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专利名称：一种煤粉输送过程中煤粉质量流量的检测方法及装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及的是一种煤粉密相气力输送过程中煤粉参数的检测装置和方法，尤其涉及的是一种煤粉输送过程中煤粉质量流量的检测方法及装置。
背景技术：
高压煤粉密相气力输 送是大规模煤气化的关键技术之一。目前干煤粉加压密相气力输送的供煤系统主要有两种形式，一种是采用下出料式给煤罐及密相管道输送的方式，另一种是采用上出料式给煤罐及密相管道输送的GSP (德国未来能源)方式。第一种系统中每个给煤罐同时向气化炉的两个煤烧嘴供煤，通过调节给煤罐的压力和输送气流量来调节给煤量和固气比，输送气体可用氮气、二氧化碳或合成气。煤气化工艺中，氧煤比的控制极为重要，直接关系到装置内温度的高低和装置的稳定。煤粉的密相输送不稳定，会引起实际氧煤比失调。若不能及时调整，煤烧嘴及气化炉运行不稳定，易造成煤烧嘴跳车。各煤粉管道之间煤粉质量流量相差过大，会导致气化炉内产生偏流，运行不稳定、堵渣等。未转化的高温煤粉直接落入渣池，导致渣水的固体含量偏高，除渣废水排放量也被迫加大，废水处理工况无法运行正常。煤粉物性的变化、煤粉给料罐与气化炉的压差波动、煤线通气设备的工况等都会导致煤粉管道内气速发生变化，影响煤粉稳定输送。此外，煤速、密度、氮气流量、煤线压力及煤粉温度等仪表的失真，均会引起煤量的失真，导致煤阀大幅开关，引起煤线的波动。Shell煤气化工艺中，煤粉质量流量由输送气体流量、速度和间接地由密度进行控制。气速用速度计测量，密度用放射性密度计测量。速度计目前有两种，一种是德国伯托静电式，另一种是美国热电的电容式。两种方法原理相似，通常是在传感器内置两根固定距离的线圈，同时测量管线中煤粉的信号，两个信号的回传时间差可以测量出来，并对两个实时信号进行相关性分析。如果相关性好的话，直接计算出速度。静电式速度计对煤的密度无要求，且精度高于电容式速度计。电容式速度计则局限于较小密度，通常阀值在400 kg/m3。Gajewski 等人(Journal of Electrostatics,静电学杂志，1997，40 (I) : 437-442)通过分析空间电荷密度和运动颗粒上的带电量，检测了气力输送管中的静电势。Carter等人用感应式静电传感器检测了输送管中颗粒的运动速度和粒度分布(Flow Measurementand Instrumentation,流体测量和仪器仪表，2005，16 (5) : 309-314)。Xu 等人(ChemicalEngineering Science,化工工程科学，2010，65 (4) : 1334-1344)用感应式静电传感器检测气力输送过程中的颗粒流的质量流率，发现静电感应信号的基频会随颗粒运动速度的增加而增加。但是信号基频反映的是信号的周期性，气力输送过程中颗粒做单向运动，其信号周期性不强，存在信号的基频峰与其它峰难以分离的问题。中国发明专利CN01126941. 3通过检测透射光强的随机脉动程度得到煤粉密度、浓度、流速和流量等参数。其测量原理是煤粉气流中的颗粒数目和粒径变化使得通过煤粉气流的透射光强的随机脉动程度发生变化。中国发明专利CN98808828. 2通过检测交变电场的频率偏移来确定两相流的气相中固体或液体的含量。其测量原理是固体或液体含量的变化会使得电磁波发生衰减和频率偏移。欧洲专利EP0717269、欧洲专利EP0669522、美国专利US5177334和中国专利CN02827877. I使用微波测量系统来测量两相流的气相中固体或液体的含量。其测量原理是固体或液体含量的变化会导致介电常数的变化，使得微波的衰减和相位偏移发生变化。这三种检测方法都是侵入式的检测方法，会干扰管道内的流场。工业生产表明，现有的煤粉计量方法存在较大的误差，制约了装置的长周期稳定运行。高压密相气力输送中速度较低，固相浓度过高，使得流动形态非常复杂，流动稳定性低，系统的输送技术要求和条件与一般输送系统相差较大，其输送机理和理论模型至今尚未被人们所掌握。