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水泥泥(ní)浆流量计测量(liàng)水煤浆(jiāng)流量不稳(wěn)定原因分析

点击次(cì)数:2062 发(fā)布时间:2021-01-17 06:24:40
摘要:针对国(guó)内浆液型水泥泥(ní)浆流量计测量水煤浆流量时出现波动大、甚至回零的(de)问(wèn)题,采(cǎi)集现场水(shuǐ)煤浆信号,进行(háng)时域和频域分(fèn)析(xī),找(zhǎo)出其无法稳定测量水煤浆(jiāng)流量的原因。
水煤浆是一种由55%~65%的煤粉、34%~43%的水(shuǐ)和(hé)1%的化学添加剂,经过一定的工艺加工而成的固(gù)液混合物,既可作(zuò)为燃料代替(tì)油(yóu)、气和煤用于发电站锅炉、工业锅炉和工业(yè)窑炉,缓解石油短缺的能源安全问题,又可作为(wéi)制备合成气的原料,通过气(qì)化生成(chéng)CO、CO2和H2等气体,作为(wéi)工艺过程(chéng)中的反应气。水煤浆在生产过程中使用煤浆泵输送,在生产(chǎn)时,煤浆泵(bèng)工作在额定转速下,所以,水煤浆的流速基本保持不变。但是,水煤浆是一种非牛顿流体,并且存(cún)在固体颗(kē)粒的沉淀,加上流速(sù)低,所以,可能(néng)会导致煤浆泵堵塞,使煤浆泵(bèng)出(chū)口压(yā)力大幅跳(tiào)动,引起水煤浆流速出现大幅波动,影响正常生(shēng)产。因(yīn)此,为了保证产品质量和生产安全,需要监测管道内水煤浆的(de)流速,以及时发现煤(méi)浆泵(bèng)的异常。水泥泥浆(jiāng)流量计测量管内不(bú)存在阻碍流体的部件,且受密度、粘度(dù)影(yǐng)响较小,适宜测量这类高浓度的(de)固液混(hún)合(hé)物(wù),是水煤浆计量的*选方(fāng)案(àn)。但是,随(suí)着水煤浆应用范围扩大,煤(méi)质开(kāi)始发(fā)生变化,主要表现(xiàn)为煤的灰分(fèn)变高,导致只有*少数国外**厂家的水泥泥浆流量计可以实现水煤(méi)浆流量的稳定测量,但是,价格非常昂贵,是国产品*的7~8倍,且没有披露技术细节,而多数国外(wài)品*和国内生产的水泥泥浆流量计,在管道内水(shuǐ)煤浆流量稳定时,都出现了测量结果波动大,甚至(zhì)测量(liàng)结果回零的情况,这会(huì)导致(zhì)系统跳车停产事故。因此,解决浆液型水泥(ní)泥浆流量计测量水煤浆时波动(dòng)较大的问题(tí),不仅能大大减少国内煤化工企业的生产成本,还是保证安全生产的关键(jiàn)。某国(guó)外**厂家的水泥泥浆流(liú)量计通过选用耐冲刷,耐磨损(sǔn)的增强聚四氟乙烯作(zuò)为(wéi)衬里材料、低噪音电*以及抗噪音转(zhuǎn)换器来降(jiàng)低测量流量的波动 。目前,国(guó)内外对水泥泥浆流量计(jì)测量(liàng)类似纸浆的浆液流量在信号处理(lǐ)方面进行过一(yī)定的研究(jiū),但是,均没有关于水煤浆测量信号处理方面的参考文(wén)献。
