反應釜冷水流量計測量水煤漿流量不穩定原因分析
點(diǎn)擊次數：1773 發(fā)布時(shí)間：2021-09-08 00:47:04
摘要：針對國內漿液型反應釜冷水流量計測量水煤漿流量時(shí)出現波動(dòng)大、甚至回零的問(wèn)題，采集現場(chǎng)水煤漿信號，進(jìn)行時(shí)域和頻域分析，找出其無(wú)法穩定測量水煤漿流量的原因。
水煤漿是一種由55%～65%的煤粉、34%～43%的水和1%的化學(xué)添加劑，經(jīng)過(guò)一定的工藝加工而成的固液混合物，既可作為燃料代替油、氣和煤用于發(fā)電站鍋爐、工業(yè)鍋爐和工業(yè)窯爐，緩解石油短缺的能源安全問(wèn)題，又可作為制備合成氣的原料，通過(guò)氣化生成CO、CO2和H2等氣體，作為工藝過(guò)程中的反應氣。水煤漿在生產(chǎn)過(guò)程中使用煤漿泵輸送，在生產(chǎn)時(shí)，煤漿泵工作在額定轉速下，所以，水煤漿的流速基本保持不變。但是，水煤漿是一種非牛頓流體，并且存在固體顆粒的沉淀，加上流速低，所以，可能會(huì )導致煤漿泵堵塞，使煤漿泵出口壓力大幅跳動(dòng)，引起水煤漿流速出現大幅波動(dòng)，影響正常生產(chǎn)。因此，為了保證產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)安全，需要監測管道內水煤漿的流速，以及時(shí)發(fā)現煤漿泵的異常。反應釜冷水流量計測量管內不存在阻礙流體的部件，且受密度、粘度影響較小，適宜測量這類(lèi)高濃度的固液混合物，是水煤漿計量的首選方案。但是，隨著(zhù)水煤漿應用范圍擴大，煤質(zhì)開(kāi)始發(fā)生變化，主要表現為煤的灰分變高，導致只有極少數國外著(zhù)名廠(chǎng)家的反應釜冷水流量計可以實(shí)現水煤漿流量的穩定測量，但是，價(jià)格非常昂貴，是國產(chǎn)品牌的7～8倍，且沒(méi)有披露技術(shù)細節，而多數國外品牌和國內生產(chǎn)的反應釜冷水流量計，在管道內水煤漿流量穩定時(shí)，都出現了測量結果波動(dòng)大，甚至測量結果回零的情況，這會(huì )導致系統跳車(chē)停產(chǎn)事故。因此，解決漿液型反應釜冷水流量計測量水煤漿時(shí)波動(dòng)較大的問(wèn)題，不僅能大大減少?lài)鴥让夯て髽I(yè)的生產(chǎn)成本，還是保證安全生產(chǎn)的關(guān)鍵。某國外著(zhù)名廠(chǎng)家的反應釜冷水流量計通過(guò)選用耐沖刷，耐磨損的增強聚四氟乙烯作為襯里材料、低噪音電極以及抗噪音轉換器來(lái)降低測量流量的波動(dòng) 。目前，國內外對反應釜冷水流量計測量類(lèi)似紙漿的漿液流量在信號處理方面進(jìn)行過(guò)一定的研究，但是，均沒(méi)有關(guān)于水煤漿測量信號處理方面的參考文獻。
針對反應釜冷水流量計測量水煤漿時(shí)出現較大波動(dòng)、甚至回零的問(wèn)題，本文采集現場(chǎng)反應釜冷水流量計輸出的水煤漿信號;在時(shí)域和頻域對信號進(jìn)行分析，找出了反應釜冷水流量計不能穩定測量水煤漿流量的原因;根據水煤漿信號特征，提出了基于勵磁頻率高次諧波分析的煤漿流量計信號處理方法;在基于DSP的反應釜冷水流量計變送器上實(shí)時(shí)實(shí)現該算法，進(jìn)行現場(chǎng)驗證。實(shí)驗結果表明，測量結果較穩定，驗證了所提出的算法的有效性。
1、數據采集分析
1.1現場(chǎng)實(shí)驗
