（热能工程专业论文）双压降法在线检测气固两相流固相浓度的试验研究.pdf

华北电力大学硕士学位论文摘要 摘要 由于两相流检测的复杂性，气固两相流参数的在线监测一直是急待解决而又未 能解决好的问题。利用阻力压降来检测两相流参数具有显著的优势。本文在应用前 人关于管道气固两相流动阻力计算实践的基础上，利用直管段和弯管段的阻力压降 计算式联立求解，得到管道内气固两相流的流速和固相浓度的计算式，在此基础上， 进行了试验，通过在气固两相流试验台上试验及数值模拟计算，表明该法在线检测 气固两相流固相浓度和流动速度是可行的，具有方法简单、非侵入、响应速度快等 优点，具有很好的工程应用价值。 关键词：气固两相流，阻力压降，固相浓度，数值模拟 a b s t r a c t b e c a u s eo fc o m p l e x i t yo fd e t e c t i o no ft h ep a r a m e t e ro fs o l i d - g a st w o p h a s ef l o w , o n l i n ed e t e c t i o no ft h ep a r a m e t e ro fg a s - s o l i dt w o p h a s es h o u l db ea nu r g e n t l ys o l v e d p r o b l e mb u ti t h a v e n tb e e nw e l ls o l v e dy e t i th a so b v i o u sa d v a n t a g et ol l s er e s i s t a n c e p r e s s u r ed r o p t om e a s u r et h ep a r a m e t e ro ft w o - p h a s ef l o w b a s e do nf o r e r u n n e r s c a l c u l a t i o no fr e s i s t a n c ep r e s s u r ed r o po f t w o - p h a s ef l o w , t h ep a p e r u t i l i z e dt h em e t h o d o fc o m b i n i n gh o r i z o n t a ls t r a i g h tt u b er e s i s t a n c ee q u a t i o na n dc r a n k l e dt u b er e s i s t a n c e e q u a t i o n t og e tt h ev e l o c i t yo ft h et w o p h a s ef l o wa n ds o l i dc o n c e n t r a t i o n ，a c c o r d i n gt o t h i s t h o u g h t ，e x p e r i m e n t sw e r eh e l dt o v a l i d a t et h ei d e ai fi tc a nw o k b yt h o r o u g h e x p e r i m e n to nt h et w o - p h a s ef l o wt e s t - p a d ，i tp r o v e dt ob ew o r k i n g t h e nn u m e r i c a l s i m u l a t i n gc a l c u l a t i o nw a s a l s oh e l dt op r o v et h ef e a s i b i l i t yo ft h ei d e a a n dt h er e s u l t s u p p o r t t h ei d e at o o ，i ts h o w st h a tt h e w a y c a nd e t e c tt h e v e l o c i t y a n ds o li d c o n c e n t r a t i o no ft h et w o - p h a s ef l o wo n l i n e ，b e c a u s eo fi t sv i r t u e so fs i m p l e n e s sa n d r a p i dr e s p o n s ea n dn o n i n c u r s i o ni t h a sag o o dp r o s p e c ti nt h ep r o j e c tu s e s y a n gz h o n g q i ( t h e r m a lp o w e re n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db yp r o f c h e nh o n g w e i ，v i c ep r o f w a n gc h u n b o k e y w o r d s ：t w o - p h a s ef l o w ，p r e s s u r ed r o p ，s o l i dc o n c e n t r a t i o n ，n u m e r i c a ls i m u l a t i o n 声明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文双压降法在线检测气固两相流固 相浓度的试验研究，是本人在华北电力大学攻读硕士学位期间，在导师指导下进 行的研究工作和取得的研究成果。