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专利名称：实时测定固气混合物中固体质量流量的系统及方法
技术领域：
本发明涉及一种气力输送系统的测量系统，尤其涉及一种实时测定由气力输送系 统输送的固气混合物中固体质量流量的系统和方法。
背景技术：
气力输送系统是由流动气体作为载气将固体颗粒通过一个或者多个输送管道 从一个容器中输送到另一容器中的系统。流动气体与固体颗粒形成固气混合物。气力 输送系统广泛地用于多种工业场合，例如用于发电的整体气化联合循环antegrated Gasification Combined Cycle, IGCC)工厂以及用于生产化学品的化工厂。在气力输送系统中，为了控制、监测的目的，测量实时的固体质量流量一般是必要 的。实时的固体质量流量一般定义为单位时间内流过输送管道横截面的固体颗粒的质量 值。目前具有多种方法用来实时测定固体质量流量。一种方法是采用可以直接输出固体质 量流量的固体质量流量传感器直接测量获得。还有一种方法是利用多种传感器共同确定实 时的固体质量流量。在使用多种传感器实时确定固体质量流量的方法中，首先利用一部分 传感器来测定固气混合物的混合流量，然后其他传感器用于测定气体流量。最后将气体流 量从混合流量中减去就可以获得实时的固体质量流量。然而，在上述两种测量方法中，只获得了一个实时的固体质量流量的测量值。也就 是说，如果其中一个传感器坏掉或者不能正常工作，将很难实时获得可靠的固体质量流量。 有鉴于此，需要提供一种改进的测定系统和测定方法来实时获得可靠的固体质量流量。

发明内容
本发明的一个实施例提供了一种用于实时测定固气混合物中固体质量流量的系 统。该系统包括数个传感器、数据融合单元以及估计单元。数个传感器产生数个测量信号以 获得至少两个所述固体质量流量的测量值。该数据融合单元接收所述至少两个测量值且基 于所述至少两个测量值建立状态空间模型。该估计单元对建立的状态空间模型进行估计， 获取所述固体质量流量的估计值。本发明的实施例还提供了一种用于实时测定固气混合物中固体质量流量的方法。 该方法包括通过数个传感器产生表示所述固气混合物特征的数个测量信号；基于所述数个 测量信号提供至少两个固体质量流量的测量值；基于所述至少两个测量值建立状态空间模 型；以及估计所述状态空间模型以输出所述固体质量流量的估计值。


通过结合附图对于本发明的实施例进行描述，以期更好地理解本发明，在附图 中图1为本发明用于实时测定固气混合物中固体质量流量的系统的一个实施例的 方框示意图2为本发明用于实时测定固气混合物中固体质量流量的系统的另一个实施例 的方框示意图；图3为本发明用于实时测定固气混合物中固体质量流量的系统的另一个实施例 与一个气力输送系统的连接关系示意图；图4为图3中用于实时测定固气混合物中固体质量流量的系统的方框示意图；图5为应用在图4所示系统的数据融合单元中的方法流程图。
具体实施例方式本发明系统涉及一种气力输送系统中气力输送系统的测量技术，尤其是指用于实 时测定采用气力输送系统输送的固气混合物中固体质量流量的方法和系统(分别称为“测 定系统”和“测定方法”)。图1示意了本发明的一个实施例测定系统10。测定系统10包括数个传感器12、 运算单元14、数据融合单元16和估计单元18。在本发明中，“传感器”包括但不限于传感元 件、仪表或者其他能够测量温度、表压、重量或者可以测量对象的其他特性且产生信号用于 输出这些特性的测量装置。数个传感器12用于测量固气混合物的多种特性，且输出表示这些特性的数个测 量信号20。运算单元14接收测量信号20且基于接收的测量信号20产生数个不同的实时 的固体质量流量的测量值22。数据融合单元16接收这些测量值22且基于所接收的测量值 22建立一个状态空间模型M。最后，该估计单元18根据预先确定的估计算法估计所建立 的状态空间模型对，从而得到实时的固体质量流量的估计值26。图2示意了本发明的另一种实施例测定系统观。测定系统观与测定系统10具 有类似的结构。不同的是在测定系统观中，数个传感器12包括至少一个固体质量流量传 感器30，其可以直接输出实时的固体质量流量的其中一个测量值32。测量值32绕开运算 单元14直接输入数据融合单元16。在一个实施例中，测量值32首先输入运算单元14。然 而测量值32在运算单元14中并不进行实质性运算。然后，测量值32输出运算单元14成 为数据融合单元16的一个输入。虽然在上文以及下文的数个实施例中没有特别提到，但是可以理解的是传感器一 般产生的是模拟信号，所以在进行运算或者信息合成之前需要转化为数字信号。参阅图3所示，本发明另一种实施例气力输送系统36用来测定输送的固气混合物 中实时的固体质量流量。该气力输送系统36包括一个输送容器38、一个接收容器40以及 连接输送容器38和接收容器40的一个输送管道42。该固气混合物通过输送管道42输送。 