针对水泥泥浆流量计测量水煤浆时出现较大波动、甚(shèn)至回零的问题,本(běn)文采(cǎi)集现(xiàn)场水泥泥浆流量计输出的水煤(méi)浆信号;在(zài)时(shí)域和频域对信号进行分析,找出了水(shuǐ)泥泥浆流量计不能稳定测量水煤浆流(liú)量的原因;根据水(shuǐ)煤浆信号特征,提出了基于励磁频率高次谐波分析的煤(méi)浆(jiāng)流量计信(xìn)号处理(lǐ)方法;在基于DSP的水(shuǐ)泥泥浆流量计变送器上实时实(shí)现(xiàn)该(gāi)算法,进行现(xiàn)场验证。实验(yàn)结果表明,测量结果较稳定,验证了所提出的算法的有效(xiào)性。
1、数据采集分析(xī)
1.1现场实验
针对水泥泥浆流量(liàng)计测量水煤浆(jiāng)时出现(xiàn)较大波动,甚(shèn)至(zhì)回零这一问题,特去某煤化工企业甲醇分(fèn)公司进行现场数据采集。该公司(sī)所使用的对置式四(sì)喷嘴气化有4个喷嘴,喷(pēn)嘴管道口径为125mm,管中水煤浆流量基本稳定(dìng)在19m³/h(流速约为0.48m/s)。每条喷嘴煤浆线上安装了3台水泥泥浆流(liú)量计,每台(tái)水泥泥浆流量计由传感器和变送器两部分组(zǔ)成。选择其中1条(tiáo)水煤浆管线上的1台水泥泥浆流量计进行数据采集,因为该台水泥泥浆流量计测量结果波动大,甚至出现回零(líng)的现象。将课题组研制的基于DSP的电磁(cí)流量变送器的信(xìn)号(hào)线和励磁线接到该电磁流量传感器的电*和励(lì)磁线圈上,组合成完(wán)整的水(shuǐ)泥泥浆流量计,进行(háng)水煤浆数(shù)据采集。使用的电磁流量变送器是以TI公司DSP芯片TMS320F28335为核心,采用高频励磁方案(àn),其硬件主要(yào)包括励磁控(kòng)制系统和信(xìn)号采集处理系(xì)统,具体的模块有励磁驱动(dòng)模块、信号调理采集模块(kuài)、信号处(chù)理控制模(mó)块、人机接口模块、通信(xìn)模块及电源管理模块。信号调理采集模块中(zhōng)的调理电路对一次(cì)仪表输出的信号进行放大和滤波,截止频(pín)率是2kHz,放大倍数约(yuē)为230倍。通过NI公司USB-6216型号的数据(jù)采集卡(kǎ)进行数据采集,把调(diào)理电路(lù)的输出端连接(jiē)到数据采集卡的一个(gè)差分输入端,并设置数据采集卡(kǎ)工作在差分的测量模式,设置(zhì)采集卡的采(cǎi)样频率为10kHz。采集多组(zǔ)水煤浆信号数据,每组数据的时(shí)间长度(dù)为5min。
1.2数据分析
现场采集了25Hz方波励磁下的水煤浆信号,发现水煤浆信号的幅值非常大,甚至接近AD的量程上限,如图1所示(shì)。水煤浆信号主要由感应电(diàn)动势信号和电*噪声组成。其中,感应电动(dòng)势信(xìn)号是由导电液体(tǐ)切割磁场产生的,其幅值和相同流量下介质为水的感应电动势幅值相同,仅约(yuē)为数十毫(háo)伏。这是因为水泥泥浆流量计不受被测导电介质的温度、粘度、密度以及导电率的(de)影响,只(zhī)要经过水标定后,就可以用来测量其他导电(diàn)液体的流量。电*噪声是水煤浆中的固体颗(kē)粒划过(guò)电*而(ér)引起的信号跳变,也(yě)称(chēng)为浆液噪声,具有强非(fēi)平稳性、随机性,频域具有(yǒu)近似1/f的特性。水煤浆信号中的浆液噪声(shēng)幅值非常大,峰峰值(zhí)可达数(shù)伏,远远高于与流量相(xiàng)关的感应电动势信号,如图2所示。这给流量信号(hào)的提取造成了*大的困难。


