基于網(wǎng)狀靜電傳感器鼓泡流化床運(yùn)行參數(shù)監(jiān)測

張文彪，楊彬彬，程旭峰

基于網(wǎng)狀靜電傳感器鼓泡流化床運(yùn)行參數(shù)監(jiān)測

張文彪，楊彬彬，程旭峰

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

為了深入研究流化床中顆粒的流動特性和優(yōu)化流化床反應(yīng)器的性能，需要對流化床的運(yùn)行參數(shù)如流速和電荷分布進(jìn)行實時地監(jiān)測。由于靈敏度高且分布均勻，網(wǎng)狀靜電傳感器被用來在實驗室規(guī)模鼓泡流化床上測量固體顆粒的速度廓形和電荷分布。固體顆粒的速度廓形是通過對上下游平面對應(yīng)位置的靜電信號進(jìn)行互相關(guān)計算得到的。網(wǎng)狀電極上的感應(yīng)電荷可以通過靜電信號的均方根(RMS)估算。根據(jù)電荷重建算法，利用所有電極上的感應(yīng)電荷重建截面處固體顆粒的電荷分布。研究結(jié)果表明：網(wǎng)狀靜電傳感器可以捕捉到鼓泡流化床床壁附近的下落顆粒；由于流化床內(nèi)顆粒速度廓形的影響，傳感器中心處電極上的感應(yīng)電荷量大于床壁附近電極上的感應(yīng)電荷量，并且重建結(jié)果顯示流化床截面電荷分布相對均勻。

網(wǎng)狀靜電傳感器；鼓泡流化床；電荷分布；速度廓形

流化床由于具有優(yōu)良的傳熱與傳質(zhì)效率和處理大量顆粒的能力，已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于石油、化工、電力和冶金等工業(yè)場合。流化床中顆粒的流動特性對流化床的性能和產(chǎn)品質(zhì)量有著至關(guān)重要的影響。目前，國際上有很多關(guān)于流化床中顆粒流動參數(shù)的測量方法。SHAFFER等[1]利用高速攝像法對循環(huán)流化床上升段中顆粒的流動特性進(jìn)行了研究。LAVERMAN等[2]使用粒子圖像測速儀(PIV)并結(jié)合數(shù)字圖像算法測量了二維流化床中顆粒相的速度分布，氣泡直徑和氣泡速度等。MUELLER等[3]將磁共振成像技術(shù)(MRI)應(yīng)用于分析流化床中顆粒的運(yùn)動特性。放射性粒子跟蹤(RPT)技術(shù)和正電子發(fā)射粒子跟蹤(PEPT)技術(shù)也被用于追蹤顆粒在流化床中的運(yùn)動軌跡[4?5]。然而，上述這些方法大都由于成本較高和測量裝置復(fù)雜等缺點(diǎn)，難以推廣應(yīng)用于惡劣的工業(yè)場合。靜電測量技術(shù)是近年來新興的一種測量氣固兩相流流動參數(shù)的方法，該方法具有結(jié)構(gòu)簡單、靈敏度高、成本較低和性能穩(wěn)定且適合應(yīng)用于惡劣的工況環(huán)境等優(yōu)點(diǎn)。靜電傳感器目前已經(jīng)成功用于氣力輸送過程中[6?8]。近年來，靜電傳感器也被嘗試用于測量流化床內(nèi)固體顆粒的流動特性。ZHANG等[9]使用靜電傳感器和電容層析成像技術(shù)研究了三床循環(huán)流化床中顆粒流動的動力學(xué)特性。ZHANG等[10]還利用弧形靜電傳感器陣列測量了鼓泡流化床中固體顆粒的流動參數(shù)。然而，環(huán)形和弧形靜電傳感器由于受靈敏度分布特性的影響，很難清楚描述流化床整個截面不同徑向位置處固體顆粒的流動特性。由于固體顆粒與空氣相對運(yùn)動，顆粒與顆粒之間的摩擦以及顆粒與床壁碰撞，顆粒會帶上電荷。如果這種靜電現(xiàn)象不能得到實時地監(jiān)測和控制，將會導(dǎo)致顆粒團(tuán)聚和顆粒粘附在床壁，會影響流化床的運(yùn)行，甚至引起靜電放電和爆炸等事故。現(xiàn)有顆粒電荷的測量方法主要包括法拉第桶法[11?12]、靜電成像法[13?14]和靜電電極 法[15?17]等。法拉第桶測量顆粒的帶電量時需要對顆粒進(jìn)行采樣，采樣過程會使顆粒發(fā)生額外的電荷生成或耗散，使測量結(jié)果出現(xiàn)誤差。對于靜電成像法，由于傳感器靈敏度分布不均勻，重建后的電荷分布可能無法代表真實的電荷分布。靜電電極法已被廣泛用于測量流化床中的電荷分布。CHEN等[15]利用非侵入式電極重建了二維床氣泡周圍固體顆粒的電荷分布情況。HE等[16?17]利用雙尖端靜電電極研究了氣固流化床中的氣泡特性和電荷分布，得到的顆粒電荷密度和氣泡上升速度與法拉第桶和高速相機(jī)所得結(jié)果很接近。SUN等[18?19]利用弧形靜電電極研究了循環(huán)流化床內(nèi)的流場間歇性和相干性，并利用靜電脈動信號對顆粒團(tuán)聚現(xiàn)象進(jìn)行了表征。然而，靜電電極只對電極附近的顆粒敏感，并且流化床內(nèi)流動情況十分復(fù)雜，少數(shù)幾點(diǎn)的測量結(jié)果很難代表整個截面處的電荷分布。針對上面提到的問題，本文作者提出一種網(wǎng)狀靜電傳感器用于鼓泡流化床整個截面的電荷分布和顆粒流動特性的測量。相比于上述提到的各類靜電傳感器，網(wǎng)狀靜電傳感器可得到更高和更加均勻的空間靈敏度分布，尤其適用于大管徑復(fù)雜流場的測量[20]。但是，網(wǎng)狀靜電傳感器的缺點(diǎn)是在測量過程中網(wǎng)狀電極會對流場造成一定程度阻礙，會導(dǎo)致電極磨損和干擾流場的問題。為了解決以上問題，耐磨材料被用于降低電極的磨損程度，并且通過合理布置電極數(shù)量，可以在低阻礙程度下使靈敏度均勻分布。