测量方法及其精度是制约密相气力输送发展的一个重要因素。因此，迫切需要在煤粉高压密相气力输送检测方法及测量精度方面予以突破，开发快速、非接触、能够适应复杂环境的气固两相流流型及流动参数测量方法和技术，提高测量精度。中国专利CN00125923. 7通过拾取管道内流体粒子相互碰撞产生的声波来检测管道内介质流量。为了降低其它声波的强度，他们采取了提高测量管内壁光滑度来降低流体对管壁的摩擦声波，克服管道振动来降低附加声波的干扰，和通过幅度鉴别电路滤除杂波 等手段来提高测量精度。在高压气力密相输送过程中，流体粒子与管壁的摩擦碰撞产生的声波是主要的声源，很难采集到粒子相互碰撞产生的声波。煤粉密相气力输送过程中的不稳定性给煤粉输送过程的计量带来了极大的困难。煤粉在水平管道上层悬浮相中含量较少，在下层沉积相中含量较高。两相分界面在轴向呈波浪状的运动。在输送气量偏小时，煤粉的流动性减弱并且不连续，甚至短时间内中断。煤粉在垂直管道中向上进行气力输送时，气速较高的情况下，煤粉颗粒分散悬浮于气流中；如果气速下降至噎塞速度，会出现腾涌现象，压力降急剧升高。如何消除煤粉密相输送不稳定对测量结果的影响，是本发明需要解决的一个难题。

发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供了一种煤粉输送过程中煤粉质量流量的检测方法及装置，通过非侵入式拾取管道内流体粒子摩擦碰撞管壁所产生的声波来检测管道内介质流量，以解决煤粉计量方法误差大的问题，提高测量精度。本发明是通过以下技术方案实现的，本发明包括以下步骤(I)在管道内设置至少一个压力传感器和至少一个温度传感器，分别用于测量管道内的压力P和温度T ;在管道的外壁设有至少两组声波传感器组用于接收管道内的声波信号，每组声波传感器组包括至少一个声波传感器，每组声波传感器组布置于管道的同一圆截面上，相邻两组声波传感器组之间的距离为L ；(2)对采集的声波信号进行预处理，去除噪声；(3)对去噪后的相邻两组声波传感器组接受到的声波信号进行相关性分析，得到煤粉通过两组声波传感器组的时间t和煤粉流动速度V的关系v=L/t ；(4)对声波传感器接收的声波信号进行分析得到特征参数，代入预测模型计算得到煤粉流动速度、浓度、湿含量和粒度参数；(5)根据压力P、温度T、煤粉流动速度V、煤粉浓度C和管道面积A计算得到煤粉的质量流量mc,mc= P CX AX V，
Pgas =P gasref XPXlOX 273/ {(T+273) X Z}P c=p ctx (C- P g J /(Pct-P gas)p ct 所述步骤(2)中预处理去除噪音的方法选用平滑、微分、多元散射校正、正交信号校正、傅里叶变换、小波变换、净分析信号中的一种或多种。采集到的声波信号中包括了许多噪声。因此，消除噪声的处理方法就十分关键和必要。本发明的检测方法中的预处理的方法中，平滑可以提高分析信号的信噪比，最常用的方法是移动式平均平滑法和Savizky-Golay多项式平滑。微分可以消除基线漂移、强化谱带特征、克服谱带重叠，是常用的谱预处理方法，一阶微分可以去除同波长无关的漂移，二阶微分可以取出同波长线性相关的漂移。傅里叶变换能够实现谱域函数与时域函数之间的转换，其实质是把原声谱分解成许多不同频率的正弦波的叠加和，它可以用来对声谱进行平滑去噪、数据压缩以及信息的提取。小波变换能将信号根据频率的不同分解成多种尺度成分，并对大小不同的尺度成分采取相应粗细的取样步长，从而能够聚焦于信号中的任何部分。净分析信号算法的基本思想与正交信号校正基本相同，都是通过正交投影除去声谱阵中与待测组分无关的信息。所述步骤(4)中，所述特征参数的分析包括以下步骤对经过预处理的声波信号进行统计分析，取其平均强度、能量作为特征参数；对经过预处理的声波信号进行傅里叶变换，取其主峰的强度、主峰频率、或频率偏移作为特征参数；对经过预处理的声波信号进行小波或小波包分析，取至少一个频段的能量或能量分率作为特征参数；对经过预处理的声波信号进行混沌分析，取两个吸引子在多维空间中的距离作为特征参数。