基于陣列式靜電傳感器的密相氣力輸送煤粉顆粒運(yùn)動(dòng)特性分析

付飛飛 許傳龍 王式民 閆 勇

(1東南大學(xué)能源熱轉(zhuǎn)換及其過(guò)程測(cè)控教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,南京 210096)

(2華北電力大學(xué)控制與計(jì)算機(jī)工程學(xué)院,北京 102206)

超濃相氣力輸送系統(tǒng)具有復(fù)雜的非線性、非平衡動(dòng)力學(xué)特性．由于缺乏對(duì)濃相氣固兩相流流動(dòng)動(dòng)力學(xué)的了解,給高壓濃相氣力輸送系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及優(yōu)化運(yùn)行帶來(lái)了較大的不確定性[1]．濃相氣固兩相流中顆粒運(yùn)動(dòng)特性的獲取有2種方法:① 通過(guò)理論分析、數(shù)值模擬方法獲取;② 利用氣力輸送系統(tǒng)試驗(yàn)得到的顆粒流動(dòng)信息并結(jié)合非線性理論獲?。旗?approximate entropy,ApEn)作為一種非線性分析方法,從統(tǒng)計(jì)學(xué)的角度來(lái)判斷時(shí)間過(guò)程的復(fù)雜性,可以用來(lái)表征動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)的差異或變化,近些年來(lái),已經(jīng)廣泛應(yīng)用于流化床流型識(shí)別、氣液兩相流電導(dǎo)波動(dòng)信號(hào)復(fù)雜性測(cè)度分析以及故障檢測(cè)等[2-4]．

粉體氣力輸送過(guò)程中,由于顆粒之間以及顆粒與管壁之間的碰撞、分離,顆粒上將產(chǎn)生靜電．粉體顆粒靜電載有大量的動(dòng)態(tài)信息,是流動(dòng)特性、輸送形態(tài)、輸送管道幾何特性和粉體顆粒等因素內(nèi)在作用的綜合體現(xiàn)[5-7]．近些年來(lái)發(fā)展起來(lái)的環(huán)狀靜電傳感器在氣固兩相流檢測(cè)與控制中引起了極大關(guān)注[8-11]．對(duì)于氣固兩相流中顆粒分布及流型的測(cè)量,環(huán)狀靜電傳感器卻存在不足，這是由于環(huán)狀靜電傳感器無(wú)法獲得顆粒在管道截面的位置及空間局部區(qū)域的流動(dòng)信息．通過(guò)在氣固兩相流系統(tǒng)外部空間位置上布置陣列式靜電傳感器,獲取其臨近區(qū)域的顆粒信息[12],這些顆粒靜電信息從不同的時(shí)間和空間反應(yīng)了稠密氣固流動(dòng)特性.結(jié)合適當(dāng)?shù)男畔⑻幚硎侄?可以全面地獲得顆粒的運(yùn)動(dòng)及分布信息．電容層析成像(ECT)技術(shù)是一種多相流檢測(cè)技術(shù),可用于輸送管道中的氣固、氣液兩相流等連續(xù)相為電介質(zhì)的工業(yè)過(guò)程成像．ECT技術(shù)在兩相流流動(dòng)狀態(tài)檢測(cè)和參數(shù)檢測(cè)等方面的應(yīng)用研究已取得一定的成果[13-14]．將ECT技術(shù)與陣列式靜電傳感器系統(tǒng)二者結(jié)合,可深入地了解加壓稠密氣固兩相流顆粒流動(dòng)狀態(tài)及其變化規(guī)律．

本文首先系統(tǒng)分析了陣列式靜電傳感器的局部靈敏度分布特性,并在滿管流和1/4流2種流型下進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證．之后在高固氣比煤粉輸送裝置上,結(jié)合陣列式靜電傳感器和電容層析成像技術(shù)獲得了3種表觀氣速(5.7,6.9,8.1 m/s)工況下的靜電輸出信號(hào)和管道截面煤粉分布ECT成像圖．結(jié)合ECT成像圖,利用FFT變換和近似熵方法對(duì)傳感器輸出信號(hào)進(jìn)行了分析．

