专利名称：适用于高温气体管道内颗粒物在线检测的装置及方法
技术领域：
本发明是关于管道内颗粒物采集分析技术，具体是关于一种适用于高温气体管道内颗粒物在线检测的装置及方法。
背景技术：
高温陶瓷过滤器是煤化工和催化裂化中常用的过滤设备，其滤管断裂是目前所面临的重要问题，陶瓷滤管一但断裂对造成管道内的颗粒物浓度迅速升高，严重危害下游的重要设备的正常运行，例如造成烟气轮机的叶片磨损等，而目前缺少对过滤器出口颗粒物浓度实时监测的技术。因此，对高温过滤分离设备进出口进行颗粒物测定来其性能进行评价并实时监测管道内颗粒物浓度变化对保护下游重要设备具有重要意义。
目前针对高温气体管道内颗粒物测定通常采用以下离线检测和在线检测。离线检测是指通过高精度的滤筒或滤膜将气体管道内的粉尘收集，对其称重后计算出管道内的颗粒物浓度，再借助其他粒度分析仪测定出收集的颗粒物粒径。这种离线检测方式可以比较客观的测定出管道内颗粒物特性，但是当浓度较低时操作时间较长，实时性不好。而目前大多数在线检测装置为采用光学原理，只能在常温常压下进行检测，所述检测设备如果用于高温工况则需要将高温气体降温后再通过仪器检测，温度的降低会使某些气体析出液滴，造成颗粒物团聚，影响测量结果，并且凝结的液滴也会污染光学镜头。目前也有少数仪器也可以直接用于高温工况下直接测量，但是从现场使用情况来看，浓度过低或过高时测量仪器测量结果不准确。且尚缺少颗粒物长期监测的技术在此领域的应用，例如监测高温过滤分离设备的出口颗粒物浓度，用以评价分离过滤设备的性能。

发明内容
有鉴于上述现有气体管道内颗粒物检测技术存在的缺点，本案发明人基于从事相关科研及现场经验和专业知识，积极加以改进和创新，以期实现一种能够直接在线检测和长期监测高温气体管道内颗粒物的装置及方法。本发明的一个目的在于提供一种适用于高温气体管道内颗粒物在线检测和长期监测的装置，该装置维护成本低，可靠性强，可实现管道内颗粒物特性的测定，且进一步可长期在线监测。本发明的另一目的在于提供利用所述装置对高温气体管道内颗粒物在线检测的方法，无需将高温气体降温可在线实现管道内颗粒物特性的测定，且进一步能够实现长期在线监测。为达到上述目的，一方面，本发明提出一种适用于高温气体管道内颗粒物在线检测的装置，该装置包括(I)在线检测单元；该在线检测单元包括通过管路依次串接的主采样子系统、二次采样子系统、颗粒物粒径在线分析仪以及第一流量计量控制子系统；其中所述主采样子系统包括管状主采样嘴，该主采样嘴前端伸入需检测的高温气体管道内，以引入含有颗粒物的高温气体样品；所述二次采样子系统包括气体流量分配器和一个二次采样嘴；所述流量分配器设置有一个腔体，腔体前侧设置一个气体进口，后侧设置两个气体出口而分出主路及旁路两条管路；主路依次串接二次采样嘴、颗粒物粒径在线分析仪以及第一流量计量控制子系统，旁路串接第二流量计量控制子系统； 主采样子系统从高温气体管道内采样后，所采气样从流量分配器气体进口经扩散进入腔体后，分别被下游方向的二次采样嘴采出以及从旁路出口排出；(2)预热吹扫单元；该预热吹扫 单元并联设于主采样子系统与二次采样子系统之间的管路上，包括加热气体储罐与保温管线，用于对整个系统的管线进行吹扫和预热。本发明中，所述“前”、“后”或“末”的方向是指按照气体流动上下游方向而言，SP，气流方向是从“前”流向“后”或“末”。本发明的适用于高温气体管道内颗粒物在线检测的装置中，利用所述流量分配器的结构设计，可以让进入其腔体的气流在腔体内部形成湍流，进而使其内的颗粒物混合均匀，来满足二次取样嘴可以采到具有代表性的样品。