1 網(wǎng)狀靜電傳感器

基于靜電感應(yīng)原理的網(wǎng)狀靜電傳感器其幾何結(jié)構(gòu)見圖1。網(wǎng)狀傳感器的電極由兩組直徑為1.5 mm的絕緣導(dǎo)線互相垂直構(gòu)成。綜合考慮傳感器靈敏度分布的均勻性和對流場的阻礙作用，每組電極包括8根間距為20 mm的導(dǎo)線，組成8×8的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)?？紤]到電極的耐磨性和強(qiáng)度要求，電極內(nèi)部由直徑為1 mm的不銹鋼絲組成。不銹鋼絲外部包裹著厚度為0.25 mm的熱縮管，可以防止顆粒與電極接觸時發(fā)生直接電荷轉(zhuǎn)移。對于當(dāng)前傳感器結(jié)構(gòu)，網(wǎng)狀電極的阻擋面積大約為總面積的14%，通過減少導(dǎo)線的數(shù)量以及增大導(dǎo)線之間的間距的降低電極對流場的阻礙程度。在鼓泡流化床中，網(wǎng)狀傳感器分布在上、下2個測量平面。上游電極平面被安裝在距離鼓泡床底部240 mm的位置，上、下游電極平面之間的距離為20 mm。圖1中還給出了上、下游網(wǎng)狀電極的分布情況，上游電極1到電極8與下游電極17到電極24一一對應(yīng)，上游電極9到電極16與下游電極25到電極32一一對應(yīng)。

圖1 網(wǎng)狀電極的幾何結(jié)構(gòu)及電極分布

網(wǎng)狀靜電傳感器的測量原理如圖2所示。當(dāng)帶電顆粒通過上、下游網(wǎng)狀電極時，上、下游對應(yīng)位置的電極根據(jù)靜電感應(yīng)原理會依次生成感應(yīng)電荷，感應(yīng)電荷的波動產(chǎn)生感應(yīng)電流。信號調(diào)理電路將微弱的電流信號轉(zhuǎn)換成電壓信號。為了獲得更高的信噪比，一般將信號調(diào)理電路置于電極附近。通過電流/電壓轉(zhuǎn)換、放大和濾波，便可以得到上下游網(wǎng)狀電極上的靜電信號。上、下游網(wǎng)狀電極所得的靜電信號通過數(shù)據(jù)采集卡被同步地記錄和儲存，采樣頻率為2 000 Hz，采樣長度為600 000個數(shù)據(jù)。通過對上、下游對應(yīng)位置電極所得靜電信號進(jìn)行互相關(guān)計算，可以得出流化床內(nèi)顆粒的軸向速度分布。通過計算每個電極上的感應(yīng)電荷，并且結(jié)合電荷分布重建算法可以得出流化床截面處的電荷分布情況。

