硅酸鈉流量計(jì)測量水煤漿流量不穩(wěn)定原因分析

摘要：針對國內(nèi)漿液型硅酸鈉流量計(jì)測量水煤漿流量時(shí)出現(xiàn)波動(dòng)大、甚至回零的問題，采集現(xiàn)場水煤漿信號，進(jìn)行時(shí)域和頻域分析，找出其無法穩(wěn)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%的水和1%的化學(xué)添加劑，經(jīng)過一定的工藝加工而成的固液混合物，既可作為燃料代替油、氣和煤用于發(fā)電站鍋爐、工業(yè)鍋爐和工業(yè)窯爐，緩解石油短缺的能源安全問題，又可作為制備合成氣的原料，通過氣化生成CO、CO2和H2等氣體，作為工藝過程中的反應(yīng)氣。水煤漿在生產(chǎn)過程中使用煤漿泵輸送，在生產(chǎn)時(shí)，煤漿泵工作在額定轉(zhuǎn)速下，所以，水煤漿的流速基本保持不變。但是，水煤漿是一種非牛頓流體，并且存在固體顆粒的沉淀，加上流速低，所以，可能會(huì)導(dǎo)致煤漿泵堵塞，使煤漿泵出口壓力大幅跳動(dòng)，引起水煤漿流速出現(xiàn)大幅波動(dòng)，影響正常生產(chǎn)。因此，為了保證產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)安全，需要監(jiān)測管道內(nèi)水煤漿的流速，以及時(shí)發(fā)現(xiàn)煤漿泵的異常。硅酸鈉流量計(jì)測量管內(nèi)不存在阻礙流體的部件，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(jì)量的*選方案。但是，隨著水煤漿應(yīng)用范圍擴(kuò)大，煤質(zhì)開始發(fā)生變化，主要表現(xiàn)為煤的灰分變高，導(dǎo)致只有極少數(shù)國外**廠家的硅酸鈉流量計(jì)可以實(shí)現(xiàn)水煤漿流量的穩(wěn)定測量，但是，價(jià)格非常昂貴，是國產(chǎn)品*的7～8倍，且沒有披露技術(shù)細(xì)節(jié)，而多數(shù)國外品*和國內(nèi)生產(chǎn)的硅酸鈉流量計(jì)，在管道內(nèi)水煤漿流量穩(wěn)定時(shí)，都出現(xiàn)了測量結(jié)果波動(dòng)大，甚至測量結(jié)果回零的情況，這會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)跳車停產(chǎn)事故。因此，解決漿液型硅酸鈉流量計(jì)測量水煤漿時(shí)波動(dòng)較大的問題，不僅能大大減少國內(nèi)煤化工企業(yè)的生產(chǎn)成本，還是保證安全生產(chǎn)的關(guān)鍵。某國外**廠家的硅酸鈉流量計(jì)通過選用耐沖刷，耐磨損的增強(qiáng)聚四氟乙烯作為襯里材料、低噪音電極以及抗噪音轉(zhuǎn)換器來降低測量流量的波動(dòng) 。目前，國內(nèi)外對硅酸鈉流量計(jì)測量類似紙漿的漿液流量在信號處理方面進(jìn)行過一定的研究，但是，均沒有關(guān)于水煤漿測量信號處理方面的參考文獻(xiàn)。
針對硅酸鈉流量計(jì)測量水煤漿時(shí)出現(xiàn)較大波動(dòng)、甚至回零的問題，本文采集現(xiàn)場硅酸鈉流量計(jì)輸出的水煤漿信號;在時(shí)域和頻域?qū)π盘栠M(jìn)行分析，找出了硅酸鈉流量計(jì)不能穩(wěn)定測量水煤漿流量的原因;根據(jù)水煤漿信號特征，提出了基于勵(lì)磁頻率高次諧波分析的煤漿流量計(jì)信號處理方法;在基于DSP的硅酸鈉流量計(jì)變送器上實(shí)時(shí)實(shí)現(xiàn)該算法，進(jìn)行現(xiàn)場驗(yàn)證。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，測量結(jié)果較穩(wěn)定，驗(yàn)證了所提出的算法的有效性。
1、數(shù)據(jù)采集分析
1.1現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)
針對硅酸鈉流量計(jì)測量水煤漿時(shí)出現(xiàn)較大波動(dòng)，甚至回零這一問題，特去某煤化工企業(yè)甲醇分公司進(jìn)行現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集。該公司所使用的對置式四噴嘴氣化有4個(gè)噴嘴，噴嘴管道口徑為125mm，管中水煤漿流量基本穩(wěn)定在19m³/h(流速約為0.48m/s)。每條噴嘴煤漿線上安裝了3臺硅酸鈉流量計(jì)，每臺硅酸鈉流量計(jì)由傳感器和變送器兩部分組成。選擇其中1條水煤漿管線上的1臺硅酸鈉流量計(jì)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，因?yàn)樵撆_硅酸鈉流量計(jì)測量結(jié)果波動(dòng)大，甚至出現(xiàn)回零的現(xiàn)象。將課題組研制的基于DSP的電磁流量變送器的信號線和勵(lì)磁線接到該電磁流量傳感器的電極和勵(lì)磁線圈上，組合成完整的硅酸鈉流量計(jì)，進(jìn)行水煤漿數(shù)據(jù)采集。使用的電磁流量變送器是以TI公司DSP芯片TMS320F28335為核心，采用高頻勵(lì)磁方案，其硬件主要包括勵(lì)磁控制系統(tǒng)和信號采集處理系統(tǒng)，具體的模塊有勵(lì)磁驅(qū)動(dòng)模塊、信號調(diào)理采集模塊、信號處理控制模塊、人機(jī)接口模塊、通信模塊及電源管理模塊。信號調(diào)理采集模塊中的調(diào)理電路對一次儀表輸出的信號進(jìn)行放大和濾波，截止頻率是2kHz，放大倍數(shù)約為230倍。通過NI公司USB－6216型號的數(shù)據(jù)采集卡進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，把調(diào)理電路的輸出端連接到數(shù)據(jù)采集卡的一個(gè)差分輸入端，并設(shè)置數(shù)據(jù)采集卡工作在差分的測量模式，設(shè)置采集卡的采樣頻率為10kHz。采集多組水煤漿信號數(shù)據(jù)，每組數(shù)據(jù)的時(shí)間長度為5min。
1.2數(shù)據(jù)分析
現(xiàn)場采集了25Hz方波勵(lì)磁下的水煤漿信號，發(fā)現(xiàn)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(yīng)電動(dòng)勢信號和電極噪聲組成。其中，感應(yīng)電動(dòng)勢信號是由導(dǎo)電液體切割磁場產(chǎn)生的，其幅值和相同流量下介質(zhì)為水的感應(yīng)電動(dòng)勢幅值相同，僅約為數(shù)十毫伏。這是因?yàn)?strong>硅酸鈉流量計(jì)不受被測導(dǎo)電介質(zhì)的溫度、粘度、密度以及導(dǎo)電率的影響，只要經(jīng)過水標(biāo)定后，就可以用來測量其他導(dǎo)電液體的流量。電極噪聲是水煤漿中的固體顆粒劃過電極而引起的信號跳變，也稱為漿液噪聲，具有強(qiáng)非平穩(wěn)性、隨機(jī)性，頻域具有近似1/f的特性。水煤漿信號中的漿液噪聲幅值非常大，峰峰值可達(dá)數(shù)伏，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于與流量相關(guān)的感應(yīng)電動(dòng)勢信號，如圖2所示。這給流量信號的提取造成了極大的困難。