并且，本发明中，事先利用所述的预热吹扫单元对整个系统的管线进行吹扫和预热，可以有效防止取样后的气体冷却使气体中的颗粒团聚而影响测量结果。根据本发明的具体实施方案，预热吹扫单元的加热气体的温度尽可能的接近主管道内被取样气体的温度，将检测管路加热至尽可能与需检测的高温气体管道内气体的温度相同。根据本发明的具体实施方案，本发明的适用于高温气体管道内颗粒物在线检测的装置中，所述流量分配器的腔体直径大于气体进口与主路出口，所述旁路为从主路上引出的分支管路；优选地，气体进口、腔体与主路出口设置在同一中心线上；更优选地，旁路出口的中心线方向与气体进口中心线方向呈垂直设置。本发明中，所述流量分配器的结构尺寸只要能实现让所述流量分配器腔体的气流在腔体内部形成湍流而混合均匀的目的即可。根据本发明的优选方案，所述流量分配器的腔体直径与气体进口直径的比例为2 10 : I ;腔体长度(沿采样气流方向)与腔体直径的比例为0.5 3 1，可根据气体流速进行适当调整。根据本发明的具体实施方案，本发明的适用于高温气体管道内颗粒物在线检测的装置中，主采样子系统的管状主采样嘴通过机械或液压结构伸缩至需检测的高温气体管道中的待测位置；优选地，所述主采样子系统还包括随管状主采样嘴伸入需检测的高温气体管道内的以下设备中的一种或多种能测量压力和/或温度的传感器，和/或具有测量流速功能的探头。根据本发明的具体实施方案，本发明的适用于高温气体管道内颗粒物在线检测的装置中，于在线检测单元的颗粒物粒径在线分析仪与第一流量计量控制子系统之间还串接有第一颗粒物捕集子系统。这样，利用第一颗粒物捕集子系统收集颗粒物，在进行在线检测的同时也可对颗粒物进行离线采集检测，可同在线检测的结果相互验证。根据本发明的具体实施方案，本发明的适用于高温气体管道内颗粒物在线检测的装置还可进一步包括(3)离线检测单元；该离线检测单元包括第二颗粒物捕集子系统，该第二颗粒物捕集子系统一端连接于主采样子系统与二次采样子系统之间的管路上，另一端连接于所述流量分配器的旁路出口与第二流量计量控制子系统之间的管路上。离线检测单元的设置主要是用于将其检测结果同在线检测的结果比较，验证可靠性。根据本发明的具体实施方案，本发明的适用于高温气体管道内颗粒物在线检测的装置还可进一步包括(4)长期在线监测单元；该长期在线监测单元包括粉尘浓度传感器和计算机，粉尘浓度传感器用于检测需检测的高温气体管道内的粉尘情况，将管道内的颗粒物浓度值转成电流信号传输至计算机以实现长期在线监测。所述长期在线监测单元与所述在线检测单元为并列设置。
根据本发明的该装置具体实施方案，本发明的适用于高温气体管道内颗粒物在线检测的装置还可根据需要包括用于控制各管路开关的阀门，监测用的温度传感器、压力传感器等。另一方面，本发明还提供了一种对高温气体管道内颗粒物进行在线检测的方法，该方法是利用本发明所述的装置对高温气体管道内颗粒物进行在线检测，主要包括步骤利用预热吹扫单元将加热气体引入检测单元管线进行吹扫和预热，之后关闭预热吹扫单元运作；利用在线检测单元的管状主采样嘴从高温气体管道内采集气样，所采气样从流量分配器气体进口经扩散进入腔体后，分别进入主路与旁路；利用颗粒物粒径在线分析仪对主路中二次采样嘴所采气样中颗粒物的浓度和粒径进行测定，并利用第一流量计量控制子系统对进入颗粒物粒径在线分析仪的气体流量进行计量和控制，利用第二流量计量控制子系统计量和控制进入旁路的多余气体的流量，以满足颗粒物粒径在线分析仪自身流量的要求以及在线检测单元等速采样的要求。