火電廠一次風(fēng)粉流速在線測量系統(tǒng)

許鵬羽，管磊，胡香儒

(西安理工大學(xué)自動化與信息工程學(xué)院 陜西 西安 710048)

火電廠一次風(fēng)粉流速在線測量系統(tǒng)

許鵬羽，管磊，胡香儒

(西安理工大學(xué)自動化與信息工程學(xué)院 陜西 西安 710048)

編者按：2015年9月20日，首屆“薩馳杯”智能科技創(chuàng)新大賽決賽在蘇州大學(xué)敬賢堂成功舉辦。大賽由薩馳華辰機械（蘇州）有限公司主辦，中國石油和化工勘察設(shè)計協(xié)會橡膠塑料設(shè)計專業(yè)委員會、中國橡膠工業(yè)協(xié)會機械模具分會、《橡塑技術(shù)與裝備》雜志社、上海交通大學(xué)機械與動力工程學(xué)院、哈爾濱工業(yè)大學(xué)機電工程學(xué)院、東南大學(xué)機電工程學(xué)院、蘇州大學(xué)機電工程學(xué)院、青島科技大學(xué)、西門子工廠自動化工程有限公司及羅克韋爾自動化（中國）有限公司共同協(xié)辦。

為共同促進我國科技教育多元化，實現(xiàn)中國制造2025的中長期目標(biāo)提供有力的支持，促進企業(yè)文化活躍橡塑行業(yè)科技文化事業(yè)發(fā)展。本刊將分期連續(xù)選登參賽作品，以供業(yè)內(nèi)人士全方位、寬領(lǐng)域了解科技發(fā)展動態(tài)。

針對火電廠一次風(fēng)粉流速在線測量直接關(guān)系到火電廠安全、經(jīng)濟、環(huán)保、高效運行的情況，本文提出了一種基于靜電傳感器的氣固兩相流流速測量系統(tǒng)，采用靜電傳感器結(jié)合互相關(guān)算法這一研究方法來檢測風(fēng)粉速度，主要從理論分析和實驗方面進行了研究，實驗結(jié)果表明所提出的速度測量系統(tǒng)誤差小、穩(wěn)定度高、對環(huán)境的適應(yīng)性強。

靜電傳感器；速度測量；氣固兩相流；風(fēng)粉流速

在火電廠燃煤鍋爐的生產(chǎn)運行過程中，煤粉的速度是影響鍋爐生產(chǎn)效率、安全運行非常重要的參數(shù)之一，對節(jié)約能源、減小污染排放也有著深遠的意義。火電廠一次風(fēng)粉輸送中，風(fēng)粉速度過快，會造成煤粉管道磨損加劇、煤粉消耗過大；風(fēng)粉速度過慢，會造成管道內(nèi)顆粒沉積，倉壁結(jié)拱，堵塞管道，并且煤粉沒有充分燃燒，會造成能源浪費及有害氣體產(chǎn)生，對傳輸管道中氣固兩相流的速度測量及監(jiān)控直接關(guān)系到產(chǎn)品的質(zhì)量、生產(chǎn)過程的穩(wěn)定、能量供給的平衡。近年來國內(nèi)外對于氣固兩相流速度測量有不少研究，有電學(xué)技術(shù)、超聲波技術(shù)、激光多普勒技術(shù)、核磁共振方法、熱力學(xué)法等，以上技術(shù)傳感器都有過開發(fā)或改進，從投資、操作、維護費用等角度來看，靜電傳感器技術(shù)是最具有吸引力的，利用靜電傳感器來探測風(fēng)粉與傳感器探頭摩擦、碰撞所產(chǎn)生的靜電電荷，風(fēng)粉速度的測量作為技術(shù)上的一個挑戰(zhàn)，也需要多種學(xué)科技術(shù)的融合，在當(dāng)前研究比較的所有技術(shù)方案中，靜電傳感器技術(shù)與先進的互相關(guān)信號處理技術(shù)結(jié)合提供了最具有開發(fā)前景，低成本且有效的解決方案。

1 靜電傳感器及系統(tǒng)硬件設(shè)計

速度測量系統(tǒng)由二個靜電傳感器，兩個前置放大電路，單片機和微機組成。靜電傳感器電極是獲取氣固兩相流流動參數(shù)的最基本環(huán)節(jié)，其性能的優(yōu)劣直接影響系統(tǒng)的準(zhǔn)確性和快速性。