采用方波勵(lì)磁的硅酸鈉流量計(jì)，其傳感器輸出的與流量相關(guān)的感應(yīng)電動(dòng)勢信號的波形也類似于方波。針對與流量相關(guān)的感應(yīng)電動(dòng)勢信號f(t)的特點(diǎn)，可知其是由基波和奇次諧波疊加而成的。對于一個(gè)給定單峰值為Em的矩形波信號，其傅里葉展開為：

式中：g(t) 表示漿液信號的幅值，特點(diǎn)為隨機(jī)跳變的信號，波動(dòng)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，漿液噪聲的幅值在減小。那么，傳感器輸出的信號s(t) 形式為：

在傳感器輸出的信號中只有與流量相關(guān)的感應(yīng)電動(dòng)勢信號才是有用信號，被用來計(jì)算流量。而提取感應(yīng)電動(dòng)勢信號就需要包含頻率等于fe，3fe，5fe，等頻率點(diǎn)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(diǎn)fe處的幅值較大，甚至將基波淹沒，如圖3所示。選擇一組采集的水煤漿信號，把其等分成數(shù)段，利用MATLAB計(jì)算每段數(shù)據(jù)在基波處的幅值并提取保存在一個(gè)數(shù)組中，使用繪圖工具畫出來，如圖4所示。可見，基波幅值在1～9mV波動(dòng)，波動(dòng)較大，而基波幅值在感應(yīng)電動(dòng)勢信號中所占的比重又*大，所以，必然導(dǎo)致計(jì)算出的流量波動(dòng)劇烈，出現(xiàn)測量不穩(wěn)定的問題。從圖3水煤漿信號的頻譜圖中還可以看出，隨著頻率的遞增，水煤漿信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(guān)系的，因此，可以通過提取高次諧波計(jì)算流量，有效地避開漿液噪聲的干擾，得到比較穩(wěn)定的測量結(jié)果。


為了進(jìn)一步研究水煤漿信號的特點(diǎn)，將其與紙漿信號進(jìn)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(fā)現(xiàn)，在同樣流速下，測量介質(zhì)為紙漿時(shí)，傳感器輸出信號經(jīng)調(diào)理放大后能明顯看到與流量相關(guān)的感應(yīng)電動(dòng)勢信號，且其漿液干擾僅為數(shù)十毫伏，要遠(yuǎn)小于水煤漿信號中的漿液干擾，如圖5所示。對圖5所示的紙漿信號進(jìn)行局部放大，得到如圖6所示的信號?？梢?，紙漿信號中的漿液干擾持續(xù)的時(shí)間也遠(yuǎn)小于水煤漿信號中的漿液干擾，且頻率較低。


在頻域中對紙漿信號觀察時(shí)發(fā)現(xiàn)，紙漿信號的漿液噪聲頻帶在零頻率點(diǎn)附近，距離流量信號基波頻率點(diǎn)較遠(yuǎn)，對基波幅值和各奇次諧波幅值基本沒有影響，紙漿信號在頻域中的圖形如圖7所示。選擇一組采集的紙漿信號，把其等分成數(shù)段，利用MATLAB計(jì)算每段數(shù)據(jù)在基波處的幅值并提取保存在一個(gè)數(shù)組中，使用繪圖工具畫出來，如圖8所示?？梢?，基波幅值在4.7～4.95mV變化，波動(dòng)較小。因此，提取到的與流量相關(guān)的感應(yīng)電動(dòng)勢信號幅值會(huì)比較穩(wěn)定。


從以上分析可知，水煤漿信號與紙漿信號有較大差異，適用于紙漿信號的信號處理方法不再適用于水煤漿信號。

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