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管道式（shì）水流量計測量水煤漿流量不穩定原因分析
點擊次數：2289 發布時間：2021-01-16 13:00:00
摘要：針對國內漿液型管道式水流量計測量（liàng）水煤（méi）漿流量（liàng）時出現波（bō）動大、甚至回零的問題，采集現場水煤漿信號，進行時域和頻域分析，找出其（qí）無法穩定測（cè）量水煤漿流量的原因。
水煤漿是（shì）一種由55%～65%的煤粉、34%～43%的水和1%的化學添加劑，經過一定的工藝加工而成的固液混合物，既可作為燃料（liào）代替（tì）油、氣和煤用於（yú）發電站（zhàn）鍋爐、工業鍋爐和工業窯爐，緩解石（shí）油（yóu）短缺的能源安全問題，又（yòu）可作為製備合成氣的原料，通過氣化生成CO、CO2和H2等氣體，作為工藝過（guò）程中的反應氣（qì）。水煤漿在生產（chǎn）過程中使用煤漿泵輸送，在生產時，煤漿（jiāng）泵工（gōng）作在額定轉速（sù）下，所以，水煤漿的流速基本（běn）保持不變。但是，水（shuǐ）煤漿是一種非牛頓流體，並（bìng）且存在固體顆粒的沉澱，加上（shàng）流速低，所以，可能會導致煤漿泵堵塞，使（shǐ）煤漿泵出口壓力（lì）大幅跳動，引起水煤漿流速（sù）出現大幅（fú）波動（dòng），影響正常生產。因此，為（wéi）了保證產品質量和生產安全（quán），需要監測管道內水煤漿的流速，以及時發（fā）現（xiàn）煤漿泵的異常。管道式水流量計測量管（guǎn）內不存在阻礙流體的部件（jiàn），且受密度、粘度影響較小，適宜測量（liàng）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（shuǐ）煤漿應用範圍擴大，煤質開始發（fā）生變化，主要表現（xiàn）為煤的灰分（fèn）變（biàn）高，導致隻有*少數國外**廠家的管道式水流量計（jì）可以實現水煤漿流量的穩定測量，但是，價格非常昂貴，是國產品*的7～8倍，且沒有披露（lù）技術細節，而多數國外品*和國內生產的管道式水流量計，在管道內水（shuǐ）煤漿流量穩定時（shí），都出現了測量結果波動大（dà），甚至測量（liàng）結果回零的情（qíng）況，這會導（dǎo）致係統跳車停（tíng）產事故。因此，解決漿（jiāng）液型管道式水流量計測量水煤漿時波動較大的（de）問題，不僅能大大減少（shǎo）國內煤化工企業的生產成本，還（hái）是保證安全生產的（de）關鍵。某國外（wài）**廠家的管道式水流量計通過選用耐衝刷，耐磨損的（de）增強聚四氟乙烯作為襯裏材料、低噪音電*以及抗噪音轉換器來降低測量流量的波動 。目前，國內外對管道式水（shuǐ）流量計測（cè）量類似紙漿的漿液流量在（zài）信號處理方麵進行過一定的研究，但是，均沒有關（guān）於水煤（méi）漿測（cè）量信號處理方麵的參考文獻。
針對管道式（shì）水流量（liàng）計測（cè）量水煤漿時出現較大波（bō）動、甚至回零的問題，本文采集現場管道式水流量（liàng）計輸出的水煤（méi）漿信號;在時域和（hé）頻域對信號（hào）進行（háng）分析，找出了管道式水流量（liàng）計（jì）不能穩定（dìng）測量水煤漿流量的原因;根據水煤漿（jiāng）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（xìn）號（hào）處理方法;在基於DSP的（de）管道（dào）式（shì）水流量計變送器（qì）上實時實現該（gāi）算法，進行現場驗證。實驗結果表明，測量結果較（jiào）穩定，驗證了所提出的算法的有效性。
1、數據采集分析
1.1現（xiàn）場實驗