在一个实施例中，固气混合物通过多条输送管道同时输送。气力输送系统36可以应用到多 种工业领域。例如，在一种应用中，该气力输送系统是IGCC工厂内的干式进料气化系统。在 干式进料气化系统中，输送容器38是存储煤氮混合物的储存罐，而接收容器40是气化炉。参阅图3所示，本实施例中的系统36包括八个传感器，且将这些传感器划分为三 组。第一组传感器包括一个重量传感器(W)44、一个温度传感器(T)46以及第一表压传感器 (Pl) 48。重量传感器44安装在输送容器38的底表面，而温度传感器46和第一表压传感器 48安装在输送容器38的上表面。在一个实施例中，温度传感器46和第一表压传感器48也 安装在输送容器38的底表面，如图3所示的实施例。重量传感器44产生表示位于输送容器38内的固气混合物重量的重量信号60。温度传感器46产生表示位于输送容器38内的 固气混合物温度的温度信号62。第一表压传感器48产生表示位于输送容器38内的固气混 合物表压的第一压力信号64。第二组传感器包括一个基于伽玛射线技术的密度传感器(D) 50、一个固体速率传 感器(V) 52以及一个第二表压传感器(P》M。第二组传感器均安装在输送管道42的垂直 部51上以测量同一位置的不同特性。密度传感器50产生表示在垂直部51位置上的固气 混合物密度的密度信号66。固体速率传感器52产生表示在垂直部51位置上的固气混合物 中固体速率的固体速率信号68。第二表压传感器M产生表示垂直部51位置上的固体混合 物表压的第一表压信号51。第三组传感器包括一个差压传感器(DP) 56以及一个第三表压传感器(P;3)58。差 压传感器56产生表示在输送管道42的两个测量点(未标示)间的压降的差压信号72。应当理解的是本发明可以采用大量的传感器组，相应的传感器组内包括多种形式 的传感器。多个传感器的测量信号如60、62、64、72、74、66、70、68传输到一个运算系统34 内来处理这些测量信号。一个实施例中，运算系统34处理固气混合物中的实时的固体质量 流量。传感器的测量信号如60、62、64、72、74、66、70、68线路连接到该运算系统34或者连 接到一个接收器或者一个收发器以输送传感器的信息。根据一个实施例，运算系统34包括一个或者多个计算装置，例如可以包括或者连 接到一个计算机可读存储介质的处理器或者微处理器。该计算机可读存储介质包含可执行 的计算机软件。在一个实施例中，计算机可读存储介质是物理存储器，例如驱动器、磁盘、 随机存储器(RAM)、只读存储器(ROM)或者其他适合的存储装置。图4示意了运算系统34的进一步结构。该运算系统34划分为一个运算单元75、 一个数据融合单元79以及一个估计单元。传感器(未图示)产生测量信号如60、62、64、 72、74、66、70、68，向运算单元75输送测量信息。运算单元75包括三个�？椋�即第一�？�76、第二模块78以及第三�？�80。该三 个�？楦�据从传感器(未图示)接收的测量信号如60、62、64、72、74、66、70、68产生三个实 时的固体质量流量的测量值，即第一测量值82、第二测量值84以及第三测量值86。再次参阅图4所示，第一模块76接收重量信号60、温度信号62以及第一表压信 号64，然后计算根据接收的测量信号62、62、64计算在某一时刻输送容器38中的固体重量。 接下来，第一�？�76根据在某一时间段内固体重量的损失来计算第一测量值82。计算的具 体步骤描述如下。参阅图3和图4所示，首先，接收重量信号60、温度信号62以及第一表压信号64 计算输送容器38内的固气混合物中的固体体积。设定输送容器38的内部体积、输送容器 38的固体体积、输送容器38的气体体积分别为VsendingOii3) >Vsolid,sending(m3)和Vgas,sending(m3)。 他们之间的关系如公式(1)所示Vsolid，sending+Vgas，sending ^sending(丄)设定输送容器38的当前压力和温度下固体密度和气体密度分别为P coal(Kg/m3) 和Pgas,smding(Kg/m3)。那么，输送容器38内固气混合物的重量(即混合重量)如公式(2) 所示Vsolid，sending P solid+Vgas，sending P gas, sending ^sending(2)
其中，Wsmding(Kg)表示混合重量，可以从重量信号60中获得；P。。al是固体密度，其 可以从固体的表面密度计算获得。对于某一确定固体种类，固体的表面密度具有固定的值。
以根据理想气体公式⑶以及温度信号62和第一压力信号64包含的信息计
算获得。
权利要求
1.一种用于实时测定固气混合物中固体质量流量的系统，包括数个传感器，其产生数个测量信号以获得至少两个所述固体质量流量的测量值；数据融合单元，其接收所述至少两个测量值且基于所述至少两个测量值建立状态空间 模型；估计单元，其对建立的状态空间模型进行估计，获取所述固体质量流量的估计值。