采用方波励磁的水泥泥浆流量计,其传感器(qì)输(shū)出的与(yǔ)流量相关的感应电动势信(xìn)号的波形也类似于方波。针(zhēn)对与流量相关的感应电动势信号(hào)f(t)的特点,可知其是(shì)由基波和奇次谐波叠加而成的。对于一个给定(dìng)单峰值为Em的矩形波信号,其(qí)傅里叶展开为:

式中:g(t) 表(biǎo)示浆液信号的幅值,特点为随机跳变的信号,波动比较(jiào)大,f表示频(pín)率。浆(jiāng)液噪声(shēng)在低频(pín)段幅值比较大,随着频率(lǜ)的增加,浆液噪声的(de)幅值在(zài)减小。那(nà)么,传感器输出的信(xìn)号s(t) 形式为(wéi):

在传感器输出的信号中只有与流量相关(guān)的感应电动势信号(hào)才是有用信(xìn)号,被(bèi)用(yòng)来(lái)计算流量。而提取感应电动(dòng)势信号就需要包含频率等于fe,3fe,5fe,等频率点的信号。但是,从水煤(méi)浆信号的频谱图可以(yǐ)看出,浆液噪(zào)声频带较宽,在频率点fe处(chù)的(de)幅值较大,甚至将基波淹没,如图3所示。选择一组采集的水煤浆信号,把其等分成数段,利用MATLAB计算每(měi)段数据在基波处(chù)的幅值并提取保存在一个数组中,使用绘(huì)图工(gōng)具画出来,如图4所示。可见,基波幅值(zhí)在1~9mV波动,波动较大,而基(jī)波幅值在感应电动势信号中所占的比重又*大,所以,必(bì)然导致计算出的流量波动剧烈,出现测量不稳定的问题。从图3水煤浆信号的频谱图中还可以看出,随着频率的递增,水煤浆信号中的浆液(yè)噪声(shēng)逐渐衰减,使高(gāo)次谐波开始凸显。由(yóu)式(shì)(1)可知,高次谐波的幅值也(yě)是与流量成线性关系的,因此,可以通过提取高次谐波计(jì)算流量(liàng),有效地避开(kāi)浆(jiāng)液(yè)噪声的干扰,得到比较稳定(dìng)的测量(liàng)结果。


为了进一步研究水煤浆信号的特点,将其与纸浆信号进行对比。通过分析课题组采集的25Hz矩形波励磁下的纸浆信号发现,在同样流速(sù)下,测量介质为纸浆时,传(chuán)感器输出信号经(jīng)调理放大后能明(míng)显看到与流量相关的感应电动势信号,且其浆液干扰仅为数十毫伏,要远小于水煤浆信号中的浆液干扰(rǎo),如图5所示。对图5所(suǒ)示的纸浆信号进行局部放大,得到如图6所示的(de)信号。可见,纸浆信号中的浆液(yè)干扰(rǎo)持续的时间也(yě)远小于水煤浆信号中的(de)浆液干扰,且频(pín)率较低(dī)。


在频域(yù)中对纸浆信号观(guān)察时发现(xiàn),纸浆信号的浆液噪声频带在零频率点(diǎn)附近,距离流量信号基波频率(lǜ)点较远,对基波幅值和各(gè)奇(qí)次谐波(bō)幅值基本没有影响,纸浆信号在频域中的图形如(rú)图7所示。选择一组采集的纸浆信(xìn)号,把其等分成数段,利用(yòng)MATLAB计算每段(duàn)数据在基波处的幅值并(bìng)提取(qǔ)保(bǎo)存在一个数组中,使用绘图工(gōng)具画出来,如(rú)图8所示。可见,基波幅值在4.7~4.95mV变化,波动较小。因此,提取到的与流量相关(guān)的感应电动势信号幅值会比较稳定。


从以上分(fèn)析可知,水煤浆(jiāng)信号与纸浆信号有(yǒu)较大差异,适用于纸(zhǐ)浆信号的信号处(chù)理方法不再适用于水煤浆信号。

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