水泥泥漿流量計測量水（shuǐ）煤漿流量不穩定原因分析
點擊次數：2146 發布時間：2021-01-17 06:24:40
摘要：針對國內漿液型水（shuǐ）泥泥漿流量計測量水煤漿流量（liàng）時出現波動（dòng）大、甚至回（huí）零的問題，采（cǎi）集現場水煤漿信號，進行時域和（hé）頻域分析，找（zhǎo）出其（qí）無法穩定測（cè）量水煤漿流量的原因。
水煤漿（jiāng）是一種由55%～65%的煤（méi）粉、34%～43%的水和1%的化學添加劑，經過（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、氣和煤用於發電站鍋爐、工業鍋爐和工業窯爐，緩解石油短缺（quē）的（de）能源安全問（wèn）題，又可作為製備（bèi）合成氣的原料，通（tōng）過氣化生成CO、CO2和H2等氣體，作為工藝過程中的反應氣。水煤漿在生產過程中使用煤漿（jiāng）泵輸送，在生產時，煤漿泵工作（zuò）在額定轉速下，所以，水煤（méi）漿的流速基本（běn）保持不（bú）變。但是，水煤漿是一種非牛頓流體，並且存在固體顆（kē）粒的沉澱，加上流速（sù）低，所以，可能會導致煤漿泵堵塞，使煤漿泵出口壓力大幅（fú）跳動，引起（qǐ）水煤漿流速出現大幅波動，影響正常生產。因此，為（wéi）了保證產（chǎn）品質量（liàng）和生產安全，需要監測管道內水煤漿的流速，以及時發現煤漿泵的異常。水泥泥漿流量計測量管內不存在阻（zǔ）礙流體的部件（jiàn），且受密度（dù）、粘度影響較小，適宜測量這類高濃度的固液混合物，是水煤漿計量的*選方案。但是，隨著水煤漿應（yīng）用範圍擴大（dà），煤質開始發生變化，主要表現為煤的灰分變（biàn）高，導（dǎo）致隻有（yǒu）*少數國外**廠（chǎng）家（jiā）的水泥泥漿（jiāng）流量計可以實現水煤漿流（liú）量的穩定測量，但是，價格非（fēi）常昂貴（guì），是國產品*的7～8倍，且沒有披露（lù）技術細節，而多數國外品*和國內（nèi）生產的水泥泥漿流量計，在管道內水煤漿流量穩定時，都出現了（le）測量結果波（bō）動大，甚至測量結果回零的情況，這會導致係統跳車停產事故。因此，解決漿液型（xíng）水（shuǐ）泥泥漿流量計測量水煤漿時（shí）波動較大的問題（tí），不僅（jǐn）能大大減少國內煤化（huà）工企業的生產成本，還是保證安全生（shēng）產的關鍵。某國外**廠家的水泥泥（ní）漿流量計通過選用耐衝刷（shuā），耐磨損的增強（qiáng）聚四氟乙烯（xī）作為襯裏材料、低噪音電（diàn）*以及抗噪音轉換器來降（jiàng）低測量流量的波動 。目前，國內外對水泥泥漿流量計測量類似紙漿的漿（jiāng）液流量在信號處理方麵進行過一定的研究，但是，均沒（méi）有關於水煤漿測量信號處理方麵的參（cān）考文獻。
針對水（shuǐ）泥泥漿流量計測量水煤（méi）漿時（shí）出現較大波動、甚（shèn）至回零的（de）問題，本文采（cǎi）集現場水泥泥漿流量計輸出（chū）的水煤漿信號;在時域和頻域對信號進行分析，找出了水泥泥漿流量計不能穩定測量水煤漿流量的原因;根據水（shuǐ）煤漿信號特征，提出了（le）基於勵磁頻率（lǜ）高次諧波分析的煤漿流量計信號處理方法;在基於（yú）DSP的水泥泥漿流量計變送器上實時實現該算法，進行（háng）現場驗（yàn）證。實驗結果表明，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（jí）分析