由于網(wǎng)狀電極是插入流化床中的，流化床中的靜電放電現(xiàn)象會使所靜電信號出現(xiàn)尖峰脈沖。雖然信號調(diào)理電路對尖峰脈沖有一定的抑制作用，但是所得靜電信號中仍然存在尖峰，如圖3(a)所示。由于這種尖峰脈沖會造成后續(xù)信號處理出現(xiàn)錯誤，本文使用小波濾波算法降低這種干擾的影響。濾波過程中使用的小波基為db4，分解的層數(shù)為3層，并且使用軟閾值算法濾除干擾。圖3(b)所示為經(jīng)過濾波之后的信號波形，從該波形中可看出該方法可以很好去除靜電信號中的噪聲和尖峰脈沖。

圖2 網(wǎng)狀靜電傳感器測量原理

圖3 小波濾波前后的靜電感應(yīng)信號

2 實驗裝置

鼓泡流化床實驗裝置如圖4所示，實驗平臺主要包括風(fēng)機(jī)、緩沖罐、氣體流量計和鼓泡床等。流化床的材料為有機(jī)玻璃，內(nèi)徑為180 mm，厚度為5 mm，高度為2 m。從風(fēng)機(jī)中得到的流化氣體通過布風(fēng)板進(jìn)入床層，并帶動固體顆粒運(yùn)動形成鼓泡流化狀態(tài)。在實驗過程中，流化氣體的溫度為18℃，相對濕度為27%。實驗中使用的固體顆粒為石英砂，顆粒的粒徑范圍為150~200 μm，真實密度為2.56 g/cm3。固體顆粒在使用前要進(jìn)行干燥，以去除顆粒濕度的影響。實驗前顆粒靜止床高為345 mm，并且通過長時間的流化使顆粒達(dá)到帶電飽和狀態(tài)。在實驗過程中，通過玻璃轉(zhuǎn)子流量計測量氣體流量，氣體流量分別設(shè)置為2.4，3.6，5.0和7.0 m3/h。

圖4 鼓泡流化床實驗裝置

3 實驗結(jié)果與討論

3.1 互相關(guān)計算

在理想條件下，上、下游電極采集到的靜電信號在形狀上是相似的，僅僅在時間上存在一定的遲延。通過對上、下游靜電信號進(jìn)行互相關(guān)計算。相關(guān)函數(shù)的峰值為相關(guān)系數(shù)，相關(guān)系數(shù)是上、下游信號相似程度的參數(shù)，可以表征流體流動的穩(wěn)定性。利用峰值對應(yīng)的延遲時間可以計算出相關(guān)速度，相關(guān)速度可以看作對應(yīng)位置上固體顆粒的軸向速度。圖5所示為不同氣體流量條件下，互相關(guān)系數(shù)在流化床截面處的分布。圖中電極在流化截面處的位置被轉(zhuǎn)換成了歸一化坐標(biāo)。從圖5可以看出：隨著流化氣體流量增加，互相關(guān)系數(shù)變低。這是由于氣速增加，氣泡的運(yùn)動變得更加復(fù)雜和不穩(wěn)定，因此，固體顆粒的流動變得更加劇烈，上、下游靜電信號的相似程度降低。并且由于流化氣體在流化床截面分布相對均勻，沿著徑向方向互相關(guān)系數(shù)相差不大。

圖6所示為氣體流量為7.0 m3/h時，流化床中心處與床壁附近的相關(guān)速度。由于氣泡在上升的過程中會變得越來越大，最后由于過大失穩(wěn)而在床層表面破裂，氣泡夾帶的顆粒被拋向床壁附近，由于重力影響而下落，因此，在床壁附近發(fā)現(xiàn)有下落顆粒。圖6表明床壁附近的電極會出現(xiàn)負(fù)的相關(guān)速度，說明利用網(wǎng)狀電極可以捕捉到顆粒在床壁處的下落現(xiàn)象。