据本人所知，除了文中特别加以标注和致谢之处 外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得华北电力 大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究 所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名： 耻曰 期 炒p i 五+ 。二 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了解华北电力大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保管、并向有关部门送交学位论文的原件与复印件；学校可以采用影印、缩印或 其它复制手段复制并保存学位论文；学校可允许学位论文被查阅或借阅；学校 可以学术交流为目的，复制赠送和交换学位论文；同意学校可以用不同方式在不同 媒体上发表、传播学位论文的全部或部分内容。 ( 涉密的学位论文在解密后遵守此规定) 作者签名：玉孽尘王盅导师签名：莲蝉 日期：塑! ! ! ! 一日期：巡，2 兰 华北电力大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 课题背景 在工业生产过程中，气固两相流动的存在是相当普遍的，如化工过程中粒状原 料的输送，粮食工业中米、面以及相关产品的输送等等；在电力生产工程中，燃煤 锅炉系统中也又许多地方存在气固两相流动：煤粉的制备及输送，炉内的燃烧过程， 燃烧产物的排放和收集过程等等。 燃煤火力发电厂中，锅炉燃烧所需的煤粉都是通过一次风管将煤粉输送至燃烧 器喷口并喷入炉膛燃烧一次风管内空气一煤粉混合物的流动是典型的气固两相 流。显然，一次风管的风速的大小、煤粉浓度和各一次风管间的风粉均匀性直接影 响着锅炉燃烧的安全性和经济性。在锅炉的运行中，由于对于煤粉浓度没有可靠的 监测手段运行人员仅凭经验进行给粉机转速调节，来调整进入炉膛燃烧的煤量， 然而由于给粉机转速与给粉量之间的非线性，往往导致燃烧调整中炉内空气动力场 组织不好、燃烧不稳定、局部结焦、燃烧效率低下等恶劣工况，直接导致发电煤耗 增加。而若能实现对一次风风速和煤粉浓度的在线监测，可以及时准确的判断锅炉 燃烧状况，以便协调二次风量，优化燃烧过程，提高锅炉效率，达到节约能源的目 的。 对于一次风管内的这种气固两相流动，国内外科研人员对此已进行了大量的 研究工作。但由于气固两相流动的复杂性，使得测量技术面临着不少困难，这些问 题主要表现在： 1 浓度分布不均一般情况下，固相浓度沿管道截面和管道长度的方向上分布 并不均匀，因此要知道某个时刻某个截面或者流场的浓度分布，就必须使用一定的 测量技术和仪器。单一的传感器不能给出固相浓度测量的准确测量结果； 2 流型结构气固两相流不仅流型多样，而且多种流型会同时存在和转化，且 不同流型之间的转化无明显过渡，这就增加了气固两相流的测量难度； 3 侵入式测量侵入式测量会干扰流场，引起测量偏差，接触式气固两相流流 体的测量元件容易发生堵塞及磨损，从而防碍仪器正常工作，减少仪器的使用寿命； 4 加速度用压差法测量气固两相流的相浓度时，如果将固体加速运动的力归 于浓度作用，则测量值会发生很大的偏差，而这个问题通常在研究中被忽略了： 5 其他非测量因素的干扰流动中不可避免要受到噪声，振动等非测量因素的 干扰，使得测量结果不能反映真实的浓度。 目前国内电厂，对于采用中间储仓式制粉的系统，已经有一些有效的方法来检 测一次风的风、粉量，从而可以避开复杂的两相流计算问题。普遍采用的方法是利 华北电力大学硕士学位论文 用测量一次风管节流孑l 板两侧的动压差方法，计算出一次风速：通过测量热风温度、 煤粉仓中煤粉的温度和风粉混合后的温度，利用热平衡的原理，计算出煤粉浓度。 也有学者在此方法的基础上，提出压差法测量一次风管送粉量的方法：即通过测量 一次风管煤粉混合器前后的静压差、混合前风温、风速以及粉仓煤粉混合器前后的 静压差、混合前风温、风速以及粉仓煤粉温度等参数，运用动量定理、能量守恒和 质量守恒定理计算出单位时间内一次风管的送粉量。该方法克服了已往能量守恒法 测量一次风送粉量的过程中风粉混合后温度测点易磨损和温度测量滞后于粉量波 动的缺点，对中间储仑式燃煤锅炉的燃烧管理及运行人员的燃烧调整具有很大帮 助。 但对于采用直吹式制粉系统的电厂，由于风、粉在磨煤机中进行混合后就全部 直接送入炉膛内燃烧。所以不能采用上述方法对一次风进行测量。