对经过预处理的声波信号进行统计分析、相关性分析、傅里叶变换、小波或小波包分析、混沌分析，提取声波信号的特征参数E。声波信号的平均强度、能量、主峰的强度、某个特征频段的能量等参数可以指示煤粉浓度的变化；声波信号的频率偏移、两个吸引子在多维空间中的距离等参数可以指示煤粉湿含量的变化；声波信号在不同频段的能量分布或能量分率分布可以指示煤粉粒度的变化。所述步骤(4)中，使用标定方法建立煤粉流动速度、浓度、湿含量、粒度参数的预测模型，通过收集不同煤粉流动速度、湿含量、粒度、浓度条件下的声波信号，经预处理去噪后，将声波信号的特征参数与煤粉流动速度、湿含量、粒度、浓度参数相关联，分别建立这些参数的预测模型。采用数据拟合或多元数据回归方法将声波信号的特征参数E与煤粉流动速度、湿含量、粒度、浓度等参数相关联，分别建立这些参数的预测模型。其中，多元数据回归方法选用多元线性回归法、主成分回归法、偏最小二乘法、人工神经网络法、支持向量机法等数据处理方法中的一种或多种。一种煤粉输送过程中煤粉质量流量的检测装置，包括至少两组声波传感器组、至少一个温度传感器、至少一个压力传感器、信号放大装置、信号采集装置、信号处理装置、输出显示装置和控制装置；声波传感器组分别设置于管道外壁上，温度传感器和压力传感器分别插入管道内，声波传感器组和信号放大装置相连将声波信号转换为电信号传输到信号放大装置，信号放大装置和信号采集装置相连将放大后的信号传输到信号采集装置，压力传感器和信号采集装置相连将压力信号转换为电信号传输到信号采集装置，温度传感器和信号采集装置相连将温度信号转换为电信号传输到信号采集装置，信号采集装置和信号处理装置相连将采集到的信号经过分析，信号处理装置和输出显示装置相连将分析结果显示出来，输出显示装置和控制装置相连将分析结果和控制目标进行比较，控制装置调节输送气量、阀门开度和煤粉密度。信号处理装置为带信号处理软件的处理器。煤粉质量流量的控制方案为首先设定煤粉质量流量的控制目标值；其次得到煤粉质量流量的测量值；再次，比较测量值和控制目标值，决定调整方向，如果测量值低于控制目标值，应加大输送气量，提高下料阀门开度，提高煤粉密度，如果测量值高于目标值，应降低输送气量，减小下料阀门开度，减少煤粉密度；最后，向控制装置输出控制指令，通过调节输送气量、阀门开度和煤粉密度，使煤粉质量流量回归控制目标值。所述每组声波传感器组包括2 8个声波传感器，每组的声波传感器沿管道的同一圆截面均匀分布。多传感器信息融合技术可以大幅提高信息的可信度和可探测性，增强系统的容错能力和自适应性，改进检测性能，提高空间分辨率，增加目标特征矢量的维数，从而提高整个检测系统的性能。本发明的技术方案中设置了声波传感器阵列，采用贝叶斯 参数估计算法或加权融合对多个声波传感器接收到的声波信号进行信息融合，可以提高测量精度。所述声波传感器组至少有两组，相邻声波传感器组的距离L为10 100mm。相邻两组声波传感器组内的传感器数量可以相同也可以不同，但是要保证两组声波传感器组之间至少有一对传感器的距离为L。优选方案是布置多组声波传感器，通过对传感器阵列得到的信息进行数据融合，例如加权融合，以消除偏差，提高精度。所述声波传感器选自声发射传感器或加速度传感器中的一种或两种。所述声波传感器的频率响应特性相同，频率响应范围为I Hz 1MHz。本发明中，声波传感器是非侵入式的，压力传感器和温度传感器是侵入式的。煤粉输送管道中沿煤粉流动方向存在压力的分布。为了减少测量误差，压力传感器和温度传感器应尽可能的靠近声波传感器。本发明相比现有技术具有以下优点本发明的声波检测是一种非侵入式检测方法，检测装置简单、安全、环保，适用于工业生产过程的在线检测；采用声波传感器阵列，通过多传感器的数据融合可以有效消除煤粉输送不稳定对测量精度的影响；基于声波检测的煤粉流动速度、湿含量、粒度、质量流量检测技术与现有技术相比，更为灵敏，检测精度更高，可以替代对人体有害的放射性密度计。


图I是本发明的检测装置的结构示意图；图2是第一组声波传感器组的分布示意图；图3是第二组声波传感器组的分布示意图；图4是煤粉浓度的检测结果；图5是煤粉湿含量的检测结果。
