出水流量計測量水煤漿流量不穩定原因（yīn）分析

點擊次數（shù）：2354 發布時（shí）間：2021-09-06 08:13:04

摘要（yào）：針對國內漿液型出水流量計測量水煤漿流量時出現波動大、甚至回零的問題，采集現場水煤漿信號，進行時（shí）域和頻域分（fèn）析，找出其無（wú）法穩定測量水煤漿流量（liàng）的原（yuán）因。
水煤漿是一種由55%～65%的煤粉、34%～43%的水和1%的（de）化（huà）學添加劑，經過一定的工藝加工而成的固（gù）液混合物，既可作為燃料（liào）代替油、氣和煤用於發電站（zhàn）鍋爐、工業鍋爐和工業（yè）窯爐，緩解石油短缺的能源安（ān）全（quán）問（wèn）題，又可作（zuò）為製備合成（chéng）氣的原料，通（tōng）過氣（qì）化生成CO、CO2和H2等氣體，作為工（gōng）藝過程中（zhōng）的反應氣。水煤漿（jiāng）在生產過程中使用煤漿泵輸送（sòng），在生產（chǎn）時，煤漿泵工作在額定轉（zhuǎn）速（sù）下（xià），所以，水煤漿的流速基本（běn）保持不變。但是（shì），水煤漿是一種非牛頓流體，並且（qiě）存在（zài）固體顆粒的沉（chén）澱，加上流速低，所以，可能會導致煤漿（jiāng）泵堵塞，使煤漿（jiāng）泵出口壓力大幅跳動（dòng），引起水煤漿流速出現大幅波動，影響正常生產。因此，為了保證產品質量和生產安全，需要監測管道內水煤漿的流速，以及時發現煤漿泵（bèng）的異常。出水流量計測量管內（nèi）不存在阻礙流體的部件（jiàn），且（qiě）受密度、粘（zhān）度（dù）影響較小（xiǎo），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（méi）漿應（yīng）用範圍擴大，煤質開始發生變化，主要表現為煤的灰分（fèn）變高，導致隻有*少（shǎo）數國外**廠家的出水流量計可以實（shí）現水煤漿流量的穩定測量，但是，價格非常昂貴，是（shì）國產品*的7～8倍，且沒有（yǒu）披露技術細節，而多數國外品*和國內生產的出水流量計，在管道內水煤漿流量穩（wěn）定時，都出（chū）現了測量結果波動大，甚至測量結果回零的（de）情況（kuàng），這（zhè）會導致係統跳車停產事故。因此，解決漿液型出水流量計（jì）測量（liàng）水煤漿時波動較大（dà）的問題，不僅能大大（dà）減少國內煤化工企業的生（shēng）產成本，還是保證安全生（shēng）產的關鍵。某國外**廠（chǎng）家的（de）出水流量（liàng）計通（tōng）過選用耐衝刷（shuā），耐磨損的（de）增強聚四氟乙烯作為襯裏（lǐ）材料、低噪音電*以及抗噪音轉換器來（lái）降低（dī）測量流（liú）量的波動。目前，國內外對出水流量計測量（liàng）類似紙漿的漿（jiāng）液（yè）流量在信號處理（lǐ）方麵進行過一定的研究，但是，均沒有關於水（shuǐ）煤漿測量（liàng）信（xìn）號處理（lǐ）方麵的參考文獻。
針對出水流量計測量水煤漿（jiāng）時出現較大波動、甚至回零的問題，本文采集現場出水流量（liàng）計輸出的水煤漿信號;在時域和頻域對信號進行分析，找（zhǎo）出（chū）了出水流量（liàng）計不能穩定測量水煤漿流量的原（yuán）因;根據（jù）水煤漿信號特（tè）征，提出了基於勵磁頻率高次諧波分析的煤漿流量計信號處理方法;在基於DSP的出水流量計變送器上實時實現該算法，進行現場驗證。實驗結果表明（míng），測量結果較穩定（dìng），驗證了所提出的算法的有效性（xìng）。
1、數據采集分析
1.1現場實驗
針對出水流（liú）量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（méi）化工企業甲醇分公司進行現場（chǎng）數據采集（jí）。該公司所使用的（de）對置式四噴（pēn）嘴氣化有4個噴嘴，噴嘴管道口徑為125mm，管中（zhōng）水煤漿（jiāng）流量基本穩定在（zài）19m³/h(流速約為0.48m/s)。每條噴嘴煤漿線上安裝了3台出水流量計，每台出水流量計（jì）由傳（chuán）感（gǎn）器和變送器兩部分組成。選擇其中（zhōng）1條水煤漿管線上的（de）1台出水流量計進行數據采集，因為該台出水流量計測量結果波動大，甚至出現回零的現象。將課（kè）題組研製的基於DSP的電磁流量變送器的信號線和勵磁線接到該電磁流（liú）量傳感器（qì）的電*和勵磁線圈上（shàng），組合成完整的出水流量計，進行水煤漿（jiāng）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（hé）心，采用高頻勵磁方案，其硬件主要包（bāo）括勵磁控製係統和信號采集處理係統，具體的模塊有勵磁驅動模塊（kuài）、信號調理采集模塊、信號處理控製模塊、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（yī）次儀表輸出的信（xìn）號進行放大和濾波，截止頻率是（shì）2kHz，放大倍數約為230倍。通過NI公司USB－6216型號（hào）的數據采集卡進行數據采集，把調理電路的輸出（chū）端連接到數據采集卡的一個差分輸入端，並設置數據采集卡工作在（zài）差分的測量模式，設置采集卡的采樣頻率為10kHz。采（cǎi）集多組（zǔ）水煤漿信號數據，每組數據的時間長度為5min。
1.2數據分析
現場（chǎng）采集了25Hz方波勵磁下（xià）的水煤漿（jiāng）信號，發現水煤漿信號的幅值非常大，甚至（zhì）接近AD的（de）量程上限，如圖1所示。水煤漿信號主要由感應（yīng）電動勢信號和電*噪聲組成（chéng）。其中，感應電動勢信號是由導（dǎo）電液體切割（gē）磁場產生的，其幅值和相同流量（liàng）下介質為水的感應電動勢（shì）幅值相同，僅約為數十毫伏。這是因為出水（shuǐ）流量計不受被測導電介質的溫度、粘度（dù）、密度以及導（dǎo）電率（lǜ）的影響，隻要經過水標定後，就可以用來測量其他導電液體的流量。電*噪聲是水（shuǐ）煤（méi）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、隨機性，頻域具（jù）有（yǒu）近（jìn）似1/f的特性。水煤（méi）漿信（xìn）號中的漿液噪聲幅值非常大，峰（fēng）峰（fēng）值可達數伏，遠遠高於與流量相關（guān）的感應電動勢信號，如圖2所示（shì）。這給流量信號的提取造成了*大的困難。