只能通过利用等 速取样的方法，从煤粉管道中取出煤粉样品后到实验室筛分得到煤粉浓度；这种测 量方法耗时长，实际中无法通过实时控制磨煤机及煤粉分离装置的运行来获得最佳 的煤粉浓度也无法实现实时了解锅炉的燃烧状况以及锅炉燃烧的优化；对此，只 有从分析一次风管道内气固两相混合流动基本特点出发，才能从中找出一种测量一 次风风速、煤粉浓度的有效方法，以解决这类问题，这正是本设计的目的 1 2 当前一次风煤粉浓度在线测量技术分析 目前，锅炉一次风煤粉浓度在线测量有很多方法，归纳起来大致可分为两类， 即直接测量法和间接测量法，直接测量法主要有相关法“1 、微波法、光一电检测 法”、激光法“和超声波法“1 。 1 2 1 直接测量法 1 2 ，1 1 相关法 当被测流体在管道内作稳态流动时，上下游两只流速传感器及变送器所拾取的 随机流动噪声信号可以认为是符合各态历经随机过程的两个样本函数同时，只要 两只传感器的间距布置合理且两只传感器及其变送器的静态性能一致，则可以认为 两个随机流动信号是相似的，具有相关性，他们之间的相关时间就是被测流体在测 量削距问流动时间，这样两相流速的非接触式测量问题就转化为随机流动噪声信号 的拾取和互相关函数的计算及其峰值时间的确定问题，从而解决两相流的测量问 题。在两相流相关流速测量中，目前研究较多的是电容传感器和超声波传感器，这 两种传感器由于没有任何可动部件，对被测流体的流动不产生阻碍作用，不产生附 加流动阻力，无疑是较适合用于多相流测量的方法之一。 2 华北电力大学硕士学位论文 1 2 1 1 微波法 微波法的测量原理是：在输粉管路中用法兰装接段测量管，沿煤粉流动方向 按一定角度( 大于9 0 。) 对应倾斜布置微波发生器和微波接收器。微波在测量管内与 煤粉管颗粒碰撞时会引起波束衰减。通过测量其衰减值即可反应煤粉的浓度。本方 法是欧洲新近公布的一项专利技术，设备安装精度要求高，管内不可避免地存在死 区，测量装置处于研制阶段，暂时还未见推广使用。 1 2 1 2 光一电测量法 光一电检测法的原理是：用光纤探头把光束引入测量区，测得运动微粒对光的 感应信号，再将该信号经光电转换、模数转换后进行计算分析，最终得到微粒的浓 度值。其基本形式有反射式和透射式。其测量精度主要受光纤探头的结构、被测量 微粒的直径、煤粉浓度值高低的影响，探头是否被污染也直接影响到测量的准确性。 同时，仪器存在着价格高、校核难的问题，因此在工厂使用中推广有较大的难度。 1 2 1 3 激光法 激光法测量原理是：激光通过煤粉和空气混合流动体系时，将同时受到空气分 子和煤粉粒子的散射与吸收。对于煤粉这种特殊颗粒，其吸收率近似于黑体，它们 对光波衰减相当强，其等效直径要比气体分子直径大若干数量级，而空气分子的散 射和吸收作用相对而言可忽略不计。因此只要测量激光穿过煤粉管道的透过率， 即可测得煤粉相应的浓度。但该方法因受工作环境及设备造价等因素影响而少有电 厂应用。 1 2 1 4 超声波法 超声波法测量煤粉浓度是在输送煤粉管道的两个对应表面上装设超声波传感 器，第一对传感器用来测定超声波脉冲沿两个方向( 与计算流速的流向约成45 c ) 的 传输时间，平装的第二对传感器用来测定垂直于流向传输的超声波衰减，其衰减受 空气紊流和煤粉浓度两者影响。为了测量煤粉的浓度，需对紊流效应进行校正。在 实际测量中，可用射线予以校正。由于传感器价格低廉，可布置多对传感器而取 其平均值，目前此法已有工业应用实例。 1 2 2 间接测量法 川接测量法是目前研究较多的测量方法，也称为热力学方法“1 。其测量原理均 基于能量守恒定律、连续性方程、动量定律，并在一定假设基础上进行简化建立 相应数学模型。实际工程中，通常以风粉混合物中煤粉的质量分数来反映煤粉的浓 度。其假设条件如下： 1 ) 气一粉混合物在管道中的流动为稀疏相流动： 3 华北电力大学硕士学位论文 2 ) 煤粉颗粒较均匀分布在管道中测量时可获得所有煤粉粒子的平均特性， 如速度、温度、压力： 3 ) 一次风中煤粉混合物的流动处于旺盛的紊流状况，煤粉粒子具有相同的尺 寸，且均为球形： 4 ) 气一粉两相流中煤粉颗粒的运动视为一种特殊的流体，它在管道中运动 也有磨擦阻力和局部阻力，其引起的压损分别服从达西公式及局部损失的一般计算 公式； j ) 在确定纯气流的压力损失时，忽略固相物料所占的容积，按单相气流的压 力损失来计算： 6 ) 忽略一次风管的散热损失。 间接法在实际测量中，由于一次测量元件是电厂常用的温度、压力和压差等测 量元件，而该参数也是电厂运行中的基本参数，只要测点位嚣合理，不需另外安装 传感器。只需应用相应的数学模型做一定的数据处理，即可得到风管中的煤粉质量 分数。其主要有能量法1 、压差法1 和温度法。 1 2 2 1 能量法 能量法测量原理是：在一次风管中忽略混合过程中的散热损失和压缩性，则风 粉混合物的总能量可近似看作混合物的流动动能和静压力之和。由于混合过程中存 在局部阻力损失和沿程阻力损失，空气和煤粉在混合前后的总能量存在差别。在流 速、温度等其它条件一定的情况下，空气和煤粉混合比例的不同必然引起混合前后 气、因两相流体静压差的不同。因此，只要测出煤粉混合前空气的流速和静压力以 及混合前后的温度和静压。通过联立求解热力学偏微分方程组，就可得到相应的煤 粉质量分数。 