一種流化床中動態料位的檢測方法
【專利摘要】本發明公開了一種流化床中動態料位的測量方法，包括1)使用感應式靜電傳感器陣列連續采集氣固流化床中的感應靜電壓信號；2)利用上下游相鄰電極檢測到的感應靜電壓信號計算顆粒相關速度，并得到相關速度的歸一化概率密度分布；3)對比不同軸向位置處電極檢測到的顆粒相關速度的歸一化概率密度分布特征，得到流化床的動態料位波動區間。本方法具有精度高、在線、非侵入式的特點，設備結構簡單，適用性廣。
【專利說明】
一種流化床中動態料位的檢測方法
技術領域
[0001] 本發明屬于氣固兩相流測量技術領域，具體涉及一種基于相關速度測量的氣固流 化床動態料位的檢測方法。
【背景技術】
[0002] 氣固流化床的料位高度是流化床的基本參數之一。例如，在烯烴聚合流化床反應 器中，料位高度直接影響著聚烯烴產品的質量和產量，及時、準確地檢測料位高度，不但能 維持流化床流化質量的穩定，而且可確保流化床在最佳流化高度下進行操作，從而獲得高 產量。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，測量流化床料位的方法主要有壓降法、測溫法、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間的壓差大致等于這兩點間床層靜壓頭，根據顆粒重量沿流化 床軸向分布來確定料位高度。這種方法原理簡單、直觀，但是由于流化床的平均密度隨床高 而變，因而測量值與實際值之間往往誤差較大。測溫法適用于有化學反應的流化床。當流化 床內存在化學反應時，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溫計，測出各點處的溫度，根據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，因此很難準確地估計出實際 床層高度。電容法通過測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 于測量元件需要插入流化床內，因而探頭的磨損腐蝕以及靜電等會直接影響測量精度。回 波法是在床的頂部安裝一個信號發射器(如超聲波無線電波或γ射線等），然后測量被料面 反射的回波信號，根據信號自發射到接收所經歷的時間，而計算出料位的高度。回波法雖然 應用了先進的測試手段，但測量系統復雜，價格昂貴，測量精度還有待進一步提高。綜上所 述，流化床料位高度的檢測方法雖有一些，但是各種測量方法作為實際應用都不夠令人滿 意，特別像測溫法和電容法適用范圍有限。因此，開發一種精確的、非侵入式的流化床動態 料位在線檢測方法，對于監測流化質量、提高流化床產量和產品質量具有重大的意義。
【發明內容】
[0004] -種流化床中動態料位的測量方法，其特征在于，所述方法包括以下步驟：
[0005] 1)使用感應式靜電傳感器陣列連續采集氣固流化床中的感應靜電壓信號；
[0006] 2)利用上下游相鄰電極檢測到感應靜電壓信號，結合互相關計算方法，得到顆粒 運動經過上下游電極的相關速度： L
[0007] ^ =-
[0008] 其中vc為荷電顆粒運動的相關速度(m/s)，L為上下游相鄰電極中心間的距離(m)， ^為上下游感應靜電壓信號的渡越時間（s)，由互相關計算方法得到；
[0009] 3)計算一段信號采集時間內得到的多個顆粒相關速度的歸一化概率密度分布，對 比不同軸向位置處電極檢測到的顆粒相關速度的歸一化概率密度分布特征，得到流化床的 動態料位波動區間：與相鄰的軸向位置較低的一組上下游電極相比，當一組電極測量得到 的顆粒相關速度分布寬度不再變寬，概率密度峰值對應的相關速度不再增大時，說明該位 置處于動態料位波動區底部；當顆粒相關速度分布同時體現出向上和向下運動的顆粒速度 時，說明該位置處于動態料位波動區間內，且隨著床層軸向高度的增加，向下運動的顆粒相 關速度概率密度增大；當顆粒相關速度分布主要集中于向下的顆粒運動，即相關速度主要 為負值時，說明該位置處于動態料位波動區頂部，從而獲得了流化床動態料位波動區間。由 此確定的動態料位波動區間底部和頂部位置對應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的設備包括由感應電極陣列、靜電微信號放大電路、數據采 集卡和計算機。
[0011] 所述的靜電感應電極可以為弧形或環形，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數為1 ~6個。
[0012] 所述的感應電極陣列中，相鄰電極中心之間的間距為10~50mm。
[0013]所述的采集靜電信號所用的采樣頻率是0~20kHz。
