智能型多相流量计测系统

1 引言

电厂大型燃煤机组一般都采用直吹式制粉系统，即每台磨煤机出口有4～8根一次风煤粉管道直接与锅炉燃烧器相连，煤粉经过输粉管输送到燃烧器进行燃烧。由于各煤粉管道的长度和弯头数量不同，使得每根管道的压损不同，由此形成各煤粉管道之间煤粉分配不均，结果使锅炉燃烧器不能在最佳风煤比工况下运行，使燃烧效率降低，NOX排放增加并且使锅炉故障率增高。

2 存在问题分析

当各煤粉管道之间煤粉分配不均时，可能出现煤粉浓度过高、过低，流速过高、过低等情况。煤粉浓度过高时可出现以下情况：煤粉堵管，不能向炉内输送煤粉，同时引起管内煤粉自燃以致烧坏输粉管；煤粉燃烧不完全，效率低、CO增加、加剧炉膛内受热面及过热器受热面的高温腐蚀；炉膛及过热器局部结渣，严重影响锅炉的安全运行。煤粉浓度过低时，出现以下结果：炉膛温度降低，易灭火，锅炉气压降低，无法满足负荷要求；产生大量的NOX，污染环境，过热器超温，甚至引起过热器爆管等事故；为了提高气压，加大一次风（输粉管）流速，炉膛切圆偏移炉膛中心，造成炉墙局部结渣，尾部受热面烟温偏差过大，甚至引起爆管。

当煤粉和空气混合物的流速过高时，会影响煤粉最佳浓度，出现以下情况：加剧输粉管的磨损；燃烧器出口混合物流速过高，燃烧滞后，造成火焰中心偏斜并容易引起炉墙局部结焦以及炉膛尾部过热器局部超温爆管；燃烧不完全，灰中含碳量以及排烟温度增加，降低锅炉效率。当混合物流速过低时，除影响最佳煤粉浓度外，造成以下结果：输粉管沉积的煤粉增加，引起堵管；引起煤粉自燃，甚至发生煤粉管道爆炸；燃烧器出口混合物流速降低，煤粉大量与主气流分离，长久下去除造成煤耗增加，还会引起炉膛灭火以及二次燃烧堵死锅炉下部出灰口。

3 解决方案

解决以上问题的办法是通过在线测量煤粉管内煤粉的流速和质量流量，并以此为依据调整每个燃烧器的二次风量，实现燃烧的最佳状态。

在直吹式制粉系统中，煤粉量的控制是靠进入磨煤机的一次风量来控制的。因此，一次风流量信号显得尤为重要。对于文丘里管测流量，当其前后流场稳定及均匀时，其流量系数K为常数，只要测得流体密度与压差值，即可求出通风量。然而由于环境及设备条件的限制，使差压信号失真，系数K不是常数，最大偏差达34%以上，故通过挡板控制风量来调整进入锅炉的燃煤量不可靠。当锅炉负荷增减时，司炉工只能靠经验及测得的参考风量进行风煤的调整。如果在输粉管（即一次风管）安装煤粉流量和浓度在线测量装置，则能更好地控制煤粉量，降低煤耗，同时减轻司炉工劳动强度，改善劳动环境。对于直吹式制粉系统来说，在一次风管上安装煤粉流量和速度在线测量装置，除解决上述双进双出磨煤机风量测定误差大、不可靠问题外，还可发现直吹式分离器锁气器泄漏、不起作用等故障。

4 微波固体流量测量系统

4.1 测量原理

SolidFlow2PF微波固体流量测量仪采用先进的微波超短脉冲技术，为各类金属固体输料管槽的流量测量而设计，采用创新技术，具有美国和欧洲专利。它利用微波能量场和固体颗粒对微波的反射和多普勒特性，传感器向金属输料管道/料槽内的固体颗粒发射低能量微波信号，信号被固体反射后又被传感器接收到。通过移动物料的微波反射能量来测量物料的密度，相当于一个随着油田开发向自然条件苛刻的沙漠及海洋的延伸，油田越来越需要功能强、自动化程度高、体积小、操作方便的油井产出液计量设备来提高油藏的管理水平和劳动生产率[1-2]。然而，由于油井产出液是流型复杂、成份多变的多相流，要想对其直接进行精确计量比较困难。目前，多相计量技术的研究主要集中在基于各种射线或者超声波的层析射线成像技术，以及基于多信号处理技术、神经网络技术以及模糊模式识别技术等所谓“软”测量方法[3-4]。