具体实施方式
下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。实施例I如图I所示，本实施例的检测装置包括煤粉输送管道I、两组声波传感器组2、一个温度传感器3、一个压力传感器4、信号放大装置5、信号采集装置6、信号处理装置7、输出显示装置8和控制装置9 ;声波传感器组2分别设置于管道I外壁上，温度传感器3和压力传感器4分别插入管道I内，声波传感器组2和信号放大装置5相连将声波信号转换为电信号传输到信号放大装置5，信号放大装置5和信号采集装置6相连将放大后的信号传输到信号采集装置6，压力传感器4和信号采集装置6相连将压力信号转换为电信号传输到信号采集装置6，温度传感器3和信号采集装置6相连将温度信号转换为电信号传输到信号采集装置6，信号采集装置6和信号处理装置7相连将采集到的信号经过分析，信号处理装置7和输出显示装置8相连将分析结果显示出来，输出显示装置8和控制装置9相连将分析结果 和控制目标进行比较，控制装置9调节输送气量、阀门开度和煤粉密度。如图2和图3所不,本实施例中第一组声波传感器组2包括4个声波传感器,第一组的4个声波传感器分别为211、212、213和214沿管道I的同一圆截面均匀分布，相邻传感器的夹角为90°。第二组声波传感器组2有两个声波传感器分别为221和222，相邻声波传感器的夹角为180°。相邻声波传感器组2的距离L为50mm。本实施例的声波传感器选用声发射传感器。使用单一的声波传感器无法消除煤粉密相输送不稳定对测量结果的影响。本实施例使用声波传感器阵列和多传感器信息融合的方法来解决这个问题，通过在管道I截面上设置多个传感器来消除径向分布不均匀对测量精度的影响，通过在管道I轴向上设置多组声波传感器来消除煤粉输送不稳定对测量精度的影响。本实施例的煤粉质量流量的检测和控制如下煤粉密相气力输送实验装置包括高压氮气钢瓶、缓冲罐、给煤罐、煤粉输送管道I、收煤罐、阀门和各种测量仪表。给煤罐和收煤罐的体积均为lm3，输煤管线直径为16_，厚3mm,输送距离20m。输送气为压缩氮气，煤粉的平均粒径为36微米,密度为1350kg/m3。输送风量通过金属管转子流量计测量，压力通过压力传感器4测量，压差通过压差传感器测量，温度通过温度传感器3测量，煤粉质量由高精度箔式电子秤称量。通过调节给煤罐和收煤罐之间的差压来调节煤粉的质量流量。保持输送压力为3. 5MPa，管道I内煤粉流动速度为8m/s，输送差压从O. 3MPa增大到O. 7Mpa，煤粉质量流量从510kg/hr增大到780kg/hr。在水平输煤管线上布置两组声发射传感器组，第一组包括4个声发射传感器，沿圆周均匀分布，角度分别为0°、90°、180°和270° ;第二组包括2个声发射传感器，沿圆周均匀分布，角度分别为0°、180° ;两组声发射传感器之间的距离为50mm。声发射传感器的频率响应范围为50 200KHz，系统采样频率为500KHz，采样时间30s。采用多元散射校正方法对声波信号进行预处理去除噪声，采用统计分析方法对预处理后的声波信号进行分析，取50 200KHZ范围内的声波能量作为特征参数。多元散射校正的步骤为I)计算所需校正的声波谱集的平均声波谱
权利要求
1.一种煤粉输送过程中煤粉质量流量的检测方法，其特征在于，包括以下步骤 (1)在管道内设置至少ー个压カ传感器和至少ー个温度传感器，分别用于測量管道内的压カP和温度T;在管道的外壁设有至少两组声波传感器组用于接收管道内的声波信号，每组声波传感器组包括至少ー个声波传感器，每组声波传感器组布置于管道的同一圆截面上，相邻两组声波传感器组之间的距离为L ； (2)对采集的声波信号进行预处理，去除噪声； (3)对去噪后的相邻两组声波传感器组接受到的声波信号进行相关性分析，得到煤粉通过两组声波传感器组的时间t和煤粉流动速度V的关系v=L/t ； (4)对声波传感器接收的声波信号进行分析得到特征參数，代入预测模型计算得到煤粉流动速度、浓度、湿含量和粒度參数； (5)根据压カP、温度T、煤粉流动速度V、煤粉浓度C和管道面积A计算得到煤粉的质 量流量m。，mc= P CX AX v,Pgas =PgasrefXPX 10X273/{(T+273) ΧΖ} P C=P CtX (C- P gas) / ( P Ct- P gas) P ct为煤粉真密度，P gas为输送气的密度，P gasref为标准状态下输送气的密度，Z为常数。