1 陣列式靜電傳感器局部傳感特性分析

圖1為陣列式靜電傳感器探頭結(jié)構(gòu),由8個(gè)電極片、2個(gè)接地圓環(huán)保護(hù)極板、絕緣管和屏蔽罩等部分組成．其中,8個(gè)電極組成的環(huán)狀陣列及圓環(huán)保護(hù)極板緊貼在絕緣管的外壁．

圖1 靜電傳感器探頭結(jié)構(gòu)

陣列式傳感器的數(shù)學(xué)模型在文獻(xiàn)[12]中已有詳細(xì)介紹．陣列式靜電傳感器結(jié)構(gòu)為三維形式,較為復(fù)雜,目前尚難以獲得模型中靜電場(chǎng)的解析解,通常采用數(shù)值法進(jìn)行求解．近些年發(fā)展起來(lái)的各種電磁場(chǎng)計(jì)算軟件包使得復(fù)雜的靜電場(chǎng)計(jì)算問(wèn)題成為可能,本文利用軟件Ansoft 完成陣列式靜電傳感器內(nèi)部靜電場(chǎng)和極片上感應(yīng)電量的計(jì)算．

陣列式靜電傳感器的靈敏度定義為在敏感空間內(nèi),單位點(diǎn)電荷作用下電極上感應(yīng)電量的絕對(duì)值．從陣列式靜電傳感器的有限元模型可知,靈敏度與點(diǎn)電荷所在的敏感空間位置(x,y,z)有關(guān),即

(1)

式中,s(x,y,z)為靈敏度;q為點(diǎn)電荷帶電量;Q為點(diǎn)電荷電量為q時(shí)電極上的感應(yīng)電量．考慮靜電傳感器陣列電極的軸對(duì)稱性及三維有限元仿真計(jì)算量大等原因,在本實(shí)驗(yàn)中模擬5條較有代表性的點(diǎn)電荷流線(記為a,b,c,d,e,見(jiàn)圖2)上的靈敏度分布,并以此來(lái)表征陣列式靜電傳感器的軸向靈敏場(chǎng)分布特性．模型中的管道內(nèi)徑設(shè)為10 mm,5條流線在徑向位置上等間隔(間距2 mm)分布,其中c過(guò)圓點(diǎn)．8個(gè)極片的軸向?qū)挾葹?0mm,長(zhǎng)為6mm．已知帶電顆粒在流線上沿軸向移動(dòng)時(shí),8個(gè)極片會(huì)同時(shí)產(chǎn)生感應(yīng)電量．但為便于分析,只計(jì)算電極片1上的靈敏度分布來(lái)表征陣列式靜電傳感器的軸向靈敏場(chǎng)分布特性,其余7個(gè)電極片都可以旋轉(zhuǎn)到極片1的位置而得到同樣的靈敏度分布．

圖2 8極片陣列式靜電傳感器探頭橫截面

圖3 陣列式靜電傳感器靈敏度沿軸向的分布

圖4 陣列式靜電傳感器中心截面靈敏度分布

2 近似熵理論

近似熵方法是一種度量時(shí)間序列隨機(jī)性的非線性統(tǒng)計(jì)方法[15]．對(duì)數(shù)據(jù)長(zhǎng)度為N的時(shí)間序列{x(i)},重構(gòu)m維相空間,其中的矢量y(i)為

y(i)={x(i),x(i+1),x(i+2),…,x(i+m-1)}
1≤i≤N-m+1

(2)

式中,m又稱為窗口長(zhǎng)度．定義矢量y(i)與y(j)之間的距離d[y(i),y(j)]為各矢量之間的最大距離,即

d[y(i),y(j)]=max{|x(i+k-1)-
x(j+k-1)|}k=1,2,…,m

(3)

對(duì)矢量序列{y(i)}(i≤N-m+1),定義

(4)

(5)

(6)

Eap=Φm(r)-Φm+1(r)

(7)

熵值越大,表明時(shí)間序列越具有隨機(jī)性或不規(guī)則性,其非周期性越強(qiáng),復(fù)雜度越高;熵值越小,表明數(shù)據(jù)周期性越強(qiáng),復(fù)雜度越?。?/p>