圖5 不同流化氣體流量下傳感器所在截面處互相關(guān)系數(shù)的分布

圖6 流化氣體流量為7 m3/h時流化床中心處與床壁附近的相關(guān)速度

圖7所示為傳感器所在截面固體顆粒的軸向速度分布。從圖7可以看出：隨著氣流量增加，固體顆粒的軸向速度隨之增加。并且顆粒的速度分布表明中間區(qū)域顆粒流速較高，而床壁附近的流速較低。產(chǎn)生以上結(jié)果的原因是：隨著流化氣量的增加，導(dǎo)致氣泡的上升速度增加，由于氣泡的曳力作用，顆粒的流速也會加快；另外，由于壁面效應(yīng)的影響，床壁附近的顆粒流速會比中心區(qū)域的流速低。

圖7 不同流化氣體流量下傳感器所在截面固體顆粒的軸向速度分布

3.2 電荷分布測量

基于所有網(wǎng)狀電極上的感應(yīng)電荷并結(jié)合電荷分布重建算法，可以得到流化床截面處固體顆粒的電荷分布情況。由于直接測量電極上的感應(yīng)電荷十分困難，并且靜電信號均方根(RMS)是信號波動量的表征，可以反映電極上的感應(yīng)電荷量[10]。本研究利用電極上靜電信號的RMS來估算電極上的感應(yīng)電荷量。靜電信號的RMS與電極上感應(yīng)電荷量的對應(yīng)關(guān)系是通過電荷標(biāo)定實驗得到的。電容器上的電荷量與其上的電壓成比例關(guān)系(=，其中為電容器的電容)。電荷標(biāo)定實驗中，電容器放在網(wǎng)狀電極的中心處，電容器上的電壓隨時間變化，由此產(chǎn)生的時變靜電場會在電極上感應(yīng)出靜電電荷，電極上靜電電荷的變化會在后續(xù)信號調(diào)理電路中產(chǎn)生靜電信號。由于電容器上的電壓已知，電容器上的電荷就可以得到，根據(jù)有限元仿真獲得的網(wǎng)狀電極靈敏度分布可以計算出每個電極上的感應(yīng)電荷，因此，可以求出靜電信號RMS與電極上感應(yīng)電荷之間的比例系數(shù)。利用該比例系數(shù)就可以通過靜電信號的RMS估算電極上的感應(yīng)電荷量。

當(dāng)流化氣體流量分別為2.4 m3/h和5.0 m3/h時，電極1和電極4上感應(yīng)電荷的變化情況見圖8。從圖8可見：由于流化床中固體顆粒濃度和流速的不斷變化，顆粒上的帶電量會有很大波動，因此，造成了電極上感應(yīng)電荷隨時間的波動；在相同流化氣體流量下，電極4的平均感應(yīng)電荷量大于電極1的平均感應(yīng)電荷量。產(chǎn)生這種偏差的原因是顆粒在流化床中心處和床壁附近的速度差，因此，在流化床截面不同位置的顆粒帶電情況有很大差別，中心處電極的感應(yīng)電荷量更大。

在不同氣流量下，不同電極所得感應(yīng)電荷結(jié)果的時間平均和相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)差如圖9所示。與圖8所示結(jié)果相同，流化床中心處電極的感應(yīng)電荷量大于床壁附近電極的感應(yīng)電荷量。并且所有電極上的平均感應(yīng)電荷量隨著氣體流量的增大而增大。氣泡上升速度隨著氣體流量的增大而增大，流化床內(nèi)顆粒的運(yùn)動變得更加復(fù)雜，由于顆粒間的相互作用加強(qiáng)，顆粒上的帶電量會增加，因此，網(wǎng)狀電極上的感應(yīng)電荷也會增加。從圖8還可以看出：中心處電極感應(yīng)電荷量的標(biāo)準(zhǔn)差比床壁附近電極的相應(yīng)結(jié)果大，并且隨著氣流量的增加，不同電極上的標(biāo)準(zhǔn)差值變大。這是由于流化床中心處顆粒運(yùn)動更加劇烈，中心處電極的感應(yīng)電荷量波動大。并且隨著氣流量增大，顆粒運(yùn)動變得更加復(fù)雜，也會造成感應(yīng)電荷量波動變大。

