煤粉氣力輸送支管狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)設計

劉文峰 王光毅 中國核電工程有限公司河北分公司，石家莊 050000

煤粉氣力輸送支管狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)設計

劉文峰 王光毅 中國核電工程有限公司河北分公司，石家莊 050000

煤粉氣力輸送支管狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)主要針對高爐噴煤系統(tǒng)的需要，對各個風口支管的氣力輸送狀態(tài)參數(shù)進行實時采集，進而依據(jù)采集到的數(shù)據(jù)對各支管狀態(tài)進行監(jiān)測，并對異常狀態(tài)通過輸出設備進行報警。文章對煤粉氣力輸送系統(tǒng)中相關狀態(tài)參量，如速度、濃度、溫度測量原理進行分析和研究，并確定了煤粉氣力輸送支管狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)的總體方案。

煤粉氣力輸送；狀態(tài)監(jiān)測；電容法

1. 系統(tǒng)相關狀態(tài)參量的測量

系統(tǒng)對支管狀態(tài)判斷需要的參數(shù)包括支管煤粉氣力輸送時的煤粉的濃度、流速、支管內(nèi)的溫度以及外界環(huán)境溫度，系統(tǒng)使用三種類型的傳感器來測量。

1.1.基于電容法的煤粉濃度測量

濃度測量使用電容傳感器，相比于其他氣固兩相流中固相濃度測量方法，電容法具有如下優(yōu)點：

(1) 采用非接觸式檢測，不影響流場。

(2) 電容極板安裝在管道外壁部分，易于安裝，不破壞煤粉流型。

(3)傳感器結(jié)構(gòu)簡單，成本低，性價比高。

(4) 傳感器響應速度快，實時性好，非常適合過程控制。

(5) 適用范圍廣，該方法僅要求兩相流動的各相介質(zhì)有一定的介電常數(shù)差，因而適用于絕大多數(shù)工業(yè)兩相流流動過程中的參數(shù)檢測[1]。

本文采用環(huán)形極板所構(gòu)成的檢測電場——等效平板電容檢測電場，如圖1所示。在圓形管道上兩塊對稱的銅箔組成等效電容電極，其中一塊極板與激勵電壓源連接作為檢測電極，另一塊極板接地。為了克服一對平行表面極板電容傳感器電容輸出值受固相空間分布的影響，構(gòu)造均勻檢測場[2]，實踐中在原管道上取180度半弧面管壁和原有管道組成環(huán)形檢極板電容感應器。這樣做優(yōu)點是避免煤粉的填積影響電容傳感器的靈敏度，因為高爐煤粉氣力輸送的煤種、濕度、介電常數(shù)等物理特性經(jīng)常變化。通過實驗驗證這樣的設計可以不影響管道中流型的變化，并且檢測靈敏度高。當空氣、粉體組成的兩相流通過檢測場時，由于固相濃度的變化等價于極板間介電常數(shù)的變化而引起極板間電容值變化，通過檢測電路測量電容值的變化進而可計算出固相濃度的大小[3]。

圖1 傳感器示意圖

系統(tǒng)采用的是充放電直流型C/V 轉(zhuǎn)換，電路基本結(jié)構(gòu)如圖2。未知電容Cx被充電至電壓Vc，然后充分放電，充放電頻率為f。電路工作過程具體如下：

在充電期間，模擬開關S1和S3閉合，S2和S4斷開，檢測器D1的輸出電壓為:

在放電期間，模擬開關S1和S3斷開，S2和S4閉合，檢測器D2的輸出電壓為：

兩個信號經(jīng)差動放大器A比較放大K倍后，最終輸出為：

由上式可知，在f，Vc，Rf固定條件下，輸出電壓V0正比于被測電容Cx。

因為雜散電容Cs1的充放電電流不經(jīng)過Cx，所以雜散電容的存在對電路的測量不產(chǎn)生影響；而雜散電容Cs2的一端接地，另一端和檢測器輸入端相連，是虛地狀態(tài)，Cs2兩端電位差為零，所以它的存在對測量也不產(chǎn)生影響，故該電路可以抗雜散電容干擾。

圖2 差動式直流充/放電電路

充放電C/V 轉(zhuǎn)換電路的特點是結(jié)構(gòu)簡單、成本低、抗雜散電容干擾、分辨率高，經(jīng)過軟件補償后電路穩(wěn)定性較高[4]。

1.2.基于電容式的兩相流速度測量

對多相流的流速測量與單相流不同，一般都采用相關技術方法[5]。如圖3所示，管道上以L為間距安裝兩個傳感器，檢測出固相在管道中的隨機流動噪聲X(t)、Y(t),對于平穩(wěn)流動噪聲狀態(tài)的隨機信號X(t)、Y(t)可看成是平穩(wěn)遍歷隨機過程[X(t)]、[Y(t)]的樣本[6]。因此可以根據(jù)樣本X(t)、Y(t)的時間平均效應，獲得隨機過程[X(t)]、[Y(t)]的一些統(tǒng)計特性。

圖3 相關測速原理圖

將上下游傳感器之間的管道空間作為一個過程系統(tǒng)，且上游傳感器輸出信號X(t)作為系統(tǒng)輸入，下游傳感器輸出信號Y(t)作為系統(tǒng)的輸出，則有：