采用方波勵磁的出水流量計，其傳感器輸出的與流量相關的（de）感應電動勢信號的（de）波形也類似於方波。針對與流量相關的感應電動勢信號f(t)的特點，可知其是（shì）由基波和奇（qí）次諧波疊加而成的（de）。對於一個給定單峰值為Em的矩形波（bō）信號，其傅裏葉展開為：

式中：g(t) 表（biǎo）示漿液信號的幅值，特點為隨機跳變（biàn）的信號，波動比較大，f表示頻（pín）率。漿液噪聲在低頻（pín）段幅值比較大，隨著頻率（lǜ）的增加，漿液（yè）噪聲（shēng）的幅（fú）值在減小。那麽，傳感器輸出（chū）的信號s(t) 形式（shì）為：

在傳感器輸出的信號中隻（zhī）有與流量相關的感應電（diàn）動勢信號才是有用信號，被用來計算流量。而（ér）提取感應電動勢信號就需要包含頻率等於fe，3fe，5fe，等頻率點的信號。但是，從水煤漿信號的頻譜圖可（kě）以看出，漿液噪聲（shēng）頻帶較寬，在頻率點fe處的幅值較大，甚至將基（jī）波淹沒，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（yòng）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）繪圖工具畫出來，如（rú）圖4所（suǒ）示。可見，基波幅值在1～9mV波動，波動（dòng）較大，而基波幅值在感應電動勢信號中（zhōng）所占的比重又*大，所以，必然導致計算出的流量波動劇烈（liè），出現（xiàn）測量不穩定的問題。從圖3水煤漿信號的頻譜圖（tú）中還可以看出，隨著頻率的遞增，水煤漿信號中（zhōng）的漿液噪聲逐漸衰減，使（shǐ）高次諧波開始凸顯。由式(1)可知，高次（cì）諧波的幅值也是與（yǔ）流量成線性關係的，因此，可以通過提取高次（cì）諧波計算流量，有效地避開漿液噪聲的幹（gàn）擾，得到比較穩定的測量結果。

為了進一步研究水煤漿信號的特（tè）點，將其與（yǔ）紙漿信號進行（háng）對比。通過分析課題組采集的25Hz矩形波勵磁下的紙（zhǐ）漿信號發現，在（zài）同樣流速下，測量介質為紙漿時，傳感器輸出信號經調理放大後能明顯看到與（yǔ）流量相關的感（gǎn）應電動勢信號，且（qiě）其漿液幹擾僅（jǐn）為數十毫伏，要遠小於水煤漿信（xìn）號中的漿液（yè）幹擾，如圖5所示。對圖5所示（shì）的紙漿信號進行局部放大，得到如圖6所示的（de）信號。可見，紙漿信（xìn）號中的漿液幹擾持續的時間也遠小於水煤漿信號（hào）中（zhōng）的漿液幹擾，且頻率較低。

在頻域中對紙漿信號觀察時發現，紙漿信號的（de）漿液噪聲頻帶（dài）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（fú）值基本（běn）沒有影響（xiǎng），紙漿信號（hào）在頻域中的圖形（xíng）如圖7所示。選擇一組采集的紙漿信號，把其等（děng）分成數段，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（zǔ）中（zhōng），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（bō）動較小。因此，提取到的與（yǔ）流量相關的感應電動勢信號幅值會比較穩定。