1—電極1；2—電極4。

圖9 不同氣流量下不同電極所得感應(yīng)電荷的時間平均和相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)差

根據(jù)已經(jīng)獲得的網(wǎng)狀電極上的感應(yīng)電荷量，利用文獻(xiàn)[20]中所提出的電荷量重建算法，可以重建出網(wǎng)狀電極所在截面處的電荷分布。圖10所示為流化氣體流量為7 m3/h時流化床截面處的電荷分布情況。圖中右側(cè)的色標(biāo)表示電荷量。雖然在中心處電荷量高，總體上看流化床截面的電荷分布相對均勻。圖中后側(cè)床壁附近的電荷量低是由布風(fēng)板造成的流化床布風(fēng)不均勻引起的。

圖10 流化氣體流量為7 m3/h時流化床截面處的電荷分布

4 結(jié)論

1) 提出一種利用網(wǎng)狀靜電傳感器測量鼓泡流化床中顆粒的速度廓形和電荷分布的方法。由于網(wǎng)狀靜電傳感器可以獲得更高和更加均勻的靈敏度分布，因此，非常適合測量流化床等復(fù)雜氣固流動系統(tǒng)。為了證實該傳感器的性能，在實驗室規(guī)模的鼓泡流化床實驗平臺上進(jìn)行實驗研究。

2) 該測量系統(tǒng)可以得到傳感器所在截面處固體顆粒的軸向速度分布，并且可以發(fā)現(xiàn)床壁附近的下落顆粒。根據(jù)電荷標(biāo)定結(jié)果，本文提出利用靜電信號的RMS估計網(wǎng)狀電極上的感應(yīng)電荷。通過分析不同氣流量下不同電極的感應(yīng)電荷變化規(guī)律，得出流化床中心處電極的平均感應(yīng)電荷量大于床壁附近電極的平均感應(yīng)電荷量，并且電極上的感應(yīng)電荷量隨著氣流量的增大而變大。通過分析重建后的電荷分布情況，可以看出流化床截面處電荷分布相對均勻，相對于平均值的最大偏差小于24%。利用網(wǎng)狀靜電傳感器獲得的顆粒速度廓形和電荷分布，可以對流化床的運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測，提高運(yùn)行效率和產(chǎn)品質(zhì)量。

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(編輯 楊幼平)

Monitoring of operation parameters in a bubbling fluidized bed using wire-mesh electrostatic sensors

ZHANG Wenbiao, YANG Binbin, CHENG Xufeng

(School of Control and Computer Engineering, North China Electric Power University, Beijing 102206, China)

In order to further study the flow dynamics of particles in the fluidized bed and optimize the operating parameters of the fluidized bed reactor, real-time monitoring of the solids velocity profile and the charge distribution in the fluidized bed is needed. Due to the high and uniform sensitivity distribution, the wire-mesh electrostatic sensors were installed in a lab-scale bubbling fluidized bed to measure the velocity profile and the charge distribution of solid particles. Cross-correlation calculation of the upstream and downstream signals was applied to calculate the velocity profile of solid particles. Induced charges on the electrodes of the wire-mesh sensors were estimated by root mean square (RMS) of the electrostatic signals. Based on charge distribution reconstruction algorithm, cross sectional charge distribution was reconstructed using the induced charges from all the electrodes. The results indicate that the wire-mesh sensors can capture the falling particles near the wall. Because of the influence from the solids velocity profile, induced charge on electrode in the center of the bed is higher than that near the wall and the reconstructed charge distribution in the cross section of the bubbling bed is relatively uniform.

wire-mesh electrostatic sensors; bubbling fluidized bed; charge distribution; velocity profile

TH89

A

1672?7207(2018)04?1011?07

10.11817/j.issn.1672?7207.2018.04.032

2017?04?16；

2017?07?09

國家自然科學(xué)基金資助項目(61403138)；北京市自然科學(xué)基金資助項目(3162031)(Project(61403138) supported by the National Natural Science Foundation of China; Project(3162031) supported by Beijing Natural Science Foundation)

張文彪，博士，講師，從事多相流檢測技術(shù)研究；E-mail：wbzhang@ncepu.edu.cn