3 實(shí)驗(yàn)裝置

圖5為高壓濃相氣力輸送實(shí)驗(yàn)系統(tǒng),主要由氣源系統(tǒng)、儲(chǔ)料罐系統(tǒng)、輸送管道系統(tǒng)、測(cè)量傳感器及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)4部分組成．高壓氣體經(jīng)過(guò)緩沖罐分3路經(jīng)流量計(jì)向輸送系統(tǒng)提供沖壓風(fēng)、流化風(fēng)和補(bǔ)充風(fēng)．發(fā)料罐和收料罐容積均為0.648m3,輸送管為內(nèi)徑10 mm的不銹鋼管,總長(zhǎng)53 m．接收罐的支座上布置了CHJL2型荷重變送器．流化風(fēng)、充壓風(fēng)和補(bǔ)充風(fēng)采用AM-1521Q型金屬管浮子流量計(jì)測(cè)量．緩沖罐氣源維持在4 MPa左右．輸送載氣為CO2,輸送煤粉為云南褐煤．

ECT系統(tǒng)由傳感器探頭、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和圖像重建程序3個(gè)基本部分組成,最高成像速度為74幀/s,分辨率為32×32像素．ECT系統(tǒng)與陣列式靜電傳感器并列安裝在同一水平輸送管道中．靜電傳感器的結(jié)構(gòu)尺寸與上述數(shù)值模型的結(jié)構(gòu)尺寸一致．靜電傳感器系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集部分由電流放大電路、PCI9112采集卡和計(jì)算機(jī)構(gòu)成．在軟件的控制下,可以實(shí)現(xiàn)8通道同時(shí)采集,本實(shí)驗(yàn)中靜電傳感器輸出信號(hào)的頻率范圍在500 Hz以內(nèi),因此每通道的采樣頻率設(shè)定為1000 Hz．

圖5 高壓濃相氣力輸送實(shí)驗(yàn)臺(tái)系統(tǒng)圖

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

4.1 陣列式靜電傳感器局部傳感特性驗(yàn)證

為了驗(yàn)證陣列式靜電傳感器的局部傳感特性,設(shè)計(jì)了簡(jiǎn)易的重力輸送試驗(yàn)裝置．顆粒在自身重力的作用下由料斗進(jìn)入管道,再進(jìn)入靜電傳感器和電容傳感器測(cè)試探頭．輸送管段可垂直或者傾斜放置,可實(shí)現(xiàn)1/4流和滿管流2種流型．實(shí)驗(yàn)用的固體顆粒是直徑為1mm的玻璃珠,管道半徑為25mm．圖6 為1/4流ECT成像及能量分布(第2,3和4s的靜電數(shù)據(jù)),其中極片相對(duì)位置如圖2所示．由圖6(a)可見(jiàn),截面煤粉所占面積約為管道截面面積的1/4，且極片3和4附近顆粒濃度最大(深色代表該處顆粒密集)．從圖6(b)可看出，極片3和4上的靜電信號(hào)能量大于其他6個(gè)極片上的信號(hào)能量．這證明了陣列傳感器極片的靈敏度具有局域性,靠近極片的區(qū)域具有較高的靈敏度．圖7為滿管流的ECT成像圖及8極片的靜電信號(hào)能量分布．與圖7對(duì)比發(fā)現(xiàn),靜電信號(hào)能量值波動(dòng)平緩并在能量均值(值為1.94)處上下波動(dòng),盡管極片7附近的顆粒濃度相對(duì)較低(見(jiàn)圖7(b))導(dǎo)致了其上的靜電信號(hào)能量值較小．因此,陣列式靜電傳感器的輸出信號(hào)的能量分布可有效地反應(yīng)管道截面上顆粒的分布特性．

圖6 1/4流ECT成像及能量分布

圖7 滿管流ECT成像及能量分布

4.2 氣力輸送實(shí)驗(yàn)

