專利名稱：一種煤氣化爐中熔渣流動性的檢測方法
技術領域：
本發(fā)明涉及的是一種煤氣化爐中熔渣流動性檢測預警并控制堵渣的方法，尤其涉及的是一種煤氣化爐中熔渣流動性的檢測方法。
背景技術：
堵渣是干粉煤氣化工藝中普遍存在的問題之一。以Shell粉煤氣化工藝為例，堵渣主要有下渣口堵渣和渣池架渣兩種形式。當爐溫較低時，熔渣流動能力變差，渣層逐漸在會聚壁及渣口附近積累而變厚甚至固化，從而導致渣口堵渣；當操作條件變化較大時，掛在水冷壁上的渣層有可能會從爐膛內剝落，在下渣口架渣，使得熔渣繼續(xù)在下渣口附近積累，最終造成渣口堵渣。誘發(fā)渣池架渣的大渣塊的成因有三個，一是當爐溫較高時，排渣量大且 渣黏度低，熔渣在渣屏壁面上的沉積量較大，渣屏易結渣，附著在渣屏和渣池壁上的積渣，達到一定厚度并在操作條件發(fā)生大的波動時脫落，二是熔渣流動性差，在渣口掛瘤形成乳鐘石，掛渣脫落，三是熔渣流動性太好，瞬間流量過大，急冷水來不及淬冷碎裂，在渣池里形成不規(guī)則大渣塊。堵渣不僅給裝置的安全運行帶來嚴重危害，甚至還會直接導致裝置停車，特殊情況下還容易引起設備損壞等安全事故。以Shell粉煤氣化工藝為例，其“以渣抗渣”的設計對煤質的穩(wěn)定及爐溫操作窗口要求很苛刻。當煤質發(fā)生較大變化或工藝出現(xiàn)較大波動，氣化溫度跳出操作窗口范圍時，容易發(fā)生堵渣。檢測手段的匱乏給操作帶來極大的困難。目前，無法在線檢測煤質狀況，無法直接測量爐溫，無法在線檢測排渣狀態(tài)。因此，迫切需要在檢測技術上有所突破，提高操作穩(wěn)定性，保證煤氣化裝置的長周期穩(wěn)定運行。殼牌、德士古、三菱重工和浙江大學在排渣狀態(tài)的檢測方面做了諸多探索。殼牌在US4988368中提出通過比較渣池上方和氣化爐中聲壓的差異來判斷下渣口堵塞程度，在US4963163中提出通過比較氣化爐和急冷段聲壓的差異來判斷急冷段的堵塞程度，在US4850001中提出用放射性射線來檢測渣口的排渣狀態(tài)，在US4834778提出通過氣化爐和渣池外側環(huán)形空間的壓差來檢測渣口的堵塞程度。聲波法使用傳聲器來測量聲壓，但是，在氣化爐內高溫高壓的惡劣環(huán)境下傳聲器極易損壞，難以實現(xiàn)工業(yè)應用。放射性法對人體有危害，使用維護不方便。壓差法滯后大，不夠靈敏。德士古在EP0800569B1中，基于熔渣中的硫酸鹽溶解在渣池水中，使得水的pH值、電導率、硫酸根含量、總的固體含量等參數(shù)發(fā)生變化的原理，通過監(jiān)測這些參數(shù)的變化，對渣池中渣的含量進行檢測，間接地判斷排渣狀態(tài)。類似的，對渣池水溫度、渣池液位、破渣機油壓、送渣皮帶重量變化、收渣時間、撈渣機電流、渣池差壓、渣外觀、渣池水溫與進水溫差等關鍵參數(shù)和現(xiàn)象進行監(jiān)控，也可以實現(xiàn)對排渣過程的監(jiān)測。但是，此類方法滯后性較大，不夠靈敏。德士古在US5554202中提出使用稱重傳感器檢測會聚壁的重量，當會聚壁上發(fā)生堵渣或垮渣時，會聚壁的重量會發(fā)生變化，據(jù)此可以判斷是否發(fā)生堵渣。但是，會聚比的受力情況非常復雜，導致此種方法的誤差較大。三菱重工在US2010/0207785A1中提出在渣池中設置水聽器，通過監(jiān)聽熔渣落入渣池時產生的聲音和水汽蒸發(fā)產生的聲音來判斷排渣狀態(tài)。根據(jù)聲壓級把排渣過程分為連續(xù)排渣、間歇排渣和沒有排渣等三個狀態(tài)。間歇排渣的聲壓最高，連續(xù)排渣的聲壓居中，沒有排渣時的聲壓最低。