1.1現場實驗
針對（duì）水泥泥漿流量（liàng）計測量水煤漿時出現較大波動，甚至回零這一問題，特去某煤化（huà）工企業（yè）甲醇分公司進行現場數據采集。該公司（sī）所使用的對置（zhì）式四噴嘴氣化有4個噴嘴，噴嘴管道（dào）口（kǒu）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（shàng）安裝（zhuāng）了3台水泥泥（ní）漿流量計，每（měi）台水泥泥漿流量計由傳感器和變送器兩部分組成。選擇其中1條水煤漿管線上的1台水泥泥漿流量計進行數據采集，因為該台水泥泥漿流量計測量結果波動大，甚至出現（xiàn）回零的現象。將課題組研製的（de）基於DSP的電磁流（liú）量變送器的信號線和勵磁線接到該電磁流量傳感器的電*和勵磁線圈上，組合成完整的水泥泥漿流量計，進（jìn）行水煤漿數據采集。使用的電磁流量變送器是以（yǐ）TI公司DSP芯片TMS320F28335為核心，采用高頻勵磁方案，其（qí）硬件（jiàn）主（zhǔ）要包括勵磁控製係統和信號采集處理係統，具（jù）體的模（mó）塊有勵磁驅動（dòng）模塊、信號調理采集模（mó）塊、信號處理控製（zhì）模塊、人機接口模（mó）塊、通信模塊及電源管（guǎn）理模塊。信號調理采集模塊中的調理電路（lù）對一（yī）次儀表輸出的信號進行放大和濾波（bō），截止頻率是2kHz，放大倍數約為230倍。通過NI公司USB－6216型號的數據采集卡進行數據采集，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，並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（shù）據（jù）的（de）時間（jiān）長度為5min。
1.2數據分析
現場采集（jí）了25Hz方波（bō）勵磁下的水（shuǐ）煤（méi）漿（jiāng）信（xìn）號，發現水煤漿信號（hào）的幅（fú）值非常大，甚（shèn）至接近AD的量程上限，如圖1所示（shì）。水煤漿信號（hào）主要由感應電動（dòng）勢信號和電*噪聲組成。其中（zhōng），感應電動勢信（xìn）號是由導電液體切割磁場產生的，其幅值（zhí）和相同流（liú）量下介質為水的感應電動勢幅值相同，僅約為數（shù）十毫（háo）伏。這是因為水泥泥漿流量（liàng）計不受被（bèi）測導電介質的溫度、粘度、密度以及導電率的影響，隻要經過水標定後（hòu），就可以（yǐ）用來測（cè）量其他導電液體的（de）流量。電*噪聲是水煤漿中的固體顆粒劃過電*而引起的信號跳變，也稱為漿液噪聲，具有強非平穩性、隨（suí）機性，頻域具（jù）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（kě）達數伏，遠遠高於與流量（liàng）相關的感應電（diàn）動勢信號，如圖2所示。這給流量信號的提取造（zào）成了*大的困（kùn）難。
采（cǎi）用方波勵磁的水（shuǐ）泥泥漿流量計，其傳感（gǎn）器（qì）輸出的與流量相關的感應（yīng）電動勢信號的（de）波形也類似於方波（bō）。針對與流量相關的感應電動勢（shì）信號f(t)的特點，可知其是由基波（bō）和（hé）奇次諧（xié）波疊加而成的。對於一個給定單峰值為Em的矩形波信號，其傅裏葉展開為：
式中：g(t) 表（biǎo）示漿液信號的幅值，特點（diǎn）為隨機跳變的（de）信號，波動比較大，f表示頻率（lǜ）。漿液噪聲在低（dī）頻段幅值比（bǐ）較大，隨著頻率的增加，漿液噪聲的幅值在減（jiǎn）小。那麽，傳感器輸出的信號s(t) 形式為：