1.1 靜電傳感器的設(shè)計

傳感器是一個純鋼架結(jié)構(gòu)，要求它的可靠性比較高，耐強度性大，而且各個模塊結(jié)構(gòu)又美觀的特點。初步設(shè)計傳感器的結(jié)構(gòu)圖，如圖1所示。

圖1 靜電傳感器結(jié)構(gòu)

1.2 信號放大電路的設(shè)計

1.2.1 前置放大電路的設(shè)計

由于靜電傳感器輸出電壓信號幅值小、阻抗較大、頻率低的特點，特別是氣固兩相流在稀相的情況下，輸出電壓信號是毫伏級，為了能夠?qū)⑦@種微弱的信號放大，應(yīng)該選擇一款高輸入阻抗、低失調(diào)電壓和低輸出噪聲的精密運算放大器。所以前置放大電路采用OP07芯片。這樣設(shè)計的電路具有輸入電阻高、噪聲低、穩(wěn)定性好、精度及可靠性高、共模抵制比大、線性度好、失調(diào)小、并有一定的抗干擾能力，提高了檢測電路的靈敏度。為了降低對下級電路的要求，可以將信號放大一定的倍數(shù)（如圖2）大，太高的放大倍數(shù)會造成輸出信號的漂移。

圖2 放大電路

1.2.2 程控放大電路的設(shè)計

圖3 程控放大電路

程控放大電路我們采用的是可編程芯片PGA202和PGA203。PGA202是十進制模型，增益可調(diào)范圍為1、10、100、1 000；PGA203是二進制模型，增益可調(diào)范圍為1、2、4、8。將PGA202、PGA203兩塊芯片級聯(lián)，從而構(gòu)成增益在1-8000范圍內(nèi)可調(diào)的后級放大電路。由于固體顆粒在流動、傳輸過程中其流速、濃度及帶電量都會發(fā)生變化，就會造成傳感器輸出信號的強弱隨之變化，通常在毫伏級左右。所以，仍需要有電壓放大電路，才能使靜電電壓信號達到合適的值，而根據(jù)PGA202、PGA203增益可調(diào)的特點，就可實時地調(diào)節(jié)增益倍數(shù)來達到調(diào)節(jié)信號測量范圍的目的。數(shù)字控制增益可編程的儀用放大器PGA202、PGA203的輸入級由FET組成，且共模抑制比高，偏置電流低，非線性誤差小，可以用于高阻抗的傳感器信號放大以及需要快速建立時間的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，并在數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、自動量程轉(zhuǎn)換電路中均有廣泛應(yīng)用，如圖3所示。

1.3 信號采集系統(tǒng)

選擇XS128單片機，該款單片機具有逐次逼近型A/D轉(zhuǎn)換模塊實現(xiàn)模數(shù)轉(zhuǎn)換，A/D轉(zhuǎn)換速度快、精度高、成本低、是直接變換的轉(zhuǎn)換器，具有8位、10位和12位轉(zhuǎn)換精度，采樣時間可編程， 1到16位的轉(zhuǎn)換序列長度、連續(xù)轉(zhuǎn)換模式和多通道掃描模式。

為了使采集到的信息可以再計算機界面上顯示出來，在單片機的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中加入了RS-232通信，實現(xiàn)單片機與計算機的通信，將單片機從傳感器采集到的信息，經(jīng)過相關(guān)運算處理后在計算機界面上顯示出來。

SD卡擁有高記憶容量、快速數(shù)據(jù)傳輸率、極大的移動靈活性以及很好的安全性，將采集到的數(shù)字量保存至SD卡，如圖4所示。

圖4 信號采集單元硬件結(jié)構(gòu)圖

2 測速算法

2.1 互相關(guān)法

如果從上、下游傳感器獲得的流動噪聲信號 x(t)和 y(t)分別是來自各態(tài)歷經(jīng)的平穩(wěn)隨機過程{x(t)}和{y(t)}的一個樣本函數(shù)，則它們的互相關(guān)函數(shù)可由下述時間平均運算得：

