暖通中央空調管道（dào）水流量計測量水煤漿流量不穩定原因分析

點擊次數：2605 發布時間：2021-09-04 01:50:11

摘要：針對國內漿液型暖通中央空調管（guǎn）道水流量（liàng）計測量（liàng）水煤漿流量時出現波動大、甚（shèn）至回（huí）零的問題，采集現場水煤漿信號，進行時域和頻域分析，找出其無法穩定測（cè）量（liàng）水煤（méi）漿流量的原因（yīn）。
水煤漿是一種由55%～65%的煤粉（fěn）、34%～43%的水和1%的化學（xué）添加劑，經過（guò）一定的（de）工（gōng）藝加工而成的固液混合物（wù），既可作為燃料代替油（yóu）、氣和煤用於發（fā）電站（zhàn）鍋爐、工業鍋（guō）爐和工業窯爐，緩解石油（yóu）短缺的能源安全（quán）問題，又可作為製備合成（chéng）氣的（de）原料，通過氣化生成CO、CO2和H2等氣（qì）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泵輸送，在生產時，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（dàn）是，水煤漿是（shì）一種（zhǒng）非（fēi）牛頓流體，並且存在固體顆粒的（de）沉澱，加上（shàng）流速低，所以，可能（néng）會導致煤漿泵（bèng）堵塞，使煤（méi）漿泵出口壓力大幅跳動，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（chǎn）品質量和生產（chǎn）安全，需要（yào）監測管道內水煤漿的流速，以及時發現煤漿泵的異常。暖通中央空調管道水流（liú）量計測量管內不存（cún）在阻礙流（liú）體的部件，且受密度、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，煤質開始發生變化，主要表現為煤的灰分變高，導致隻（zhī）有*少（shǎo）數國外**廠（chǎng）家的暖通中央空調管道水流量計可以實現水煤漿流量的穩（wěn）定測量，但是，價格（gé）非常昂貴，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）生產的暖通中央空調管道水流量（liàng）計，在管道（dào）內水（shuǐ）煤漿流量穩定時，都出現了（le）測量結果波動（dòng）大，甚至測量結果回零的情況，這會導致係（xì）統跳車停產事故。因此，解決（jué）漿液型暖通中央空調管道水流（liú）量計測量水煤漿時波動較大的問題，不僅能大大減少國內煤化工企業的生產成本，還是保證（zhèng）安全生產的關鍵。某（mǒu）國外**廠家的暖通中央空調管道水流量計通過選用耐衝刷，耐磨損的增強聚四氟乙烯作為襯裏材料、低噪音電（diàn）*以及抗噪音轉換器來（lái）降低測量（liàng）流量的波（bō）動。目（mù）前，國內外對暖通中央空（kōng）調管道水流量計測（cè）量類（lèi）似紙（zhǐ）漿的漿（jiāng）液流量在信號處理方麵進行過一定的研究，但是，均沒有關於（yú）水煤漿測量信號處理方麵（miàn）的參考文獻。
針對暖通（tōng）中央空調管道水（shuǐ）流量計測量水煤漿時出現較大波動、甚至回零的問題，本文采集現場（chǎng）暖通（tōng）中央空調管（guǎn）道水（shuǐ）流量（liàng）計（jì）輸出的水煤漿信號;在時域和頻域對信號進行分析，找出了（le）暖通中央空調管（guǎn）道水流量計不能（néng）穩定測量水煤漿流量的原（yuán）因;根據水煤漿信號（hào）特征，提出（chū）了基於勵磁頻率高次（cì）諧波分析的煤漿流量計信號處理方法;在基於DSP的暖通中（zhōng）央空調管道水流量計變送器上實時（shí）實（shí）現該算法，進行（háng）現場驗證。實驗結（jié）果表明，測量結果較穩定（dìng），驗證了所提出的算法的有效性。
1、數據（jù）采集分析（xī）
1.1現（xiàn）場實驗
針對暖通中央空調管道水流量計測量（liàng）水煤漿時出（chū）現較大（dà）波動，甚至（zhì）回零（líng）這（zhè）一問題，特去某煤化工企業甲（jiǎ）醇分公司進行現場數據采集。該公司所使用的對置式四（sì）噴嘴氣（qì）化有4個噴（pēn）嘴，噴嘴管道口徑（jìng）為125mm，管中水煤漿流量基本穩定在19m³/h(流速約為（wéi）0.48m/s)。每條噴嘴煤漿線上安裝了3台暖通中央空調管道水流量計，每台（tái）暖通中央空調管道水流量計由傳感器和變送器兩部分組成。選擇其中（zhōng）1條水煤漿管線（xiàn）上的1台暖通中央（yāng）空（kōng）調管道水流量計進行數據采集，因為該（gāi）台暖（nuǎn）通中央空調管（guǎn）道水流（liú）量（liàng）計測量結（jié）果波動大，甚至出現回零的現象。將課題組研製（zhì）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量傳感器（qì）的電*和勵磁線圈上，組合成完整的暖通中央空調管道水流（liú）量計，進行水（shuǐ）煤漿數據采集（jí）。使用的電磁流（liú）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（kuò）勵磁控製係（xì）統和信號采集處理係統，具體（tǐ）的模塊有勵磁驅動模塊、信號調理采（cǎi）集（jí）模塊、信號處（chù）理控（kòng）製（zhì）模塊、人機接口模塊、通（tōng）信模塊及電（diàn）源管理模塊。信號調理采集模塊中的調理電路對（duì）一次儀表輸出的信號進行放大和濾波，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（jù）采集卡進行數據采集（jí），把調理電（diàn）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（zhì）采集卡的采樣頻率為10kHz。采集多組水煤漿信號（hào）數據，每組數據的時間長度（dù）為（wéi）5min。
1.2數據分（fèn）析
現場采集（jí）了25Hz方波（bō）勵磁下的水煤漿信號，發（fā）現水（shuǐ）煤漿信號的幅值非常大，甚至接近AD的（de）量程上限，如圖1所示。水煤漿信號主要由感應電動勢信號和電*噪聲組成。其中，感應電動勢信號是由導電液體切割磁場產生的，其幅值和相同流量（liàng）下介質為水的感應電動（dòng）勢幅值相同，僅約為數十毫伏。這是因為暖通中央（yāng）空調管道水流量計不（bú）受被測（cè）導電介質（zhì）的溫度、粘度、密度以及導電率的影響（xiǎng），隻要經過水標定後（hòu），就可以用來測量其他導電液體的流量。電（diàn）*噪聲是水煤漿中的固體顆（kē）粒（lì）劃過電*而引起的信號跳變（biàn），也稱為漿液噪聲，具有強非平穩性、隨機性，頻域具有近似1/f的（de）特性。水煤漿信（xìn）號中的漿液噪聲幅值非常大，峰峰值可達數伏，遠遠高（gāo）於（yú）與流量（liàng）相關的感應電動勢信號，如圖（tú）2所（suǒ）示。這給流量信號的提取造成了*大的困（kùn）難。