針對（duì）管道式水流量計測量水煤漿時出現較大波動（dòng），甚至回零這（zhè）一問（wèn）題，特去某（mǒu）煤（méi）化工企業甲醇分公司進（jìn）行現（xiàn）場數據采集。該公司所使用（yòng）的對置式四噴嘴氣化（huà）有4個噴嘴，噴嘴管道口徑為125mm，管中（zhōng）水煤漿流量基（jī）本穩定在19m³/h(流速約為0.48m/s)。每條噴嘴煤漿線上安裝了（le）3台（tái）管道式水流量計，每台管道式水流量（liàng）計由傳感器和變送器兩部（bù）分組（zǔ）成。選擇其中1條水煤漿管線上的1台管道式水流量計進行數據采集，因（yīn）為該台管道式（shì）水流量計測量結果波動大，甚至出現回零（líng）的現象。將課題組（zǔ）研製的基於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（hé）勵磁線圈上，組（zǔ）合成完整的管道式水流量（liàng）計（jì），進行水煤漿數據采集。使用的電磁流量變送（sòng）器是以TI公司DSP芯片TMS320F28335為核心，采用高頻勵磁方案，其硬件主要包括勵磁控製係統和信號采集處理係統，具體的（de）模塊有勵磁驅動模（mó）塊、信號調理采集模（mó）塊、信號處理控（kòng）製模塊、人機接口（kǒu）模塊、通信模塊及電源（yuán）管理模（mó）塊。信號調理采集模塊中（zhōng）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（lǜ）是2kHz，放大倍數（shù）約為230倍（bèi）。通過NI公司USB－6216型號（hào）的（de）數據采集卡進行（háng）數（shù）據采集，把調理電路的輸出端連接到數據采集卡的一（yī）個差分輸入端，並設置數據采集卡工作在差分的測量（liàng）模（mó）式，設置采集（jí）卡的采樣頻率為10kHz。采集多組（zǔ）水煤漿信號數據，每組數據的時間（jiān）長度為（wéi）5min。
1.2數據（jù）分析
現場采集了25Hz方波勵磁下的水煤（méi）漿信（xìn）號，發（fā）現水煤漿信號（hào）的幅值非常大，甚至接近（jìn）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（yóu）導電液體切割磁場產生的，其幅值（zhí）和（hé）相同流（liú）量下介質為水的感應電動勢幅值相同，僅約為數十毫伏。這是因為管道式水流量計不受（shòu）被測導電介質的溫度、粘度、密度以及導電率的影響，隻要經（jīng）過水標定後，就可以用來測量其他（tā）導電液體的（de）流量。電（diàn）*噪聲是水煤漿中的固體顆粒劃過電*而引起的（de）信號跳變，也稱為漿液噪（zào）聲，具有強非平穩性、隨機性，頻域具有近似1/f的特性。水煤漿信號中（zhōng）的漿液噪聲幅值（zhí）非常大，峰峰值（zhí）可達（dá）數伏，遠遠高於與流量相（xiàng）關的感應電動勢信號，如圖2所示。這（zhè）給（gěi）流量信號（hào）的提取造成了*大的困難。
采（cǎi）用方波勵磁的管道式水流量計，其傳感器（qì）輸出的與流量相（xiàng）關的感應電動勢信號的波形也類似（sì）於（yú）方波。針對與流量相（xiàng）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（bō）疊加而成的。對（duì）於一個給（gěi）定（dìng）單（dān）峰值為Em的（de）矩形波信號，其傅裏葉（yè）展開為：
式中：g(t) 表示漿液信號的幅值，特點為隨機跳變的信號（hào），波動比較大，f表示頻率。漿液（yè）噪聲（shēng）在低頻段幅值比較大，隨著頻率的增（zēng）加，漿液噪聲的幅值在減小。那麽，傳感（gǎn）器輸出的信號s(t) 形式為：
在傳（chuán）感器輸出（chū）的信號中隻有與流量相關（guān）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（yīng）電動勢信號就需要包（bāo）含頻率等於fe，3fe，5fe，等頻率點的信（xìn）號。但是，從水煤漿信號的頻譜圖可（kě）以看出，漿液噪聲頻帶較寬，在頻率點fe處（chù）的幅（fú）值較大，甚至將基波淹沒，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MATLAB計算每段數據在基波處的幅值並提（tí）取保存在（zài）一個數（shù）組中，使（shǐ）用繪圖（tú）工具畫出來，如圖4所示。可見（jiàn），基波（bō）幅值在1～9mV波動，波動較大，而基波幅值在感（gǎn）應電動（dòng）勢信（xìn）號（hào）中（zhōng）所（suǒ）占的比（bǐ）重又*大（dà），所以，必然導致計算出的流量波動劇（jù）烈，出現測量不穩定的問題。從圖3水（shuǐ）煤漿信號的頻譜圖中還可以看出，隨著頻率的遞增（zēng），水煤漿信號中的漿液噪聲逐漸（jiàn）衰減，使高次諧波開始凸顯。由式(1)可（kě）知，高（gāo）次諧波的幅值也（yě）是與流量成（chéng）線性關係的，因此，可（kě）以通過（guò）提取高次諧波計算流量，有效地避開漿液噪聲的（de）幹擾（rǎo），得到比較穩定的測量結果。
