反應釜冷（lěng）水流量計測（cè）量水煤漿流量不穩（wěn）定原因分析
點擊次數：2129 發（fā）布時間：2021-09-08 00:47:04
摘（zhāi）要：針對國內漿液型反應釜冷（lěng）水（shuǐ）流量計測量水煤漿流量時出（chū）現波（bō）動大、甚至回零的問題，采集現（xiàn）場水煤漿信號，進行時域和頻域（yù）分析，找出其（qí）無法穩定測量水煤漿（jiāng）流量的原因。
水（shuǐ）煤漿是（shì）一（yī）種（zhǒng）由55%～65%的煤粉、34%～43%的（de）水和（hé）1%的化學添加（jiā）劑，經過一定（dìng）的工（gōng）藝加工而成（chéng）的固（gù）液（yè）混（hún）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（hé）工業窯爐（lú），緩解石（shí）油短缺的能源安全問題，又可作為（wéi）製備合成氣的原料，通過氣化生成CO、CO2和（hé）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泵輸送，在生產時，煤漿泵工（gōng）作在（zài）額（é）定轉（zhuǎn）速下，所以（yǐ），水煤漿的流速基（jī）本保持不變。但是，水煤漿是一種非牛頓流體，並且存（cún）在固體顆粒的沉澱，加上流速低，所以，可能會導致煤漿泵堵塞，使煤漿泵出口壓力大幅跳動，引起水煤漿流速出（chū）現大幅波動，影響正常（cháng）生產。因此，為了保證產品質量和生產安全，需要監（jiān）測管道內（nèi）水煤漿的流速，以及時發現煤漿泵的異常。反應釜冷水流量計測量管（guǎn）內不存在阻礙流體的（de）部件，且受密（mì）度、粘度影響較小，適宜測（cè）量這類高濃度的固液混（hún）合物，是水煤漿計量的*選方案。但是，隨著水（shuǐ）煤漿應（yīng）用（yòng）範圍（wéi）擴大，煤質開始發生變（biàn）化，主要表現為煤的灰（huī）分變高，導致隻有（yǒu）*少（shǎo）數國外**廠家的反應釜冷水流量計可以實現水煤漿流量的（de）穩定（dìng）測量，但（dàn）是，價格非常昂貴，是國（guó）產品*的7～8倍，且沒有披露技（jì）術細（xì）節，而（ér）多數（shù）國外品*和（hé）國內生產的反應（yīng）釜冷水流量計（jì），在管道內水煤漿流量穩定時，都出現（xiàn）了測量結果波動大（dà），甚至測量結果（guǒ）回零的情況，這會導致係統跳車停產事故。因此，解決漿液型反應釜冷水（shuǐ）流量計測量水煤漿時波動（dòng）較大（dà）的問題，不僅能大大減（jiǎn）少國內煤化工企業的生產成本（běn），還是保證安全生產的關鍵。某國外**廠（chǎng）家的反應釜冷水流（liú）量計通過選用耐衝刷，耐磨損的增強聚四氟乙（yǐ）烯作為襯裏材（cái）料（liào）、低噪（zào）音電*以及抗噪音轉換器來降低測量流量的波動 。目前，國內外對反應釜冷水流量計測量類似紙漿的漿液流量在信號處理方麵進行過一定的研（yán）究，但是，均沒有關於（yú）水煤漿測量信號處（chù）理方麵的參考文獻。
針對反應釜冷水流量（liàng）計測量水煤漿時出現較大波動、甚至回零的問題，本文（wén）采集現場（chǎng）反應釜冷水流量（liàng）計輸出的水煤（méi）漿信號;在時域和頻域對信號進行分析，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（jù）水煤漿信號特征，提出了基於勵（lì）磁頻率高次諧波分析的煤漿流（liú）量計信號處理方（fāng）法;在（zài）基於DSP的反應釜冷（lěng）水（shuǐ）流量（liàng）計變送器上實時實現該算法，進行現場驗證。實驗結果表明，測量結果較（jiào）穩定，驗證（zhèng）了所提出的算法的有效性。
1、數據采集分析
1.1現場實驗
