文丘里法管道煤粉流量測量的實(shí)驗(yàn)研究_圖文

1、CN 11-2223/N 清華大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版 J T singh ua Un iv (Sci &Tech , 2007年第47卷第5期2007, V o l. 47, N o. 515/36670-673文丘里法管道煤粉流量測量的實(shí)驗(yàn)研究謝菲, 丁艷軍, 吳占松(清華大學(xué)熱能工程系, 熱科學(xué)與動力工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 北京100084 收稿日期:2006-04-29作者簡介:謝菲(1978 , 女(漢 , 湖北, 博士研究生。:, 摘要:通過實(shí)驗(yàn)確定了用文丘里(V enturi 法測量煤粉流量的可行性。根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù), 得出了3種不同管型參數(shù)、固氣比Z 和氣體速度u 與差壓$p 1m 、

2、$p 2m 的關(guān)系, 從物理意義上分析了上述關(guān)系的合理性, 并進(jìn)一步分析了氣固兩相流流經(jīng)文丘里管產(chǎn)生壓力損失的機(jī)理。從測量精度、重復(fù)性和壓力損失等方面對3種不同的文丘里管進(jìn)行了比較研究, 得到了設(shè)計(jì)文丘里流量計(jì)的基本方法。在實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上, 標(biāo)定了3種文丘里流量計(jì)的系數(shù)。實(shí)驗(yàn)表明, 管徑比為0. 71的文丘里管測量煤粉流量的最大誤差不超過5%。關(guān)鍵詞:煤粉; 文丘里法; 流量測量中圖分類號:T K 312文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A文章編號:1000-0054(2007 05-0670-04Experimental investigation of pipelinepulverized coal flow m

3、easurements usinga Venturi tubeXIE Fei , DING Yanjun , WU Zh an song(Key Laboratory for Thermal S cience and Power Engineering of Ministry of Education , Department of Thermal Engineering ,T s inghua University , Beij ing 100084, China Abstract :T he feasibility of measu ring mass flow rate of pulve

4、rized coal w ith a Venturi tube w as demonstrated experimentally. T he differential press ures $p 1m an d $p 2m were related to the geometry of three different Venturi tub e designs an d various particle-to-gas loading r atios, Z , and gas velocities , u , in the experiments. T he pressu re loss mec

5、hanis m in the gas-solid tw o-phase flow in the Ven tu ri tube w as an alyz ed based on the meas urem ents. M eth odologies for designing Venturi flow meters w ere developed to improve meas urement precision an d repeatab ility, and to minimize the press ure los ses. Fin ally, the flow coefficients

6、of the three typ es of Venturi flow meters w ere determined from the exper imental data. T he m aximum m easuremen t error is les s than 5%for the Venturi tube w ith a throat-to-inlet diam eter ratio of 0. 71.Key words :pulverized coal; Venturi meth od; flow measur ement電站管道煤粉流量的在線測量是燃煤鍋爐機(jī)組安全、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的關(guān)

7、鍵技術(shù)。由于兩相流動的復(fù)雜性直是一個難題?，F(xiàn)有測量方法大多不能滿足連續(xù)測量和自動化控制的要求1, 2。對差壓式流量計(jì), 特別是用于測量氣固兩相流的文丘里(Venturi 管, 已經(jīng)進(jìn)行了大量的研究3-5。本文從實(shí)驗(yàn)研究和理論分析2方面對基于文丘里法的管道煤粉流量測量進(jìn)行研究, 確定了用文丘里法測量煤粉流量的可行性。1實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)煤粉流量計(jì)實(shí)驗(yàn)臺是參照電站鍋爐實(shí)際的煤粉吹送系統(tǒng)設(shè)計(jì)建造的。圖1給出了實(shí)驗(yàn)臺的系統(tǒng)示意圖。實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)采用螺旋給料機(jī), 利用送風(fēng)機(jī)的高速1空氣穩(wěn)壓管; 2蝶閥; 3風(fēng)速儀; 4給料機(jī); 5調(diào)速電機(jī); 6實(shí)驗(yàn)段; 7差壓測量電路; 8數(shù)據(jù)采集裝置; 9微機(jī); 10中間煤斗; 11

