劉文峰 王光毅 中國(guó)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(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

劉文峰 王光毅 中國(guó)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(cè)系統(tǒng)主要針對(duì)高爐噴煤系統(tǒng)的需要，對(duì)各個(gè)風(fēng)口支管的氣力輸送狀態(tài)參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集，進(jìn)而依據(jù)采集到的數(shù)據(jù)對(duì)各支管狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，并對(duì)異常狀態(tài)通過(guò)輸出設(shè)備進(jìn)行報(bào)警。文章對(duì)煤粉氣力輸送系統(tǒng)中相關(guān)狀態(tài)參量，如速度、濃度、溫度測(cè)量原理進(jìn)行分析和研究，并確定了煤粉氣力輸送支管狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的總體方案。

煤粉氣力輸送；狀態(tài)監(jiān)測(cè)；電容法

1. 系統(tǒng)相關(guān)狀態(tài)參量的測(cè)量

系統(tǒng)對(duì)支管狀態(tài)判斷需要的參數(shù)包括支管煤粉氣力輸送時(shí)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(lái)測(cè)量。

1.1.基于電容法的煤粉濃度測(cè)量

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

(1) 采用非接觸式檢測(cè)，不影響流場(chǎng)。

(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(jiǎn)單，成本低，性價(jià)比高。

(4) 傳感器響應(yīng)速度快，實(shí)時(shí)性好，非常適合過(guò)程控制。

(5) 適用范圍廣，該方法僅要求兩相流動(dòng)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(dòng)過(guò)程中的參數(shù)檢測(cè)[1]。

本文采用環(huán)形極板所構(gòu)成的檢測(cè)電場(chǎng)——等效平板電容檢測(cè)電場(chǎng)，如圖1所示。在圓形管道上兩塊對(duì)稱的銅箔組成等效電容電極，其中一塊極板與激勵(lì)電壓源連接作為檢測(cè)電極，另一塊極板接地。為了克服一對(duì)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(cè)場(chǎng)[2]，實(shí)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(yīng)器。這樣做優(yōu)點(diǎn)是避免煤粉的填積影響電容傳感器的靈敏度，因?yàn)楦郀t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(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證這樣的設(shè)計(jì)可以不影響管道中流型的變化，并且檢測(cè)靈敏度高。當(dāng)空氣、粉體組成的兩相流通過(guò)檢測(cè)場(chǎng)時(shí)，由于固相濃度的變化等價(jià)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(guò)檢測(cè)電路測(cè)量電容值的變化進(jìn)而可計(jì)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(guò)程具體如下：

在充電期間，模擬開(kāi)關(guān)S1和S3閉合，S2和S4斷開(kāi)，檢測(cè)器D1的輸出電壓為:

在放電期間，模擬開(kāi)關(guān)S1和S3斷開(kāi)，S2和S4閉合，檢測(cè)器D2的輸出電壓為：

兩個(gè)信號(hào)經(jīng)差動(dòng)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(cè)電容Cx。

因?yàn)殡s散電容Cs1的充放電電流不經(jīng)過(guò)Cx，所以雜散電容的存在對(duì)電路的測(cè)量不產(chǎn)生影響；而雜散電容Cs2的一端接地，另一端和檢測(cè)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(duì)測(cè)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(dòng)式直流充/放電電路

充放電C/V 轉(zhuǎn)換電路的特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低、抗雜散電容干擾、分辨率高，經(jīng)過(guò)軟件補(bǔ)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(cè)量

對(duì)多相流的流速測(cè)量與單相流不同，一般都采用相關(guān)技術(shù)方法[5]。如圖3所示，管道上以L為間距安裝兩個(gè)傳感器，檢測(cè)出固相在管道中的隨機(jī)流動(dòng)噪聲X(t)、Y(t),對(duì)于平穩(wěn)流動(dòng)噪聲狀態(tài)的隨機(jī)信號(hào)X(t)、Y(t)可看成是平穩(wěn)遍歷隨機(jī)過(guò)程[X(t)]、[Y(t)]的樣本[6]。因此可以根據(jù)樣本X(t)、Y(t)的時(shí)間平均效應(yīng)，獲得隨機(jī)過(guò)程[X(t)]、[Y(t)]的一些統(tǒng)計(jì)特性。

圖3 相關(guān)測(cè)速原理圖

將上下游傳感器之間的管道空間作為一個(gè)過(guò)程系統(tǒng)，且上游傳感器輸出信號(hào)X(t)作為系統(tǒng)輸入，下游傳感器輸出信號(hào)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(yīng)，n(t)是Y(t)中與X(t)無(wú)關(guān)的噪聲[7]。對(duì)于平穩(wěn)流動(dòng)狀態(tài)，系統(tǒng)的單位脈沖響應(yīng)與時(shí)間無(wú)關(guān)，于是上式變?yōu)椋?/p>

