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基于智能狀態(tài)檢測的超音速旋流凈化系統(tǒng)
摘要
超音速旋流凈化技術(shù)是濕煙氣經(jīng)超音速分離器絕熱膨脹至超音速，降溫50-100℃后，其中夾帶的水蒸汽、SOx與溶解性鹽、凝膠粉塵、微塵等成分發(fā)生非均質(zhì)凝結(jié)后予以分離的一種新型氣體凈化技術(shù)，脫除效率最高可達(dá)90%，能夠高效地實現(xiàn)煙氣脫白。該技術(shù)同時借助多傳感器融合方法智能診斷和動態(tài)測量流場數(shù)據(jù)，優(yōu)化煙氣“脫白”過程，必要時輔以高壓微霧增強(qiáng)技術(shù)，強(qiáng)化分離凈化效果。相較于傳統(tǒng)的電磁法、煙氣加熱法、煙氣噴淋法等脫白工藝，獨創(chuàng)的基于智能狀態(tài)檢測與診斷控制的分離效率增強(qiáng)技術(shù)能實現(xiàn)煙氣的高效率穩(wěn)定脫白。
團(tuán)隊創(chuàng)新成果與技術(shù)應(yīng)用展示
本項目團(tuán)隊，近十幾年一直從事超音速旋流分離技術(shù)和多相流流場參數(shù)檢測與電學(xué)成像技術(shù)的研究，已分別構(gòu)建了超音速分離裝置和電阻成像（ERT）、電容成像（ECT）及電磁（EMT）等多套系統(tǒng)。現(xiàn)有成熟技術(shù)已為國內(nèi)多家單位，如上海交通大學(xué)、北京石油化工學(xué)院、北方工業(yè)大學(xué)、太原理工大學(xué)、西門子（北京）研究院等，提供了相應(yīng)的電學(xué)成像系統(tǒng)。本項目中所采用的技術(shù)和提出的方法均為自主設(shè)計和開發(fā)，對于已研制超音速旋流分離技術(shù)和流場參數(shù)檢測系統(tǒng)中的一些關(guān)鍵技術(shù)已申請了專利，具有完全的知識產(chǎn)權(quán)。同時開發(fā)過程中使用的所有部件和器件沒有限制級產(chǎn)品，可避免不必要的知識產(chǎn)權(quán)爭端，以及國外技術(shù)壁壘的限制。
獨創(chuàng)的基于智能狀態(tài)檢測的超音速旋流凈化系統(tǒng)利用靜電（Electrical Tomography，ES）傳感器和電學(xué)層析成像（Electrical Tomography，ET）傳感器，結(jié)合多源信息融合算法，實現(xiàn)管道內(nèi)氣體的非侵入式流場參數(shù)測量和狀態(tài)診斷。系統(tǒng)將檢測到的信息進(jìn)行處理和融合，分析超音速分離器內(nèi)的流場情況和濕氣出口的成分變化，并建立異常狀態(tài)檢測與診斷方法，診斷系統(tǒng)狀態(tài)。可被廣泛應(yīng)用于石油、化工、電力、冶金、建材、食品等工業(yè)，如煙氣脫白；石油工業(yè)中油／氣／水混輸過程；冶金、電力工業(yè)中各種氣力物料輸送過程；以及化工、醫(yī)藥、能源等領(lǐng)域中的干燥過程、混合過程、流態(tài)化過程、擴(kuò)散過程、反應(yīng)過程等普遍涉及多相流測量問題。相較于傳統(tǒng)的處理工藝，超音速旋流凈化技術(shù)中的設(shè)備可靠，工藝過程簡單，投資成本和維護(hù)成本很低。核心傳感器和技術(shù)包括靜電（Electrical Tomography，ES）傳感器、電學(xué)層析成像（Electrical Tomography，ET）傳感器和超音速旋流分離技術(shù)。
靜電傳感器