近10年来，中国石油大学流体测试实验室在多相流体力学和多相流测量方面做了大量的基础理论研究和试验研究。在此基础上，基于“软”测量方法的考虑，开发出智能型多相流量计测系统，并且实现了工业样机的定型和现场实液测试，研究成果通过了相关部门的鉴定。

1 计测原理

将冲量定理应用于多相流质量流量的计测，并结合小孔出流模型的压降与出流速率的关系，确立了多相流体质量流量与相关多个物理参量之间的定量关系。利用人工神经网络建立专家系统，通过重复利用这种定量关系，并根据已知油、水各自单相的质量密度，进一步计测出油、水各相的质量流量，气体的质量流量由气体差压值拟合求解。

试验装置主体结构如图1，其计量流程可简单描述为：被计量多相流经三相流入口进入试验装置，经气液分离装置预分离后，气体主要积聚在样机的上部空间，并经气体旁路流入三相混合器；液相则经气液分离器下方的U形管组分测量仪进入冲量喷嘴，最后与气相在三相混合器混合后经三相流出口流出试验装置。

2 试验数据采集

近年来，对以前的试验装置进行了优化和改进，建立了新的试验装置，并在中国石油大学流体测试实验室进行了大量的实验室模拟试验。计量装置上的仪表和单相流量计的信号都要传给微机，为了准确采集各相参数，保证系统稳定运行，结合现场实际，设计了一套基于U303型数据采集卡的专用数据采集、监视系统，通过采集系统采集了大量数据样本，进行学习。

三相流模拟流体介质为白油、自来水、空气。本计测系统安装了2套差压传感器、2套微差压传感器、1套压力传感器、1套力传感器。信号传输采集部件主要包括信号线、信号转换器和数据采集卡。

在试验研究阶段，计测系统计测软件共采集9个通道（Channel）的信号。各学习工况的数据采集由实验室编制的采集程序自动完成，主要采集油相质量流量、气相质量流量、水相质量流量、喷嘴力传感器信号值、喷嘴差压传感器信号值、环形空间上行差压传感器信号值、环形空间下行差压传感器信号值、气体通道差压传感器信号值、容器体压力传感器信号值等9组数据。样本采集模块产生的学习样本包含16组数据，是在试验过程中不断完善的

结果，下面分组介绍。

前4个数据为第1组，是3个单相流量计在1个采样周期的累计流量信号以及采样周期。试验测

定采样周期为45s。数据对应的变量分别为：

oil-meter：油单相流量计的计测质量流量；

gas-meter：气单相流量计的计测质量流量；

water-meter：水单相流量计的计测质量流量；

time-cycle：采样周期。

接下来的4个数据为第2组，是多相流量计下部液相区的控制参量。数据对应的变量分别为：

afmx，sfmx：喷嘴力传感器信号的均值和方差；

apmx，spmx：喷嘴差压传感器信号的均值和方差。

接下来的4个数据为第3组，是多相流量计中部液相区的控制参量。数据对应的变量分别为：

apup，spup：环形空间上行微差压传感器信号的均值和方差；

apdn，spdn：环形空间下行微差压传感器信号的均值和方差。

最后4个数据为第4组，是多相流量计其他传感器的信号，数据对应的变量分别为：

apgs，spgs：气体通道差压传感器信号的均值和方差；

apvo，spvo：容器体压力传感器信号的均值和方差。

3 试验数据处理

3.1 建立计量专家系统

利用样本采集模块采集到的大量试验数据，寻求多参变量系统的特征参量与其状态参量之间的映射关系，建立“专家系统”，继而通过计测系统测量传感器信号的值，并由所建立的“专家系统”确定出相应状态参量的值，从而实现对多相流系统的测量。

为了寻求最优的参量之间的对应关系，在对工业样机的特征参量与状态参量的选取及构造其间的对应关系时，充分考虑测量原理并充分利用所得的测量数据，最终确定由以下方法来确定特征参量与状态参量之间的关系。