針對反應釜冷水流量計測量水煤漿時(shí)出現較大波動(dòng)，甚至回零這一問(wèn)題，特去某煤化工企業(yè)甲醇分公司進(jìn)行現場(chǎng)數據采集。該公司所使用的對置式四噴嘴氣化有4個(gè)噴嘴，噴嘴管道口徑為125mm，管中水煤漿流量基本穩定在19m³/h(流速約為0.48m/s)。每條噴嘴煤漿線(xiàn)上安裝了3臺反應釜冷水流量計，每臺反應釜冷水流量計由傳感器和變送器兩部分組成。選擇其中1條水煤漿管線(xiàn)上的1臺反應釜冷水流量計進(jìn)行數據采集，因為該臺反應釜冷水流量計測量結果波動(dòng)大，甚至出現回零的現象。將課題組研制的基于DSP的電磁流量變送器的信號線(xiàn)和勵磁線(xiàn)接到該電磁流量傳感器的電極和勵磁線(xiàn)圈上，組合成完整的反應釜冷水流量計，進(jìn)行水煤漿數據采集。使用的電磁流量變送器是以TI公司DSP芯片TMS320F28335為核心，采用高頻勵磁方案，其硬件主要包括勵磁控制系統和信號采集處理系統，具體的模塊有勵磁驅動(dòng)模塊、信號調理采集模塊、信號處理控制模塊、人機接口模塊、通信模塊及電源管理模塊。信號調理采集模塊中的調理電路對一次儀表輸出的信號進(jìn)行放大和濾波，截止頻率是2kHz，放大倍數約為230倍。通過(guò)NI公司USB－6216型號的數據采集卡進(jìn)行數據采集，把調理電路的輸出端連接到數據采集卡的一個(gè)差分輸入端，并設置數據采集卡工作在差分的測量模式，設置采集卡的采樣頻率為10kHz。采集多組水煤漿信號數據，每組數據的時(shí)間長(cháng)度為5min。
1.2數據分析
現場(chǎng)采集了25Hz方波勵磁下的水煤漿信號，發(fā)現水煤漿信號的幅值非常大，甚至接近AD的量程上限，如圖1所示。水煤漿信號主要由感應電動(dòng)勢信號和電極噪聲組成。其中，感應電動(dòng)勢信號是由導電液體切割磁場(chǎng)產(chǎn)生的，其幅值和相同流量下介質(zhì)為水的感應電動(dòng)勢幅值相同，僅約為數十毫伏。這是因為反應釜冷水流量計不受被測導電介質(zhì)的溫度、粘度、密度以及導電率的影響，只要經(jīng)過(guò)水標定后，就可以用來(lái)測量其他導電液體的流量。電極噪聲是水煤漿中的固體顆粒劃過(guò)電極而引起的信號跳變，也稱(chēng)為漿液噪聲，具有強非平穩性、隨機性，頻域具有近似1/f的特性。水煤漿信號中的漿液噪聲幅值非常大，峰峰值可達數伏，遠遠高于與流量相關(guān)的感應電動(dòng)勢信號，如圖2所示。這給流量信號的提取造成了極大的困難。
采用方波勵磁的反應釜冷水流量計，其傳感器輸出的與流量相關(guān)的感應電動(dòng)勢信號的波形也類(lèi)似于方波。針對與流量相關(guān)的感應電動(dòng)勢信號f(t)的特點(diǎn)，可知其是由基波和奇次諧波疊加而成的。對于一個(gè)給定單峰值為Em的矩形波信號，其傅里葉展開(kāi)為：
式中：g(t) 表示漿液信號的幅值，特點(diǎn)為隨機跳變的信號，波動(dòng)比較大，f表示頻率。漿液噪聲在低頻段幅值比較大，隨著(zhù)頻率的增加，漿液噪聲的幅值在減小。那么，傳感器輸出的信號s(t) 形式為：
在傳感器輸出的信號中只有與流量相關(guān)的感應電動(dòng)勢信號才是有用信號，被用來(lái)計算流量。而提取感應電動(dòng)勢信號就需要包含頻率等于fe，3fe，5fe，等頻率點(diǎn)的信號。但是，從水煤漿信號的頻譜圖可以看出，漿液噪聲頻帶較寬，在頻率點(diǎn)fe處的幅值較大，甚至將基波淹沒(méi)，如圖3所示。選擇一組采集的水煤漿信號，把其等分成數段，利用MATLAB計算每段數據在基波處的幅值并提取保存在一個(gè)數組中，使用繪圖工具畫(huà)出來(lái)，如圖4所示?？