2.根据权利要求I所述的煤粉输送过程中煤粉质量流量的检测方法，其特征在于所述步骤(2)中预处理去除噪音的方法选用平滑、微分、多元散射校正、正交信号校正、傅里叶变换、小波变换、净分析信号中的ー种或多种。
3.根据权利要求I所述的煤粉输送过程中煤粉质量流量的检测方法，其特征在于所述步骤(4)中，所述特征參数的分析包括以下步骤对经过预处理的声波信号进行统计分析，取其平均強度、能量作为特征參数；对经过预处理的声波信号进行傅里叶变换，取其主峰的強度、主峰频率、或频率偏移作为特征參数；对经过预处理的声波信号进行小波或小波包分析，取至少ー个频段的能量或能量分率作为特征參数；对经过预处理的声波信号进行混沌分析，取两个吸引子在多维空间中的距离作为特征參数。
4.根据权利要求I所述的煤粉输送过程中煤粉质量流量的检测方法，其特征在于所述步骤(4)中，使用标定方法建立煤粉流动速度、浓度、湿含量、粒度參数的预测模型，通过收集不同煤粉流动速度、湿含量、粒度、浓度条件下的声波信号，经预处理去噪后，将声波信号的特征參数与煤粉流动速度、湿含量、粒度、浓度參数相关联，分别建立这些參数的预测模型。
5.一种如权利要求I所述的煤粉输送过程中煤粉质量流量的检测装置，其特征在干，包括至少两组声波传感器组、至少ー个温度传感器、至少ー个压カ传感器、信号放大装置、信号采集装置、信号处理装置、输出显示装置和控制装置；声波传感器组分别设置于管道外壁上，温度传感器和压カ传感器分别插入管道内，声波传感器组和信号放大装置相连将声波信号转换为电信号传输到信号放大装置，信号放大装置和信号采集装置相连将放大后的信号传输到信号采集装置，压カ传感器和信号采集装置相连将压力信号转换为电信号传输到信号采集装置，温度传感器和信号采集装置相连将温度信号转换为电信号传输到信号采集装置，信号采集装置和信号处理装置相连将采集到的信号经过分析，信号处理装置和输出显示装置相连将分析结果显示出来，输出显示装置和控制装置相连将分析结果和控制目标进行比较，控制装置调节输送气量、阀门开度和煤粉密度。
6.根据权利要求5所述的煤粉输送过程中煤粉质量流量的检测装置，其特征在于，所述每组声波传感器组包括2 8个声波传感器，每组的声波传感器沿管道的同一圆截面均匀分布。
7.根据权利要求5所述的煤粉输送过程中煤粉质量流量的检测装置，其特征在干，所述声波传感器组至少有两组，相邻声波传感器组的距离L为10 100mm。
8.根据权利要求5所述的煤粉输送过程中煤粉质量流量的检测装置，其特征在干，所述声波传感器选自声发射传感器或加速度传感器中的ー种或两种。
9.根据权利要求5所述的煤粉输送过程中煤粉质量流量的检测装置，其特征在于，所述声波传感器的频率响应特性相同，频率响应范围为I Hz I MHz。
全文摘要
本发明公开了一种煤粉输送过程中煤粉质量流量的检测方法及装置，通过非侵入式拾取管道内流体粒子摩擦碰撞管壁所产生的声波来检测管道内介质流量，以解决煤粉计量方法误差大的问题，提高测量精度。本发明的声波检测是一种非侵入式检测方法，检测装置简单、安全、环保，适用于工业生产过程的在线检测；采用声波传感器阵列，通过多传感器的数据融合可以有效消除煤粉输送不稳定对测量精度的影响；基于声波检测的煤粉流动速度、湿含量、粒度、质量流量检测技术与现有技术相比，更为灵敏，检测精度更高，可以替代对人体有害的放射性密度计。
文档编号G01F1/86GK102853870SQ201210359840
公开日2013年1月2日 申请日期2012年9月24日 优先权日2012年9月24日
发明者黄正梁, 盛新, 王靖岱, 章友祥, 赵锦波, 汪永庆, 何乐路, 余世金, 阳永荣, 黄成浩 申请人:中国石油化工股份有限公司, 浙江大学