靜電傳感器具有結(jié)構(gòu)簡單、靈敏度高，可以非侵入測量等特點，近幾十年來發(fā)展迅速，英國貿(mào)工部認(rèn)為在煤粉的流速、濃度或質(zhì)量流量測量手段中，靜電法是最有前途的方法之一。
在檢測機(jī)理方面，目前靜電法氣固兩相流檢測可分為接觸電荷轉(zhuǎn)移法與靜電感應(yīng)法兩條路線，對于應(yīng)用最廣泛的內(nèi)壁嵌裝電極式傳感器結(jié)構(gòu)，本團(tuán)隊發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)移電荷和感應(yīng)電荷經(jīng)電荷放大電路后，不僅體現(xiàn)出不同的信號波形特征，而且從頻域來看，轉(zhuǎn)移電荷形成的信號在整體信號中也占有重要比重。以此為基礎(chǔ)，提出了一系列的感應(yīng)電荷信息和轉(zhuǎn)移電荷信息的解耦方法，提高了顆粒流動參數(shù)測量精度。
本團(tuán)隊建立了帶式靜電感應(yīng)實驗裝置與氣固兩相流計量實驗裝置。帶式靜電感應(yīng)實驗裝置用來模擬帶靜電顆粒流動情況以及相關(guān)測速方法標(biāo)定。氣固兩相流計量裝置為參數(shù)可調(diào)的氣力輸送系統(tǒng)，用于氣固兩相流研究以及顆粒質(zhì)量流量計量標(biāo)定。兩套裝置計量精度均經(jīng)過了天津市計量監(jiān)督檢測科學(xué)研究院的測試。
圖1 靜電法技術(shù)成果展示
電學(xué)層析成像傳感器
電學(xué)層析成像技術(shù)類似醫(yī)學(xué)的CT技術(shù)，通過外圍測量，重構(gòu)截面電學(xué)參數(shù)（電導(dǎo)率/磁導(dǎo)率/介電常數(shù)）分布信息。電學(xué)層析成像技術(shù)根據(jù)測量模態(tài)的不同，主要分為電容層析成像技術(shù)（Electrical Capacitance Tomography，簡稱ECT）、電阻層析成像技術(shù)（Electrical Resistance Tomography，簡稱ERT）和電磁層析成像技術(shù)（Electromagnetic Tomography，簡稱EMT）。系統(tǒng)具備高速測量、多電極組合、多測量模態(tài)切換、可視化、高信噪比和可定制化等特點。
本團(tuán)隊針對重質(zhì)劣質(zhì)油的加工轉(zhuǎn)化的核心設(shè)備——三相流化床，轉(zhuǎn)化效率和產(chǎn)量還存在難以突破設(shè)計瓶頸的問題，在首次提出基于TMR的磁導(dǎo)率EMT方法的基礎(chǔ)上，結(jié)合ECT 和ERT 等多種模態(tài)的電學(xué)層析成像系統(tǒng)，設(shè)計了基于電/磁雙模層析成像的高固含率氣液固三相流態(tài)化實驗裝置，可實現(xiàn)高固含率條件下，氣液固三相的識別和分相分布參數(shù)的實時測量。
圖2 電學(xué)層析成像技術(shù)成果展示
圖3 ERT/ECT/EMT系統(tǒng)展示
圖4 ECT對油氣潤滑系統(tǒng)中油膜厚度檢測
超音速旋流分離技術(shù)
超音速旋流分離技術(shù)是結(jié)合旋流分離技術(shù)和冷凝分離技術(shù)的多組分氣體冷凝分離法，具有工藝流程簡單、穩(wěn)定性好、效率高、能耗低等特點，成為近二十年來非常有應(yīng)用價值和商業(yè)前景的新分離技術(shù)。該技術(shù)集膨脹機(jī)、氣液分離器和壓縮機(jī)于一體，主要由旋流發(fā)生器、超音速噴嘴、分離段和擴(kuò)壓管組成。其工作原理如下：