1 2 2 2 压差法 压差法的测量原理是：煤粉从 给粉机落人一次风管后，在一次风 速的作用下逐渐被加速理论上说， 煤粉的水平速度最终将与一次风速 相同，亦即风粉之间水平方向不再 有相对速度，且煤粉与一次风之间 的热交换已经完成，风粉进入相对 篓兰的算翟鉴态：，竺! 中的z z 图二瓷藻器测 截面，此处的风粉速度、压力、温 。 度分别汜作u ：，p ：，疋，在风粉混合过程中，系统的静压不断减小，温度逐步降低， 4 华北电力大学硕士学位论文 最后达到气粉混合温度。在前述假设的基础上应用动量定律、伯努利方程、气体 状态方程联立求解，并通过测量局部、沿程阻力损失，由此可求出煤粉的质量分数。 1 2 2 3 温度法 温度法测量也是在上述假设的情况下考虑混合后风粉混合物的温度与煤粉质 量分数的对应关系求出相应煤粉的质量分数。因忽略了其它因素的影响，且温度 的测量存在着滞后，也必然导致浓度滞后，所以此方法只是一个近似的质量分数测 量法。但由于测量参数少，且不考虑压差影响、而使一次测量元件简单易行，解决 了取样管堵塞和漏气等难题。在实测中，其显示的煤粉质量分数变化趋势，与其它 方法测量的结果基本一致。因此，在电厂运行中，对四角火嘴风粉调平、上下火嘴 风粉调差有着直接的指导作用。 1 3国内外气固两相流检测技术的现状 由于两相流动的复杂性，难以完全通过理论分析解决问题，要将理论计算的结 果应用于工程实际，必须依靠试验来验证和修正，而两相流参数的监测又是试验的 重点之一，国内外学者为此做了大量的研究，已经取得较大的进展，可以将两相流 参数检测分为一下几类： 1 采用传统的单相流仪表和多相流测试模型组合的测量方法 把成熟的单相流测量仪表应用到多相流参数测试中一直是人们多来的愿望和 受到普遍重视的研究方向。据报导的大量研究工作表明：差压式流量计、涡轮流量 计、靶式流量计、容积式流量计、涡街流量计、电磁流量计、超声波流量计、科里 奥利力流量计等多种单相流流量计应用于两相流量的测试已经取得了一定的进展； 单相流中已有的传统的光学、电学、热学等探头和传感器经改造广泛应用到多相流 测试系统中：采用两( 多) 传感器组合，进行双( 多) 参数组合测量确定流量也获 得了较多的成功应用“”。 2 将近代各个领域的新技术应用于两相流参数的检测 有的多相流流量测量中研究较多的测量方法多涉及近代新技术：辐射线技术、 激光技术、光纤技术、核磁共振技术、超声波技术、微波技术、光谱技术、新型示 踪技术、相关技术、过程层析成像技术等应用于两相流检测。如激光多普勒测速技 术具有非侵入、空间分辨率高、动作响应快、测速范围宽等特点正作为研究的重点： 以相关技术基础的构成的两相流流量测量系统，已经成为商业化的工业仪表“”“”： 上世纪八十年代兴起的过程层析成像技术，包括核子层析成像“3 1 、光学层析成像。”、 微波层析成像“”等，能在线连续提供两相流状况的二维可视化信息 3 成熟的硬件基础上，以计算机技术为支撑平台，应用基于软测量技术的软测 量方法 5 华北电力大学硕士学位论文 软测量技术( 如状态估计、过程参数辩识、人工神经网络、模式识别等) 引 入多相流参数测量中，通过软测量方法( s o f ts e n s o r ，是利用较易在线测量的辅助 过程参量和离线分析信息提供主要过程参数的在线估计的方法) 解决具复杂性、不 确定性而且很难用数学模型描述的多相流系统的测试问题。 1 4 发展趋势和主要研究方向 根据目前国家内外研究人员的研究工作和进展，多相流检测技术的发展趋势和 主要研究方向主要有以下几方面： 1 过程辩识理论与技术的研究 由于两相流动的各参数随时间和空间的变化具有随机性，应将其作为一个复杂 的多变量的随机过程来研究。随着随机过程理论和信号处理技术的不断完善和发 展，应用数理统计参数估计和过程( 系统) 辩识的理论和技术，进行多相流参数的 估计将成为重要的发展趋势。 2 随着计算机技术和图像处理技术的发展，获取关于多相流体的多个信息，应 用流动层析成像技术，对多相流体局部空间区域的流态进行微观和瞬态的测量将是 一个重要的发展的方向。 层析成像技术要求高的扫描速度及图像重组速度，要求有简单快捷的图像重组 算法和快速的计算硬件，这可能涉及到采用大规模集成并行处理阵列等计算机硬件 发展的新成果。 3 借助于各种新技术( 激光技术、光谱技术、微波技术、核磁共振技术、全息技 术、新型示踪技术等等) 的发展，借助于电子技术、半导体技术的发展，研制高灵 敏度、高准确度和高可靠性的多相流参数检测仪表仍是熏要的基础工作。 研究适用于两相流测量并在灵敏度、稳定度、敏感场空间分布特性以及相对离 散相分布的依赖性等指标上优于现有技术的新型传感器是另一个重要方面。 4 在速度测量方面，相关法、空间滤波法和激光多普勒法等测量技术和方法将获 得广泛的应用。 j 如何成熟的传统单相流检测技术和测量仪表用于多相流参数检测仍将是一个 重要的研究方面。 1 5 本文论文阶段的主要工作 本论文是在研究前人对于气固两相流阻力计算的方法的基础上，联立弯管段和直管 段的阻力计算式组成二元二次方程，推导出了煤粉管道内气固两相流的流动速度和煤粉 浓度的计算式；再在此基础上设计了相关的试验，完成如下工作： 1 改造现在有的两相流试验台，编写试验数据采集软件及煤粉浓度和管道流速的 6 华北电力大学硕士学位论文 在线监测软件，实时采集阻力压降数据并进行计算。