在傳感器輸（shū）出的信號中隻有與（yǔ）流量相關的感應電動勢信號才是有用信號，被用來計算流（liú）量。而提取感應電動（dòng）勢信號就需要包含頻率等於fe，3fe，5fe，等頻率點的信號。但是，從水煤漿（jiāng）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，如圖（tú）3所示（shì）。選擇一組（zǔ）采（cǎi）集的水煤漿信號，把其等分成數段（duàn），利用MATLAB計算每段數據在基波處的幅值並提取保存在一個數組中，使用（yòng）繪（huì）圖工具畫出來，如圖4所示。可見，基波幅值在1～9mV波動，波動較大（dà），而基波幅值（zhí）在感應電動勢信號中所占的（de）比重又*大，所以，必然導致計算出的流量波動劇烈（liè），出現測量不穩定的問題。從圖3水煤漿信號的頻譜圖中還可以看出，隨著頻率的（de）遞增（zēng），水煤漿信號中的漿液噪聲逐漸衰減，使高次諧波開始（shǐ）凸顯。由式(1)可知，高次諧（xié）波的幅值也是與流量成線性（xìng）關係的，因此，可以通過提取高次諧波計算流量，有（yǒu）效地避開漿液噪聲的幹擾，得到比較穩定的測（cè）量結果。
為了（le）進一步研究水煤漿信號的特點，將其（qí）與紙漿信號進（jìn）行對比。通過分析課題組采集的25Hz矩形波勵磁下的紙漿信號發現，在同樣流速下，測量介質（zhì）為（wéi）紙漿時（shí），傳感器輸出信號經（jīng）調理放大後能明顯看到與流量相關的感應電動勢信號，且其漿（jiāng）液幹擾僅為數十毫伏，要遠小於水煤漿信（xìn）號中（zhōng）的漿（jiāng）液幹擾，如圖5所示（shì）。對（duì）圖5所示（shì）的紙漿信號進行局部（bù）放大，得（dé）到如圖6所示（shì）的信號。可見，紙漿信號中的漿液（yè）幹擾持（chí）續的時間也（yě）遠（yuǎn）小於水煤漿信（xìn）號中的漿液幹擾，且頻率（lǜ）較低。
在頻域中對紙漿信號觀察時發現（xiàn），紙漿信（xìn）號的漿液噪聲頻帶在零頻率點附近（jìn），距離流量信號基波頻率點較遠，對基波幅值和各奇次諧波幅值基本沒有（yǒu）影響，紙漿（jiāng）信號在頻域中的圖形（xíng）如圖7所示。選擇一組采集的紙漿信號（hào），把其等分成數段，利（lì）用（yòng）MATLAB計算每（měi）段（duàn）數據在基波處的（de）幅值並提取保存在（zài）一個數組中，使用繪圖工具畫出來，如圖8所示。可見，基波幅值在4.7～4.95mV變化，波動較（jiào）小。因此，提取到的與流量相關的感應電動勢信號幅值會（huì）比較穩定。
從以上分析可知（zhī），水煤漿信號與紙漿信號（hào）有較大差異，適用於紙漿信號的信號處（chù）理方法不再適用於水煤漿信號。
水泥漿流量計種類及優缺點（diǎn） 水泥漿流量（liàng）計的作用（yòng）與（yǔ）用途 水泥漿流量計的安裝規範 水（shuǐ）泥漿流量計的主要技術參數 水泥（ní）漿流量計的規格型號 水泥漿（jiāng）流量計怎麽看數值 水泥漿流量計如何正確的選型 水泥漿流量計的用途 水泥漿流量（liàng）計如何使用 水泥漿流量計工作原理 水泥漿流量計怎麽接線 淺析（xī）正（zhèng）確處理水泥漿流量計測量過程（chéng）中（zhōng）液體均勻（yún）混合問題 水泥漿流量計的特性供電選型（xíng）與大流量水計量的應用 