8、測量煤斗; 12J 閥; 13儲存煤斗; 14兩級旋風(fēng)分離器; 15閥門;16布袋除塵器。圖1實(shí)驗(yàn)臺的系統(tǒng)示意圖氣流輸送煤粉, 模擬管道的煤粉輸送方式。流經(jīng)一定長度的穩(wěn)定段后, 通過文丘里管實(shí)驗(yàn)段, 然后進(jìn)入旋風(fēng)除塵器和布袋除塵器?？梢酝ㄟ^調(diào)節(jié)送風(fēng)閥和引風(fēng)閥得到不同的空氣速度。實(shí)驗(yàn)利用標(biāo)定后的螺旋給料機(jī)提供的動態(tài)數(shù)據(jù)作為系統(tǒng)真實(shí)的進(jìn)料值。文丘里管的幾何結(jié)構(gòu)如圖2所示, 實(shí)驗(yàn)中管段可拆卸。其中, 3種文丘里管的具體參數(shù)見表1, 管道直徑D 為200m m, d 為喉部段直徑, B =d /D 為管徑比。L 1、L 2和L 3分別是文丘里管收縮段、喉部段和漸擴(kuò)段的長度。圖2文丘里管示意圖表1文丘里

9、管幾何參數(shù)表1460. 73200600500差壓$p 1、$p 2的測量位置如圖3所示。取壓管是內(nèi)徑為6mm 的不銹鋼管, 端頭與文丘里管內(nèi)壁齊平, 且無毛刺。2測點(diǎn)與水平中心線成45, 2取壓管經(jīng)過三通管再與差壓計(jì)連接。為了防止極少量的固體顆粒進(jìn)入差壓計(jì), 影響測量精度, 差壓計(jì)安裝的垂直位置應(yīng)略高于取壓管。給粉位置與測量管段的距離3m , 可以保證來流的均勻性。圖3文丘里管差壓測量位置差壓計(jì)的輸出電流(420m A 經(jīng)過標(biāo)準(zhǔn)電阻, 轉(zhuǎn)化成電壓信號, 經(jīng)過端子板由數(shù)據(jù)采集卡(華碩pcl-813, 32通道, A/D 采集卡 采集到工業(yè)控制計(jì)算機(jī)中。本實(shí)驗(yàn)中測量差壓$p 1、$p 2選用的是

10、NDY-1151電容式差壓變送器, 量程分別為02kPa 和01kPa , 精度為0. 5%。2測量原理測量原理見文6。3測量結(jié)果的比較和分析3. 1測量精度的比較質(zhì)量流量之比 變化10%, B 為0. 69、0. 71、0. 73的文丘里管入口與喉部差壓變化分別為25、20、15Pa, 出口與喉部差壓變化分別為13、10、8Pa 。可見B 是影響文丘里管測量精度的關(guān)鍵參數(shù)。B 越小, 精度越高, 靈敏度系數(shù)越大, 文丘里管對固體流量變化越敏感。3. 2不同管型時固氣比、氣體速度與差壓關(guān)系比較本文中, 文丘里管內(nèi)氣固兩相流動的數(shù)值模擬采用了雙流體模型, 并選用RNG k -E 模型使方程封閉。

11、計(jì)算軟件是Fluent 6. 1。圖4給出了當(dāng)氣體速度u =20m/s 時, 不同管型(見表1 的文丘里管固氣比Z 與差壓$p 1m 、$p 2m 關(guān)系的比較。圖4不同管型時固氣比與差壓的關(guān)系(u =20m /s $p 1m 和$p 2m 分別是混合物通過文丘里管時入口和喉部以及喉部和出口的差壓值。$p 1m 0表示流體增速減壓的過程。$p 2m 0, 2m d Z d($p 2m d Z. (2式(1 、(2 與氣固兩相流流經(jīng)文丘里管的流動行為是吻合的。在喉部段, 氣體帶動顆粒加速, 隨著顆粒濃度的增加, 喉部處顆粒獲得的總動能增加, 這部分動能由氣體提供, 因此氣固兩相流的差壓$p 1m

12、, 671謝菲, 等:文丘里法管道煤粉流量測量的實(shí)驗(yàn)研究于顆粒的加入, 改變了流體的壓力特性。主流區(qū)顆粒速度大于氣體速度, 顆粒帶動氣體加速, 減緩了氣體減速增壓的過程。固體顆粒的能量僅僅體現(xiàn)在氣體摩擦阻力損失和熱耗上, 不能促使氣體增壓。對于不同的文丘里管型, 有d($p 1m d ZB =0. 69d($p 1m d ZB =0. 711m d ZB =0. 73.(3隨著管徑比B 的減小, 差壓$p 1m 增大, $p 2m 減小, 并且$p 1m 的曲線的斜率變大。這說明文丘里管喉部管徑越小, 氣固兩相流在喉部獲得的動能越大,差壓對固相流量變化越敏感。當(dāng)固氣比Z =0. 3時, 圖5給