获得煤粉浓度和管道流速 的值： 2 通过试验标定试验台管道阻力系数和煤粉浓度修正系数，并将其应用于试验 中得到可靠的试验数据： 3 利用标定后的管道特性系数值进行试验，验证双阻力压降法在线测量煤粉浓度 和流速的正确性： 4 对试验的直管段和弯管段进行流场的数值模拟计算，验证试验数据的正确性， 从而进一步证明该测量方法可行性。 由于两相流流型复杂多变，两相流参数的在线检测一直是急待解决而又未能很好 解决的问题。利用阻力压降来检测两相流参数具有显著的特点和优势：成本低，响应 速度快、非侵入、安全性能好、工作可靠性高、应用广泛等特点；通过差压变送器获 得差压信号，再利用计算机进行数据处理，可以获得两相流流速和固相浓度等参数， 是一种有效的检测手段，本文即从试验和数值模拟计算两个方面对阻力压降法进行研 究，表明浚法测量气固两相流具有可行性。 华北电力大学硕士学位论文 第二章管道内气固两相流流动速度固相浓度算式的推导 在输送管中，空气和颗粒由于加速、与管壁的碰撞和摩擦、空气和颗粒之间的 摩擦及颗粒的悬浮和上升等原因都要消耗能量，而这些能量消耗都要由空气的压力 来补偿。因而流动中会产生压力损失，气固两相流中流动阻力损失与固体相浓度存 在着确定的函数关系，即： 卸= f ( v ，_ t ) ( 2 一1 ) 这样，对煤粉浓度的测量就可以通过对压力和速度的的测量而获得，也就是说， 只要完成对流动阻力的测量，就可以通过这种对应关系计算的到煤粉浓度值，进而 求得煤粉的质量流量。这对于煤粉锅炉一次风煤粉浓度的测量及运行指导，其重要 意义使不言而喻的。 2 1 气固两相流管路阻力特性m 1 管内气固两相流动是很复杂的三维流动，由于对湍流单相流动的认识还很肤 浅，以及气固间相互作用机理的复杂性和随机性，使得气固两相流动精确模型的建 立和发展十分困难。目前，计算气固两相流动阻力压降的方法主要有四种：压损比 法，经验公式法，附加压损法和力平衡法( 物理模型) 。近年来，随着计算机技术 的迅猛发展，数值计算方法得到越来越广泛的应用，数值方法按照其模型的不同又 可分为e o l e r i a n 法( 又称双流体模型法) 和拉格朗日法( 又称轨迹法) 其他还有诸 如热力学相似等方法等得到一定的应用和发展。 管道的阻力主要包括摩擦阻力、局部阻力( 弯管和节流元件等) 、煤粉及空气提 升阻力和煤粉的加速阻力等，是由流体的粘性、流动状态的变化以及物料的运动等 凶素造成的，根据多相流动理论的附加压损计算方法，两相流动阻力口是由纯空 气的流动阻力卸。，和输送燃料颗粒的附加流动 阻力p 。两部分组成，即：， 卸。= 劬o4 - 印。 ( 2 2 ) 而纯空气的流动阻力包括空气与输送管道 的摩擦阻力p 。、局部阻力p 。( 弯管、阻力部 件等) 及在垂直管道中所存在的气体本身的重力 流阻力卸。( 一般在水平管道中印。= 0 ) ，输送 燃料颗粒的附加流动阻力印。可分为颗粒和管 壁叫的摩擦阻力卸。、颗粒之间的摩擦碰撞损 i 2 图2 1 流动阻力损失 失卸。，、颗粒本身的重力流动阻力卸一以及在加速段的加速流动阻力损失劬。几部 8 华北电力大学硕士学位论文 分，而将由于颗粒相的存在所增加的局部阻力损失卸。分别计入卸，、卸，、卸砷、 p 。中，另外由于气体和颗粒的重力流阻性质和条件相同。可统一为- - e e 阻力即重 力流阻印。，这样两相流动阻力印。又可写作： 卸。=o 。+ o ，+ 卸p 。+ 卸仲+ 卸 + 卸朋 ( 2 3 ) 阻力或阻力损失印实际上是( 图2 1 ) 流体进口1 1 截面到出e 1 截面2 2 的全压差，即： p = ( p n + - p l y ? + p l g h l ) 一( p ，2 + 士岛y ；+ ；2 9 h 2 ) = p l p 2 ( 2 4 ) 其中：卸一阻力损失，p a ； p 小p ，2 一截面1 一l 和截面2 2 处的静压，p a ： p i 、p 2 一截面1 1 和截面2 - - 2 处的气体密度。k g m 3 ： q 、u 2 一截面l l 和截面2 2 处的气流速度，m s ； h 。、h 2 一截面1 1 和截面2 2 处的基于零点的标高，m ； 7 3 0 p l 、p 2 一截面l l 和截面2 - - 2 处的总压头，p a 2 1 1 单相流动工况下的管路阻力特性1 2 1 1 1 沿程摩擦阻力 在没有热交换的情况下( 即流动介质的密度和粘度为常数) 直管段的沿程摩擦阻力可由d a r c y w e i s b a c h ) 公式表示，即： 蛾= 兄古等 式中丑一纯空气的摩擦阻力系数 ，一管道长度( 按照轴线计算) d 一管道的直径， y 一空气流速 尸。一空气密度k g m 3 ，按下式计算： p = 1 2 9 3 2 7 3 ( 2 7 3 + t ) 9 空气流经等截面 ( 2 5 ) 华北电力大学硕士学位论文 摩擦阻力是由流体的粘性力产生的阻力，摩擦阻力系数是一个有与流体性质、 流动状态、管道特性有关的系数。对于流速不高的层流流动，可以用分析的方法推 导得出。