實際上，為了滿足測量實時性的要求，式（1）的時間平均運算只能在有限的時間范圍內(nèi)進行。因此，一般相關(guān)器只是完成下面這個積分：

將其化為離散形式，便于計算機編程：

其中，有限長序列 x(n)及y(n)的卷積公式為：

將式(3)和式(4)相比較，可以得到相關(guān)和卷積的時域關(guān)系：

X* (k)和Y(k)均可用 FFT 算法求得，把X* (k) Y(k)經(jīng)反變換就可求得Rxy(m)。假設(shè)x(t)和y(t)均取N個樣點。從FFT算法可知，求X* (k)和Y(k)各需1/2 log2N次計算，求X* (k)Y(k)的乘積需要 N 次運算，求需要1/2log2N次運算。所以共要N +log2N次運算。由于 FFT 的高效率計算，在頻域中計算相關(guān)函數(shù)將比時域中直接計算要快許多倍。互相關(guān)測速原理圖，如圖5所示。

圖5 互相關(guān)測速原理圖

如圖5所示，傳感器分為上游傳感器和下游傳感器，根據(jù)交流電荷感應(yīng)原理，即風(fēng)粉顆粒在流經(jīng)一對傳感器時，在上下游傳感器探頭上感應(yīng)等量隨機電荷信號，兩組隨機信號在信號處理單元中經(jīng)過交相關(guān)數(shù)學(xué)模型計算后就能獲得二個信號的高精度時差(風(fēng)粉經(jīng)過兩個傳感器所用時間)△t；上下游傳感器之間的距離是恒定的L，利用公式：V(m/s)＝L(m)/△t(s)可以準(zhǔn)確的計算出風(fēng)粉絕對流速。

2.2 絕對差值法

通過對上下游兩個通道的模擬信號按照一定的采樣周期r進行數(shù)據(jù)采樣，得到兩個離散的數(shù)據(jù)序列X(n)和Y(n)，對這兩個序列做絕對差值運算，X(n)和Y(n)的絕對差值運算公式如下：

經(jīng)過絕對差值運算，也可以得到一個離散的序列E(m)，這個序列求最小值所對應(yīng)的m值，就是所要求的渡越點數(shù)，如果渡越點數(shù)m=m0，則渡越時間為t=m0T，已知上、下游極板間距L=50 mm，根據(jù)速度計算公式v=L/τ，就完成了固體顆粒的速度測量。

3 系統(tǒng)測試與誤差分析

3.1 速度的測量

速度測量，主要由互相關(guān)算法或者絕對差值法，算出上下游信號的渡越時間τ，然后由v=L/τ得到。下面利用一組數(shù)據(jù)說明信號的相似性，采集頻率為20 kHz，采集點數(shù)為4 096，如圖6所示。

圖6 上下游信號圖

3.1.1 互相關(guān)法速度測量的數(shù)據(jù)：

采集頻率在20 kHz，采集點數(shù)為4 096個，傳感器的長度L分別為130 mm、100 mm時的數(shù)據(jù)，如表1，表2。

表1 L=130 mm,采集頻率為20 kHz時的數(shù)據(jù)

表2 L=100 mm,采集頻率為20 kHz時的數(shù)據(jù)

3.1.2 絕對差值法速度測量的數(shù)據(jù)

采集頻率在20 kHz，采集點數(shù)為4 096個，傳感器的長度L分別為130 mm、100 mm時的數(shù)據(jù)，如表3，表4。

表3 L=130 mm,采集頻率為20 kHz時的數(shù)據(jù)

表4 L=100 mm,采集頻率為20 kHz時的數(shù)據(jù)

3.2 數(shù)據(jù)分析

從表1和表2以及表3和表4對比可看出，當(dāng)流速比較低時，誤差比較大，隨著流速的提高，誤差減小，這是因為當(dāng)流速比較低時，上下游信號的相似度降低，相抵誤差比較大，隨著速度的升高，上下游信號的相似度升高，相對誤差減小；還有L=100 mm和L=75 mm時對測量精度影響較小。

通過對兩種不同方法測量數(shù)據(jù)的對比發(fā)現(xiàn)，互相關(guān)法雖然在計算時間上稍有延遲，但是其計算精度要比絕對差值法更為精確，而且絕對差值法在對噪聲加大幅值后，其相對誤差已遠遠超過要求的范圍，因此如果要求高精度，互相關(guān)法要比絕對差值法更為合適。

