城市生活汙水流量（liàng）計測量水煤漿流量不穩定原因分析

點擊次（cì）數：2384 發布時間：2021-08-17 07:18:50

摘要：針對國內漿液型城市生活汙（wū）水流（liú）量計測量水煤漿流量時出現波動大、甚至回零的問題（tí），采集現場水煤漿（jiāng）信（xìn）號，進行時域和頻域分析，找（zhǎo）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（shuǐ）和1%的化學添加劑，經過一定的工藝加工而成的固液混合物，既可作為燃（rán）料代（dài）替油、氣和煤用於發電站鍋爐、工業鍋爐和工業窯爐，緩解石油短缺的能源安全問題（tí），又可作（zuò）為製備合（hé）成氣的原（yuán）料，通過氣化生成CO、CO2和H2等氣體，作（zuò）為工藝過（guò）程中的反應氣。水煤漿在生產過（guò）程中使用煤漿泵輸送，在生產時，煤漿泵工作在額定轉（zhuǎn）速下，所以，水煤（méi）漿（jiāng）的流速基本保持不變。但是，水煤漿是一種非牛頓流體，並且存在（zài）固體顆粒的沉澱，加上流速低，所以，可能會導致煤漿泵堵塞，使煤漿（jiāng）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（wéi）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（xiàn）煤漿泵的（de）異常。城市生活汙水流量計（jì）測量管內不存在阻礙流（liú）體的部（bù）件，且受密度、粘度影響較小，適宜測量這類高濃度的固液（yè）混合物，是水煤漿計量的*選方案（àn）。但是，隨著水煤漿應用範圍擴大，煤質開始發生變化，主要表現為煤的灰分變高，導致隻有*少（shǎo）數國外**廠家的城市生活汙水流量計可以實現水煤漿流量的穩定測量，但是，價格（gé）非常（cháng）昂貴，是國產品*的7～8倍，且沒有披露技術（shù）細節，而多數（shù）國外品*和國內生產的城市生活汙水（shuǐ）流量計，在管道內水煤漿流量（liàng）穩定時，都出現了測量（liàng）結果波動大，甚至測量結果回零的情況，這會（huì）導致係統（tǒng）跳（tiào）車停產事故。因此，解決漿液型城市生活汙水流量計測量水（shuǐ）煤漿時波動較大的問題，不僅能大大減少國（guó）內煤化工（gōng）企業的生產成本（běn），還是保證安全生產的關鍵。某國外（wài）**廠家的城市生活汙水流量計通（tōng）過選用耐衝刷，耐磨損的增強（qiáng）聚四氟乙烯作為襯（chèn）裏材料、低噪音（yīn）電*以及抗噪音轉（zhuǎn）換器來降低測量流量的波動（dòng）。目前，國內外對城市生活汙水流量計測量類似紙（zhǐ）漿的（de）漿（jiāng）液流（liú）量在信號處理方（fāng）麵進行過一定的研究，但是，均沒有關於水（shuǐ）煤漿測量信號處理方麵的（de）參考文獻。
針對城市生活汙水流量計測量水煤漿（jiāng）時出現較大波動、甚至回零的問題（tí），本文采集現場（chǎng）城市生活汙（wū）水流量計輸出的水煤漿（jiāng）信號;在時域和頻域（yù）對信號進行分析，找出了城市生活（huó）汙水流量計不能穩定測量水煤漿（jiāng）流量的原因;根據（jù）水煤漿信號特征，提出了基於勵磁頻率（lǜ）高次諧波分析的煤（méi）漿流量計信號處理方法;在基於DSP的城（chéng）市生活（huó）汙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，測（cè）量結果較穩定，驗證了（le）所提出的算法的有效性。
1、數據采集分析
1.1現場實驗
針對城市生活汙水流量（liàng）計測量水煤漿時出現較大波動，甚至回零這一問題，特去某煤化工企業甲醇分公司進行現場數據采集。該公司所使用的對置式四噴嘴（zuǐ）氣（qì）化有4個噴（pēn）嘴，噴嘴管道口徑為125mm，管中水煤漿流量（liàng）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台城市生活汙水流量計，每台城市生活汙水（shuǐ）流量計由傳感器和變送器兩部（bù）分組成。選擇其中1條水煤漿管線上的1台城市（shì）生活汙水流量計進行數據采集，因為（wéi）該台城市生活汙水流量計測量結果波（bō）動大，甚至（zhì）出現回零的現象。將課題組研製的基於DSP的（de）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的電*和（hé）勵磁線圈（quān）上，組合成完整的城市生活汙水流量（liàng）計，進行水煤漿數（shù）據采集。使用的電磁流（liú）量變送器是以（yǐ）TI公司DSP芯（xīn）片TMS320F28335為核心，采用（yòng）高頻勵磁方案，其硬件主要包括勵磁控（kòng）製係統和信號采集處理係統，具體的模塊有勵磁驅動（dòng）模塊、信號調理采集模塊、信號處理控製模塊、人機接口模塊（kuài）、通信（xìn）模塊及電（diàn）源管理（lǐ）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（xíng）號的數（shù）據采集卡進行數據（jù）采集，把調理電路的輸出端連接到數（shù）據采集卡的（de）一個差（chà）分輸入端，並設置數據采集卡工作在差分的（de）測量模（mó）式（shì），設置采集卡（kǎ）的采樣頻率為10kHz。采集多組（zǔ）水煤漿信（xìn）號數據，每（měi）組數據的時間（jiān）長度為5min。
1.2數據分析
現場采集（jí）了25Hz方波勵磁下的水煤漿信號，發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勢信號和電*噪聲組成。其中，感應（yīng）電動勢信號（hào）是由導電液體切割磁場（chǎng）產（chǎn）生的，其（qí）幅值和相同流（liú）量下介質為水的感應電動勢幅值相同，僅約為（wéi）數十毫伏。這是因為城市生活汙水流量（liàng）計不受被測導電介質的溫度、粘度、密度（dù）以及導電率的影響（xiǎng），隻要（yào）經過水（shuǐ）標（biāo）定後，就可以用來測量其他導電液體的流（liú）量。電*噪聲是（shì）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（yè）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（jiāng）信號中的漿液噪聲幅值非常大，峰峰值可達（dá）數伏，遠（yuǎn）遠高（gāo）於與流量相（xiàng）關的感應電動勢信（xìn）號，如圖2所示。這給流量信號的提（tí）取（qǔ）造成了*大的困難。