經(jīng)過前級處理后的含濕氣體導(dǎo)入到超音速分離器內(nèi)，經(jīng)過旋流發(fā)生器，產(chǎn)生加速度為106m/s2的旋轉(zhuǎn)流場；
旋轉(zhuǎn)的氣體通過拉伐爾噴管時，會絕熱膨脹至超音速，同時降溫降壓，溫度最大可降低50-100℃，低溫的流場環(huán)境能夠使氣體中的水蒸氣開始凝結(jié)產(chǎn)生相變，出現(xiàn)小液滴；
在旋轉(zhuǎn)流場中，凝結(jié)產(chǎn)生的小液滴不斷碰撞、聚并，在強(qiáng)離心力的作用下，被甩至壁面，并在氣體的帶動下，從濕氣出口排出；
經(jīng)過處理的干氣在管道中心流動，經(jīng)過擴(kuò)壓器內(nèi)降速升壓，進(jìn)行排放。
本團(tuán)隊首次采用Young經(jīng)典成核理論和C-C相平衡方程推導(dǎo)獲得了水蒸汽自發(fā)凝結(jié)Wilson位置解析式，在此基礎(chǔ)上，提出了基于液滴成核和生長模型的非均質(zhì)凝結(jié)模型和跨聲速濕空氣凝結(jié)SST湍流模型，揭示了跨音速兩相凝結(jié)現(xiàn)象“非穩(wěn)態(tài)”不同振蕩模式的流動特性，獲得了使分離效率最大化的最優(yōu)外界核心半徑，深入研究了超音速分離器的流場特性、處理效率和分離特性。
圖5 超音速旋流分離器流場測量系統(tǒng)
圖6 凝結(jié)液滴參數(shù)測量
圖7 中國計量測試學(xué)會科學(xué)技術(shù)進(jìn)步獎
圖8 超音速分離器液相分布仿真預(yù)測
針對煙氣的智能狀態(tài)檢測與診斷控制的超音速旋流凈化工藝
濕法脫硫后的濕煙氣直接排放會產(chǎn)生“白色煙羽”，由于在脫硫過程中，脫硫漿液與高溫?zé)煔庵苯咏佑|，發(fā)生傳熱傳質(zhì)；一方面水分蒸發(fā)，增加煙氣的含濕量；另一方面，煙氣溫度降低，煙氣攜帶水蒸汽的能力降低。煙氣達(dá)到飽和狀態(tài)后，會攜帶部分小液滴，這些攜帶小液滴的飽和濕煙氣經(jīng)除霧器除去絕大部分液滴后，直接經(jīng)煙囪排入大氣，由于環(huán)境溫度比煙氣溫度低，飽和濕煙氣中的水分就會凝結(jié)成小液滴形成“白色煙羽”。白煙中含有較多的溶解性鹽、SO3、凝膠粉塵和微塵等成分，會造成環(huán)境污染。
針對上述問題，本團(tuán)隊首創(chuàng)的基于智能檢測與診斷的超音速旋流凈化工藝解決了傳統(tǒng)煙氣脫白技術(shù)（如煙氣加熱方法、煙氣冷凝再加熱技術(shù)和電磁脫白技術(shù)等）成本高，工藝流程復(fù)雜，維護(hù)費(fèi)勁的問題，具有設(shè)備可靠，工藝過程簡單，投資成本和維護(hù)成本很低的特點。
該技術(shù)主要是利用超音速旋流分離器的增速降溫原理，將煙氣中的水蒸氣進(jìn)行凝結(jié)并旋轉(zhuǎn)分離，通過引射器將液滴引至超音速分離器入口，輔以高壓微霧增強(qiáng)技術(shù)，強(qiáng)化脫白效果。在超音速分離器分離段和濕氣出口處安裝本團(tuán)隊自主研發(fā)的多相流可視化及參數(shù)測量系統(tǒng)（靜電層析成像系統(tǒng)和電學(xué)層析成像系統(tǒng)），結(jié)合智能化成像算法和多元信息融合算法，對管道內(nèi)煙氣的流場參數(shù)進(jìn)行非侵入式智能測量。系統(tǒng)可根據(jù)測量結(jié)果，分析超音速旋流分離器內(nèi)的流場情況和濕氣出口的成分變化，建立異常狀態(tài)檢測與診斷方法，診斷脫白系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)，同時，指導(dǎo)引射器對液滴量引入的精確控制，進(jìn)而實現(xiàn)高效穩(wěn)定的煙氣脫白。