梢?jiàn)，基波幅值在1～9mV波動(dòng)，波動(dòng)較大，而基波幅值在感應電動(dòng)勢信號中所占的比重又最大，所以，必然導致計算出的流量波動(dòng)劇烈，出現測量不穩定的問(wèn)題。從圖3水煤漿信號的頻譜圖中還可以看出，隨著(zhù)頻率的遞增，水煤漿信號中的漿液噪聲逐漸衰減，使高次諧波開(kāi)始凸顯。由式(1)可知，高次諧波的幅值也是與流量成線(xiàn)性關(guān)系的，因此，可以通過(guò)提取高次諧波計算流量，有效地避開(kāi)漿液噪聲的干擾，得到比較穩定的測量結果。
為了進(jìn)一步研究水煤漿信號的特點(diǎn)，將其與紙漿信號進(jìn)行對比。通過(guò)分析課題組采集的25Hz矩形波勵磁下的紙漿信號發(fā)現，在同樣流速下，測量介質(zhì)為紙漿時(shí)，傳感器輸出信號經(jīng)調理放大后能明顯看到與流量相關(guān)的感應電動(dòng)勢信號，且其漿液干擾僅為數十毫伏，要遠小于水煤漿信號中的漿液干擾，如圖5所示。對圖5所示的紙漿信號進(jìn)行局部放大，得到如圖6所示的信號?？梢?jiàn)，紙漿信號中的漿液干擾持續的時(shí)間也遠小于水煤漿信號中的漿液干擾，且頻率較低。
在頻域中對紙漿信號觀(guān)察時(shí)發(fā)現，紙漿信號的漿液噪聲頻帶在零頻率點(diǎn)附近，距離流量信號基波頻率點(diǎn)較遠，對基波幅值和各奇次諧波幅值基本沒(méi)有影響，紙漿信號在頻域中的圖形如圖7所示。選擇一組采集的紙漿信號，把其等分成數段，利用MATLAB計算每段數據在基波處的幅值并提取保存在一個(gè)數組中，使用繪圖工具畫(huà)出來(lái)，如圖8所示?？梢?jiàn)，基波幅值在4.7～4.95mV變化，波動(dòng)較小。因此，提取到的與流量相關(guān)的感應電動(dòng)勢信號幅值會(huì )比較穩定。
從以上分析可知，水煤漿信號與紙漿信號有較大差異，適用于紙漿信號的信號處理方法不再適用于水煤漿信號。
水煤漿是一種由55%～65%的煤粉、34%～43%的水和1%的化學(xué)添加劑，經(jīng)過(guò)一定的工藝加工而成的固液混合物，既可作為燃料代替油、氣和煤用于發(fā)電站鍋爐、工業(yè)鍋爐和工業(yè)窯爐，緩解石油短缺的能源安全問(wèn)題，又可作為制備合成氣的原料，通過(guò)氣化生成CO、CO2和H2等氣體，作為工藝過(guò)程中的反應氣。水煤漿在生產(chǎn)過(guò)程中使用煤漿泵輸送，在生產(chǎn)時(shí)，煤漿泵工作在額定轉速下，所以，水煤漿的流速基本保持不變。但是，水煤漿是一種非牛頓流體，并且存在固體顆粒的沉淀，加上流速低，所以，可能會(huì )導致煤漿泵堵塞，使煤漿泵出口壓力大幅跳動(dòng)，引起水煤漿流速出現大幅波動(dòng)，影響正常生產(chǎn)。因此，為了保證產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)安全，需要監測管道內水煤漿的流速，以及時(shí)發(fā)現煤漿泵的異常。反應釜冷水流量計測量管內不存在阻礙流體的部件，且受密度、粘度影響較小，適宜測量這類(lèi)高濃度的固液混合物，是水煤漿計量的首選方案。但是，隨著(zhù)水煤漿應用范圍擴大，煤質(zhì)開(kāi)始發(fā)生變化，主要表現為煤的灰分變高，導致只有極少數國外著(zhù)名廠(chǎng)家的反應釜冷水流量計可以實(shí)現水煤漿流量的穩定測量，但是，價(jià)格非常昂貴，是國產(chǎn)品牌的7～8倍，且沒(méi)有披露技術(shù)細節，而多數國外品牌和國內生產(chǎn)的反應釜冷水流量計，在管道內水煤漿流量穩定時(shí)，都出現了測量結果波動(dòng)大，甚至測量結果回零的情況，這會(huì )導致系統跳車(chē)停產(chǎn)事故。