根据本发明的具体实施方案，本发明的高温气体管道内颗粒物在线检测的方法中，第一流量计量控制子系统所测气体流量与第二流量计量控制子系统所测气体流量之和为进入整个在线检测单元的气体流量，根据管状主采样嘴口径的大小得到进入管状主采样嘴时气体的流速；当进入管状主采样嘴处的流速等于需检测的高温气体管道内流速时，即达到等速采样，能采集到需检测的高温气体管道中具有代表性的颗粒物。根据本发明的具体实施方案，本发明的高温气体管道内颗粒物在线检测装置还包括长期在线监测单元，该长期在线监测单元包括粉尘浓度传感器和计算机，粉尘浓度传感器用于检测需检测的高温气体管道内的粉尘情况，将管道内的颗粒物浓度值转成电流信号传输至计算机以实现长期在线监测；所述方法还包括利用长期在线监测单元计算管道内粉尘浓度C，与在线检测单元的检测结果进行分析比较；其中，按照以下公式计算管道内粉尘浓度C
「P a(AI + BA/ )C = —----
Ym式中，C :管道内粉尘浓度；Δ I :传感器输出电流变化值；Λ H:湿度变化值；V :管道风速；α、β、m为针对具体粉尘的粉尘浓度传感器标定系数。根据本发明的具体实施方案，所述粉尘浓度传感器为静电式粉尘浓度传感器(简称静电传感器)。具体实施时，可以通过实验研究风速和湿度对静电式粉尘浓度传感器输出信号的影响，进一步确定出针对不同粉尘的静电式粉尘浓度传感器标定系数。例如，根据本发明的具体实施方案，所确定出的针对不同粉尘的静电式粉尘浓度传感器标定系数为800目滑石粉的标定系数α为1000，β为10. 32，m为2. 18 ;飞灰的标定系数α为400，β为8. 04，m为I. 88 ;天然气管道内粉尘的标定系数，ct为400, β为6. 07, m为2. 18。根据上述模型公式，通过粉尘浓度传感器输出电流变化、湿度变化和管道实时风速即可确定出管道内粉尘浓度实时显示。
本发明上述模型公式的推导和验证如下所述I、风速对静电传感器输出信号影响在环境温度为15°C，环境湿度为RH40%的实验条件下，以800目滑石粉、飞灰和天然气管道粉尘作为管道输送介质，研究不同管道风速对静电式粉尘浓度传感器输出值的影响。测量结果参见

图1A、图IB和图1C。其中，图1A、图IB和图IC分别为针对滑石粉、飞灰和天然气管道粉尘的测量结果。从图中可以看出，风速变化对测量结果影响十分显著，三种不同粉尘介质呈现相同测量规律。2、湿度影响对静电传感器输出电流影响选用800目滑石粉、飞灰、天然气管道粉尘作为测量对象，在环境湿度分别为RH25%、RH44%、RH53%、RH76%的条件下，保持管道内风速为9. 5m/s，不同粉尘浓度对应静电传感器输出值结果如下图所示。测量结果参见图2A、图2B和图2C。其中，图2A、图2B和图2C分别为针对滑石粉、飞灰和天然气管道粉尘的测量结果。从图中可以看出，湿度变化对测量结果影响十分显著，三种不同粉尘介质呈现相同测量规律。随着环境湿度的增大，粉尘带电量减少。从RH25 %到RH53 %，粉尘带电量减少较均匀，然而当湿度超过某一值时，粉尘带电量非常微弱。在相同浓度下，风速同静电粉尘传感器输出电流值的关系，可表示为Δ I = K1Vm(I)其中，Λ I为静电传感器电流净输出(即为输出值I与初始值之差)，K1S系数，V为管道风速。令A=答=Fm(2,则在其他实验条件保持不变的情况下InA和InV的比值即为m值。m =(3)
In V系数K1的值应根据传感器放大电路、粉尘带电能力等因素的不同确定。在不同风速下，对K1以一定步长进行迭代，Kl初值设为O. 001，步长为O. 001，R为由InA和InV的所成直线的线性相关数，当R > O. 95时，认为m取值即为InP和InV的所成直线斜率。由于传感器的电流输出与粉尘浓度成线性关系。Δ I = kC(4)k为粉尘浓度和电流输出曲线的斜率，C为粉尘浓度。将式4带入式2中，引入系数α，可得