圖9 針對白煙氣的智能檢測與診斷控制超音速旋流凈化工藝流程
天津大學(xué)
2021-05-12
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大田滴灌用水力旋噴自動吸附網(wǎng)式過濾器
隨著節(jié)水農(nóng)業(yè)的興起，滴灌、噴灌技術(shù)正被越來越廣泛地應(yīng)用。目前已建成的系統(tǒng) 首部，控制系統(tǒng)采用人工手動控制的較多，系統(tǒng)自動化程度低，且產(chǎn)品單一，而過濾器 作為系統(tǒng)首部的核心設(shè)備，用戶急需技術(shù)含量高的產(chǎn)品。 針對以上問題，研制和開發(fā)了一套大田滴灌水力旋噴自動吸附網(wǎng)式過濾器及其控制 系統(tǒng)，克服了以往過濾器體積大，水頭損失大、操作復(fù)雜的缺點，符合當(dāng)代農(nóng)業(yè)主的需 求。該技術(shù)產(chǎn)品具有不同60、80、100、120等不同目數(shù)和不同結(jié)構(gòu)的過濾器產(chǎn)品，不僅 用于滴灌，還可以用于噴灌等灌溉方式，適應(yīng)范圍廣。生產(chǎn)工藝成熟、產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定。
青島農(nóng)業(yè)大學(xué)
2021-04-11
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旋口式指引導(dǎo)管及應(yīng)用其的介入治療設(shè)備
相關(guān)專利提出了一種新型的指引導(dǎo)管，用于冠脈介入治療時方便更換介入導(dǎo)管。
天津醫(yī)科大學(xué)
2021-02-01
大田滴灌用水力旋噴自動吸附網(wǎng)式過濾器
隨著節(jié)水農(nóng)業(yè)的興起，滴灌、噴灌技術(shù)正被越來越廣泛地應(yīng)用。目前已建成的系統(tǒng)首部，控制系統(tǒng)采用人工手動控制的較多，系統(tǒng)自動化程度低，且產(chǎn)品單一，而過濾器作為系統(tǒng)首部的核心設(shè)備，用戶急需技術(shù)含量高的產(chǎn)品。
針對以上問題，研制和開發(fā)了一套大田滴灌水力旋噴自動吸附網(wǎng)式過濾器及其控制系統(tǒng)，克服了以往過濾器體積大，水頭損失大、操作復(fù)雜的缺點，符合當(dāng)代農(nóng)業(yè)主的需求。該技術(shù)產(chǎn)品具有不同60、80、100、120等不同目數(shù)和不同結(jié)構(gòu)的過濾器產(chǎn)品，不僅用于滴灌，還可以用于噴灌等灌溉方式，適應(yīng)范圍廣。生產(chǎn)工藝成熟、產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定。
青島農(nóng)業(yè)大學(xué)
2021-05-07
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一種旋流流化床固體粒子發(fā)生器
本實用新型公開了一種旋流流化床固體粒子發(fā)生器，是在主氣路中引出旁路氣流作為粒子發(fā)生器的驅(qū)動動力，旁路氣流分別通過底部和側(cè)壁切向通孔注入壓力容器中，底部注入的氣流用于驅(qū)動流化床，切向注入的氣流可形成旋流增加氣流紊亂程度，綜合利用流化床和旋流分散干燥的固體粒子，形成氣溶膠，從而保證粒子質(zhì)量，最后通過壓力容器上部的氣路將氣溶膠注入主氣路。本實用新型不需要額外的高壓氣源，不會改變空氣或者是燃料氣體流量及其相對比例，可以避免增加額外的流量計/流量控制器的使用。利用流化床和旋流結(jié)構(gòu)，可有效提高粒子散布的均勻性，并有效避免流化床中形成穩(wěn)定氣路而失效，該裝置結(jié)構(gòu)簡單，操作維護(hù)方便，投資及維護(hù)費(fèi)用低。