在表觀氣速為5.7,6.9和8.1m/s的3個(gè)工況下進(jìn)行了氣力輸送實(shí)驗(yàn)．圖8為3個(gè)工況下管道截面煤粉分布的ECT成像圖．在水平管氣力輸送過(guò)程中,因受重力影響,煤粉的濃度分布呈不對(duì)稱性,管下部濃度較高,上部濃度較低．從成像圖中可看出,3個(gè)工況下煤粉的輸送連續(xù)性均較好,煤粉在管道截面的分布隨時(shí)間變化較?。r3下濃相區(qū)與稀相區(qū)幾乎沒(méi)有分界,此時(shí)煤粉的懸浮性及分布均勻性最好．但是ECT成像圖只能反映管道截面煤粉的分布特性以及顆粒的宏觀運(yùn)動(dòng)特性，卻無(wú)法反映顆粒隨機(jī)運(yùn)動(dòng)的本質(zhì)特征．

圖8 3種工況下的ECT成像圖

靜電傳感器輸出信號(hào)頻域特征與其敏感區(qū)內(nèi)顆粒帶電量、帶電顆粒軸向平均速度和顆粒徑向分布的變化密切相關(guān)．顆粒帶電量增加導(dǎo)致頻域幅值增加，帶電顆粒軸向速度增加導(dǎo)致主峰頻率值增大,而顆粒的徑向運(yùn)動(dòng)也會(huì)對(duì)頻率特性產(chǎn)生非線性的影響[11-12]．顆粒在管道中運(yùn)動(dòng)時(shí),受到氣流的曳引作用、顆粒與顆粒及顆粒與管壁間的碰撞作用力以及自身重力等,這些力的共同作用使得顆粒的運(yùn)動(dòng)非常復(fù)雜,近似為隨機(jī)運(yùn)動(dòng)．近似熵值可以定量分析隨機(jī)運(yùn)動(dòng)的程度．近似熵值越大,顆粒運(yùn)動(dòng)的復(fù)雜性越大,隨機(jī)性越強(qiáng)．表1為8極片上近似熵值、主峰值頻率及主峰值頻率對(duì)應(yīng)幅值隨表觀氣速的變化規(guī)律．可看出,隨表觀氣速的增大,主峰值頻率對(duì)應(yīng)的幅值大致有減小的趨勢(shì)．這是因?yàn)楸碛^氣速增大時(shí),粉體的質(zhì)量流量減小,碰撞產(chǎn)生的靜電總量減小,導(dǎo)致傳感器輸出信號(hào)的能量減?。旗刂岛椭鞣逯殿l率隨表觀氣速的增大沒(méi)有一致的變化規(guī)律．

表1 陣列傳感器8極片上靜電輸出信號(hào)隨表觀氣速增大的規(guī)律

從圖8中看到,極片2和3處于濃相區(qū),極片6和7處于稀相區(qū),極片1,4,5,8處于波動(dòng)區(qū)域．由于波動(dòng)區(qū)顆粒分布隨機(jī)變化,極片1,4,5,8上靜電信號(hào)的分析結(jié)果不確定,對(duì)比性差(見(jiàn)表1)．因此本文中采用濃相區(qū)極片2,3和稀相區(qū)極片6,7上靜電信號(hào)的頻域及時(shí)域特征來(lái)描述濃相區(qū)和稀相區(qū)顆粒運(yùn)動(dòng)特征．

圖9為稀相和密相區(qū)靜電信號(hào)主峰值頻率與表觀氣速之間的關(guān)系．隨著表觀氣速的增加,極片2,3上的靜電信號(hào)主峰值頻率一致增大,表明濃相區(qū)的顆粒軸向平均速度增大,顆粒徑向運(yùn)動(dòng)波動(dòng)相對(duì)不劇烈并且其對(duì)輸出信號(hào)頻譜特性造成的非線性影響不明顯．極片6,7上的靜電信號(hào)主峰值的頻率雖然總體有增大的趨勢(shì),但其間有減小的變化過(guò)程,說(shuō)明稀相區(qū)顆粒的徑向運(yùn)動(dòng)相對(duì)劇烈,導(dǎo)致傳感器輸出信號(hào)的主峰值頻率呈非線性增長(zhǎng)．在湍流運(yùn)動(dòng)中,顆粒濃度與顆粒的湍動(dòng)能有關(guān)[16]．當(dāng)表觀氣速為5.7 m/s時(shí),雷諾數(shù)(Re)大于2×105,已經(jīng)達(dá)到湍流狀態(tài)．湍動(dòng)能越大,表明顆粒在徑向上的波動(dòng)越劇烈．盡管當(dāng)表觀氣速增大時(shí),顆粒速度增大是主要的變化,但稀相區(qū)顆粒速度在徑向上的波動(dòng)也足夠明顯,以至于其對(duì)靜電信號(hào)主峰值頻率的增長(zhǎng)造成了非線性的影響．