权利要求
1.一种适用于高温气体管道内颗粒物在线检测的装置，该装置包括 (1)在线检测单元；该在线检测单元包括通过管路依次串接的主采样子系统、二次采样子系统、颗粒物粒径在线分析仪以及第一流量计量控制子系统；其中 所述主采样子系统包括管状主采样嘴，该主采样嘴前端伸入需检测的高温气体管道内，以引入含有颗粒物的高温气体样品； 所述二次采样子系统包括气体流量分配器和一个二次采样嘴；所述流量分配器设置有一个腔体，腔体前侧设置一个气体进口，后侧设置两个气体出口而分出主路及旁路两条管路；主路依次串接二次采样嘴、颗粒物粒径在线分析仪以及第一流量计量控制子系统，旁路串接第二流量计量控制子系统； 主采样子系统从高温气体管道内采样后，所采气样从流量分配器气体进口经扩散进入腔体后，分别被下游方向的二次采样嘴采出以及从旁路出口排出； (2)预热吹扫单元；该预热吹扫单元并联设于主采样子系统与二次采样子系统之间的管路上，包括加热气体储罐与保温管线，用于对整个系统的管线进行吹扫和预热。
2.根据权利要求I所述的装置，其中，所述流量分配器的腔体直径大于气体进口与主路出口，所述旁路为从主路上引出的分支管路；优选地，气体进口、腔体与主路出口设置在同一中心线上；更优选地，旁路出口的中心线方向与气体进口中心线方向呈垂直设置。
3.根据权利要求I所述的装置，其中，主采样子系统的管状主采样嘴通过机械或液压结构伸缩至需检测的高温气体管道中的待测位置；优选地，所述主采样子系统还包括随管状主采样嘴伸入需检测的高温气体管道内的以下设备中的一种或多种 能测量压力和/或温度的传感器，和/或具有测量流速功能的探头； 优选地，于在线检测单元的颗粒物粒径在线分析仪与第一流量计量控制子系统之间还串接有第一颗粒物捕集子系统。
4.根据权利要求I所述的装置，该装置还包括 (3)离线检测单元；该离线检测单元包括第二颗粒物捕集子系统，该第二颗粒物捕集子系统一端连接于主采样子系统与二次采样子系统之间的管路上，另一端连接于所述流量分配器的旁路出口与第二流量计量控制子系统之间的管路上。
5.根据权利要求I或4所述的装置，该装置还包括 (4)长期在线监测单元；该长期在线监测单元包括粉尘浓度传感器和计算机，粉尘浓度传感器用于检测需检测的高温气体管道内的粉尘情况，将管道内的颗粒物浓度值转成电流信号传输至计算机以实现长期在线监测。
6.根据权利要求I所述的装置，该装置包括用于控制各管路开关的阀门。
7.根据权利要求I所述的装置，该装置包括 (I)在线检测单元；该在线检测单元包括通过管路依次串接的管状主采样嘴、第一阀门、第二阀门以及流量分配器；所述管状主采样嘴的前端伸入需检测的高温气体管道内，管状主采样嘴伸入高温气体管道的连接处通过管道接管及法兰密封，管状主采样嘴下游经第一阀门、第二阀门串接流量分配器气体进口 ；所述流量分配器设置有一个腔体，腔体一侧设置一个气体进口，另一侧设置两个气体出口而分出主路及旁路两条管路；主路依次串接二次采样嘴、第三阀门、颗粒物粒径在线分析仪、第一颗粒物捕集子系统以及第一流量计量控制子系统；旁路依次串接第四阀门以及第二流量计量控制子系统；管状主采样嘴从高温气体管道内采样后，所采气样从流量分配器气体进口经扩散进入腔体后，分别被下游方向的二次采样嘴采出以及从旁路排出； (2)离线检测单元；该离线检测单元包括通过管路依次串接的第五阀门、第二颗粒物捕集子系统以及第六阀门，第五阀门的上游接设在第一阀门与第二阀门之间的管路上，第六阀门的下游端接设在第四阀门与第二流量计量控制子系统之间的管路上； (3)预热吹扫单元；该预热 