而对于高流速的复杂的紊流流动，一般只能通过试验和假设拟合出半经验 表达式，较为通用的是尼古拉兹的试验曲线和对工业管道比较实用的莫迪曲线图， 这两个曲线图均给出了摩擦阻力系数以管道相对粗糙度为参变量( 为管道的 绝对粗糙度) 而随雷诺数r e 的变化曲线，并按由小变大过程流动状态划分为五个 区，即：层流区、过渡区( 莫迪图称临界区) 、紊流光滑管区、紊流粗糙管过渡区、 紊流粗糙管平方阻力区( 莫迪图的紊流粗糙管区) 。这五个区域两种曲线图由于试 验条件不同，分别有各自的分界线、曲线形式和表达式。 2 1 1 2 局部阻力 流体流经非直管段时，由于流动截面的面积或流动方向发生改变，在其上下游 的一段区域内会产生剧烈的扰动，引起涡流、撞击或加速等能量损失称为局部阻力 损失。在计算中，将任何局部阻力假定为集中在某一给定截面上，其定义值等于从 管路上游稳定流动受扰动的截面开始，至下游重新达到稳定流动的截面为止的管段 总阻力减去这部分管段的摩擦阻力。局部阻力按照下式计算： 2 po j = 孝午 ( 2 - 6 ) 式中：f 一局部阻力系数 同样，局部阻力系数孝是一个与流体性质、流动状态、管道结构和形状等有 关的系数，大多数都只能通过试验得到。 2 1 2 两相流工况下的管路阻力特性”： 2 1 11 颗粒与管壁间的摩擦阻力 实际测定指出：颗粒与管壁的摩擦阻力主要是由管内颗粒的运动状态决定。直 管内的颗粒运动状态有三种，如图2 - - 2 所示： a ) 图为气流速度较大，颗粒的径向速度y 2 9 d ，即詈 。时。颗粒对 上下壁冲击。由于v ：、管道倾角和管径大小不r q ，这种状态还可以分为：颗粒以相 同的速度冲击上下管壁的状态和以不同的速度冲击上下管壁的状态。 b ) 图为_ o r d 时，颗粒只冲击下部管壁。 c ) 图为v ：= 0 时，颗粒在管底滑行。 l o 华北电力大学硕士学位论文 垂直直管内底颗粒由于其 径向速度不受重力底影响，只 呈现出水平直管内a 图所示颗 粒的运动状态。 根据两相流流动理论，按 照颗粒体的流动形式划分，一 次风直管道内气固两相流动 的形式基本上可以视为均一 流，即由于输送气流速度高， 颗粒在管道中处于均匀分布 状态，在气流中呈悬浮状态输 送。由此说明一次风在直管中 煤粉的运动状态基本上是图 2 2 中a 图所示的情况。 在弯管中，由于受到离心 力的作用，颗粒从入口开始就 在外侧壁附近滑动，并与管壁 - _ 一、一 b ) c ) 图2 2 水平管中的颗粒运动状态 反复冲击而损失动能。为此，通过弯管后要求由气流给予加速，此项损失要比直管 大的多。弯管内气固两相流的形式比较复杂，受力情况也随弯管的结构特性、气流 流动状态和空间流向不同而不同。由试验得出的结果对弯管中颗粒的运动状态有如 下描述： 1 绕弯管外半径滑动的料层相当松散，颗粒速度比气流速度慢得多。 2 颗粒通过弯管时，经过数次碰撞，其轨迹为折线，通常在大颗粒运动时可以观 察到； 3 当颗粒以较低的速度与弯管外侧内壁碰撞而失去动能后，最终将导致颗粒与管 壁保持接触，并沿管壁作减速滑移； 4 出于受到离心力的作用，在径向平面内形成漩涡，引起二次流动，使流动状态 更加复杂，很难分析。故必须给予简化，只考虑似层流状态的流体的流动。其他管 道部件( 如节流元件) 内的颗粒运动形式均可以通过试验的方法得到其描述，但由 于结构复杂，气流和颗粒运动状态也更加复杂，使试验和研究工作更为困难。 21 1 1 颗粒间的摩擦阻力 管内流动的颗粒，由于速度的大小、方向的不同，会引起相互间产生的摩擦和 碰撞，造成阻力损失，此项损失难以进行理论计算，只能通过试验的手段测量获得。 华北电力大学硕士学位论文 2 1 2 2 重力流动阻力 颗粒在管道中运动，必须首先使其悬浮在管道中。颗粒由于所处位置气流速度 不同颗粒形状各异、颗粒间的碰撞及管道形式等原因，受到各种力的作用，这些力 中有一些与颗粒所受重力的方向相反可以抵消其作用，使颗粒被气流携带而运动， 称之为颗粒的悬浮运动。 使颗粒悬浮所需要的能量，无论在铅直管、水平管或斜管中，按照稀相气力输 送的重力理论，二者基本上是相等的，无论在直管或弯管中，重力流阻的表达式均 为： a p = 等竽 ( 2 7 ) 式中： k 一以颗粒速度计算的重力流动阻力系数： ，一计算管段的长度，m ； a p 。一计算管段中的物料密度，k g m 3 ； p 一颗粒速度，m s ： 在重力流动阻力计算时，几种管道的区别在于其流动阻力系数的区别，这是一 个与弗鲁德准则数f r 及最大理论气料速度比和管道角度有关的系数 2 1 2 3 颗粒加速流动阻力 在管道加速段的阻力损失中，一部分用于增加颗粒的速度至稳定流动值，另一 部分用以克服该管段的匀速运动阻力，即 卸。= a p 口+ a p ， ( 2 8 ) 式中： 卸。一加速段总阻力，p a ； 4 p 。一颗粒加速流动阻力，p a ： 卸。一气流和颗粒的匀速运动阻力，p a ： 颗粒的加速流动阻力具有以下计算形式： p 即= 以。等 ( 2 9 ) 式中：九。一加速流动阻力系数 v 一颗粒的流动速度。 华北电力大学硕士学位论文 关于加速流动阻力，由于颗粒运动和气流变化的复杂性，目前很多问题尚处于 研究阶段，只能通过试验来得出该阻力特性。 2 2 两相流动总阻力计算公式” 由前所述，两相流动的总流阻卸，的具体表达式应为： 卸，= 印+ 印神+ p 职+ p 加+ 卸砷+ 卸 = 九缸鲁坝+ 以扣等2 + 可g p t ac 旷l 。) 