采用方波勵磁的城市生（shēng）活汙水流量計，其傳感器輸出的與流量相關的感應（yīng）電動勢信號的（de）波形也類似（sì）於方波。針（zhēn）對與流量相關的感應（yīng）電動勢信號f(t)的特點，可知其是由基波和奇次諧波（bō）疊加而（ér）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) 表示漿液（yè）信號的幅（fú）值（zhí），特點為隨機跳變的信號，波動比較大，f表示頻率。漿液噪聲在低頻段幅值比（bǐ）較大，隨著頻率的（de）增加，漿液（yè）噪聲的幅值在減小。那麽，傳感（gǎn）器輸出的信號（hào）s(t) 形式為：

在傳感器輸（shū）出的信（xìn）號中隻（zhī）有與流量相關的感應電動勢信號才是（shì）有用信號，被用來計算流量。而提取感（gǎn）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以看出，漿液噪聲頻帶較寬，在頻率點fe處的幅值較大，甚至將（jiāng）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（jì）算每段數據在基波（bō）處的幅值並提取保存在一個數組中，使用繪圖工具畫出來，如（rú）圖4所示。可見，基（jī）波幅（fú）值在1～9mV波動，波動較大，而基波幅值在感（gǎn）應電動勢信（xìn）號中所占的比重（chóng）又（yòu）*大，所以，必然導致計算出的流量波動劇烈，出現測（cè）量不穩定的問題。從圖3水煤漿信號的頻譜圖中還（hái）可以看出，隨著頻率的（de）遞增，水煤漿信號中的漿液噪聲逐漸衰減，使高次諧波（bō）開始凸顯（xiǎn）。由（yóu）式(1)可知，高次諧波的幅值也（yě）是與流量成線性關係的，因此（cǐ），可以通過（guò）提取高次（cì）諧波計算流量，有效地避開漿液噪聲的幹擾，得到（dào）比較穩定的測量（liàng）結果。

為了進一步研究水煤漿信號的特點，將（jiāng）其與紙漿信號進行對比。通過分析課題組采集的25Hz矩形波勵磁下的紙漿信（xìn）號發現，在同樣流速下，測量介質為紙漿時，傳感（gǎn）器輸出信號經調理放（fàng）大後能明顯看到（dào）與（yǔ）流量相關的（de）感應電（diàn）動勢信號，且其漿液幹擾僅為數十毫伏，要遠小（xiǎo）於水（shuǐ）煤漿信號中的漿（jiāng）液幹（gàn）擾，如（rú）圖5所示。對圖5所示的紙漿信號進行局部放大，得到如圖6所示的信號。可見（jiàn），紙漿信號中的漿液幹擾持續的（de）時間（jiān）也遠小於水煤漿信號（hào）中的漿液幹（gàn）擾，且頻率較低。

在頻域中（zhōng）對紙漿信號觀察時（shí）發現，紙漿信號（hào）的漿液噪聲頻帶（dài）在零頻率點附近，距離流量信（xìn）號基波頻率點較遠，對基波幅值和各奇次諧波幅（fú）值基本沒（méi）有影響，紙漿信號在頻域中的（de）圖形如圖7所（suǒ）示。選擇一組采集的（de）紙漿信號，把其（qí）等分成數段，利用MATLAB計（jì）算（suàn）每段數據在基波處的幅（fú）值並（bìng）提取保（bǎo）存在一個數組（zǔ）中，使用繪圖工（gōng）具（jù）畫出來，如圖8所示。可見，基波幅值（zhí）在4.7～4.95mV變化（huà），波動（dòng）較小。因（yīn）此，提取到的與（yǔ）流量相關的（de）感應電動勢信號幅值會比較穩定。