高壓旋噴水泥漿流量計在農田灌溉水量計（jì）量的（de）應用 水泥（ní）漿管道流量計調試期與運行期常見故障的分析處理（lǐ） 水泥漿流量計（jì）在供水領域的應用及如何組建運程監控係統 安裝水泥漿計（jì）量表時如何減少彎管部件對於測量的影響 隔膜泵上的水泥漿流量表價格提高了流量（liàng）計量精度 水泥漿流量計監測數據有效性判別技（jì）術研究 水泥漿流量（liàng）計廠家指導分體式傳感器檢定校準（zhǔn）方法 研究探討異徑水泥漿流量計傳感器權函（hán）數分布規律 使用水泥漿流量計實現流體自動混合解決方案 水泥漿流量計,水泥漿（jiāng）流量（liàng）表 水泥漿流量計,測量泥漿流量計 水泥漿計量表,dn80泥漿流量計 水泥漿流量表,測量水泥漿的流量計 水泥漿流量計量表（biǎo）,測量泥（ní）漿流量計 水泥（ní）漿流量表,水泥漿計量表 水泥漿流量表,水泥漿流量計廠（chǎng）家 水泥漿流量計廠家
水煤漿（jiāng）是一種由55%～65%的煤（méi）粉、34%～43%的水和1%的化學添加劑，經過（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、氣和煤用於發電站鍋爐、工業鍋爐和工業窯爐，緩解石油短缺（quē）的（de）能源安全問（wèn）題，又可作為製備（bèi）合成氣的原料，通（tōng）過氣化生成CO、CO2和H2等氣體，作為工藝過程中的反應氣。水煤漿在生產過程中使用煤漿（jiāng）泵輸送，在生產時，煤漿泵工作（zuò）在額定轉速下，所以，水煤（méi）漿的流速基本（běn）保持不（bú）變。但是，水煤漿是一種非牛頓流體，並且存在固體顆（kē）粒的沉澱，加上流速（sù）低，所以，可能會導致煤漿泵堵塞，使煤漿泵出口壓力大幅（fú）跳動，引起（qǐ）水煤漿流速出現大幅波動，影響正常生產。因此，為（wéi）了保證產（chǎn）品質量（liàng）和生產安全，需要監測管道內水煤漿的流速，以及時發現煤漿泵的異常。水泥泥漿流量計測量管內不存在阻（zǔ）礙流體的部件（jiàn），且受密度（dù）、粘度影響較小，適宜測量這類高濃度的固液混合物，是水煤漿計量的*選方案。但是，隨著水煤漿應（yīng）用範圍擴大（dà），煤質開始發生變化，主要表現為煤的灰分變（biàn）高，導（dǎo）致隻有（yǒu）*少數國外**廠（chǎng）家（jiā）的水泥泥漿（jiāng）流量計可以實現水煤漿流（liú）量的穩定測量，但是，價格非（fēi）常昂貴（guì），是國產品*的7～8倍，且沒有披露（lù）技術細節，而多數國外品*和國內（nèi）生產的水泥泥漿流量計，在管道內水煤漿流量穩定時，都出現了（le）測量結果波（bō）動大，甚至測量結果回零的情況，這會導致係統跳車停產事故。因此，解決漿液型（xíng）水（shuǐ）泥泥漿流量計測量水煤漿時（shí）波動較大的問題（tí），不僅（jǐn）能大大減少國內煤化（huà）工企業的生產成本，還是保證安全生（shēng）產的關鍵。某國外**廠家的水泥泥（ní）漿流量計通過選用耐衝刷（shuā），耐磨損的增強（qiáng）聚四氟乙烯（xī）作為襯裏材料、低噪音電（diàn）*以及抗噪音轉換器來降（jiàng）低測量流量的波動 。目前，國內外對水泥泥漿流量計測量類似紙漿的漿（jiāng）液流量在信號處理方麵進行過一定的研究，但是，均沒（méi）有關於水煤漿測量信號處理方麵的參（cān）考文獻。