進一步的在W02011/034184A1中引入照相機，通過在渣池上方設置兩個照相機，分別觀測渣口和渣池水面的落渣狀況，再結合渣池中水聽器的檢測結果來綜合判斷排渣狀態(tài)。但是，置于渣池內的水聽器和置于渣池上方空間內的照相機，均可能與熔渣或渣塊發(fā)生接觸，導致設備損壞，不能滿足長期監(jiān)控的要求。浙江大學在CN201010588856. 7中使用振動傳感器和導波桿接收會聚壁上熔渣流動產生的振動信號，實現(xiàn)熔渣臨界粘度溫度的檢測。在CN201010228582.0中使用同樣的檢測裝置，通過控制振動信號的能量或特征頻段的能量分率在目標范圍內，實現(xiàn)氣化爐的連續(xù)穩(wěn)定運行。但是，氣化爐內高溫高壓的惡劣環(huán)境和復雜多變的流場在工程上和技術上帶來了諸多問題，離工業(yè)化應用還有很大差距?，F(xiàn)有檢測渣口堵塞程度或排渣狀態(tài)的技術往往只有在渣口堵塞到一定程度或排渣狀態(tài)發(fā)生明顯改變時才會有明確的反映，而此時大渣塊已經形成，反應工況已經惡化，難以采取有效的措施來改善工況。為了提前預警堵渣，一種可行的方法是從檢測熔渣的流動 性入手，控制熔渣的粘度在操作窗口范圍內，即可有效地減少或避免堵渣。在氣化爐中來檢測熔渣的流動性存在諸多困難，而渣池上方和渣池中的條件相對溫和。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術的不足，提供了一種煤氣化爐中熔渣流動性的檢測方法，在渣池上方和渣池中采用聲波法來檢測熔渣的流動性，進而判斷其流動狀態(tài)，以實現(xiàn)堵渣的提前預警，防止堵渣的發(fā)生。本發(fā)明是通過以下技術方案實現(xiàn)的，本發(fā)明包括以下步驟(I)在煤氣化爐的渣池中設置至少一個聲波接收裝置用于接收渣池中的聲波信號，在渣池上方設置至少一個聲波接收裝置用于接收渣池上方的聲波信號；(2)對接收的聲波信號進行預處理，以去除噪聲；(3)對去噪后的聲波信號依次進行統(tǒng)計分析、傅里葉變換、小波分析、小波包分析，提取特征頻段的聲波能量E或聲波信號的頻率位移△ f作為特征參數(shù)；(4)將E或Λ f代入預測模型，得到各個聲波接收裝置測得的熔渣流動性指數(shù)，再對所有聲波接收裝置測得的熔渣流動性指數(shù)進行加權融合，得到熔渣流動性指數(shù)F ；(5)計算熔渣流動性指數(shù)F與控制目標值F。之間的偏差B，其中，5=~xl()0%
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9(6)當B>5%或B=5%時，說明熔渣流動性偏高，溫度偏高；當B〈_5%時，說明熔渣流動性偏低，溫度偏低，此時，通過調節(jié)負荷、氧煤比、水氧比等參數(shù)使熔渣流動性指數(shù)回歸目標值。本發(fā)明中的渣池上方指渣池液面上方、下渣口下方的空間。流動性指數(shù)用于表征熔渣的流動性，是熔渣粘度的函數(shù)。熔渣粘度越大，則流動性越差，流動性指數(shù)越?。蝗墼扯仍叫?，則流動性越好，流動性指數(shù)越大。特征頻段指對聲波信號進行傅里葉變化后，熔渣所產生的聲波信號所在的頻率區(qū)間。熔渣流動性越好，下落的速度越快，流動性越差，下落的速度越慢。速度不同的熔渣在下落過程中產生的聲波或撞擊導波桿、聲波傳感器所產生的聲波的能量或頻率是不同；速度不同的熔渣撞擊渣池水面時所產生的聲波的能量或頻率也是不同的。本發(fā)明通過這種熔渣速度變化帶來的聲波特征參數(shù)的變化來檢測熔渣的流動性。