2.如权利要求1所述的用于实时测定固气混合物中固体质量流量的系统，还包括从所 述传感器接收测量信号用于产生至少两个测量值的运算单元。
3.如权利要求2所述的用于实时测定固气混合物中固体质量流量的系统，其中所述传 感器包括安装在用于存储固气混合物的输送容器上的重量传感器、温度传感器和表压传感 器；其中所述至少两个测量值中的一个是通过基于所述重量传感器、温度传感器以及表压 传感器产生的测量信号计算得到的单位时间内固体重量损失获得的。
4.如权利要求2所述的用于实时测定固气混合物中固体质量流量的系统，其中所述传 感器包括安装在输送固气混合物的输送管道上的差压传感器；其中至少两个测量值中的一 个基于所述差压传感器产生的测量信号获得。
5.如权利要求1所述的用于实时测定固气混合物中固体质量流量的系统，其中用于产 生至少两个测量值的传感器是并行的。
6.如权利要求1所述的用于实时测定固气混合物中固体质量流量的系统，其中所述传 感器包括一个固体质量流量传感器，且至少两个测量中的一个通过所述固体质量流量传感 器获得。
7.如权利要求1所述的用于实时测定固气混合物中固体质量流量的系统，其中所述状 态空间模型包括由所述测量值和固体质量流量的真实值组成的状态向量以及测量值组成 的测量向量；其中所述估计单元是卡尔曼滤波器。
8.一种用于实时测定固气混合物中固体质量流量的方法，其包括通过数个传感器产生表示所述固气混合物特征的数个测量信号；基于所述数个测量信号提供至少两个固体质量流量的测量值；基于所述至少两个测量值建立状态空间模型；以及估计所述状态空间模型以输出所述固体质量流量的估计值。
9.如权利要求8所述的用于实时测定固气混合物中固体质量流量的方法，其中通过数 个传感器产生表示所述固气混合物特征的数个信号的步骤包括以下子步骤产生表示存储在输送容器中固气混合物特征的一部分测量信号；以及产生表示输送管道中固气混合物特征的另一部分测量信号。
10.如权利要求9所述的用于实时测定固气混合物中固体质量流量的方法，其中所述 传感器包括安装在输送容器上的重量传感器、温度传感器和表压传感器，基于所述数个测 量信号提供至少两个固体质量流量的测量值的步骤包括以下子步骤基于所述重量传感器、温度传感器和表压传感器生成的测量信号计算输送容器内的固 体体积；计算输送容器中的固体重量；以及基于输送容器中的固体体积和固体重量计算单位时间内的固体重量损失以获得至少 一个测量值。
11.如权利要求9所述的用于实时测定固气混合物中固体质量流量的方法，其中所述 传感器包括安装输送管道同一位置的密度传感器、表压传感器、固体速率传感器，基于所述 数个测量信号提供至少两个固体质量流量的测量值的步骤包括以下子步骤基于密度传感器和表压传感器产生的测量信号计算在输送管道内的固气混合物中固 体体积比率；基于所述固体体积比率以及固体速率传感器来计算至少一个测量值。
12.如权利要求8所述的用于实时测定固气混合物中固体质量流量的方法，其中所述 传感器包括安装在输送管道上同一位置的差压传感器和表压传感器，基于所述数个测量信 号提供至少两个固体质量流量的测量值的步骤包括以下子步骤基于所述差压传感器和表压传感器产生的测量信号计算固气混合物的混合密度； 基于所述混合密度计算固气混合物中的固体体积比率； 基于所述固体体积比率计算至少一个测量值。
13.如权利要求8所述的用于实时测定固气混合物中固体质量流量的方法，其中基于 所述数个测量信号提供固体质量流量的至少两个测量值的步骤包括使用固体质量流量传 感器直接测量获得至少一个测量值。
14.如权利要求8所述的用于实时测定固气混合物中固体质量流量的方法，其中基于 所述至少两个测量值建立状态空间模型的步骤包括以下子步骤定义一个状态向量和测量向量；其中所述状态向量由固体质量流量的真实值以及所述 测量值与所述真实值的偏差组成；测量向量由所述测量值组成； 建立过程噪声向量和测量噪声向量；根据状态向量、测量向量以及过程噪声向量和测量噪声向量形成连续的状态空间模型；对连续的状态空间模型进行离散化以建立所述的状态空间模型。
15.如权利要求8所述的用于实时测定固气混合物中固体质量流量的方法，其中估计 所述状态空间模型以输出所述固体质量流量的估计值的步骤由卡尔曼滤波器实现。
全文摘要
本发明涉及一种用于实时测定固气混合物中固体质量流量的系统和方法。其中该系统包括数个传感器、数据融合单元以及估计单元。数个传感器产生数个测量信号以获得至少两个所述固体质量流量的测量值。该数据融合单元接收所述至少两个测量值且基于所述至少两个测量值建立状态空间模型。该估计单元对建立的状态空间模型进行估计，获取所述固体质量流量的估计值。
文档编号G01F1/86GK102141423SQ20101010503
公开日2011年8月3日 申请日期2010年1月29日 优先权日2010年1月29日
发明者付旭, 胡忠志, 蔡自立, 赵彤, 陈耀, 黄宝明 申请人:通用电气公司