[0014]所述的采集靜電信號所用的采樣頻率不超過10kHz。
[0015] 所述的檢測方法同時具備在線、不侵入流化床、結果精確的優點，對于監測流化質 量、提高流化床產量和產品質量具有重大的意義。
【附圖說明】
[0016] 圖1為有機玻璃流化床冷模實驗裝置示意圖
[0017] 圖2為實施例1和3的弧形電極安裝位置示意圖
[0018] 圖3為實施例1的互相關函數示意圖
[0019] 圖4為實施例1的上下游靜電壓信號的互相關系數示意圖
[0020] 圖5為實施例1的顆粒群相關速度歸一化概率密度分布(H 205-230mm)
[0021 ]圖6為實施例1的不同軸向高度處顆粒相關速度歸一化概率密度分布及其對應的 流化區域
[0022] 圖7為實施例2的環形電極安裝位置示意圖
[0023] 圖8為實施例2的不同軸向高度處顆粒相關速度歸一化概率密度分布及其對應的 流化區域
[0024] 圖9為實施例3的不同軸向高度處顆粒相關速度歸一化概率密度分布及其對應的 流化區域
【具體實施方式】 [0025] 實施例1
[0026]采用有機玻璃流化床冷模實驗裝置進行實驗，裝置示意圖如圖1所示，由流化系統 和檢測系統組成，1是計算機，2是數據采集卡，3是風機，4是干燥器，5是流量計，6是進氣閥。 流化顆粒為LLDPE顆粒，顆粒的物性參數如表1所示，屬于Geldart B類顆粒，由傳統壓降法 測量得到的起始流化速度(umf)為0.2m/s。流化氣體的相對濕度為8~15 %，實驗在室溫下進 行。在實驗涉及的表觀氣速(u)下，流化床始終處于鼓泡流化狀態。表2所示為該顆粒的料重 及實驗氣速范圍。
[0027] 表1 LLDPE顆粒的部分物性參數
[0028]
[0029] 表2 B類型流化顆粒料重及實驗氣速
[0030]
[0031] 檢測系統由弧形感應電極、靜電微信號放大電路、數據采集卡(NI，USB-6212)和計 算機構成。其中弧形感應電極為銅質弧形電極，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，不與流化顆粒接觸。每個測量截面上均勻分布4個電極， 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為1-12,在下文中以S 1-2代表利用1號和2號電極 上的靜電壓信號進行相關計算得到的相關速度，依此類推。流化過程中，顆粒不斷進入和離 開弧形電極感應區域，電極表面的感應電荷不斷發生變化，從而在檢測回路中產生感應電 流，使用靜電微信號放大電路對這一靜電信號的變化進行轉換、濾波和放大，得到感應靜電 壓信號。采樣頻率選擇4000Hz，采樣時間為200s。
[0032]進行實驗采集數據：
[0033] 1)使用干燥空氣將有機玻璃流化床吹掃lOmin，隨后加入1.5kg預先干燥過的 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，達到飽和。同時 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，采樣時間為200s。
[0035] 3)切斷氣源，停止流化，卸料。
[0036] 數據處理：
[0037] 1)選取距離分布板205mm和230mm處的靜電壓信號分別記為x(t)和y(t)，利用互相 關函數公式對兩個信號的數據進行計算，得到互相關函數R xy(i)，如圖3,公式如下：
[0038]
[0039] 其中T為積分時間其值為2s，τ為時間間隔；
[0040] 2)上述步驟可以得到100個互相關函數Rxy(i)，選取每一個互相關函數中互相關系 數最大值和對應的渡越時間得到100個(Tm，R)點，如圖4，結合最大互相關系數閾值(>0.6) 進行篩選，然后利用相關速度計算公式得到上下游靜電壓信號的互相關系數及相關速度 v。，公式如下：
[0041]
[0042] 其中V。為相關速度，L為上下游電極幾何中心之間的距離相關速度；
[0043] 3)對顆粒相關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算得到的顆粒群相關速度的歸一化概率密度分布曲線 畫在同一坐標圖上，如圖6,結合電極的具體位置，推測該氣速下，動態料位的波動區間為 320~430mm，平均料位高度為375mm。實驗過程中通過攝像法觀察到的動態料位波動區間為 340~440mm，平均料位高度為390mm，與通過顆粒群相關速度分布判斷的料位波動區間基本 相符，相對誤差為3.8%。
[0045] 實施例2