渣池上方和渣池中充斥著各種聲音，例如氣流和熔渣高速運動發(fā)出的聲音，熔渣碰撞渣屏或渣屏發(fā)出的聲音，熔渣碰撞渣池水發(fā)出的聲音，渣池內水汽化發(fā)出的聲音，噴灑環(huán)灑水的聲音，渣池內水流動的聲音，破渣機的聲音等等，一般工況下，聲壓級高達110 130dB。這些聲音多在20Hz 20kHz的可聽聲范圍內。因為水聽器和傳聲器多用于檢測低頻聲音信號，其主要頻響范圍集中在20Hz 20kHz的可聽聲范圍內，所以使用水聽器和傳聲器來檢測時很難去除噪聲信號的影響，往往只能從總的聲壓來判斷熔渣狀態(tài)，精度低且響應滯后。因此，使用具有更高頻率響應的聲發(fā)射傳感器或加速度傳感器來檢測渣池和渣池上方的聲波信號，重點研究頻率在20kHz以上的聲波信號的特征，可以去除大部分噪聲信號的干擾，提高測量的精度，縮短響應時間。 所述聲波接收裝置有4 8個，聲波接收裝置是聲波傳感器或者是聲波傳感器與導波桿的結合，所述聲波傳感器選自聲發(fā)射傳感器、加速度傳感器中的一種或兩種。聲波接收裝置中，聲波傳感器可以通過膠粘、磁吸附、夾具等方法直接固定在渣池外壁面。所述聲波傳感器的頻率響應范圍為20 kHz I MHz。渣池中和渣池上方的聲波傳感器可以相同也可以不同，優(yōu)選方案是選用同一類型，具有相同頻率響應特性的聲波傳感器。所述設置于渣池中的聲波接收裝置位于渣池液面上；所述設置于渣池上方的聲波接收裝置位于渣池和渣屏之間的縫隙處。所述聲波接收裝置是聲波傳感器與導波桿的結合時，所述導波桿的一端設置于渣池或渣池上方，聲波傳感器固定在導波桿的另一端；聲波接收裝置是聲波傳感器時，所述聲波傳感器設置于渣池和渣屏的外壁面上。在渣池中布置4 8個聲波接收裝置。聲波接收裝置可以安裝在渣池中任意高度，優(yōu)選方案是安裝在渣池液面附近。多個聲波接收裝置的安裝高度可以相同，也可以不同。渣池中一種優(yōu)選的聲波接收裝置布置方案是在渣池液面高度沿圓周均勻布置4 8個聲波接收裝置。聲波接收裝置中，聲波傳感器可以通過膠粘、磁吸附、夾具等方法直接固定在渣池外壁面；聲波傳感器加導波桿的組合裝置中，導波桿一端焊接在渣池外壁面上，另一端穿過反應器外壁或在反應器內，聲波傳感器固定在反應器外導波桿端；還可以米用導波桿，導波桿一端伸入渣池，另一端穿過反應器外壁或在反應器內，聲波傳感器固定在反應器外導波桿端。優(yōu)選方案是采用導波桿和聲波傳感器的組合方式。導波桿采用耐高溫、耐腐蝕的金屬制成。導波桿伸入渣池的長度大于零，小于渣池的直徑。在渣池上方布置4 8個聲波接收裝置。聲波接收裝置可以安裝在渣池上方任意高度，多個聲波接收裝置的安裝高度可以相同，也可以不同。聲波接收裝置中，聲波傳感器可以通過膠粘、磁吸附、夾具等方法直接固定在渣池外壁面；聲波傳感器加導波桿的組合裝置中，導波桿一端焊接在渣池外壁面上，另一端穿過反應器外壁或在反應器內，聲波傳感器固定在反應器外導波桿端；還可以采用導波桿，導波桿一端伸入渣池，另一端穿過反應器外壁或在反應器內，聲波傳感器固定在反應器外導波桿端。一種優(yōu)選的方案是導波桿通過渣池和渣屏之間的縫隙伸入渣池上方，在渣池上方同一高度沿圓周均勻布置4-8個聲波接收裝置。導波桿采用耐高溫、耐腐蝕的金屬制成。如果將傳感器直接置于渣池或渣池上方，可能與熔渣或渣塊發(fā)生接觸，導致設備損壞，不能滿足長期監(jiān)控的要求。使用聲波傳感器或聲波傳感器與導波桿的組合，避免了聲波傳感器與熔渣或渣塊的直接接觸，能夠滿足長期監(jiān)控的要求。聲波傳感器把采集到的聲波信號轉化為電信號，經信號放大裝置放大、采集裝置轉換后傳入信號處理裝置，處理結果顯示在輸出顯示裝置上，還可以根據(jù)需要將處理結果送入控制裝置，對熔渣的流動性進行調控。