13、出了不同管型時, 氣體速度u 與差壓$p 1m 、$p 2m 關(guān)系的比較。當(dāng)氣體速度增大時, 差壓$p 1m 、$p 2m 均增大。說明氣固兩相流在喉部獲得的動能隨著入口氣體速度的增大而增大, 氣體在出口恢復(fù)的壓力能也隨之增加。差壓$p 1m 、$p 2m 隨著管徑比B 的減小而增大。3. 3固氣比Z 擬合曲線的比較表2所示為不同文丘里管差壓比與固氣比擬合曲線的比較。表2差壓比與固氣比擬合曲線的比較d /m m B $p 1m 1g =A 1+B 1Z 相關(guān)系數(shù)R d 21$p 2m 2g =A 2+B 2Z 相關(guān)系數(shù)R d 221380. 69$p 1m1g =1. 0017+0. 7890

14、Z 0. 99$p 2m2g =1. 0419-0. 4077Z 0. 941420. 71$p 1m1g =1. 0076+0. 7164Z 0. 99$p 2m2g =1. 0333-0. 4184Z 0. 961460. 73$p 1m1g=1. 0012+0. 6490Z 0. 99$p 2m2g=1. 0227-0. 4306Z 0. 95圖5不同管型時氣體速度與差壓的關(guān)系(Z =0. 3隨著管徑比B 的減小, 文丘里流量計(jì)的精度提高, B 1的數(shù)值增加。B 1類似于Farbar 等7提出的差壓-氣固比經(jīng)驗(yàn)公式($p m /$p g =1+mZ 中的靈敏度系數(shù)m 。A 1不為1的原因

15、是實(shí)驗(yàn)中喉部段加長, 氣體和顆粒在喉部段沿程阻力增大。不妨定義B 1為靈敏度系數(shù), 表明文丘里管的差壓對固相流量的敏感程度。/較低, 這是因?yàn)樵跐u擴(kuò)段固相速度大于流體速度從而湍流度增加, 當(dāng)固相流量增加時, 引起了額外的壓力損失。3. 4質(zhì)量流量G p 測量誤差的比較通過實(shí)驗(yàn)測定A 1、B 1、A 2、B 2, 就可以由差壓信號來測量固體質(zhì)量流量。圖6給出了不同文丘里管煤粉流量測量的誤差分布, 橫坐標(biāo)是相對誤差E , 縱坐標(biāo)f 是誤差分布。B =0. 73的文丘里管測量誤差較大, 原因是擬合關(guān)系式線性相關(guān)性較差。B =0. 69和B =0. 71的管型滿足測量要求。3. 5總壓力損失的比較圖7

16、、8給出了固氣比Z 、氣體速度u 與總壓力損失$p s 的關(guān)系。當(dāng)u =20m /s 、Z =0. 20. 5時,B =0. 69管型的總壓力損失為430760Pa, B =0. 71管型的總壓力損失為360650Pa , B =0. 73管型的總壓力損失為320530Pa 。管徑比B 越小, 總壓力損失越大。根據(jù)流體的連續(xù)方程, B 越小, 氣體在喉部段速度越大, 通過曳力作用帶動顆粒加速, 因此顆粒速度越大。在漸擴(kuò)段, B 越小, 主流區(qū)顆粒與氣體的速度差越大, 顆粒與氣體的摩擦阻力損失和熱耗越大。因此, 在相同條件下, B 越小, 混合物經(jīng)過文丘里管672清華大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版 200

17、7, 47(5 圖6 不同文丘里管流量測量的誤差分布直方圖圖7不同管型時固氣比與總壓力損失關(guān)系的比較圖8不同管型時氣體速度與總壓力損失關(guān)系的比較4結(jié)論1 根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù), 得出了3種不同管型中煤粉與氣體質(zhì)量流量之比Z 和氣體速度u 與差壓$p 1m 、$p 2m 的關(guān)系, 從物理意義上分析了上述關(guān)系的合理性, 并進(jìn)一步分析了氣固兩相流流經(jīng)文丘里管產(chǎn)生壓力損失的機(jī)理。2 從測量精度、誤差和壓力損失等方面對3種不同的文丘里管進(jìn)行了比較研究, 得到了設(shè)計(jì)文丘里流量計(jì)的基本理論。在實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上, 標(biāo)定了3種文丘里流量計(jì)的系數(shù)?，F(xiàn)場實(shí)驗(yàn)證明, 管徑比為0. 71的文丘里管測量煤粉流量的最大測量誤差不超過5%

18、, 其測量精度滿足在線測量的要求。參考文獻(xiàn)(References 1方彥軍, 李敏, 周洪. 火電廠鍋爐一次風(fēng)風(fēng)速及給粉濃度在線監(jiān)測系統(tǒng)J. 動力工程, 1998, 18(6:47-49. FANG Yanju n, LI M in, ZHOU Hong. An online monitoring s ystem for b oiler b urning of pow er plant J . Pow erE ngineering , 1998, 18(6 :47-49. (inCh ines e 2孫欣, 陳剛, 張啟昌. 高爐煤粉噴吹控制系統(tǒng)M . 北京:電子工業(yè)出版社, 1995.S U

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