[0046]將實施例1中的流化床換成直徑為420mm的有機玻璃流化床，LLDPE顆粒的料重增 加到13.5g，保證靜床高與實施例1保持一致。電極排布如圖7所示，使用與流化床匹配的環 形感應電極陣列，感應電極的寬帶度為40mm，電極陣列排布方式與實施例1 一致，采樣頻率 提高到6000Hz，將表觀氣速增大至0.7m/s。
[0047]進行實驗采集數據：
[0048] 1)使用干燥空氣將有機玻璃流化床吹掃lOmin，隨后加入13.5kg預先干燥過的 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，達到飽和。同時 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，采樣時間為200s。
[0050] 3)切斷氣源，停止流化，卸料。
[0051]采集數據后計算顆粒相關速度，得到不同位置處顆粒相關速度的歸一化概率密度 分布如圖8。
[0052]結合電極的具體位置，推測該氣速下，動態料位的波動區間為405~605mm，平均料 位高度為505mm。實驗過程中觀察到的動態料位波動區間為390~590mm，平均料位高度為 490_，與通過顆粒群相關速度分布判斷的料位波動區間基本相符，相對誤差為3.1%。
[0053] 實施例3
[0054] 實驗裝置和實驗方法與實施例1相同。流化顆粒換成PP顆粒，顆粒的物性參數如表 3所示，屬于Geldart D類顆粒，由傳統壓降法測量得到的起始流化速度(umf)為0.5m/s，該顆 粒的料重及實驗氣速范圍如表4所示。
[0055]表3 PP顆粒的部分物性參數
[0056]
[0057] 表4 PP顆粒料重及實驗氣速 [0058]
[0059] 信號采集方法和數據處理方法均與實施例1相同，得到不同位置處顆粒群相關速 度的歸一化概率密度分布如圖9。
[0060] 結合電極的具體位置，推測該氣速下，動態料位的波動區間為380~580mm，平均料 位高度為480mm。實驗過程中觀察到的動態料位波動區間為365~565mm，平均料位高度為 465_，與通過顆粒群相關速度分布判斷的料位波動區間基本相符，相對誤差為3.2%。
【主權項】
1. 一種流化床中動態料位的測量方法，其特征在于，所述方法包括W下步驟： 1) 使用帶感應式靜電傳感器陣列的靜電信號采集設備連續采集氣固流化床中的感應 靜電壓信號； 2) 利用上下游相鄰電極檢測到的感應靜電壓信號，結合互相關計算方法，得到顆粒運 動經過上下游電極的相關速度： L, 其中Vc為荷電顆粒運動的相關速度(m/s)，L為上下游相鄰電極中屯、間的距離(m)，Tm為 上下游感應靜電壓信號的渡越時間（S)，由互相關計算方法得到； 3) 計算一段信號采集時間內得到的多個顆粒相關速度的歸一化概率密度分布，對比不 同軸向位置處電極檢測到的顆粒相關速度的歸一化概率密度分布特征，得到流化床的動態 料位波動區間： 與相鄰的軸向位置較低的一組上下游電極相比，當一組電極測量得到的顆粒相關速度 分布范圍發生突變，由完全為正速度轉變為既有正速度，又有負速度時，則表明該測量位置 位于動態料位的下方； 當顆粒相關速度分布由同時存在向上和向下的運動速度，或只存在向下的運動速度， 轉變為無法測量到有效的靜電信號時，說明該位置處于動態料位波動區頂部； 從而獲得流化床動態料位波動區間，由此確定的動態料位波動區間底部和頂部位置對 應的電極軸向高度的平均值，即為平均料位高度。2. 如權利要求1所述的一種流化床動態料位的檢測方法，其特征在于，所述的靜電信號 采集設備包括由感應式靜電傳感器陣列、靜電微信號放大電路、數據采集卡和計算機。3. 如權利要求1所述的一種流化床動態料位的檢測方法，其特征在于，所述的感應式靜 電傳感器陣列中的靜電感應電極為弧形或環形，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;當靜電感應電極為弧形時，電極弧度為30°~60°，同一軸向高度處 周向電極的安裝個數為1~6個。4. 如權利要求1所述的一種流化床動態料位的檢測方法，其特征在于，所述的感應式靜 電傳感器陣列中，相鄰電極中屯、之間的間距為10~50mm。5. 如權利要求1所述的一種流化床動態料位的檢測方法，其特征在于，所述的靜電信號 采集設備的采樣頻率是0~20曲Z。6. 如權利要求5所述的一種流化床動態料位的檢測方法，其特征在于，所述的靜電信號 采集設備的采樣頻率不超過10曲Z。
【文檔編號】G01F23/22GK105973343SQ201610486952
【公開日】2016年9月28日
【申請日】2016年6月23日
【發明人】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, 王浩同
【申請人】浙江大學