因此，解決漿液型反應釜冷水流量計測量水煤漿時(shí)波動(dòng)較大的問(wèn)題，不僅能大大減少?lài)鴥让夯て髽I(yè)的生產(chǎn)成本，還是保證安全生產(chǎn)的關(guān)鍵。某國外著(zhù)名廠(chǎng)家的反應釜冷水流量計通過(guò)選用耐沖刷，耐磨損的增強聚四氟乙烯作為襯里材料、低噪音電極以及抗噪音轉換器來(lái)降低測量流量的波動(dòng) 。目前，國內外對反應釜冷水流量計測量類(lèi)似紙漿的漿液流量在信號處理方面進(jìn)行過(guò)一定的研究，但是，均沒(méi)有關(guān)于水煤漿測量信號處理方面的參考文獻。
針對反應釜冷水流量計測量水煤漿時(shí)出現較大波動(dòng)、甚至回零的問(wèn)題，本文采集現場(chǎng)反應釜冷水流量計輸出的水煤漿信號;在時(shí)域和頻域對信號進(jìn)行分析，找出了反應釜冷水流量計不能穩定測量水煤漿流量的原因;根據水煤漿信號特征，提出了基于勵磁頻率高次諧波分析的煤漿流量計信號處理方法;在基于DSP的反應釜冷水流量計變送器上實(shí)時(shí)實(shí)現該算法，進(jìn)行現場(chǎng)驗證。實(shí)驗結果表明，測量結果較穩定，驗證了所提出的算法的有效性。
1、數據采集分析
1.1現場(chǎng)實(shí)驗
針對反應釜冷水流量計測量水煤漿時(shí)出現較大波動(dòng)，甚至回零這一問(wèn)題，特去某煤化工企業(yè)甲醇分公司進(jìn)行現場(chǎng)數據采集。該公司所使用的對置式四噴嘴氣化有4個(gè)噴嘴，噴嘴管道口徑為125mm，管中水煤漿流量基本穩定在19m³/h(流速約為0.48m/s)。每條噴嘴煤漿線(xiàn)上安裝了3臺反應釜冷水流量計，每臺反應釜冷水流量計由傳感器和變送器兩部分組成。選擇其中1條水煤漿管線(xiàn)上的1臺反應釜冷水流量計進(jìn)行數據采集，因為該臺反應釜冷水流量計測量結果波動(dòng)大，甚至出現回零的現象。將課題組研制的基于DSP的電磁流量變送器的信號線(xiàn)和勵磁線(xiàn)接到該電磁流量傳感器的電極和勵磁線(xiàn)圈上，組合成完整的反應釜冷水流量計，進(jìn)行水煤漿數據采集。使用的電磁流量變送器是以TI公司DSP芯片TMS320F28335為核心，采用高頻勵磁方案，其硬件主要包括勵磁控制系統和信號采集處理系統，具體的模塊有勵磁驅動(dòng)模塊、信號調理采集模塊、信號處理控制模塊、人機接口模塊、通信模塊及電源管理模塊。信號調理采集模塊中的調理電路對一次儀表輸出的信號進(jìn)行放大和濾波，截止頻率是2kHz，放大倍數約為230倍。通過(guò)NI公司USB－6216型號的數據采集卡進(jìn)行數據采集，把調理電路的輸出端連接到數據采集卡的一個(gè)差分輸入端，并設置數據采集卡工作在差分的測量模式，設置采集卡的采樣頻率為10kHz。采集多組水煤漿信號數據，每組數據的時(shí)間長(cháng)度為5min。
1.2數據分析
現場(chǎng)采集了25Hz方波勵磁下的水煤漿信號，發(fā)現水煤漿信號的幅值非常大，甚至接近AD的量程上限，如圖1所示。水煤漿信號主要由感應電動(dòng)勢信號和電極噪聲組成。其中，感應電動(dòng)勢信號是由導電液體切割磁場(chǎng)產(chǎn)生的，其幅值和相同流量下介質(zhì)為水的感應電動(dòng)勢幅值相同，僅約為數十毫伏。這是因為反應釜冷水流量計不受被測導電介質(zhì)的溫度、粘度、密度以及導電率的影響，只要經(jīng)過(guò)水標定后，就可以用來(lái)測量其他導電液體的流量。電極噪聲是水煤漿中的固體顆粒劃過(guò)電極而引起的信號跳變，也稱(chēng)為漿液噪聲，具有強非平穩性、隨機性，頻域具有近似1/f的特性。水煤漿信號中的漿液噪聲幅值非常大，峰峰值可達數伏，遠遠高于與流量相關(guān)的感應電動(dòng)勢信號，如圖2所示。這給流量信號的提取造成了極大的困難。
