管道式水流量計測量水煤漿流量不穩定原因分析
點擊次數：2868 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水煤漿流量時出現波動大、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，找出其無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，既可作為燃料代替油、氣和煤用于發電站鍋爐、工業鍋爐和工業窯爐，緩解石油短缺的能源安全問題，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，煤漿泵工作在額定轉速下，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，引起水煤漿流速出現大幅波動，影響正常生產。因此，為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，以及時發現煤漿泵的異常。管道式水流量計測量管內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，是水煤漿計量的*選方案。但是，隨著水煤漿應用范圍擴大，煤質開始發生變化，主要表現為煤的灰分變高，導致只有極少數國外**廠家的管道式水流量計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，在管道內水煤漿流量穩定時，都出現了測量結果波動大，甚至測量結果回零的情況，這會導致系統跳車停產事故。因此，解決漿液型管道式水流量計測量水煤漿時波動較大的問題，不僅能大大減少國內煤化工企業的生產成本，還是保證安全生產的關鍵。某國外**廠家的管道式水流量計通過選用耐沖刷，耐磨損的增強聚四氟乙烯作為襯里材料、低噪音電極以及抗噪音轉換器來降低測量流量的波動 。目前，國內外對管道式水流量計測量類似紙漿的漿液流量在信號處理方面進行過一定的研究，但是，均沒有關于水煤漿測量信號處理方面的參考文獻。
針對管道式水流量計測量水煤漿時出現較大波動、甚至回零的問題，本文采集現場管道式水流量計輸出的水煤漿信號;在時域和頻域對信號進行分析，找出了管道式水流量計不能穩定測量水煤漿流量的原因;根據水煤漿信號特征，提出了基于勵磁頻率高次諧波分析的煤漿流量計信號處理方法;在基于DSP的管道式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，測量結果較穩定，驗證了所提出的算法的有效性。
1、數據采集分析
1.1現場實驗
針對管道式水流量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氣化有4個噴嘴，噴嘴管道口徑為125mm，管中水煤漿流量基本穩定在19m³/h(流速約為0.48m/s)。每條噴嘴煤漿線上安裝了3臺管道式水流量計，每臺管道式水流量計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臺管道式水流量計進行數據采集，因為該臺管道式水流量計測量結果波動大，甚至出現回零的現象。將課題組研制的基于DSP的電磁流量變送器的信號線和勵磁線接到該電磁流量傳感器的電極和勵磁線圈上，組合成完整的管道式水流量計，進行水煤漿數據采集。使用的電磁流量變送器是以TI公司DSP芯片TMS320F28335為核心，采用高頻勵磁方案，其硬件主要包括勵磁控制系統和信號采集處理系統，具體的模塊有勵磁驅動模塊、信號調理采集模塊、信號處理控制模塊、人機接口模塊、通信模塊及電源管理模塊。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型號的數據采集卡進行數據采集，把調理電路的輸出端連接到數據采集卡的一個差分輸入端，并設置數據采集卡工作在差分的測量模式，設置采集卡的采樣頻率為10kHz。采集多組水煤漿信號數據，每組數據的時間長度為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極噪聲組成。其中，感應電動勢信號是由導電液體切割磁場產生的，其幅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。這是因為管道式水流量計不受被測導電介質的溫度、粘度、密度以及導電率的影響，只要經過水標定后，就可以用來測量其他導電液體的流量。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，具有強非平穩性、隨機性，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，峰峰值可達數伏，遠遠高于與流量相關的感應電動勢信號，如圖2所示。這給流量信號的提取造成了極大的困難。
采用方波勵磁的管道式水流量計，其傳感器輸出的與流量相關的感應電動勢信號的波形也類似于方波。針對與流量相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疊加而成的。對于一個給定單峰值為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。而提取感應電動勢信號就需要包含頻率等于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并提取保存在一個數組中，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，波動較大，而基波幅值在感應電動勢信號中所占的比重又*大，所以，必然導致計算出的流量波動劇烈，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系的，因此，可以通過提取高次諧波計算流量，有效地避開漿液噪聲的干擾，得到比較穩定的測量結果。