圖9 靜電信號(hào)主峰值頻率隨表觀氣速的變化規(guī)律

圖10為極片2,3和極片6,7上的輸出信號(hào)近似熵值與表觀氣速之間的關(guān)系．表觀氣速增大時(shí),極片2,3上輸出信號(hào)的近似熵值一致減小而極片6,7上輸出信號(hào)的近似熵值一致增大,但前者始終大于后者．密相區(qū)的顆粒濃度大,顆粒碰撞頻率大于稀相區(qū)．實(shí)際上,靜電傳感器輸出信號(hào)的近似熵值不完全表征顆粒運(yùn)動(dòng)的復(fù)雜性,同時(shí)它還與顆粒電荷在軸向和徑向上的分布梯度以及電荷隨時(shí)間的變化率等因素有關(guān)．顯然,在濃相區(qū),顆粒電荷分布的梯度以及隨時(shí)間的變化率更隨機(jī)．盡管稀相區(qū)的顆粒的湍流會(huì)導(dǎo)致顆粒運(yùn)動(dòng)復(fù)雜,但是其靜電信號(hào)的復(fù)雜性還是低于濃相區(qū)．但當(dāng)表觀氣速增大時(shí),濃相區(qū)顆粒濃度減小,顆粒碰撞頻率降低,導(dǎo)致稀相區(qū)和濃相區(qū)的顆粒運(yùn)動(dòng)復(fù)雜性之間的差距減?。畬?duì)照ECT成像圖,還發(fā)現(xiàn)管道煤粉輸送的懸浮性與極片2,3和極片6,7上輸出信號(hào)的近似熵值之差有對(duì)應(yīng)關(guān)系:差值越小,煤粉的輸送懸浮性越好．

圖10 靜電信號(hào)近似熵值隨表觀氣速的變化規(guī)律

5 結(jié)語(yǔ)

在加壓密相氣力輸送實(shí)驗(yàn)裝置上,結(jié)合ECT技術(shù),利用FFT變換和近似熵方法分析了密相氣固兩相流陣列靜電波動(dòng)信號(hào)．結(jié)果表明:陣列式靜電傳感器可利用自身的陣列結(jié)構(gòu)及靈敏度分布特性,獲取陣列中各個(gè)單傳感器靈敏區(qū)的顆粒流動(dòng)的靜電信息,從而全面地得到顆粒的運(yùn)動(dòng)及分布信息．當(dāng)表觀氣速增大時(shí),濃相區(qū)靜電信號(hào)的主峰值頻率一致增大,而稀相區(qū)靜電信號(hào)的主峰值頻率非線性增長(zhǎng),表明表觀氣速增大導(dǎo)致顆粒運(yùn)動(dòng)速度增大,并且稀相區(qū)顆粒徑向速度波動(dòng)明顯;稀相區(qū)和濃相區(qū)的顆粒運(yùn)動(dòng)復(fù)雜性程度越接近,煤粉的輸送懸浮性越好．同時(shí),隨表觀氣速的增大,濃相區(qū)靜電信號(hào)的近似熵值減小,稀相區(qū)靜電輸出信號(hào)的近似熵值增大,但濃相區(qū)的近似熵值一直大于稀相區(qū)的近似熵值,對(duì)應(yīng)ECT成像圖,發(fā)現(xiàn)隨兩者差值的減小,管道內(nèi)煤粉分布越均勻,輸送懸浮性越好．

)

[1]梁財(cái).高壓超濃相煤粉氣力輸送流動(dòng)特性研究[D].南京:東南大學(xué)能源與環(huán)境學(xué)院,2007.