針對反應釜冷水流量計（jì）測量水煤（méi）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（jìn）行現場數據采集。該公司所使用的對置（zhì）式四噴嘴氣化有4個噴嘴，噴嘴管道（dào）口徑為125mm，管中水煤漿流量基本穩定在19m³/h(流（liú）速約為0.48m/s)。每條噴嘴煤漿線上安裝了3台反應（yīng）釜（fǔ）冷水流量計，每台反應釜冷水流量計由傳感器（qì）和變送器兩部分組成。選擇其中1條水煤漿管線上的1台反應釜冷水流量計進行數據采集，因為該台反應釜冷水流量計測量結果波動（dòng）大，甚至出現回零的（de）現象。將（jiāng）課題組研製（zhì）的基於DSP的電磁流量（liàng）變送器的信號線和勵（lì）磁線接到該電磁流量傳感器（qì）的電*和勵磁線圈上（shàng），組（zǔ）合成完整的（de）反應釜冷（lěng）水流（liú）量計，進行水煤漿數據采集。使用的電（diàn）磁流量變送器（qì）是以TI公司DSP芯片TMS320F28335為核心，采用高（gāo）頻勵磁方案，其硬件主要包括（kuò）勵磁控製係統和信號采集處理係統，具體的模塊有勵磁驅（qū）動模塊、信號調理采集模塊（kuài）、信號處理控製模塊、人機接（jiē）口模塊、通信模塊（kuài）及電源管理模塊。信號調理采集模塊中的調理電路對（duì）一次儀表（biǎo）輸出的（de）信號進行放大和濾波，截止頻率是2kHz，放大倍數約為230倍（bèi）。通過NI公司USB－6216型號的（de）數據采集卡進行數據采集，把調理電路的輸出端連（lián）接到數據采集卡的一個差分輸入端，並設置數據采集卡（kǎ）工作在差分的測量模式，設置采集卡的采樣頻率（lǜ）為10kHz。采集（jí）多組水煤漿信號數據，每組數（shù）據的（de）時間長度為5min。
1.2數據分析
現場采集了25Hz方波勵磁下的水煤漿信號，發現（xiàn）水煤漿信號的幅值非常大（dà），甚至接近AD的量程上（shàng）限（xiàn），如圖1所示（shì）。水煤漿信（xìn）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（chǎng）產生的，其幅（fú）值和相同流量下介質為水的感應電動勢幅值相同，僅約為數十毫伏。這是因為反應釜冷水流量計（jì）不受被測導電介質的溫度、粘度、密度以（yǐ）及導電率的影響，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）煤漿中的固體顆粒劃過（guò）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，頻域具有近（jìn）似1/f的特性。水煤漿信（xìn）號中的漿液噪聲幅值非常大，峰峰值可達（dá）數伏（fú），遠遠高於與流量相關的感應電（diàn）動勢信號，如圖2所示。這（zhè）給流量（liàng）信號的提取造成了*大的困（kùn）難。
采用方波勵磁的反應釜冷水流量計，其傳感器輸出的（de）與流量相關的感應電（diàn）動勢信號的波形也類似於方波。針（zhēn）對與流量相關的感應（yīng）電動勢信號（hào）f(t)的特點，可（kě）知（zhī）其是由基波和奇次諧波疊加而成（chéng）的。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) 表示漿液信號的幅（fú）值（zhí），特點為（wéi）隨機跳（tiào）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（zhe）頻率的增加，漿（jiāng）液（yè）噪聲的幅值在減小。那麽，傳（chuán）感器輸出的信號s(t) 形式為：