為了進一步研（yán）究水煤漿信號的特點，將其與紙漿信（xìn）號進行對（duì）比。通過分析課題組采集的25Hz矩形波勵磁（cí）下的紙漿（jiāng）信號發現（xiàn），在（zài）同樣流速下，測（cè）量（liàng）介質為紙漿時，傳感器輸出信號經調（diào）理放大後（hòu）能明顯看到與流量相關的感應電動勢信號，且其（qí）漿（jiāng）液幹擾僅為數（shù）十毫伏，要遠小於水煤漿信號中的漿液（yè）幹擾，如圖（tú）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（hào）。可見，紙漿信號中的漿液幹擾持續的時間也遠小於水煤漿信號中的漿液幹擾（rǎo），且頻率較（jiào）低。
在（zài）頻域中對（duì）紙漿（jiāng）信號觀察（chá）時發現，紙漿信號（hào）的漿液噪聲頻帶在零頻率點附近，距離流量信號基波頻（pín）率點（diǎn）較遠，對基波幅值和各奇次諧波（bō）幅值基本沒有影響，紙漿信號（hào）在（zài）頻（pín）域中的圖形如圖7所示。選擇（zé）一組采集的紙漿信號，把其（qí）等分成數段，利用MATLAB計算每段數據在基波處（chù）的幅值並提取保存在一個數組中，使用繪圖（tú）工具畫出來，如圖8所（suǒ）示。可見（jiàn），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（guān）的感應電動勢信號幅值會比較穩定。
從以上（shàng）分析可知（zhī），水煤漿信號與紙漿信號有較大（dà）差異，適用於紙漿信號的信號處（chù）理方（fāng）法不再適（shì）用於（yú）水煤漿信號。
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水煤漿是（shì）一種由55%～65%的煤粉、34%～43%的水和1%的化學添加劑，經過一定的工藝加工而成的固液混合物，既可作為燃料（liào）代替（tì）油、氣和煤用於（yú）發電站（zhàn）鍋爐、工業鍋爐和工業窯爐，緩解石（shí）油（yóu）短缺的能源安全問題，又（yòu）可作為製備合成氣的原料，通過氣化生成CO、CO2和H2等氣體，作為工藝過（guò）程中的反應氣（qì）。水煤漿在生產（chǎn）過程中使用煤漿泵輸送，在生產時，煤漿（jiāng）泵工（gōng）作在額定轉速（sù）下，所以，水煤漿的流速基本（běn）保持不變。但是，水（shuǐ）煤漿是一種非牛頓流體，並（bìng）且存在固體顆粒的沉澱，加上（shàng）流速低，所以，可能會導致煤漿泵堵塞，使（shǐ）煤漿泵出口壓力（lì）大幅跳動，引起水煤漿流速（sù）出現大幅（fú）波動（dòng），影響正常生產。因此，為（wéi）了保證產品質量和生產安全（quán），需要監測管道內水煤漿的流速，以及時發（fā）現（xiàn）煤漿泵的異常。管道式水流量計測量管（guǎn）內不存在阻礙流體的部件（jiàn），且受密度、粘度影響較小，適宜測量（liàng）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（shuǐ）煤漿應用範圍擴大，煤質開始發（fā）生變化，主要表現（xiàn）為煤的灰分（fèn）變（biàn）高，導致隻有*少數國外**廠家的管道式水流量計（jì）可以實現水煤漿流量的穩定測量，但是，價格非常昂貴，是國產品*的7～8倍，且沒有披露（lù）技術細節，而多數國外品*和國內生產的管道式水流量計，在管道內水（shuǐ）煤漿流量穩定時（shí），都出現了測量結果波動大（dà），甚至測量（liàng）結果回零的情（qíng）況，這會導（dǎo）致係統跳車停（tíng）產事故。因此，解決漿（jiāng）液型管道式水流量計測量水煤漿時波動較大的（de）問題，不僅能大大減少（shǎo）國內煤化工企業的生產成本，還（hái）是保證安全生產的（de）關鍵。某國外（wài）**廠家的管道式水流量計通過選用耐衝刷，耐磨損的（de）增強聚四氟乙烯作為襯裏材料、低噪音電*以及抗噪音轉換器來降低測量流量的波動 。目前，國內外對管道式水（shuǐ）流量計測（cè）量類似紙漿的漿液流量在（zài）信號處理方麵進行過一定的研究，但是，均沒有關（guān）於水煤（méi）漿測（cè）量信號處理方麵的參考文獻。