4 結(jié)論

本文主要研究了靜電傳感器工作機理,根據(jù)靜電傳感器輸出信號特性，設(shè)計了一套較完整的基于靜電法測量系統(tǒng)，本論文通過靜電法理論分析、設(shè)計和實驗研究證明，基于靜電相關(guān)原理的測速系統(tǒng)能達到較高的精度，并具有良好的重復(fù)性和測速范圍，該測試系統(tǒng)是可行的。同時對相關(guān)的一些算法進行了研究，最后通過系統(tǒng)實驗整體評價了系統(tǒng)的綜合性能，因為其具有低成本，高靈敏度，所以應(yīng)于固相速度和濃度的測量，具有很廣闊的應(yīng)用空間。

參考文獻：

[1] 李良. 氣固兩相流靜電相關(guān)流速測量研究[D]. 天津大學(xué)，2008.

[2] 張輝. 鍋爐風(fēng)粉在線監(jiān)測系統(tǒng)在火力發(fā)電廠中的應(yīng)用[J]. 中國儀器儀表，2006，04:71～74.

[3] 多金環(huán)，王圣，朱法華. 我國火電行業(yè)環(huán)保現(xiàn)狀及節(jié)能減排宏觀建議[J]. 環(huán)境保護，2008，06:14～16.

[4] 鐘旺元. 基于靜電相關(guān)法測量煙氣速度和煙塵濃度的研究[D].華中科技大學(xué)，2008.

[5] 蔣泰毅. 氣固兩相流速度及質(zhì)量流量的靜電測量法研究[D],華中科技大學(xué)，2005.

[6] 許傳龍,王式民，孔明等.靜電傳感器空間靈敏度特性研究.計量學(xué)報，2006，27(4):335～339.

[7] 張榮奇，譚志良，林永濤，謝鵬浩.常用靜電測量技術(shù)及其特點[J].裝備環(huán)境工程，2007，4(5): 85～88.

[8] 王世功. 靜電法速度測量系統(tǒng)的研究[D].東北大學(xué)，2009.

[9] 程瑞雪，張建勇.相關(guān)法測兩相流的研究.工業(yè)儀表與自動控制，1993,3:8～11.

[10] 戚淑芬，王國棟.基于電荷感應(yīng)原理的粉塵含量在線檢測儀設(shè)計[J].青島科技大學(xué)學(xué)報.自然科學(xué)版，2011(5) : 526～530.

[11] 曾光宇.現(xiàn)代傳感器技術(shù)與應(yīng)用基礎(chǔ)[M].北京：北京理工大學(xué)出版社，2006.

[12] 陳萬忠.MC9S12單片機原理及嵌入式應(yīng)用開發(fā)技術(shù)[M].北京：機械工業(yè)出版社，2012.

[13] 汪宗林，常小軍. 交流電荷感應(yīng)技術(shù)在風(fēng)粉在線測量中的應(yīng)用[J]. 電力技術(shù)，2010，Z3:12～15.

Primary air f ow rate online measurement system for thermal power plant

Primary air f ow rate online measurement system for thermal power plant

Xu Pengyu,Guan Lei,Hu Xiangru
(Xi’an university of science and technology,Xi’an 710048, Shanxi,China)

Primary air flow rate online measurement system is directly related to safety, economy, environmental protection and eff cient operation of thermal power plants. This paper proposes a gas-solid two-phase flow velocity measuring system based on electrostatic sensor,which using electrostatic senso combining with algorithm to test air f ow rate. This paper Mainly studied rom the aspects of theory analysis and experiment, and results show that the proposed speed measurement system error is small, high stability and strong adaptability to the environment.

electrostatic sensor; velocity measurement; gas-solid two phase f ow; air f ow rate

TK229.63

1009-797X(2016)06-0110-05

B

10.13520/j.cnki.rpte.2016.06.042

(R-03)

許鵬羽，男，學(xué)生，西安理工大學(xué)自動化與信息地專業(yè)。

獲獎情況：本文獲“首屆‘薩馳杯’智能科技創(chuàng)新大賽”優(yōu)秀獎。

2015-10-26