在（zài）傳感器輸出的信號中隻有與流（liú）量相關的感應電動勢信號才（cái）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（hán）頻（pín）率等於（yú）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（pín）帶較寬，在頻率點fe處的（de）幅值較大，甚至將基波淹沒，如圖（tú）3所示。選擇一組采集的水煤（méi）漿信號，把其等分成數段，利用MATLAB計算每段數據（jù）在基波（bō）處的幅值並（bìng）提取保存在一個數組（zǔ）中，使用繪圖工具（jù）畫出來，如（rú）圖4所示。可見，基（jī）波幅值在1～9mV波動，波動較（jiào）大，而基波（bō）幅值在感應電動（dòng）勢信號中所占的比（bǐ）重又*大，所以，必然導致計算（suàn）出的流量波動劇烈，出現測量不穩定的問題。從圖3水煤漿信號的（de）頻譜圖中還可以（yǐ）看（kàn）出，隨著頻率的遞增，水煤漿信號中的漿液噪聲逐漸衰減（jiǎn），使高次諧波開始凸顯（xiǎn）。由式(1)可知，高次諧波的幅值（zhí）也是與流量成線性關係的，因此（cǐ），可以通過提（tí）取高次諧波計算（suàn）流量，有效地（dì）避開漿液噪聲的幹擾，得到比較（jiào）穩定的測量（liàng）結果。
為了進一步研究水煤漿信號的特點，將其與紙漿信（xìn）號進行對比。通過分析課題組采集的25Hz矩形波勵（lì）磁下的紙漿信號發現，在（zài）同樣流速下，測量介質（zhì）為紙漿時，傳感器輸出信號（hào）經調理放（fàng）大後能明顯看到與流量相關的感應電動勢信號，且其漿液（yè）幹擾僅為數十毫伏（fú），要遠小於水（shuǐ）煤漿信號中的漿液幹擾（rǎo），如（rú）圖5所示。對圖5所示的紙（zhǐ）漿信（xìn）號進行局部放（fàng）大（dà），得到如圖6所示的（de）信號。可見，紙漿信號中（zhōng）的漿液幹擾持續的時間也遠（yuǎn）小於水煤漿信號中的漿液幹擾，且頻率較（jiào）低。
在頻域中對紙漿信號觀察時（shí）發現，紙漿信號的漿液噪（zào）聲頻帶在零頻率（lǜ）點附（fù）近，距離流量信（xìn）號基波頻率點較遠，對基（jī）波幅值和各奇次諧波幅值基本（běn）沒（méi）有影響，紙漿信號在頻（pín）域中的圖形如圖（tú）7所示。選擇一組采集的（de）紙漿信號，把其（qí）等分成數段，利（lì）用MATLAB計算每段數據在基波處的幅值並提取保存在一個（gè）數組中，使用繪圖工具畫出來，如圖8所（suǒ）示。可見（jiàn），基（jī）波幅（fú）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比較穩定。
從以上分（fèn）析可知（zhī），水煤漿信號與紙漿信號有較大差異，適用於紙漿信號的信號處理方法不再適（shì）用於水煤漿信號。
水（shuǐ）煤漿是（shì）一（yī）種（zhǒng）由55%～65%的煤粉、34%～43%的（de）水和（hé）1%的化學添加（jiā）劑，經過一定（dìng）的工（gōng）藝加工而成（chéng）的固（gù）液（yè）混（hún）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（hé）工業窯爐（lú），緩解石（shí）油短缺的能源安全問題，又可作為（wéi）製備合成氣的原料，通過氣化生成CO、CO2和（hé）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泵輸送，在生產時，煤漿泵工（gōng）作在（zài）額（é）定轉（zhuǎn）速下，所以（yǐ），水煤漿的流速基（jī）本保持不變。但是，水煤漿是一種非牛頓流體，並且存（cún）在固體顆粒的沉澱，加上流速低，所以，可能會導致煤漿泵堵塞，使煤漿泵出口壓力大幅跳動，引起水煤漿流速出（chū）現大幅波動，影響正常（cháng）生產。因此，為了保證產品質量和生產安全，需要監（jiān）測管道內（nèi）水煤漿的流速，以及時發現煤漿泵的異常。反應釜冷水流量計測量管（guǎn）內不存在阻礙流體的（de）部件，且受密（mì）度、粘度影響較小，適宜測（cè）量這類高濃度的固液混（hún）合物，是水煤漿計量的*選方案。但是，隨著水（shuǐ）煤漿應（yīng）用（yòng）範圍（wéi）擴大，煤質開始發生變（biàn）化，主要表現為煤的灰（huī）分變高，導致隻有（yǒu）*少（shǎo）數國外**廠家的反應釜冷水流量計可以實現水煤漿流量的（de）穩定（dìng）測量，但（dàn）是，價格非常昂貴，是國（guó）產品*的7～8倍，且沒有披露技（jì）術細（xì）節，而（ér）多數（shù）國外品*和（hé）國內生產的反應（yīng）釜冷水流量計（jì），在管道內水煤漿流量穩定時，都出現（xiàn）了測量結果波動大（dà），甚至測量結果（guǒ）回零的情況，這會導致係統跳車停產事故。