針對管道式（shì）水流量（liàng）計測（cè）量水煤漿時出現較大波（bō）動、甚至回零的問題，本文采集現場管道式水流量（liàng）計輸出的水煤（méi）漿信號;在時域和（hé）頻域對信號（hào）進行（háng）分析，找出了管道式水流量（liàng）計（jì）不能穩定（dìng）測量水煤漿流量的原因;根據水煤漿（jiāng）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（xìn）號（hào）處理方法;在基於DSP的（de）管道（dào）式（shì）水流量計變送器（qì）上實時實現該（gāi）算法，進行現場驗證。實驗結果表明，測量結果較（jiào）穩定，驗證了所提出的算法的有效性。
1、數據采集分析
1.1現（xiàn）場實驗
針對（duì）管道式水流量計測量水煤漿時出現較大波動（dòng），甚至回零這（zhè）一問（wèn）題，特去某（mǒu）煤（méi）化工企業甲醇分公司進（jìn）行現（xiàn）場數據采集。該公司所使用（yòng）的對置式四噴嘴氣化（huà）有4個噴嘴，噴嘴管道口徑為125mm，管中（zhōng）水煤漿流量基（jī）本穩定在19m³/h(流速約為0.48m/s)。每條噴嘴煤漿線上安裝了（le）3台（tái）管道式水流量計，每台管道式水流量（liàng）計由傳感器和變送器兩部（bù）分組（zǔ）成。選擇其中1條水煤漿管線上的1台管道式水流量計進行數據采集，因（yīn）為該台管道式（shì）水流量計測量結果波動大，甚至出現回零（líng）的現象。將課題組（zǔ）研製的基於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（hé）勵磁線圈上，組（zǔ）合成完整的管道式水流量（liàng）計（jì），進行水煤漿數據采集。使用的電磁流量變送（sòng）器是以TI公司DSP芯片TMS320F28335為核心，采用高頻勵磁方案，其硬件主要包括勵磁控製係統和信號采集處理係統，具體的（de）模塊有勵磁驅動模（mó）塊、信號調理采集模（mó）塊、信號處理控（kòng）製模塊、人機接口（kǒu）模塊、通信模塊及電源（yuán）管理模（mó）塊。信號調理采集模塊中（zhōng）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（lǜ）是2kHz，放大倍數（shù）約為230倍（bèi）。通過NI公司USB－6216型號（hào）的（de）數據采集卡進行（háng）數（shù）據采集，把調理電路的輸出端連接到數據采集卡的一（yī）個差分輸入端，並設置數據采集卡工作在差分的測量（liàng）模（mó）式，設置采集（jí）卡的采樣頻率為10kHz。采集多組（zǔ）水煤漿信號數據，每組數據的時間（jiān）長度為（wéi）5min。
1.2數據（jù）分析
現場采集了25Hz方波勵磁下的水煤（méi）漿信（xìn）號，發（fā）現水煤漿信號（hào）的幅值非常大，甚至接近（jìn）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（yóu）導電液體切割磁場產生的，其幅值（zhí）和（hé）相同流（liú）量下介質為水的感應電動勢幅值相同，僅約為數十毫伏。這是因為管道式水流量計不受（shòu）被測導電介質的溫度、粘度、密度以及導電率的影響，隻要經（jīng）過水標定後，就可以用來測量其他（tā）導電液體的（de）流量。電（diàn）*噪聲是水煤漿中的固體顆粒劃過電*而引起的（de）信號跳變，也稱為漿液噪（zào）聲，具有強非平穩性、隨機性，頻域具有近似1/f的特性。水煤漿信號中（zhōng）的漿液噪聲幅值（zhí）非常大，峰峰值（zhí）可達（dá）數伏，遠遠高於與流量相（xiàng）關的感應電動勢信號，如圖2所示。這（zhè）給（gěi）流量信號（hào）的提取造成了*大的困難。