采用方波勵磁的（de）暖通中央空調管道水流量計，其傳感器輸出的與流量相關的感應電動勢信號（hào）的波形也類似（sì）於（yú）方（fāng）波。針對與流（liú）量相關的感應電動勢信號f(t)的特點，可知其是由基波和奇次諧波疊加而成的。對於一個給定單峰值為（wéi）Em的矩形（xíng）波信（xìn）號，其傅裏葉展開為：

式中：g(t) 表示漿液信號（hào）的幅值，特點（diǎn）為隨機跳變的信號，波動比較大，f表示頻率。漿液噪聲在低頻段幅值比較大，隨著頻率的增加，漿液噪（zào）聲的幅值在減小。那麽，傳感器輸出的信號s(t) 形式為：

在傳感器輸出的信（xìn）號（hào）中隻有與流量相關的感應電動勢信號才是有用信號，被用來計算流量。而提取感應電動勢信號就需要（yào）包含頻（pín）率等於（yú）fe，3fe，5fe，等頻率點（diǎn）的信號。但是，從水煤（méi）漿信號的頻譜圖可（kě）以看（kàn）出，漿液噪聲頻帶較寬，在（zài）頻（pín）率點（diǎn）fe處的幅值較大，甚至將基波淹沒，如圖3所示。選擇一組采集的水（shuǐ）煤漿信號，把其等分成數段，利用MATLAB計算（suàn）每段數據在基波處的（de）幅值並提取保存在一個數組中，使用繪圖工具畫出來，如圖4所示。可見，基（jī）波幅值在1～9mV波動，波動較大，而基波幅值在感應電動勢信號中所占的比重又*大，所以，必（bì）然導致計算出（chū）的流量波動劇烈，出現測（cè）量不穩定的（de）問題。從（cóng）圖3水煤漿信號的頻譜圖中還可以看（kàn）出（chū），隨著頻率的遞增，水煤漿信（xìn）號中的漿液噪聲逐漸衰減，使高次諧波開始凸顯。由式(1)可知，高次諧波的幅值也是與流量成線性關係的，因此，可以通過（guò）提取高次諧波計（jì）算流（liú）量，有效地避開漿（jiāng）液噪聲的幹擾，得到比較（jiào）穩定的測（cè）量（liàng）結果。

為了進一（yī）步研究水煤漿（jiāng）信號的特點，將其與（yǔ）紙漿信號進行對比。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（xià），測量介質為紙漿時（shí），傳感器輸（shū）出信號經調理放大後能明顯看到與流量相關的感應電動（dòng）勢信號，且其（qí）漿液（yè）幹擾僅為數十毫伏，要（yào）遠小於水煤漿信號中的漿（jiāng）液幹擾，如圖5所示。對圖（tú）5所示的紙漿信號進（jìn）行局部放大，得到如圖6所示（shì）的信號。可見，紙漿信號中的（de）漿液（yè）幹擾持（chí）續的時間也遠小（xiǎo）於水煤漿信號（hào）中的漿液（yè）幹擾，且頻率較低。

在（zài）頻域中（zhōng）對紙漿（jiāng）信號觀察（chá）時發現（xiàn），紙漿信號的漿液噪聲頻帶在零頻率點附近，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（zhí）基本沒有影響，紙漿信號在頻域中的圖形如圖7所（suǒ）示。選擇一組采（cǎi）集的（de）紙漿信號，把其等（děng）分成數段，利用MATLAB計算每段數據（jù）在（zài）基波處的幅值並提（tí）取保存在一個數組中，使用（yòng）繪圖工具畫（huà）出來，如圖8所示（shì）。可見，基波（bō）幅值在4.7～4.95mV變化（huà），波動較小。因此，提取到的與流量相關的感應電動勢信號幅（fú）值會比較穩定。