因此，解決漿液型反應釜冷水（shuǐ）流量計測量水煤漿時波動（dòng）較大（dà）的問題，不僅能大大減（jiǎn）少國內煤化工企業的生產成本（běn），還是保證安全生產的關鍵。某國外**廠（chǎng）家的反應釜冷水流（liú）量計通過選用耐衝刷，耐磨損的增強聚四氟乙（yǐ）烯作為襯裏材（cái）料（liào）、低噪（zào）音電*以及抗噪音轉換器來降低測量流量的波動 。目前，國內外對反應釜冷水流量計測量類似紙漿的漿液流量在信號處理方麵進行過一定的研（yán）究，但是，均沒有關於（yú）水煤漿測量信號處（chù）理方麵的參考文獻。
針對反應釜冷水流量（liàng）計測量水煤漿時出現較大波動、甚至回零的問題，本文（wén）采集現場（chǎng）反應釜冷水流量（liàng）計輸出的水煤（méi）漿信號;在時域和頻域對信號進行分析，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（jù）水煤漿信號特征，提出了基於勵（lì）磁頻率高次諧波分析的煤漿流（liú）量計信號處理方（fāng）法;在（zài）基於DSP的反應釜冷（lěng）水（shuǐ）流量（liàng）計變送器上實時實現該算法，進行現場驗證。實驗結果表明，測量結果較（jiào）穩定，驗證（zhèng）了所提出的算法的有效性。
1、數據采集分析
1.1現場實驗
針對反應釜冷水流量計（jì）測量水煤（méi）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（jìn）行現場數據采集。該公司所使用的對置（zhì）式四噴嘴氣化有4個噴嘴，噴嘴管道（dào）口徑為125mm，管中水煤漿流量基本穩定在19m³/h(流（liú）速約為0.48m/s)。每條噴嘴煤漿線上安裝了3台反應（yīng）釜（fǔ）冷水流量計，每台反應釜冷水流量計由傳感器（qì）和變送器兩部分組成。選擇其中1條水煤漿管線上的1台反應釜冷水流量計進行數據采集，因為該台反應釜冷水流量計測量結果波動（dòng）大，甚至出現回零的（de）現象。將（jiāng）課題組研製（zhì）的基於DSP的電磁流量（liàng）變送器的信號線和勵（lì）磁線接到該電磁流量傳感器（qì）的電*和勵磁線圈上（shàng），組（zǔ）合成完整的（de）反應釜冷（lěng）水流（liú）量計，進行水煤漿數據采集。使用的電（diàn）磁流量變送器（qì）是以TI公司DSP芯片TMS320F28335為核心，采用高（gāo）頻勵磁方案，其硬件主要包括（kuò）勵磁控製係統和信號采集處理係統，具體的模塊有勵磁驅（qū）動模塊、信號調理采集模塊（kuài）、信號處理控製模塊、人機接（jiē）口模塊、通信模塊（kuài）及電源管理模塊。信號調理采集模塊中的調理電路對（duì）一次儀表（biǎo）輸出的（de）信號進行放大和濾波，截止頻率是2kHz，放大倍數約為230倍（bèi）。通過NI公司USB－6216型號的（de）數據采集卡進行數據采集，把調理電路的輸出端連（lián）接到數據采集卡的一個差分輸入端，並設置數據采集卡（kǎ）工作在差分的測量模式，設置采集卡的采樣頻率（lǜ）為10kHz。采集（jí）多組水煤漿信號數據，每組數（shù）據的（de）時間長度為5min。
1.2數據分析
現場采集了25Hz方波勵磁下的水煤漿信號，發現（xiàn）水煤漿信號的幅值非常大（dà），甚至接近AD的量程上（shàng）限（xiàn），如圖1所示（shì）。水煤漿信（xìn）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（chǎng）產生的，其幅（fú）值和相同流量下介質為水的感應電動勢幅值相同，僅約為數十毫伏。這是因為反應釜冷水流量計（jì）不受被測導電介質的溫度、粘度、密度以（yǐ）及導電率的影響，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）煤漿中的固體顆粒劃過（guò）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，頻域具有近（jìn）似1/f的特性。水煤漿信（xìn）號中的漿液噪聲幅值非常大，峰峰值可達（dá）數伏（fú），遠遠高於與流量相關的感應電（diàn）動勢信號，如圖2所示。這（zhè）給流量（liàng）信號的提取造成了*大的困（kùn）難。
