量位置上測(cè)量的不穩(wěn)定壓力計(jì)算管道中微粒/流體混合物的至少一個(gè)參數(shù)。本專(zhuān)利技術(shù)的上述以及其它目的、特征和優(yōu)點(diǎn)根據(jù)下面對(duì)其示范性實(shí)施方式的詳細(xì)描述將變得更顯而易見(jiàn)。附圖說(shuō)明附圖1是根據(jù)本專(zhuān)利技術(shù)的、用于測(cè)量在管道中流動(dòng)的流體/微粒混合物的聲速的流量計(jì)的方框圖。附圖2是根據(jù)本專(zhuān)利技術(shù)的在燃煤鍋爐系統(tǒng)中的粉狀燃料(PF)/空氣混合物參數(shù)測(cè)量系統(tǒng)的示意圖。附圖3是表示附圖2所示系統(tǒng)特有的煤的微粒尺寸的放大的照片。附圖4是根據(jù)本專(zhuān)利技術(shù)的、混合物的聲速與按照空氣/煤質(zhì)量流比的頻率的關(guān)系曲線圖。附圖5是根據(jù)本專(zhuān)利技術(shù)的、作為空氣/煤混合物頻率的函數(shù)的聲速的實(shí)際數(shù)據(jù)和模型的曲線圖。附圖6是表示根據(jù)本專(zhuān)利技術(shù)針對(duì)PF/空氣混合物參數(shù)測(cè)量系統(tǒng)的不同陣列的聲速的標(biāo)準(zhǔn)偏差與頻率的關(guān)系曲線圖。附圖7是根據(jù)本專(zhuān)利技術(shù)作為頻率的函數(shù)的聲速的曲線圖，該頻率是具有固定的微粒尺寸(50毫米)和變化的空氣/燃料質(zhì)量比的空氣/煤混合物的頻率。附圖8是根據(jù)本專(zhuān)利技術(shù)作為頻率的函數(shù)的聲速的曲線圖，該頻率是具有變化的微粒尺寸而空氣/燃料質(zhì)量比等于1.8的空氣/煤混合物的頻率。附圖9是根據(jù)本專(zhuān)利技術(shù)的作為空氣/煤比率的函數(shù)的聲速的曲線圖。附圖10是根據(jù)本專(zhuān)利技術(shù)用于從分析模型以及用試驗(yàn)方法確定的分散的聲速數(shù)據(jù)中確定空氣/燃料比和微粒尺寸的優(yōu)化過(guò)程的流程圖。附圖11是將附圖10的優(yōu)化過(guò)程應(yīng)用于由傳感器陣列記錄的數(shù)據(jù)的結(jié)果的曲線圖，所述傳感器陣列監(jiān)聽(tīng)6英寸圓環(huán)管道中微粒尺寸為50微米、氣流速率為100英尺/秒、空氣/燃料比為1.8的流。附圖12是將附圖10的優(yōu)化過(guò)程應(yīng)用于一系列具有變化的空氣/燃料比的數(shù)據(jù)集的結(jié)果的曲線圖。附圖13是根據(jù)本專(zhuān)利技術(shù)由壓力傳感器陣列處理的數(shù)據(jù)的kω曲線圖，所述壓力傳感器用于測(cè)量在管道中流動(dòng)的煤/空氣混合物的聲速。附圖14是根據(jù)本專(zhuān)利技術(shù)的具有PVDF的多個(gè)壓力傳感器的側(cè)視圖，所述壓力傳感器夾到管道的外表面上。附圖15是附圖14的一個(gè)壓力傳感器的局部透視圖。具體實(shí)施例方式參照附圖1，提供一種實(shí)施本專(zhuān)利技術(shù)的流量計(jì)10，該流量計(jì)測(cè)量固體微粒的混合物12的多個(gè)參數(shù)/特征，所述固體微粒懸浮在管道或?qū)Ч?4中流動(dòng)的持續(xù)流體中，其中，將流體限定為液體和/或氣體。該流量計(jì)可以被配置成和設(shè)計(jì)成測(cè)量通過(guò)混合物傳播的聲速。該流量計(jì)可以測(cè)量混合物流12的下面的參數(shù)中的至少一個(gè)流體/微粒濃度(體積相位分?jǐn)?shù)volumetric phase fraction)，體積流率，固體微粒的尺寸，混合物的質(zhì)量流量，以及混合物的速度。為了確定這些參數(shù)的任何一個(gè)，流量計(jì)10測(cè)量由通過(guò)在管道14中流動(dòng)的混合物傳播的聲速(SOS)產(chǎn)生的不穩(wěn)定壓力，這將在下文中更詳細(xì)地描述。混合物12的固體微粒可以是任何尺寸、形狀和材料。例如，該微粒的尺寸可以小到粉末形式、顆粒形式，或尺寸更大。