吹扫单元包括加热气体储罐，通过第七阀门、保温管线接设于第一阀门与第二阀门之间的管路上，用于在检测前将热气体储罐内的气体引入检测单元的管路进行吹扫和预热； (4)长期在线监测单元；该长期在线监测单元包括串接的粉尘浓度传感器和计算机，粉尘浓度传感器前端管路伸入需检测的高温气体管道内用于检测管道内的粉尘情况，并将管道内的颗粒物浓度值转成电流信号传输至计算机以实现长期在线监测。
8.一种对高温气体管道内颗粒物进行在线检测的方法，该方法是利用权利要求I 7任一项所述的装置对高温气体管道内颗粒物进行在线检测，包括步骤 利用预热吹扫单元将加热气体引入检测单元管线进行吹扫和预热，之后关闭预热吹扫单元运作； 利用在线检测单元的管状主采样嘴从高温气体管道内采集气样，所采气样从流量分配器气体进口经扩散进入腔体后，分别进入主路与旁路； 利用颗粒物粒径在线分析仪对主路中二次采样嘴所采气样中颗粒物的浓度和粒径进行测定，并利用第一流量计量控制子系统对进入颗粒物粒径在线分析仪的气体流量进行计量和控制，利用第二流量计量控制子系统计量和控制进入旁路的多余气体的流量，以满足颗粒物粒径在线分析仪自身流量的要求以及在线检测单元等速采样的要求。
9.根据权利要求8所述的方法，其中， 第一流量计量控制子系统所测气体流量与第二流量计量控制子系统所测气体流量之和为进入整个在线检测单元的气体流量，根据管状主采样嘴口径的大小得到进入管状主采样嘴时气体的流速；当进入管状主采样嘴处的流速等于需检测的高温气体管道内流速时，即达到等速采样，能采集到需检测的高温气体管道中具有代表性的颗粒物。
10.根据权利要求8或9所述的方法，其中，所述装置还包括长期在线监测单元，该长期在线监测单元包括粉尘浓度传感器和计算机，粉尘浓度传感器用于检测需检测的高温气体管道内的粉尘情况，将管道内的颗粒物浓度值转成电流信号传输至计算机以实现长期在线监测；所述方法还包括利用长期在线监测单元计算管道内粉尘浓度C，与在线检测单元的检测结果进行分析比较；其中， 按照以下公式计算管道内粉尘浓度C 式中，C :管道内粉尘浓度； A I :传感器输出电流变化值； AH:湿度变化值； V :管道风速； a、^、111为针对具体粉尘的粉尘浓度传感器标定系数；例如，800目滑石粉的标定系数a为1000，P为10. 32，m为2. 18 ;飞灰的标定系数a为400，^为8. 04，m为I. 88 ;天然气管道内粉 尘的标定系数，a为400，P为6. 07，m为2. 18。
全文摘要
本发明提供了一种适用于高温气体管道内颗粒物在线检测的装置及方法，所述装置包括在线检测单元及预热吹扫单元在线检测单元包括串接的主采样子系统、二次采样子系统、颗粒物粒径在线分析仪及第一流量计量控制子系统；二次采样子系统包括气体流量分配器和二次采样嘴；流量分配器设有一个腔体及两个气体出口而分出主路及旁路；主路依次串接二次采样嘴、颗粒物粒径在线分析仪及第一流量计量控制子系统，旁路串接第二流量计量控制子系统；预热吹扫单元并联设于主采样子系统与二次采样子系统之间的管路上，用于对整个系统的管线进行吹扫和预热。该装置还可包括离线检测单元、长期在线监测单元。该装置能实现对高温气体管道内颗粒物的长期在线检测。
文档编号G01N15/06GK102967541SQ20121047929
公开日2013年3月13日 申请日期2012年11月22日 优先权日2012年11月22日
发明者姬忠礼, 许乔奇, 杨亮, 陈鸿海, 熊至宜 申请人:中国石油大学(北京)