采用方波勵磁的反應釜冷水流量計，其傳感器輸出的（de）與流量相關的感應電（diàn）動勢信號的波形也類似於方波。針（zhēn）對與流量相關的感應（yīng）電動勢信號（hào）f(t)的特點，可（kě）知（zhī）其是由基波和奇次諧波疊加而成（chéng）的。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) 表示漿液信號的幅（fú）值（zhí），特點為（wéi）隨機跳（tiào）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（zhe）頻率的增加，漿（jiāng）液（yè）噪聲的幅值在減小。那麽，傳（chuán）感器輸出的信號s(t) 形式為：
在（zài）傳感器輸出的信號中隻有與流（liú）量相關的感應電動勢信號才（cái）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（hán）頻（pín）率等於（yú）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（pín）帶較寬，在頻率點fe處的（de）幅值較大，甚至將基波淹沒，如圖（tú）3所示。選擇一組采集的水煤（méi）漿信號，把其等分成數段，利用MATLAB計算每段數據（jù）在基波（bō）處的幅值並（bìng）提取保存在一個數組（zǔ）中，使用繪圖工具（jù）畫出來，如（rú）圖4所示。可見，基（jī）波幅值在1～9mV波動，波動較（jiào）大，而基波（bō）幅值在感應電動（dòng）勢信號中所占的比（bǐ）重又*大，所以，必然導致計算（suàn）出的流量波動劇烈，出現測量不穩定的問題。從圖3水煤漿信號的（de）頻譜圖中還可以（yǐ）看（kàn）出，隨著頻率的遞增，水煤漿信號中的漿液噪聲逐漸衰減（jiǎn），使高次諧波開始凸顯（xiǎn）。由式(1)可知，高次諧波的幅值（zhí）也是與流量成線性關係的，因此（cǐ），可以通過提（tí）取高次諧波計算（suàn）流量，有效地（dì）避開漿液噪聲的幹擾，得到比較（jiào）穩定的測量（liàng）結果。
為了進一步研究水煤漿信號的特點，將其與紙漿信（xìn）號進行對比。通過分析課題組采集的25Hz矩形波勵（lì）磁下的紙漿信號發現，在（zài）同樣流速下，測量介質（zhì）為紙漿時，傳感器輸出信號（hào）經調理放（fàng）大後能明顯看到與流量相關的感應電動勢信號，且其漿液（yè）幹擾僅為數十毫伏（fú），要遠小於水（shuǐ）煤漿信號中的漿液幹擾（rǎo），如（rú）圖5所示。對圖5所示的紙（zhǐ）漿信（xìn）號進行局部放（fàng）大（dà），得到如圖6所示的（de）信號。可見，紙漿信號中（zhōng）的漿液幹擾持續的時間也遠（yuǎn）小於水煤漿信號中的漿液幹擾，且頻率較（jiào）低。
在頻域中對紙漿信號觀察時（shí）發現，紙漿信號的漿液噪（zào）聲頻帶在零頻率（lǜ）點附（fù）近，距離流量信（xìn）號基波頻率點較遠，對基（jī）波幅值和各奇次諧波幅值基本（běn）沒（méi）有影響，紙漿信號在頻（pín）域中的圖形如圖（tú）7所示。選擇一組采集的（de）紙漿信號，把其（qí）等分成數段，利（lì）用MATLAB計算每段數據在基波處的幅值並提取保存在一個（gè）數組中，使用繪圖工具畫出來，如圖8所（suǒ）示。可見（jiàn），基（jī）波幅（fú）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比較穩定。
從以上分（fèn）析可知（zhī），水煤漿信號與紙漿信號有較大差異，適用於紙漿信號的信號處理方法不再適（shì）用於水煤漿信號。