針對水（shuǐ）泥泥漿流量計測量水煤（méi）漿時（shí）出現較大波動、甚（shèn）至回零的（de）問題，本文采（cǎi）集現場水泥泥漿流量計輸出（chū）的水煤漿信號;在時域和頻域對信號進行分析，找出了水泥泥漿流量計不能穩定測量水煤漿流量的原因;根據水（shuǐ）煤漿信號特征，提出了（le）基於勵磁頻率（lǜ）高次諧波分析的煤漿流量計信號處理方法;在基於（yú）DSP的水泥泥漿流量計變送器上實時實現該算法，進行（háng）現場驗（yàn）證。實驗結果表明，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（jí）分析
1.1現場實驗
針對（duì）水泥泥漿流量（liàng）計測量水煤漿時出現較大波動，甚至回零這一問題，特去某煤化（huà）工企業（yè）甲醇分公司進行現場數據采集。該公司（sī）所使用的對置（zhì）式四噴嘴氣化有4個噴嘴，噴嘴管道（dào）口（kǒu）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（shàng）安裝（zhuāng）了3台水泥泥（ní）漿流量計，每（měi）台水泥泥漿流量計由傳感器和變送器兩部分組成。選擇其中1條水煤漿管線上的1台水泥泥漿流量計進行數據采集，因為該台水泥泥漿流量計測量結果波動大，甚至出現（xiàn）回零的現象。將課題組研製的（de）基於DSP的電磁流（liú）量變送器的信號線和勵磁線接到該電磁流量傳感器的電*和勵磁線圈上，組合成完整的水泥泥漿流量計，進（jìn）行水煤漿數據采集。使用的電磁流量變送器是以（yǐ）TI公司DSP芯片TMS320F28335為核心，采用高頻勵磁方案，其（qí）硬件（jiàn）主（zhǔ）要包括勵磁控製係統和信號采集處理係統，具（jù）體的模（mó）塊有勵磁驅動（dòng）模塊、信號調理采集模（mó）塊、信號處理控製（zhì）模塊、人機接口模（mó）塊、通信模塊及電源管（guǎn）理模塊。信號調理采集模塊中的調理電路（lù）對一（yī）次儀表輸出的信號進行放大和濾波（bō），截止頻率是2kHz，放大倍數約為230倍。通過NI公司USB－6216型號的數據采集卡進行數據采集，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，並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（shù）據（jù）的（de）時間（jiān）長度為5min。
1.2數據分析
現場采集（jí）了25Hz方波（bō）勵磁下的水（shuǐ）煤（méi）漿（jiāng）信（xìn）號，發現水煤漿信號（hào）的幅（fú）值非常大，甚（shèn）至接近AD的量程上限，如圖1所示（shì）。水煤漿信號（hào）主要由感應電動（dòng）勢信號和電*噪聲組成。其中（zhōng），感應電動勢信（xìn）號是由導電液體切割磁場產生的，其幅值（zhí）和相同流（liú）量下介質為水的感應電動勢幅值相同，僅約為數（shù）十毫（háo）伏。這是因為水泥泥漿流量（liàng）計不受被（bèi）測導電介質的溫度、粘度、密度以及導電率的影響，隻要經過水標定後（hòu），就可以（yǐ）用來測（cè）量其他導電液體的（de）流量。電*噪聲是水煤漿中的固體顆粒劃過電*而引起的信號跳變，也稱為漿液噪聲，具有強非平穩性、隨（suí）機性，頻域具（jù）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（kě）達數伏，遠遠高於與流量（liàng）相關的感應電（diàn）動勢信號，如圖2所示。這給流量信號的提取造（zào）成了*大的困（kùn）難。
