1、CN 11-2223/N 清華大學學報(自然科學版 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驗研究謝菲, 丁艷軍, 吳占松(清華大學熱能工程系, 熱科學與動力工程教育部重點實驗室, 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:通過實驗確定了用文丘里(V enturi 法測量煤粉流量的可行性。根據實驗數據, 得出了3種不同管型參數、固氣比Z 和氣體速度u 與差壓$p 1m 、

2、$p 2m 的關系, 從物理意義上分析了上述關系的合理性, 并進一步分析了氣固兩相流流經文丘里管產生壓力損失的機理。從測量精度、重復性和壓力損失等方面對3種不同的文丘里管進行了比較研究, 得到了設計文丘里流量計的基本方法。在實驗的基礎上, 標定了3種文丘里流量計的系數。實驗表明, 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%。關鍵詞:煤粉; 文丘里法; 流量測量中圖分類號:T K 312文獻標識碼: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組安全、經濟運行的關

7、鍵技術。由于兩相流動的復雜性直是一個難題。現有測量方法大多不能滿足連續測量和自動化控制的要求1, 2。對差壓式流量計, 特別是用于測量氣固兩相流的文丘里(Venturi 管, 已經進行了大量的研究3-5。本文從實驗研究和理論分析2方面對基于文丘里法的管道煤粉流量測量進行研究, 確定了用文丘里法測量煤粉流量的可行性。1實驗系統煤粉流量計實驗臺是參照電站鍋爐實際的煤粉吹送系統設計建造的。圖1給出了實驗臺的系統示意圖。實驗系統采用螺旋給料機, 利用送風機的高速1空氣穩壓管; 2蝶閥; 3風速儀; 4給料機; 5調速電機; 6實驗段; 7差壓測量電路; 8數據采集裝置; 9微機; 10中間煤斗; 11

8、測量煤斗; 12J 閥; 13儲存煤斗; 14兩級旋風分離器; 15閥門;16布袋除塵器。圖1實驗臺的系統示意圖氣流輸送煤粉, 模擬管道的煤粉輸送方式。流經一定長度的穩定段后, 通過文丘里管實驗段, 然后進入旋風除塵器和布袋除塵器。可以通過調節送風閥和引風閥得到不同的空氣速度。實驗利用標定后的螺旋給料機提供的動態數據作為系統真實的進料值。文丘里管的幾何結構如圖2所示, 實驗中管段可拆卸。其中, 3種文丘里管的具體參數見表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、喉部段和漸擴段的長度。圖2文丘里管示意圖表1文丘里

9、管幾何參數表1460. 73200600500差壓$p 1、$p 2的測量位置如圖3所示。取壓管是內徑為6mm 的不銹鋼管, 端頭與文丘里管內壁齊平, 且無毛刺。2測點與水平中心線成45, 2取壓管經過三通管再與差壓計連接。為了防止極少量的固體顆粒進入差壓計, 影響測量精度, 差壓計安裝的垂直位置應略高于取壓管。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的輸出電流(420m A 經過標準電阻, 轉化成電壓信號, 經過端子板由數據采集卡(華碩pcl-813, 32通道, A/D 采集卡 采集到工業控制計算機中。本實驗中測量差壓$p 1、$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測量結果的比較和分析3. 1測量精度的比較質量流量之比 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鍵參數。B 越小, 精度越高, 靈敏度系數越大, 文丘里管對固體流量變化越敏感。3. 2不同管型時固氣比、氣體速度與差壓關系比較本文中, 文丘里管內氣固兩相流動的數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、計算軟件是Fluent 6. 1。圖4給出了當氣體速度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 關系的比較。圖4不同管型時固氣比與差壓的關系(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驗研究于顆粒的加入, 改變了流體的壓力特性。主流區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 關系的比較。當氣體速度增大時, 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 $p 1m 1g =A 1+B 1Z 相關系數R d 21$p 2m 2g =A 2+B 2Z 相關系數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$p 2m2g=1. 0227-0. 4306Z 0. 95圖5不同管型時氣體速度與差壓的關系(Z =0. 3隨著管徑比B 的減小, 文丘里流量計的精度提高, B 1的數值增加。B 1類似于Farbar 等7提出的差壓-氣固比經驗公式($p m /$p g =1+mZ 中的靈敏度系數m 。A 1不為1的原因

15、是實驗中喉部段加長, 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, 表明文丘里管的差壓對固相流量的敏感程度。/較低, 這是因為在漸擴段固相速度大于流體速度從而湍流度增加, 當固相流量增加時, 引起了額外的壓力損失。3. 4質量流量G p 測量誤差的比較通過實驗測定A 1、B 1、A 2、B 2, 就可以由差壓信號來測量固體質量流量。圖6給出了不同文丘里管煤粉流量測量的誤差分布, 橫坐標是相對誤差E , 縱坐標f 是誤差分布。B =0. 73的文丘里管測量誤差較大, 原因是擬合關系式線性相關性較差。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 的關系。當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。根據流體的連續方程, 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。在漸擴段, B 越小, 主流區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, 混合物經過文丘里管672清華大學學報(自然科學版 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系的比較圖8不同管型時氣體速度與總壓力損失關系的比較4結論1 根據實驗數據, 得出了3種不同管型中煤粉與氣體質量流量之比Z 和氣體速度u 與差壓$p 1m 、$p 2m 的關系, 從物理意義上分析了上述關系的合理性, 并進一步分析了氣固兩相流流經文丘里管產生壓力損失的機理。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行了比較研究, 得到了設計文丘里流量計的基本理論。在實驗基礎上, 標定了3種文丘里流量計的系數。現場實驗證明, 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(References 1方彥軍, 李敏, 周洪. 火電廠鍋爐一次風風速及給粉濃度在線監測系統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M . 北京:電子工業出版社, 1995.S U

19、N Xin, CHEN Gang, ZHANG Qichang. Control Systems of Pu lveriz ed Coal In jection of Blas t Fur naces M . Beijing:Pub lish ing Hou se of Electronics Indus try , 1995.(in Ch ines e3Lee J , Crow e C T. Scaling law for metering the flow of gas-particle s uspens ion s throughventur is J .A SM EJ ou rnal of Fluids E ng ineer ing , 1982, 104(1 :88-91.4S haffer F D, Bajuza R A. An alys is of venturi perform ance for gas -p article flows J . A S M E J our nal of