這里h(t,a)是系統(tǒng)的單位脈沖響應，n(t)是Y(t)中與X(t)無關的噪聲[7]。對于平穩(wěn)流動狀態(tài)，系統(tǒng)的單位脈沖響應與時間無關，于是上式變?yōu)椋?/p>

根據(jù)定義上下游流動噪聲信號的互相關函數(shù)為：

代入得

因為x(t)與n(t),無關，所以當積分時間充分大時Rxn(τ)趨于零，這樣上式變?yōu)閇8]：

如果被測流體滿足泰勒提出的"freezen patten"假設，那么這個系統(tǒng)為線性系統(tǒng)，它的脈沖響應僅是延遲的單位脈沖：

這里τ0＝L/v是固相流團通過兩個傳感器之間距離的渡越時間。因此可得：

這樣互相關函數(shù)等于系統(tǒng)輸入信號x(t)延遲τ0 的自相關函數(shù)[9]。根據(jù)隨機過程理論，當Rxx(0)時自相關函數(shù)值取得最大，因此當τ＝τ0時，互相關函數(shù)為最大。利用這個理論，根據(jù)互相關函數(shù)峰值，即可確定流體的渡越時間τ0，進而計算出流體的流速v=L/τ0。

1.3.基于DS18B20的兩相流溫度測量

對于系統(tǒng)的狀態(tài)檢測來說，溫度是非常重要的參數(shù)。在支管處于堵塞、空吹、正常等狀態(tài)時支管內(nèi)的溫度差異很大。單純對“支管氣力輸送正常”這個狀態(tài)來說，濃度不同，對應的溫度也是不同的。因此，可以通過支管內(nèi)的溫度與環(huán)境溫度的對比，可以輔助判斷對支管狀態(tài)。

DS18B20是Dallas公司推出的單總線數(shù)字溫度傳感器。它可把溫度信號轉(zhuǎn)換成串行數(shù)字信號。由于每片DS18B20含有唯一的產(chǎn)品ID，所以理論上講，在一條總線上可以掛接任意多個DS18B20芯片。其主要特點如下：

(1) 獨特的單線接口只需1個接口引腳即可正常工作。

(2)無需其他外部元件。

(3)可用數(shù)據(jù)線供電，無需備份電源。

(4) 以12位二進制數(shù)字值的方式讀出溫度。

考慮到該傳感器價格合理，測量溫度范圍完全覆蓋支管內(nèi)溫度范圍，測量精度滿足需求，且占用I/O口資源少，所以本系統(tǒng)選用了該傳感器[10]。設計使用兩片，一片放置于管道內(nèi)檢測管道內(nèi)的溫度，一片置于管道外檢測環(huán)境溫度。

2.系統(tǒng)總體設計

為滿足工業(yè)現(xiàn)場的需要，煤粉氣力輸送狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)主要有以下兩大功能：

(1) 支管狀態(tài)監(jiān)測功能：實時采集各個支管狀態(tài)相關的參數(shù)，并根據(jù)采集到的數(shù)據(jù)對支管的狀態(tài)做出迅速準確的判定，然后將結(jié)果反映到相應的輸出設備。

(2) 流量均勻性監(jiān)測功能：根據(jù)采集的數(shù)據(jù)計算出各個支管流量的信息，并將結(jié)果反映到相應的輸出設備。

應用在高爐上的煤粉氣力輸送狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)物理結(jié)構(gòu)如圖4所示。整個系統(tǒng)由傳感器、C/V 轉(zhuǎn)換電路、單片機（MCU）電路、觸摸屏人機接口、支管狀態(tài)指示電路、RS-485總線、上位機組成。每個支管有四個物理量信號輸出，分別是濃度，溫度，上游速度和下游速度。傳感器所采集到的信號經(jīng)過C/V 轉(zhuǎn)換后送往單片機。在保證信號實時性的前提下，每個單片機負責檢測八根支管的全部狀態(tài)，所以共有32路信號需要采集。單片機循環(huán)采集每路信號，并將數(shù)據(jù)存放在數(shù)據(jù)存儲器中。經(jīng)過一輪采集后，單片機將采集到的數(shù)據(jù)進行處理，并計算出對應的支管的狀態(tài)，然后將狀態(tài)信息送狀態(tài)指示電路。由于電磁干擾、系統(tǒng)誤差等因素，有時候需要對狀態(tài)判定條件中的一些具體參數(shù)進行修改，因而在系統(tǒng)中加入了觸摸屏人機接口。為對整個煤粉氣力輸送裝置進行宏觀調(diào)控，本系統(tǒng)還設計了RS-485總線將各個單片機和上位機進行通信，以便對支管進行進一步的狀態(tài)和均勻性監(jiān)測。

圖4 系統(tǒng)框架圖

本系統(tǒng)只有4～5套下位機系統(tǒng)，輪詢時間短，使得整個系統(tǒng)的實時性能得到了很大的提高；多個傳感器共用一個下位機系統(tǒng)，也使得系統(tǒng)的生產(chǎn)成本大大降低了。

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劉文峰，研究生學歷，中國核電工程有限公司河北分公司，助理工程師，研究方向：核電及民用工程設計;

王光毅，研究生學歷，中國核電工程有限公司河北分公司，助理工程師，研究方向：核電及民用工程設計。