采（cǎi）用方波勵磁的管道式水流量計，其傳感器（qì）輸出的與流量相（xiàng）關的感應電動勢信號的波形也類似（sì）於（yú）方波。針對與流量相（xiàng）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（bō）疊加而成的。對（duì）於一個給（gěi）定（dìng）單（dān）峰值為Em的（de）矩形波信號，其傅裏葉（yè）展開為：
式中：g(t) 表示漿液信號的幅值，特點為隨機跳變的信號（hào），波動比較大，f表示頻率。漿液（yè）噪聲（shēng）在低頻段幅值比較大，隨著頻率的增（zēng）加，漿液噪聲的幅值在減小。那麽，傳感（gǎn）器輸出的信號s(t) 形式為：
在傳（chuán）感器輸出（chū）的信號中隻有與流量相關（guān）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（yīng）電動勢信號就需要包（bāo）含頻率等於fe，3fe，5fe，等頻率點的信（xìn）號。但是，從水煤漿信號的頻譜圖可（kě）以看出，漿液噪聲頻帶較寬，在頻率點fe處（chù）的幅（fú）值較大，甚至將基波淹沒，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MATLAB計算每段數據在基波處的幅值並提（tí）取保存在（zài）一個數（shù）組中，使（shǐ）用繪圖（tú）工具畫出來，如圖4所示。可見（jiàn），基波（bō）幅值在1～9mV波動，波動較大，而基波幅值在感（gǎn）應電動（dòng）勢信（xìn）號（hào）中（zhōng）所（suǒ）占的比（bǐ）重又*大（dà），所以，必然導致計算出的流量波動劇（jù）烈，出現測量不穩定的問題。從圖3水（shuǐ）煤漿信號的頻譜圖中還可以看出，隨著頻率的遞增（zēng），水煤漿信號中的漿液噪聲逐漸（jiàn）衰減，使高次諧波開始凸顯。由式(1)可（kě）知，高（gāo）次諧波的幅值也（yě）是與流量成（chéng）線性關係的，因此，可（kě）以通過（guò）提取高次諧波計算流量，有效地避開漿液噪聲的（de）幹擾（rǎo），得到比較穩定的測量結果。
為了進一步研（yán）究水煤漿信號的特點，將其與紙漿信（xìn）號進行對（duì）比。通過分析課題組采集的25Hz矩形波勵磁（cí）下的紙漿（jiāng）信號發現（xiàn），在（zài）同樣流速下，測（cè）量（liàng）介質為紙漿時，傳感器輸出信號經調（diào）理放大後（hòu）能明顯看到與流量相關的感應電動勢信號，且其（qí）漿（jiāng）液幹擾僅為數（shù）十毫伏，要遠小於水煤漿信號中的漿液（yè）幹擾，如圖（tú）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（hào）。可見，紙漿信號中的漿液幹擾持續的時間也遠小於水煤漿信號中的漿液幹擾（rǎo），且頻率較（jiào）低。
在（zài）頻域中對（duì）紙漿（jiāng）信號觀察（chá）時發現，紙漿信號（hào）的漿液噪聲頻帶在零頻率點附近，距離流量信號基波頻（pín）率點（diǎn）較遠，對基波幅值和各奇次諧波（bō）幅值基本沒有影響，紙漿信號（hào）在（zài）頻（pín）域中的圖形如圖7所示。選擇（zé）一組采集的紙漿信號，把其（qí）等分成數段，利用MATLAB計算每段數據在基波處（chù）的幅值並提取保存在一個數組中，使用繪圖（tú）工具畫出來，如圖8所（suǒ）示。可見（jiàn），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（guān）的感應電動勢信號幅值會比較穩定。
從以上（shàng）分析可知（zhī），水煤漿信號與紙漿信號有較大（dà）差異，適用於紙漿信號的信號處（chù）理方（fāng）法不再適（shì）用於（yú）水煤漿信號。
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