所述步驟(2)中，聲波信號的預處理方法采用平滑、微分、多元散射校正、傅里葉變換、小波變換中的一種或多種。平滑可以提高分析信號的信噪比，最常用的方法是移動式平 均平滑法和Savizky-Golay多項式平滑。微分可以消除基線漂移、強化譜帶特征、克服譜帶重疊。多元散射校正可以去除聲譜中不均勻性造成的噪聲，消除基線的不重復性。傅里葉變換能夠實現(xiàn)頻域函數(shù)與時域函數(shù)之間的轉換，其實質是把原聲譜分解成許多不同頻率的正弦波的疊加和，它可以用來對聲譜進行平滑去噪、數(shù)據(jù)壓縮以及信息的提取。小波變換能將信號根據(jù)頻率的不同分解成多種尺度成分，并對大小不同的尺度成分采取相應粗細的取樣步長，從而能夠聚焦于信號中的任何部分。對不同粘度的熔渣所產生的聲波信號進行分析發(fā)現(xiàn)，信號的特征頻段大于20KHz，且隨著熔渣流動性的增加，特征頻段的能量E和頻率位移Af呈現(xiàn)出單調性的變化。因此，用E或Af作為特征參數(shù)與熔渣流動性進行關聯(lián)。計算頻率位移Af需要選擇一個基準值?；鶞手悼梢赃x擇任一粘度的熔渣所產生地聲波信號特征頻段的主頻作為基準。例如，熔渣的粘度控制范圍為5_25Pa · s，以熔渣粘度為5Pa · s或25Pa · s時的聲波信號特征頻段的主頻作為基準。工業(yè)生產中，可以選擇剛開車時采集到的聲波信號的特征頻段的主頻作為基準。熔渣流動性指數(shù)是熔渣速度和熔渣粘度的函數(shù)。在實驗室中，熔渣粘度用粘度計測定，熔渣速度用攝像法或曝光法測定。本發(fā)明中的熔渣速度指渣口和渣池間熔渣的下落速度，在自由落體過程中，不同高度處的速度不同，測定初始速度或終端速度后可以計算得到各個高度處的速度。所述步驟(4)中，預測模型的建立方法包括以下步驟I)使用聲波接收裝置收集不同工況下的聲波信號；2)對聲波信號進行預處理，消除噪聲；3)采用統(tǒng)計分析、傅里葉變換、小波分析、小波包分析對經過預處理的聲波信號進行分析，提取特征參數(shù)E和Af;4)采用數(shù)據(jù)擬合或多元數(shù)據(jù)回歸方法將E和Λ f與熔渣流動性指數(shù)相關聯(lián)，分別建立預測模型。所述多元數(shù)據(jù)回歸方法選用多元線性回歸法、主成分回歸法、偏最小二乘法、人工神經網絡法、支持向量機法等數(shù)據(jù)處理方法中的一種或多種。多傳感器信息融合技術可以大幅提高信息的可信度和可探測性，增強系統(tǒng)的容錯能力和自適應性，改進檢測性能，提高空間分辨率，從而提高整個檢測系統(tǒng)的性能。本發(fā)明的技術方案中設置了聲波接收裝置陣列，采用加權融合對多個聲波接收裝置的檢測值進行融合，可以提高測量精度。所述步驟(4)中，對所有聲波接收裝置測得的熔渣流動性指數(shù)進行加權融合，得到熔渣流動性指數(shù)F，其計算公式為
權利要求
1.一種煤氣化爐中熔渣流動性的檢測方法，其特征在于，包括以下步驟 (1)在煤氣化爐的渣池中設置至少一個聲波接收裝置用于接收渣池中的聲波信號，在渣池上方設置至少一個聲波接收裝置用于接收渣池上方的聲波信號； (2)對接收的聲波信號進行預處理，以去除噪聲； (3)對去噪后的聲波信號依次進行統(tǒng)計分析、傅里葉變換、小波分析、小波包分析，提取特征頻段的聲波能量E或聲波信號的頻率位移△ f作為特征參數(shù)； (4)將E或Λf代入預測模型，得到各個聲波接收裝置測得的熔渣流動性指數(shù)，再對所有聲波接收裝置測得的熔渣流動性指數(shù)進行加權融合，得到熔渣流動性指數(shù)F ； (5)計算熔渣流動性指數(shù)F與控制目標值Ftl之間的偏差B， 其中，