[2]楊進(jìn),文玉梅,李平.基于相關(guān)分析和近似熵的管道泄漏聲信號(hào)特征提取及辨識(shí)方法[J].儀器儀表學(xué)報(bào),2009,30(2):272-278.

Yang Jin,Wen Yumei,Li Ping.Feature extraction and identification of leak acoustic signal in water distribution pipelines using correlation analysis and approximate entropy[J].ChineseJournalofScientificInstrument,2009,30(2):272-278.(in Chinese)

[3]栗然,陸鳳怡,徐宏銳,等.基于局域波與近似熵的負(fù)荷分析方法[J].中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào),2010,30(25):51-58.

Li Ran,Lu Fengyi,Xu Hongrui,et al.Novel approach for load analysis based on local wave and approximate entropy[J].ProceedingsoftheCSEE,2010,30(25):51-58.(in Chinese)

[4]林萍,王曉萍,陳伯川,等.近似熵的性質(zhì)及其在氣固流化床復(fù)雜性研究中的應(yīng)用[J].高?；瘜W(xué)工程學(xué)報(bào),2004,18(3):281-286.

Lin Ping,Wang Xiaoping,Chen Bochuan,et al.Character of approximate entropy and its application in the complexity measurement of gas-solid fluidized bed[J].JournalofChemicalEngineeringofChineseUniversities,2004,18(3):281-286.(in Chinese)

[5]Matsusaka S,Masuda H.Electrostatics of particles[J].AdvancedPowderTechnology,2003,14(2):169-179.

[6]Nifuku M,Katoh H.A study on the static electrification of powders during pneumatic transportation and the ignition of dust clouds[J].PowderTechnology,2003,135-136:234-242.

[7]Masuda H,Komatsu T,Mitsui N,et al.Electrification of gas-solid suspensions flowing in steel and insulating-coated pipes[J].JournalofElectrostatics,1977,2(4):341-350.

[8]Qian Xiangchen,Yan Yong,Shao Jiaqing,et al.Quantitative characterization of pulverised coal and biomass-coal blends in pneumatic conveying pipelines using electrostatic sensor arrays and data fusion techniques[J].MeasurementScienceandTechnology,2012,23(8):1-8.

[9]Gajewski J B.Non-contact electrostatic flow probes for measuring the flow rate and charge in the two-phase gas-solid flows[J].ChemicalEngineeringScience,2006,61(7):2262-2270.

[10]Gajewsk J B.Electrostatic nonintrusive method for measuring the electric charge,mass flow rate,and velocity of particulates in the two-phase gas-solid pipe flows—its only or as many as 50 years of historical evolution[J].IEEETransactionsonIndustryApplications,2008,44(5):1418-1430.

[11]Xu Chuanlong,Wang Shimin.HHT analysis of electrostatic fluctuation signals in dense-phase pneumatic conveying of pulverized coal at high pressure[J].ChemicalEngineeringScience,2010,65(4):1334-1344.

[12]Xu Chuanlong,Li Jian,Wang Shimin.Investigations into sensing characteristics of electrostatic sensor arrays through computational modeling and practical experimentation[J].JournalofElectrostatics,2012,70(1):60-71.

[13]楊道業(yè),周賓,王式民.電容層析成像在高壓濃相煤粉氣力輸送中的應(yīng)用[J].化工學(xué)報(bào),2009,60(4):892-897.

Yang Daoye,Zhou Bin,Wang Shimin.Application of electrical capacitance tomography in dense-phase pneumatic conveying of pulverized coal under high pressure[J].JournaloftheChemicalIndustryandEngineeringSocietyofChina,2009,60(4):892-897.(in Chinese)

[14]Cong Xingliang,Guo Xiaolei,Gong Xin,et al.Experimental research of flow patterns and pressure signals in horizontal dense phase pneumatic conveying of pulverized coal[J].PowderTechnology,2011,208(3):600-609.

[15]Pincus S.Approximate entropy (ApEn) as a complexity measure[J].CHOAS,1995,5(1):110-117.

[16]Sinclair J L,Jackson R.Gas-particle flow in a vertical pipe with particle-particle interactions[J].AIChEJournal,1989,35(9):1473-1486.