采（cǎi）用方波勵磁的水（shuǐ）泥泥漿流量計，其傳感（gǎn）器（qì）輸出的與流量相關的感應（yīng）電動勢信號的（de）波形也類似於方波（bō）。針對與流量相關的感應電動勢（shì）信號f(t)的特點，可知其是由基波（bō）和（hé）奇次諧（xié）波疊加而成的。對於一個給定單峰值為Em的矩形波信號，其傅裏葉展開為：
式中：g(t) 表（biǎo）示漿液信號的幅值，特點（diǎn）為隨機跳變的（de）信號，波動比較大，f表示頻率（lǜ）。漿液噪聲在低（dī）頻段幅值比（bǐ）較大，隨著頻率的增加，漿液噪聲的幅值在減（jiǎn）小。那麽，傳感器輸出的信號s(t) 形式為：
在傳感器輸（shū）出的信號中隻有與（yǔ）流量相關的感應電動勢信號才是有用信號，被用來計算流（liú）量。而提取感應電動（dòng）勢信號就需要包含頻率等於fe，3fe，5fe，等頻率點的信號。但是，從水煤漿（jiāng）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，如圖（tú）3所示（shì）。選擇一組（zǔ）采（cǎi）集的水煤漿信號，把其等分成數段（duàn），利用MATLAB計算每段數據在基波處的幅值並提取保存在一個數組中，使用（yòng）繪（huì）圖工具畫出來，如圖4所示。可見，基波幅值在1～9mV波動，波動較大（dà），而基波幅值（zhí）在感應電動勢信號中所占的（de）比重又*大，所以，必然導致計算出的流量波動劇烈（liè），出現測量不穩定的問題。從圖3水煤漿信號的頻譜圖中還可以看出，隨著頻率的（de）遞增（zēng），水煤漿信號中的漿液噪聲逐漸衰減，使高次諧波開始（shǐ）凸顯。由式(1)可知，高次諧（xié）波的幅值也是與流量成線性（xìng）關係的，因此，可以通過提取高次諧波計算流量，有（yǒu）效地避開漿液噪聲的幹擾，得到比較穩定的測（cè）量結果。
為了（le）進一步研究水煤漿信號的特點，將其（qí）與紙漿信號進（jìn）行對比。通過分析課題組采集的25Hz矩形波勵磁下的紙漿信號發現，在同樣流速下，測量介質（zhì）為（wéi）紙漿時（shí），傳感器輸出信號經（jīng）調理放大後能明顯看到與流量相關的感應電動勢信號，且其漿（jiāng）液幹擾僅為數十毫伏，要遠小於水煤漿信（xìn）號中（zhōng）的漿（jiāng）液幹擾，如圖5所示（shì）。對（duì）圖5所示（shì）的紙漿信號進行局部（bù）放大，得（dé）到如圖6所示（shì）的信號。可見，紙漿信號中的漿液（yè）幹擾持（chí）續的時間也（yě）遠（yuǎn）小於水煤漿信（xìn）號中的漿液幹擾，且頻率（lǜ）較低。
在頻域中對紙漿信號觀察時發現（xiàn），紙漿信（xìn）號的漿液噪聲頻帶在零頻率點附近（jìn），距離流量信號基波頻率點較遠，對基波幅值和各奇次諧波幅值基本沒有（yǒu）影響，紙漿（jiāng）信號在頻域中的圖形（xíng）如圖7所示。選擇一組采集的紙漿信號（hào），把其等分成數段，利（lì）用（yòng）MATLAB計算每（měi）段（duàn）數據在基波處的（de）幅值並提取保存在（zài）一個數組中，使用繪圖工具畫出來，如圖8所示。可見，基波幅值在4.7～4.95mV變化，波動較（jiào）小。因此，提取到的與流量相關的感應電動勢信號幅值會（huì）比較穩定。
從以上分析可知（zhī），水煤漿信號與紙漿信號（hào）有較大差異，適用於紙漿信號的信號處（chù）理方法不再適用於水煤漿信號。
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