2 + p p h + 警( 2 - - 1 0 ) 该计算管内两相流流动阻力公式计及了在加速段和等速段的总流阻，而一般由 于气流的的作用，直径为几十微米的颗粒迅速达到稳定运动状态，加速时间和加速 距离很小，因此忽略颗粒在加速段的阻力，式2 - - 1 0 可以简化为： 却j 吨p g 袅+ i a p 玩氓h ( 2 - - 1 1 3 我国西安热- v 所2 们在总结国内外各种管内多相流动试验的基础上，提出了一 种较为简便的计算两相流阻舰的方法，即： 劬：五( 1 + 印) 掣 ( 2 1 2 ) 2 3 管内多相流动的基本方程钉 2 3 1 假设条件 管内两相流动的微分方程及其各种模型都已经建立，这里根据管道流动的特点， 可以建立适用于管内两相流的较简单的微分方程，结合管道流动的边界条件，就可 以从理论上来计算管道内两相流的流动参数( 如气相和颗粒相的速度以及浓度) ， 如图所示的水平管道内的两相流动的问题，其假定条件为： 1 管道为水平圆管，采用柱坐标系( r ，) 其相应的速度分量为： 2 颗粒群在稀薄悬浮流中的动量传递是通过扩散进行的，即管道流动剪应力为： 铲p p d p 式中：d 。一颗粒扩散系数 1 3 ( 2 一1 3 ) 华北电力大学硕士学位论文 v 。一颗粒的轴向速度。 3 颗粒的滑流运动用相互作用长度l p 来控制，l 。的定义为： 1 l 。= ( a v 。2 ) 7 f( 2 1 4 ) 式中：( a v 。2 ) 一颗粒相对于流体的相对湍流脉动强度( 均方根值) ： f 一颗粒松弛时间的倒数，当管半径r r 。( 颗粒半径) 时，颗粒在 管壁上的速度为： ，( 等) 。( 2 - - 1 5 ) 4 颗粒带电、其大小相等，形状相同，且为球形。颗粒的扩散是在场力( 流动场、 重力场) 的影响下进行的。 以上的假设是以试验为基础的，单基于这些假定，当前只能对稀薄悬浮流动才 能建立基本方程进行求解，在此假设下，管道两相流的运动方程组为： 2 3 2 颗粒相的连续性方程 孥十v ( pv p ) = r p a 式中r p 为相变引起的源或汇，故： 导卅w v w v g - - v p ) + 2 3 3 颗粒相的运动方程 ( 2 一1 6 ) ( 2 一1 7 ) 绵誓鸲( v p v ) y p = v g f p p ( v z _ 帅p “ ( 2 _ 1 8 ) 惯性力相间摩擦力体积力摩擦力 当粘性远大于惯性力时，则有 11 p p ( 一k ) 2 寺砟+ 言v o ( 2 1 9 ) 对于拟稳态稀薄悬浮流动当发生沉降时，可用扩散方程代替连续性方程。在稀 薄悬浮流动中，可以假设流体不受颗粒存在的影响，当有沉积但沉层远小于管道半 径时，这种假设仍然适用。这样就可以把流体的运动和颗粒的运动分开来考虑，即 尽管流体作湍流运动，但颗粒仍可视为是作粘性滑移运动。此外，颗粒之间的相互 作用也可以忽略不计，而颗粒相的应力梯度则可表示为： 1 4 华北电力大学硕士学位论文 一 。 一 v r 。= v ( p p d p v y p ) + 2 ( v 尸p d p ) y ，一i 2 v 【p p d p ( v y p ) ( 2 2 0 ) 故颗粒相的动量方程： 0 誓毋( d e v p , ) 一去v d 。2 d 2 3 4 流体的运动方程 对于稀薄悬浮流，可以认为颗粒的存在不影响流体的速度场和剪应力分布，对 于大雷诺数和弗伦德数来说，可以认为重力对流体速度分布亦无影响，而f 。2 r 。，a 对于充分发展的流动当可忽略惯性力时，流体的运动方程可写成为： 一了d p 一胪8 1 ，l 咖( r r g ) = o ( 2 2 2 ) 对于湍流运动，令y = r r ，则在y s y r 时， 铲( 耖 其中v o g 为轴心速度，y s 为层流次层厚度 + 三 y ，= 6 0 ( v o g r p g , u g ) 8 r ( 2 2 3 ) ( 2 2 4 ) 在这种情况下，k = 心石d v g = ，( ，) ，重力只对沿管轴的静压变化有影响。 求解上述微分方程组所需的一些边界条件有： 1 在稀薄流动中，颗粒动量是通过扩散传递的，在充分发展的管流中 件2 ，有： 诅蹦等+ 等，= p p d p 等 码蹦等+ 鲁，= p p d p 等 2 颗粒沉降起跳所应满足的质量方程为： 根据假设条 ( 2 2 j ) ( 2 2 6 ) 叩一务詈s - n c 。s 一一。一口。 石p p b ，c 等卜j c 毒，c 卜瓯c 争= 。 c 2 哪) 式中：5 为沉积率，j 。为黏附几率，5 ：为颗粒起跳几率，户巾为沉积床密度 1 5 华北电力大学硕士学位论文 五为黏附速度，鲁为起跳升力。 1 颗粒在壁面上的滑移条件： ( y a o 矧。础刊 ( 2 _ 2 8 ) 另外，还需要加上必要的气流和颗粒在管道进出口的条件，则可以根据微分方 程进行求解。就目前的计算来讲，除个别特殊的流动形式可以求出理论解外，一般 都需作数值求解，且计算过程较复杂。为了工程计算，除运用上述方程数值求解来 计算外，根据管内的运动情况，做一些简化的近似计算。 