浙江大學(xué)
2021-04-13
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一種用于撲旋翼飛行器的驅(qū)動機(jī)構(gòu)
本發(fā)明公開了一種用于撲旋翼飛行器的驅(qū)動機(jī)構(gòu)，屬于飛行器設(shè)計技術(shù)領(lǐng)域。
北京航空航天大學(xué)
2021-04-10
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一種航拍式旋翼飛行器控制系統(tǒng)
小試階段/n本發(fā)明采用無線傳輸模塊、ARM 系統(tǒng)模塊、陀螺儀模塊、氣壓計模塊、GPS 定位模塊和電機(jī)模塊與飛行器控制軟件共同作用，通過航點定向，讀取 GPS定位模塊、氣壓計模塊和陀螺儀模塊信息，使得航拍式旋翼飛行器的定點懸停、低空低速飛行、垂直起降和室內(nèi)飛行的動作精度更高。采用的 ARM 系統(tǒng)模塊集成度高、精度高、實時性強(qiáng)、功耗低、主控體積小、重量輕、抗干擾能力強(qiáng)和成本低。其中的陀螺儀模塊采用整合性 6 軸運(yùn)動處理組件，用于感測與維持方向，抗陀螺效應(yīng)好，使得航拍式旋翼飛行器動作迅速、反應(yīng)靈敏和飛行穩(wěn)
武漢科技大學(xué)
2021-01-12
州大學(xué).jpg){kind=logo}
1GSP—200 型旋耕復(fù)合作業(yè)型水田平整機(jī)
該機(jī)型由中型拖拉機(jī)配套，麥?zhǔn)蘸蠼斩捜夸亜蚍盘铮潘疂a田 2 天，由本機(jī)型實施帶水旋耕、滅茬、起漿、水田平整一次性作業(yè)，即可得出符合機(jī)械化中小苗插秧的水田，徹底改變了原水田耕作工藝先耕地后碎土，再平田是我三次作業(yè)法，省工、省時、節(jié)本、降耗。且能做到麥秸稈的全量還田。
揚(yáng)州大學(xué)
2021-04-14
一種連鑄中間包內(nèi)旋型湍流控制器
小試階段/n該發(fā)明涉及一種連鑄中間包內(nèi)旋型湍流控制器，其主要特點為湍流抑制器內(nèi)部設(shè)置有朝向一致的旋流擋片，鋼水注入到該湍流控制器后會在抑制器內(nèi)形成一個旋流的速度場，從而產(chǎn)生離心力，并使鋼液中夾雜物在該離心力作用下向旋轉(zhuǎn)中心聚集，有效促進(jìn)了夾雜物的碰撞，而碰撞長大后的夾雜物更有利于上浮去除，最終達(dá)到了凈化鋼液的目的。已進(jìn)行水模型和數(shù)學(xué)模型研究，形成的鋼水旋流轉(zhuǎn)速可達(dá)25轉(zhuǎn)每分鐘，接近日本電磁中間包的轉(zhuǎn)速（40轉(zhuǎn)每分鐘），中間包沖擊區(qū)湍流強(qiáng)度下降90%，長水口周圍渣眼消除，50微米以下夾雜物去除率提高2
武漢科技大學(xué)
2021-01-12
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旋流式氣液分離器壓降計算模型的應(yīng)用探討
研究分析了制冷裝置中高 性能的氣液分離器，降低了壓縮機(jī)的故障率，減小旋流式分離器的壓降損失，維 持系統(tǒng)的高效運(yùn)行，促進(jìn)制冷技術(shù)的發(fā)展。
上海理工大學(xué)
2021-01-12