流量計(jì)10可以在任何傳送在通過(guò)管道的流體中懸浮的固體微粒的應(yīng)用中使用，例如在化學(xué)、制藥、石油以及發(fā)電的應(yīng)用中使用。例如，本專(zhuān)利技術(shù)非常適用于測(cè)量發(fā)電系統(tǒng)的參數(shù)(例如，空氣/煤比率，微粒尺寸)，該發(fā)電系統(tǒng)使用粉煤來(lái)點(diǎn)燃蒸汽鍋爐系統(tǒng)的爐子。作為一個(gè)實(shí)例，本專(zhuān)利技術(shù)將在用于發(fā)電的粉狀燃料(PF)傳送系統(tǒng)的上下文中論述，但是應(yīng)當(dāng)理解，該流量計(jì)也可以應(yīng)用于許多如上文所述的其它的應(yīng)用。附圖2的燃煤鍋爐系統(tǒng)2中示出了典型的PF傳送系統(tǒng)1。煤在磨粉機(jī)3中被粉碎并夾帶在空氣中，從而通過(guò)用于傳送的管道12將PF/空氣混合物傳輸?shù)綘t子6，所述空氣由多種裝置、如風(fēng)扇4產(chǎn)生。典型的爐子具有多于50個(gè)煤管道，每一個(gè)煤管道的直徑為12-20英寸。典型地，大于300Mw的大型實(shí)用鍋爐可具有4-11臺(tái)給爐供給的磨粉機(jī)。PF傳送系統(tǒng)將適當(dāng)數(shù)量的燃料和空氣共同地和分別地通過(guò)這些多個(gè)煤管道傳送到爐子的能力，對(duì)該燃煤鍋爐的性能以及排放有著很強(qiáng)的影響。眾所周知，PF傳送系統(tǒng)1中的不均勻性可以導(dǎo)致燃料/空氣比的變化，造成熱點(diǎn)、高NOx產(chǎn)生區(qū)域以及未燃燒的燃料。必須充分地認(rèn)識(shí)PF燃料傳送系統(tǒng)1和鍋爐系統(tǒng)2的性能之間的聯(lián)系。包含了本專(zhuān)利技術(shù)的流量計(jì)10能夠測(cè)量燃料/空氣比以及提供給爐子的粉煤的微粒尺寸，從而向操作者提供反饋，以提供煤的更有效的燃燒。如上所述，本專(zhuān)利技術(shù)的流量計(jì)10可以被配置和設(shè)計(jì)成測(cè)量并處理檢測(cè)到的不穩(wěn)定壓力P1(t)-PN(t))，從而確定混合物流12的參數(shù)，該不穩(wěn)定壓力由通過(guò)混合物傳播的聲波產(chǎn)生。附圖1表示了一個(gè)這樣的流量計(jì)10，該流量計(jì)測(cè)量通過(guò)流體/微粒混合物傳播的一維聲波的聲速(SOS)，從而確定混合物的成分，也就是混合物的流體/微粒比。該流量計(jì)也可以確定微粒的平均尺寸、混合物的速度以及混合物的體積流率。眾所周知，在例如SONAR和RADAR場(chǎng)中，聲音通過(guò)不同的介質(zhì)以不同的速度傳播。管道14內(nèi)的混合物的聲速可以使用多種公知的技術(shù)來(lái)確定，例如在2002年3月12日授權(quán)的標(biāo)題為“Fluid ParameterMeasurement in Pipes Using Acoustic Pressures”的美國(guó)專(zhuān)利No.6354147和2001年本文檔來(lái)自技高網(wǎng)...

【技術(shù)保護(hù)點(diǎn)】
一種測(cè)量管道中微粒／流體混合物的至少一個(gè)參數(shù)的裝置，包括：　　　　至少兩個(gè)壓力傳感器的空間陣列，所述傳感器布置在沿管道的不同軸向位置上，并且每一個(gè)所述傳感器在相應(yīng)的軸向位置上測(cè)量管道內(nèi)的不穩(wěn)定壓力，每一個(gè)所述傳感器在所述傳感器中相應(yīng)的一個(gè)傳感器的所述軸向位置上提供指示管道內(nèi)的不穩(wěn)定壓力的壓力信號(hào)；以及　　　　信號(hào)處理器，所述信號(hào)處理器響應(yīng)于所述壓力信號(hào)，并且提供指示管道內(nèi)混合物的至少一個(gè)參數(shù)的信號(hào)。

【技術(shù)特征摘要】
...

【專(zhuān)利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：DL吉斯林，DH羅斯，
申請(qǐng)(專(zhuān)利權(quán))人：塞德拉公司，
類(lèi)型：發(fā)明
國(guó)別省市：US[美國(guó)]