2 4 气固两相流流动速度与固相浓度与的计算算式的推倒1 1 ： 锅炉输粉管道式典型的气固两相流，其流动阻力可以用流动阻力公式 ( 2 1 2 ) 式来计算，分析该式可测量与不可测量的值，我们可以发现如果把k 和五 看作常数( 实际情况正是如此) ，则压降科只是管内流速0 和p ( 忽略气粉流速差) 的函数，只要能够测量出其中的两个变量，该流动状态就可以确定。关键的问题就 是如何测量三个变量中的两个，我们设想如果在一根管道上测量位置不同的两个阻 力压降，那么就得到两个方程，只含有两个未知数，则可以解决问题，当然如果两 个位置处的系数k 和五一样，那方程线性相关，还是没有解，如果k 和 差异较大， 那么管内两相流动的问题就会迎刃而解了，基于这种思想，本文推导了两相流流速 和固相浓度的计算式，推导如下： 从前面关于流动阻力分析，我们可以将两相流压降ap 。分为纯空气流动阻力 a p 。与输送颗粒的附加流动阻力p 。，即： a p ，= a p 。+ a p 。 ( 2 - 2 9 ) 其中卸。包括空气加速损失卸。、沿程阻力损失4 p 。垂直管中空气重量引起 的压损卸。和空气局部阻力损失卸，。而印，除包括这些损失外，还有颗粒在空气中 的悬浮压头损失劬。，式( 2 - 2 6 ) 可写为： a p ，= ( a p 阳+ p 扣+ a p 抽+ 劬妒) + ( _ p 印+ a p 彦+ p 印+ p 垆+ p 印) = ( a p 。+ a p 印) + ( a p 扣+ p 咖) + ( p 蛔+ p 助) + ( a p 月+ a p 埘) + p 础 = 印。+ 印i 七卸h 七卸i + 卸 刘充分发展的稳定流，不考虑加速损失卸。 卸。( 在送粉风速下) 。于是： a p ，= 6 p ，+ a p j 1 6 ( 2 3 0 ) 对于水平管，卸。可忽略，同时忽略 ( 2 3 i ) 华北电力大学硕士学位论文 岘= 九去譬2 + 五l 了p p u ； = 九三d 笠2 以c + 鲁鲁净 = 九去譬味l 屿肋 卸，= 乞譬u ：+ 彭譬嵋 = 彘了p a 咏2 + 妻鲁净 = 戋譬以( 1 + t 肋 式中九。、九。一一空气和颗粒引起的沿程摩擦系数 、六一 空气和颗粒引起的局部摩擦系数 见、成一空气密度和颗粒的视在密度( k g m 3 ) u 。、u 。一空气和颗粒的平均流动速度( m s ) l 、d 一管道的长度和内径( m ) 对稀相流，颗粒浓度( 固气质量流量比) ： “：竺! 兰：生生 p4 u 。apou 。 ：生生：生 p ou 。p 。 式中一一管道流通截面积 舻一固气速度比 ，、，一系数 k l = 唾一= 嘻 所以两相流总压降可表示： ( 2 3 2 ) ( 2 - 3 3 ) ( 2 3 4 ) 华北电力大学硕士学位论文 卸，= 无去譬西( i + k s , a ) + 。p 2 。o 。2 ( 、1 + l ) 善譬u ：( 1 + 缸) ( 2 - - 3 5 ) 式中：孝一纯空气产生的总阻力系数 = 九寺+ 己 浓度修正系数： 七= 三( ，九吉屿) ( 2 - 3 6 ) k 值包括了输粉中不易确定的众多复杂因素 2 2 1 1 2 3 对稀相均匀流，我们暂且假 定k 值是固定的( 在后面的试验中将做验证) ，锅炉中煤粉输2 4 “2 5 1 送即属这种情况 ( o 4 ) 若在输粉管线选择两段阻力特性( 即由k 和孝表征的管道特性) 不同的管段， 则由式( 6 ) 可得： 卸。= 点_ t o au：(1+)(2-37) 卸，。= 岛譬以( 1 + 也) ( 2 3 8 ) 在点、岛和k 、k 2 已知时( 通过试验验证并标定) ，测量得到4 p 小p 两式联 立可得到： ：善警挚 ( 2 3 9 ) 。 毛卣印，2 一k 2 岛卸， 一 f2 a p ，2 1 鲁( 1 + k l , u ) p ( 2 4 0 ) 需要注意的是，如果丽个管段的阻力特性差的不太多，两个方程就会线性相关， 实际上方程还是没有解，图2 3 ( a ) 和图2 3 ( b ) 是根据上式作的计算等压线相交的情 况，交点为所得到的解。图2 3 ( a ) 和图2 2 ( b ) 中的系数是由两段管段据阻力系数 的计算公式得到的，从两图可以看出当两管的毛、如较为接近时，两管的等压斜率 也很接近，交点变得不明确，给测量带来困难如图2 3 ( a ) ，而k 、k ，相等时，则两 曲线重合，无法得到解，而只有在k 、女，相差较大时，两方程才有唯一的解，因而 所取两段管道的阻力特性应有较大的差异，才能保证测量中得到正确的解。 1 8 华北电力大学硕士学位论文 平均流速 ( m l s ) 5 0 4 0 3 0 2 0 1 0 0 0 0 1 0 20 30 40 5 图2 3 ( a ) 两管段定压线相交 ( k l 、t 相差不大的情况) 平均流速 ( m l s ) 5 0 4 0 3 0 2 0 1 0 o o0 10 20 30 4 0 5 图2 3 ( b ) 两管定压线相交 ( k i 、也相差较大的情况) 4 6 华北电力大学硕士学位论文 3 1 试验装置 第三章试验过程及结果分析 本试验系统由以下四部分组成： 1 供料装置：它将粉粒体送入输送管中，一般采用能使粉粒体在气流中悬浮的供料 机