為了進一步研究水煤漿信號的特點，將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號發現，在同樣流速下，測量介質為紙漿時，傳感器輸出信號經調理放大后能明顯看到與流量相關的感應電動勢信號，且其漿液干擾僅為數十毫伏，要遠小于水煤漿信號中的漿液干擾，如圖5所示。對圖5所示的紙漿信號進行局部放大，得到如圖6所示的信號。可見，紙漿信號中的漿液干擾持續的時間也遠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發現，紙漿信號的漿液噪聲頻帶在零頻率點附近，距離流量信號基波頻率點較遠，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，把其等分成數段，利用MATLAB計算每段數據在基波處的幅值并提取保存在一個數組中，使用繪圖工具畫出來，如圖8所示。可見，基波幅值在4.7～4.95mV變化，波動較小。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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針對管道式水流量計測量水煤漿時出現較大波動、甚至回零的問題，本文采集現場管道式水流量計輸出的水煤漿信號;在時域和頻域對信號進行分析，找出了管道式水流量計不能穩定測量水煤漿流量的原因;根據水煤漿信號特征，提出了基于勵磁頻率高次諧波分析的煤漿流量計信號處理方法;在基于DSP的管道式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，測量結果較穩定，驗證了所提出的算法的有效性。
1、數據采集分析
1.1現場實驗
針對管道式水流量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氣化有4個噴嘴，噴嘴管道口徑為125mm，管中水煤漿流量基本穩定在19m³/h(流速約為0.48m/s)。每條噴嘴煤漿線上安裝了3臺管道式水流量計，每臺管道式水流量計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臺管道式水流量計進行數據采集，因為該臺管道式水流量計測量結果波動大，甚至出現回零的現象。將課題組研制的基于DSP的電磁流量變送器的信號線和勵磁線接到該電磁流量傳感器的電極和勵磁線圈上，組合成完整的管道式水流量計，進行水煤漿數據采集。使用的電磁流量變送器是以TI公司DSP芯片TMS320F28335為核心，采用高頻勵磁方案，其硬件主要包括勵磁控制系統和信號采集處理系統，具體的模塊有勵磁驅動模塊、信號調理采集模塊、信號處理控制模塊、人機接口模塊、通信模塊及電源管理模塊。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型號的數據采集卡進行數據采集，把調理電路的輸出端連接到數據采集卡的一個差分輸入端，并設置數據采集卡工作在差分的測量模式，設置采集卡的采樣頻率為10kHz。采集多組水煤漿信號數據，每組數據的時間長度為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極噪聲組成。其中，感應電動勢信號是由導電液體切割磁場產生的，其幅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。這是因為管道式水流量計不受被測導電介質的溫度、粘度、密度以及導電率的影響，只要經過水標定后，就可以用來測量其他導電液體的流量。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，具有強非平穩性、隨機性，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，峰峰值可達數伏，遠遠高于與流量相關的感應電動勢信號，如圖2所示。這給流量信號的提取造成了極大的困難。
采用方波勵磁的管道式水流量計，其傳感器輸出的與流量相關的感應電動勢信號的波形也類似于方波。針對與流量相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疊加而成的。對于一個給定單峰值為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。而提取感應電動勢信號就需要包含頻率等于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并提取保存在一個數組中，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，波動較大，而基波幅值在感應電動勢信號中所占的比重又*大，所以，必然導致計算出的流量波動劇烈，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系的，因此，可以通過提取高次諧波計算流量，有效地避開漿液噪聲的干擾，得到比較穩定的測量結果。
為了進一步研究水煤漿信號的特點，將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號發現，在同樣流速下，測量介質為紙漿時，傳感器輸出信號經調理放大后能明顯看到與流量相關的感應電動勢信號，且其漿液干擾僅為數十毫伏，要遠小于水煤漿信號中的漿液干擾，如圖5所示。對圖5所示的紙漿信號進行局部放大，得到如圖6所示的信號。可見，紙漿信號中的漿液干擾持續的時間也遠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發現，紙漿信號的漿液噪聲頻帶在零頻率點附近，距離流量信號基波頻率點較遠，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，把其等分成數段，利用MATLAB計算每段數據在基波處的幅值并提取保存在一個數組中，使用繪圖工具畫出來，如圖8所示。可見，基波幅值在4.7～4.95mV變化，波動較小。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。