Содержание к диссертации
ВВЕДЕНИЕ 4
Глава 1. АНАЛИЗ СОСТОЯНИЯ ИЗМЕРЕНИЯ МНОГОФАЗНЫХ
СРЕД И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ 9
Глава 2. ИССЛЕДОВАНИЕ СТРУКТУРЫ ДВУХФАЗНЫХ ПОТОКОВ В ТРУБОПРОВОДНОМ ГИДРОТРАНСПОРТЕ
Анализ кинетических свойств двухфазной пульпы при гидротранспортировании 19
Анализ геометрического подобия структуры двухфазных потоков 29
Глава 3. РАЗРАБОТКА ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО МЕТОДА И
СРЕДСТВА КОНТРОЛЯ ПАРАМЕТРОВ ДВУХФАЗНЫХ ПОТОКОВ
Анализ влияния структуры потока на характеристику электромагнитного расходомера 34
Описание сигнала расходомера при измерении параметров потока пульпы 56
Инженерные решения построения электромагнитного расходомера 61
Глава 4. ИССЛЕДОВАНИЕ МАГНИТОГИДРОДИНАМИЧЕСКИХ ВЗАИМОДЕЙСТВИЙ В ЭЛЕКТРОМАГНИТНОМ РАСХОДОМЕРЕ МЕТОДАМИ ЧИСЛЕННОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ
Построение модели для численного моделирования расходомера 69
Численное моделирование распределения вектора магнитной индукции в канале расходомера 73
Численное моделирование электрического поля в канале расходомера 81
-3-4.4 Экспериментальное исследование прибора, определяющего
параметр подобия структуры потока 91
Глава 5. РАЗРАБОТКА МЕТОДА И СРЕДСТВА КОНТРОЛЯ ПАРАМЕТРОВ ЖЕЛЕЗОРУДНЫХ ПУЛЬП
5.1 Анализ методов корректировки изменений магнитных
свойств магнитной цепи расходомера 105
Синтез модели магнитной цепи расходомера НО
Разработка конструкции расходомера, учитывающего магнитные свойства измеряемой среды 118
Анализ информативности сигналов первичного преобразователя 125
Экспериментальное исследование опытного образца расходомера железорудной пульпы 128
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 134
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 136
ПРИЛОЖЕНИЕ 143
П.1. ПРОГРАММА ИСПЫТАНИЙ РАСХОДОМЕРОВ 144
П.2. РЕЗУЛЬТАТЫ ИСПЫТАНИЙ РАСХОДОМЕРОВ 149
Введение к работе
Управление важнейшими технологическими процессами, так и автоматизация последних, требует разработки все более совершенных методов измерения, которые позволили бы создать дешевые, надежные и точные средства контроля и измерения количественных параметров потока. В настоящее время методология и техника контроля и измерения параметров однофазных веществ, таких как однородные жидкости, хорошо развита. Однако, задача создания средства для измерения расхода, диагностирования кинематической структуры потока и распределение фазового состава двухфазных пульп и потоков безнапорных жидкостей в трубопроводах чрезвычайно актуальна, но не проработана.
Задача создания высокоэффективных автоматизированных систем управления технологическими процессами, в состав которых входят магистральные гидротранспортные трубопроводы, на сегодняшний день является актуальной. Эта задача не может быть решена без создания нового класса приборов, позволяющих наряду с измерением расхода многофазного потока, диагностировать распределении компонентов многофазного потока в трубопроводе в режиме реального времени. Повышение эффективности существующих систем автоматизации технологических процессов гидротранспортирования требуется в горнодобывающих и перерабатывающих отраслях промышленности.
Рациональные и технически возможные пути интенсификации гидротранспорта - это резкое увеличение транспортирующей способности взвесене-сущих потоков и уменьшение энергетических затрат на гидротранспортирование, которые приводят к значительному уменьшению мощности установленного оборудования (трубопроводов, насосных станций и т.п.).
В настоящее время при учете количества двухфазной пульпы используют методы позволяющие определить объемный расход пульпы, а при известной концентрации твердых веществ в ней, расход твердой и жидкой фазы. Однако при меняющейся во времени концентрации твердой фазы, например, в процессе гидродобычи полезных ископаемых при помощи землеснарядов, информация о кинематической структуре потока пульпы носит важный характер. Наиболее предпочтительной для оператора, управляющего транспортированием пульпы,
является численная информация о величине объемного расхода пульпы и изображение на экране структуры потока в канале пульпопровода, позволяющее наглядно оценить интенсивность расслоения твердой и жидкой фаз пульпы. И на основании этих данных принять меры для поддержания оптимального процесса гидротранспортирования твердых материалов или процесса работы землеснаря-да.
В этой связи более перспективным является методы и средства позволяющие на ряду с информацией о расходе получать и сведения о структуре потока в канале, иными словами получить томографическую картину структуры потока.
Сегодня промышленность заинтересована в томографии процессов, поскольку последняя открывает совершенно новое "окно" для наблюдения за технологическими процессами в реальном времени и при меньших затратах, чем при использовании многих обычных промышленных анализаторов. Методы томографии позволяют измерять такие величины как распределение вещества по сечению канала и как производную величину - концентрацию твердой фазы пульпы. Информацию такого типа редко удается получить при помощи используемых технологами традиционных датчиков, особенно в случае многофазных потоков. Поэтому эти методы позволяют глубже понимать характер двухфазных потоков пульп в трубопроводах, а получаемую информацию использовать для создания более совершенного технологического оборудования и управления технологическими процессами с целью увеличения выхода продукции и повышения ее качества.
