[发明专利]伽马射线技术快速测量旋风分离器浓度场的装置和图像重构方法

说明书

技术领域

本发明属于工业离心气固分离装置的浓度场实时在线监测领域，涉及一种安装在旋风分离器上浓度场测量的伽马射线截面成像装置，以及配套的浓度场浓度场图像重构算法。

背景技术

离心分离技术在工业中获得了广泛的应用，例如旋风分离器，旋流器，离心机等分离设备。流体旋转过程形成的超重力离心场是强化非均相分离的有效途径。在离心力场的作用下，颗粒相在场内分布呈现很大的非均匀性。分离设备的流动参数和结构形式直接影响到这种浓度场的分布，进而影响到分离设备的性能，如分离效率和分离压降等。这就需要对离心浓度场进行监视和测量，而目前对工业分离设备的离心浓度场分布的检测尚无比较实用的技术，一直是一个亟待解决的问题。受工艺操作条件、温度和压力的限制，工业装置的分离设备通常由金属建造外壳，设备内部流体的浓度分布不能用采用侵入式仪器的测量，只可以采用非侵入式测量仪器。通常有电容层析成像技术(ElectricalCapacitance Tomography，ECT)，电阻层析成像技术(Electrical ResistanceTomography，ERT)，X射线技术，伽马射线技术等等。但受到现场分离设备金属外壳和分离设备尺寸较大的影响，测量信号的衰减较大，以及测量仪器信号发射装置的复杂性，测量操作的难度较大，装置成本较高等因素对测量技术提出了较高的要求。因此除伽马射线技术外，其他方法难以对这种现场条件下的浓度场的进行测量。伽马射线成像技术除安全性要求较高外，兼顾具有系统结构相对简单，操作成本较低，射线穿透力很强，测量非侵入式等独特优势而更适合于这种工业环境下的多相流动状态数据采集。

离心分离技术应用的典型设备是旋风分离器，其分离过程见图1。气固两相流进入旋风分离器后形成强烈的旋转运动。气流中的颗粒在离心力的作用下脱离流线向器壁移动，再沿器壁向下螺旋旋转从下部的排尘口流出，而气体则从中心的排气管流出。颗粒在离心力作用下的径向运动逐渐浓缩在外器壁附近，形成比较厚的颗粒层，结果导致颗粒浓度在旋风分离器内呈现很大的非均匀分布。这种浓度分布是旋风分离器分离过程的直接反映，旋风分离器的操作性能和操作状态可以通过旋风分离器的浓度场分布进行实时在线监测。

实验测量(Shaohua Li，Hairui Yang，Hai Zhang，Shi Yang，Junfu Lu，GuangxiYue，Measurements of solid concentration and particle velocity distributions near thewall of a cyclone，Chemical Engineering Journal 150(2009)168-173)表明旋风分离器内的固相颗粒主要集中在壁面附近的14mm以内，旋风分离器内大部分空间的浓度非常低，结果在壁面附近形成的气固两相的浓度梯度非常大。以往的伽马射线工业CT图像重构技术主要采用传统的医学CT中的图像重建算法。一方面，采用这种算法的装置需要非常精密的射线源和探测器位移装置；另一方面，需要采集大量的数据花费较长的时间，难以实现快速测量；再之，与一般的管流多相流测量相比，离心浓度场具有较高的浓度梯度，对图像重建算法的分辨率提出了更高的要求。目前尚无一种适用于工业应用现场的离心浓度场测量的装置和方法，因此有必要开发一种适用于工业应用现场的离心浓度场的测量装置和图像重构方法，利用有限的数据快速获得较高精度的离心分离设备的浓度场分布信息，从而达到对离心分离设备进行有效的状态监测和相关的故障诊断的目的。

从已有的有关伽马射线两相流测量的专利看，这些专利主要是进行有关的层析成像算法的研究，考察对象以管流为主。例如，中国专利201110026739.6，伽马射线截面成像装置、多相流流量测量装置及测量方法，装置采用两组射束对浓度场进行测量，并采用传统的CT图像重建算法对浓度场分布进行重构，可以用于一般管流的气固浓度图像重构。这个专利尚不能适用于离心浓度场的测量，也不能达到快速实时监测的要求。

此外，对于接近于轴对称分布的高浓度梯度离心浓度场未有探究。中国专利200810240476.7，旋流浓集的稀疏气固两相流电容层析成像测量方法及装置，采用6极板的电容层析成像的方法测量旋流装置的颗粒浓集分布情况，不适用于现场高温，高压旋风分离器的浓度场测量。

发明内容

本发明的目的在于提供伽马射线技术快速测量旋风分离器浓度场的装置，主要应用于涉及离心浓度场分离装置的检测和监视，也可以为石油石化等典型离心浓度分离器进行操作状态的实时监测。