根據(jù)定義上下游流動(dòng)噪聲信號(hào)的互相關(guān)函數(shù)為：

代入得

因?yàn)閤(t)與n(t),無(wú)關(guān)，所以當(dāng)積分時(shí)間充分大時(shí)Rxn(τ)趨于零，這樣上式變?yōu)閇8]：

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

這里τ0＝L/v是固相流團(tuán)通過(guò)兩個(gè)傳感器之間距離的渡越時(shí)間。因此可得：

這樣互相關(guān)函數(shù)等于系統(tǒng)輸入信號(hào)x(t)延遲τ0 的自相關(guān)函數(shù)[9]。根據(jù)隨機(jī)過(guò)程理論，當(dāng)Rxx(0)時(shí)自相關(guān)函數(shù)值取得最大，因此當(dāng)τ＝τ0時(shí)，互相關(guān)函數(shù)為最大。利用這個(gè)理論，根據(jù)互相關(guān)函數(shù)峰值，即可確定流體的渡越時(shí)間τ0，進(jìn)而計(jì)算出流體的流速v=L/τ0。

1.3.基于DS18B20的兩相流溫度測(cè)量

對(duì)于系統(tǒng)的狀態(tài)檢測(cè)來(lái)說(shuō)，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(shí)支管內(nèi)的溫度差異很大。單純對(duì)“支管氣力輸送正?！边@個(gè)狀態(tài)來(lái)說(shuō)，濃度不同，對(duì)應(yīng)的溫度也是不同的。因此，可以通過(guò)支管內(nèi)的溫度與環(huán)境溫度的對(duì)比，可以輔助判斷對(duì)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(hào)轉(zhuǎn)換成串行數(shù)字信號(hào)。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(gè)DS18B20芯片。其主要特點(diǎn)如下：

(1) 獨(dú)特的單線接口只需1個(gè)接口引腳即可正常工作。

(2)無(wú)需其他外部元件。

(3)可用數(shù)據(jù)線供電，無(wú)需備份電源。

(4) 以12位二進(jìn)制數(shù)字值的方式讀出溫度。

考慮到該傳感器價(jià)格合理，測(cè)量溫度范圍完全覆蓋支管內(nèi)溫度范圍，測(cè)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(shè)計(jì)使用兩片，一片放置于管道內(nèi)檢測(cè)管道內(nèi)的溫度，一片置于管道外檢測(cè)環(huán)境溫度。

2.系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

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

(1) 支管狀態(tài)監(jiān)測(cè)功能：實(shí)時(shí)采集各個(gè)支管狀態(tài)相關(guān)的參數(shù)，并根據(jù)采集到的數(shù)據(jù)對(duì)支管的狀態(tài)做出迅速準(zhǔn)確的判定，然后將結(jié)果反映到相應(yīng)的輸出設(shè)備。

(2) 流量均勻性監(jiān)測(cè)功能：根據(jù)采集的數(shù)據(jù)計(jì)算出各個(gè)支管流量的信息，并將結(jié)果反映到相應(yīng)的輸出設(shè)備。

應(yīng)用在高爐上的煤粉氣力輸送狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)物理結(jié)構(gòu)如圖4所示。整個(gè)系統(tǒng)由傳感器、C/V 轉(zhuǎn)換電路、單片機(jī)（MCU）電路、觸摸屏人機(jī)接口、支管狀態(tài)指示電路、RS-485總線、上位機(jī)組成。每個(gè)支管有四個(gè)物理量信號(hào)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(hào)經(jīng)過(guò)C/V 轉(zhuǎn)換后送往單片機(jī)。在保證信號(hào)實(shí)時(shí)性的前提下，每個(gè)單片機(jī)負(fù)責(zé)檢測(cè)八根支管的全部狀態(tài)，所以共有32路信號(hào)需要采集。單片機(jī)循環(huán)采集每路信號(hào)，并將數(shù)據(jù)存放在數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器中。經(jīng)過(guò)一輪采集后，單片機(jī)將采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，并計(jì)算出對(duì)應(yīng)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(shí)候需要對(duì)狀態(tài)判定條件中的一些具體參數(shù)進(jìn)行修改，因而在系統(tǒng)中加入了觸摸屏人機(jī)接口。為對(duì)整個(gè)煤粉氣力輸送裝置進(jìn)行宏觀調(diào)控，本系統(tǒng)還設(shè)計(jì)了RS-485總線將各個(gè)單片機(jī)和上位機(jī)進(jìn)行通信，以便對(duì)支管進(jìn)行進(jìn)一步的狀態(tài)和均勻性監(jiān)測(cè)。

圖4 系統(tǒng)框架圖

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

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10.3969/j.issn.1001-8972.2011.09.091

劉文峰，研究生學(xué)歷，中國(guó)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(shè)計(jì);

王光毅，研究生學(xué)歷，中國(guó)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(shè)計(jì)。