2.根據(jù)權利要求I所述的一種煤氣化爐中熔渣流動性的檢測方法，其特征在于所述聲波接收裝置有4 8個，聲波接收裝置是聲波傳感器或者是聲波傳感器與導波桿的結合，所述聲波傳感器選自聲發(fā)射傳感器、加速度傳感器中的一種或兩種。
3.根據(jù)權利要求2所述的一種煤氣化爐中熔渣流動性的檢測方法，其特征在于所述聲波傳感器的頻率響應范圍為20 kHz I MHz。
4.根據(jù)權利要求2所述的一種煤氣化爐中熔渣流動性的檢測方法，其特征在于所述設置于渣池中的聲波接收裝置位于渣池液面上；所述設置于渣池上方的聲波接收裝置位于渣池和渣屏之間的縫隙處。
5.根據(jù)權利要求2所述的一種煤氣化爐中熔渣流動性的檢測方法，其特征在于所述聲波接收裝置是聲波傳感器與導波桿的結合時，所述導波桿的一端設置于渣池或渣池上方，聲波傳感器固定在導波桿的另一端；聲波接收裝置是聲波傳感器時，所述聲波傳感器設置于渣池和渣屏的外壁面上。
6.根據(jù)權利要求I所述的一種煤氣化爐中熔渣流動性的檢測方法，其特征在于所述步驟(2)中，聲波信號的預處理方法采用平滑、微分、多元散射校正、傅里葉變換、小波變換中的一種或多種。
7.根據(jù)權利要求I所述的一種煤氣化爐中熔渣流動性的檢測方法，其特征在于所述步驟(4)中，預測模型的建立方法包括以下步驟 1)使用聲波接收裝置收集不同工況下的聲波信號； 2)對聲波信號進行預處理，消除噪聲； 3)采用統(tǒng)計分析、傅里葉變換、小波分析、小波包分析對經過預處理的聲波信號進行分析，提取特征參數(shù)E和Af; 4)采用數(shù)據(jù)擬合或多元數(shù)據(jù)回歸方法將E和△f與熔渣流動性指數(shù)相關聯(lián)，分別建立預測模型。
8.根據(jù)權利要求7所述的一種煤氣化爐中熔渣流動性的檢測方法，其特征在于所述多元數(shù)據(jù)回歸方法選用多元線性回歸法、主成分回歸法、偏最小二乘法、人工神經網絡法、支持向量機法等數(shù)據(jù)處理方法中的一種或多種。
9.根據(jù)權利要求I所述的一種煤氣化爐中熔渣流動性的檢測方法，其特征在于所述步驟(4)中，對所有聲波接收裝置測得的熔渣流動性指數(shù)進行加權融合，得到熔渣流動性指數(shù)F，其計算公式為
全文摘要
本發(fā)明公開了一種煤氣化爐中熔渣流動性的檢測方法，包括以下步驟聲波信號的采集；聲波信號的預處理；聲波信號特征參數(shù)的提取；預測模型的建立；熔渣流動性的檢測。本發(fā)明的聲發(fā)射傳感器或加速度傳感器與導波桿結合的檢測方法具有穩(wěn)定、安全、環(huán)保等特點，適用于工業(yè)生產過程的在線檢測；采用聲波接收裝置陣列，通過多傳感器數(shù)據(jù)融合提高了測量精度；基于聲波檢測的熔渣流動性指數(shù)檢測技術實現(xiàn)了熔渣流動性的在線檢測，與現(xiàn)有技術相比，更為靈敏，檢測精度更高；基于熔渣流動性指數(shù)檢測的堵渣預警和控制技術實現(xiàn)了堵渣的提前預警，可以把熔渣粘度控制在目標值的±5%以內，有效避免堵渣的發(fā)生。
文檔編號G01N11/00GK102879300SQ20121035966
公開日2013年1月16日 申請日期2012年9月24日 優(yōu)先權日2012年9月24日
發(fā)明者黃正梁, 盛新, 王靖岱, 黃曉華, 趙錦波, 汪永慶, 何樂路, 張傳玉, 陽永榮, 潘功勝 申請人:中國石油化工股份有限公司, 浙江大學