采用方波勵磁的反應釜冷水流量計，其傳感器輸出的與流量相關(guān)的感應電動(dòng)勢信號的波形也類(lèi)似于方波。針對與流量相關(guān)的感應電動(dòng)勢信號f(t)的特點(diǎn)，可知其是由基波和奇次諧波疊加而成的。對于一個(gè)給定單峰值為Em的矩形波信號，其傅里葉展開(kāi)為：
式中：g(t) 表示漿液信號的幅值，特點(diǎn)為隨機跳變的信號，波動(dòng)比較大，f表示頻率。漿液噪聲在低頻段幅值比較大，隨著(zhù)頻率的增加，漿液噪聲的幅值在減小。那么，傳感器輸出的信號s(t) 形式為：
在傳感器輸出的信號中只有與流量相關(guān)的感應電動(dòng)勢信號才是有用信號，被用來(lái)計算流量。而提取感應電動(dòng)勢信號就需要包含頻率等于fe，3fe，5fe，等頻率點(diǎn)的信號。但是，從水煤漿信號的頻譜圖可以看出，漿液噪聲頻帶較寬，在頻率點(diǎn)fe處的幅值較大，甚至將基波淹沒(méi)，如圖3所示。選擇一組采集的水煤漿信號，把其等分成數段，利用MATLAB計算每段數據在基波處的幅值并提取保存在一個(gè)數組中，使用繪圖工具畫(huà)出來(lái)，如圖4所示?？梢?jiàn)，基波幅值在1～9mV波動(dòng)，波動(dòng)較大，而基波幅值在感應電動(dòng)勢信號中所占的比重又最大，所以，必然導致計算出的流量波動(dòng)劇烈，出現測量不穩定的問(wèn)題。從圖3水煤漿信號的頻譜圖中還可以看出，隨著(zhù)頻率的遞增，水煤漿信號中的漿液噪聲逐漸衰減，使高次諧波開(kāi)始凸顯。由式(1)可知，高次諧波的幅值也是與流量成線(xiàn)性關(guān)系的，因此，可以通過(guò)提取高次諧波計算流量，有效地避開(kāi)漿液噪聲的干擾，得到比較穩定的測量結果。
為了進(jìn)一步研究水煤漿信號的特點(diǎn)，將其與紙漿信號進(jìn)行對比。通過(guò)分析課題組采集的25Hz矩形波勵磁下的紙漿信號發(fā)現，在同樣流速下，測量介質(zhì)為紙漿時(shí)，傳感器輸出信號經(jīng)調理放大后能明顯看到與流量相關(guān)的感應電動(dòng)勢信號，且其漿液干擾僅為數十毫伏，要遠小于水煤漿信號中的漿液干擾，如圖5所示。對圖5所示的紙漿信號進(jìn)行局部放大，得到如圖6所示的信號?？梢?jiàn)，紙漿信號中的漿液干擾持續的時(shí)間也遠小于水煤漿信號中的漿液干擾，且頻率較低。
在頻域中對紙漿信號觀(guān)察時(shí)發(fā)現，紙漿信號的漿液噪聲頻帶在零頻率點(diǎn)附近，距離流量信號基波頻率點(diǎn)較遠，對基波幅值和各奇次諧波幅值基本沒(méi)有影響，紙漿信號在頻域中的圖形如圖7所示。選擇一組采集的紙漿信號，把其等分成數段，利用MATLAB計算每段數據在基波處的幅值并提取保存在一個(gè)數組中，使用繪圖工具畫(huà)出來(lái)，如圖8所示?？梢?jiàn)，基波幅值在4.7～4.95mV變化，波動(dòng)較小。因此，提取到的與流量相關(guān)的感應電動(dòng)勢信號幅值會(huì )比較穩定。
從以上分析可知，水煤漿信號與紙漿信號有較大差異，適用于紙漿信號的信號處理方法不再適用于水煤漿信號。
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