В настоящей работе проведено исследование и разработка метода и средства, основанного на электромагнитном принципе измерения параметров двухфазной пульпы, позволяющего наряду с информацией об объемном расходе пульпы, получить информацию о кинематической структуре потока в реальном режиме времени, которая численно характеризуется значением параметра подобия структуры потока. Используя параметр подобия структуры потока в системе контроля и управления процессом гидротранспортирования твердых материалов по трубопроводу, можно существенно повысить рентабельность гидротранспор-
та за счет оперативного контроля скорости транспортирования многофазного потока.
Применение электромагнитного метода измерения для создание на его основе датчиков и средств, входящих в автоматизированную систему коїггроля и управления процесса гидротранспортирования и обладающих повышенными технологическими и метрологическими характеристиками, на сегодняшний день возможно и этому посвящена диссертационная работа.
Целью диссертационной работы является разработка и исследование методов и средств для автоматизации контроля и управления параметрами двухфазных потоков в трубопроводах при гидротранспорте твердых материалов, позволяющего наряду с информацией об объемном расходе пульпы, диагностировать распределение фазового состава по сечению трубопровода.
Идея работы состоит в использовании двух режимов измерения, одно при магнитном поле, содержащим нечетные пространственные гармоники в измерительном канале расходомера, второе при магнитном поля, содержащим, четные пространственные гармоники. Совокупность измерений позволяет решить задачу измерения расхода и кинематической структуры двухфазного потока.
Методы исследования. При решении поставленных в работе задач использовались методы математического анализа и моделирования, теоретической физики, гидравлики однофазных и двухфазных потоков, применено современное программное обеспечение для разработки математических моделей и обработки расчетных и экспериментальных данных (ANSYS, MAPLE, MATHCAD). Защищаемые научные положения и их новизна
Выявленное взаимодействие двухфазного потока с магнитным полем, имеющим симметричное распределение индукции относительно плоскости, проходящей через оси электродов и трубы, создает электрическое поле, которое зависит от неоднородности кинематической и фазовой структуры потока по вертикальной оси канала.
Разработанная математическая модель электромагнитного расходомера позволяет исследовать магнитогидродинамические процессы в первичном
преобразователе, моделировать неоднородность распределения электропроводности среды в рабочем объеме канала при различных профилях скорости потока, которые определяют параметр подобия структуры двухфазного потока.
Метод непрерывного восстановления положения поверхности нулевого потенциала в плоскости оси канала и линии, соединяющей электроды электромагнитного расходомера, позволяет измерять состояние кинематической структуры двухфазных пульп при гидротранспортировании.
Расход потока железорудной пульпы и содержание в ней магнетита определяется по характеристике нормальной компоненты магнитного поля на поверхности канала и поверхностной весовой функции электромагнитного расходомера.
Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и экспериментальных результатов подтверждаются использованием классических и современных методов расчета характеристик магнитного и электрических полей, 95% совпадением результатов теоретического анализа и математического моделирования с данными экспериментальных исследований.
Научное и практическое значение работы:
Предложен метод и разработано устройство, измеряющее параметр подобия структуры двухфазного потока, новизна которого подтверждена патентом России, обладающие высокой точностью, технологичностью и надежностью.
Спроектированы, изготовлены и испытаны реально действующие образцы электромагнитного расходомера для измерения объемного расхода магнетитовой пульпы и концентрации магнетита в ней.
3) Предложена и разработана методика построения электромагнитного рас
ходомера, которая позволяет проектировать средства контроля параметров
двухфазных потоков для автоматизации технологических процессов, свя
занных с гидротранспортированием пульп по трубопроводам.
Реализация результатов. Партия опытных образцов (8 приборов) элек
тромагнитных расходомеров для магнетитовой пульпы с Ду 300 мм типа «Взлет
ЭМР-КМ», изготовленная на основе рассмотренной диссертационной работы, установлена и успешно эксплуатируется на технологическом трубопроводе Лебединского Горно-обогатительного комбината.
Результаты работы приняты для использования в учебном процессе при подготовке дипломированных специалистов по направлению «Автоматизация и управление» Московского государственного горного университета.
Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на XIV Научно-технической конференции «Датчик-2002» (г.Судак Украина, 2002 г.), на ежегодных научных симпозиумах "Неделя Горняка" (МГГУ, 2003 - 2006 гг.), на 16-й, 20-й, 21-й, 22-й Международной научно-практической конференции «Коммерческий учет энергоносителей» (г. Санкт-Петербург, 2002, 2004, 2005 г.), на 3-ем Международном научно-практическом форуме «Совершенствование измерений расхода, регулирование и коммерческий учет энергоносителей» ( г. Санкт-Петербург, 2003г.).
Публикации. Основные научные положения, выводы и практические результаты отражены в 11 опубликованных печатных работах по данной теме научных работах автора, получен патент РФ на изобретение и подано на рассмотрение три заявки на патент РФ.
Диссертационная работа выполнена на кафедре «Автоматики и управления в технических системах» Московского государственного горного университета.
