专利名称：一种煤气化炉中熔渣流动性的检测方法
技术领域：
本发明涉及的是一种煤气化炉中熔渣流动性检测预警并控制堵渣的方法，尤其涉及的是一种煤气化炉中熔渣流动性的检测方法。
背景技术：
堵渣是干粉煤气化工艺中普遍存在的问题之一。以Shell粉煤气化工艺为例，堵渣主要有下渣口堵渣和渣池架渣两种形式。当炉温较低时，熔渣流动能力变差，渣层逐渐在会聚壁及渣口附近积累而变厚甚至固化，从而导致渣口堵渣；当操作条件变化较大时，挂在水冷壁上的渣层有可能会从炉膛内剥落，在下渣口架渣，使得熔渣继续在下渣口附近积累，最终造成渣口堵渣。诱发渣池架渣的大渣块的成因有三个，一是当炉温较高时，排渣量大且 渣黏度低，熔渣在渣屏壁面上的沉积量较大，渣屏易结渣，附着在渣屏和渣池壁上的积渣，达到一定厚度并在操作条件发生大的波动时脱落，二是熔渣流动性差，在渣口挂瘤形成乳钟石，挂渣脱落，三是熔渣流动性太好，瞬间流量过大，急冷水来不及淬冷碎裂，在渣池里形成不规则大渣块。堵渣不仅给装置的安全运行带来严重危害，甚至还会直接导致装置停车，特殊情况下还容易引起设备损坏等安全事故。以Shell粉煤气化工艺为例，其“以渣抗渣”的设计对煤质的稳定及炉温操作窗口要求很苛刻。当煤质发生较大变化或工艺出现较大波动，气化温度跳出操作窗口范围时，容易发生堵渣。检测手段的匮乏给操作带来极大的困难。目前，无法在线检测煤质状况，无法直接测量炉温，无法在线检测排渣状态。因此，迫切需要在检测技术上有所突破，提高操作稳定性，保证煤气化装置的长周期稳定运行。壳牌、德士古、三菱重工和浙江大学在排渣状态的检测方面做了诸多探索。壳牌在US4988368中提出通过比较渣池上方和气化炉中声压的差异来判断下渣口堵塞程度，在US4963163中提出通过比较气化炉和急冷段声压的差异来判断急冷段的堵塞程度，在US4850001中提出用放射性射线来检测渣口的排渣状态，在US4834778提出通过气化炉和渣池外侧环形空间的压差来检测渣口的堵塞程度。声波法使用传声器来测量声压，但是，在气化炉内高温高压的恶劣环境下传声器极易损坏，难以实现工业应用。放射性法对人体有危害，使用维护不方便。压差法滞后大，不够灵敏。德士古在EP0800569B1中，基于熔渣中的硫酸盐溶解在渣池水中，使得水的pH值、电导率、硫酸根含量、总的固体含量等参数发生变化的原理，通过监测这些参数的变化，对渣池中渣的含量进行检测，间接地判断排渣状态。类似的，对渣池水温度、渣池液位、破渣机油压、送渣皮带重量变化、收渣时间、捞渣机电流、渣池差压、渣外观、渣池水温与进水温差等关键参数和现象进行监控，也可以实现对排渣过程的监测。但是，此类方法滞后性较大，不够灵敏。德士古在US5554202中提出使用称重传感器检测会聚壁的重量，当会聚壁上发生堵渣或垮渣时，会聚壁的重量会发生变化，据此可以判断是否发生堵渣。但是，会聚比的受力情况非常复杂，导致此种方法的误差较大。三菱重工在US2010/0207785A1中提出在渣池中设置水听器，通过监听熔渣落入渣池时产生的声音和水汽蒸发产生的声音来判断排渣状态。根据声压级把排渣过程分为连续排渣、间歇排渣和没有排渣等三个状态。间歇排渣的声压最高，连续排渣的声压居中，没有排渣时的声压最低。进一步的在W02011/034184A1中引入照相机，通过在渣池上方设置两个照相机，分别观测渣口和渣池水面的落渣状况，再结合渣池中水听器的检测结果来综合判断排渣状态。但是，置于渣池内的水听器和置于渣池上方空间内的照相机，均可能与熔渣或渣块发生接触，导致设备损坏，不能满足长期监控的要求。浙江大学在CN201010588856. 7中使用振动传感器和导波杆接收会聚壁上熔渣流动产生的振动信号，实现熔渣临界粘度温度的检测。在CN201010228582.0中使用同样的检测装置，通过控制振动信号的能量或特征频段的能量分率在目标范围内，实现气化炉的连续稳定运行。但是，气化炉内高温高压的恶劣环境和复杂多变的流场在工程上和技术上带来了诸多问题，离工业化应用还有很大差距。现有检测渣口堵塞程度或排渣状态的技术往往只有在渣口堵塞到一定程度或排渣状态发生明显改变时才会有明确的反映，而此时大渣块已经形成，反应工况已经恶化，难以采取有效的措施来改善工况。为了提前预警堵渣，一种可行的方法是从检测熔渣的流动 性入手，控制熔渣的粘度在操作窗口范围内，即可有效地减少或避免堵渣。在气化炉中来检测熔渣的流动性存在诸多困难，而渣池上方和渣池中的条件相对温和。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供了一种煤气化炉中熔渣流动性的检测方法，在渣池上方和渣池中采用声波法来检测熔渣的流动性，进而判断其流动状态，以实现堵渣的提前预警，防止堵渣的发生。本发明是通过以下技术方案实现的，本发明包括以下步骤(I)在煤气化炉的渣池中设置至少一个声波接收装置用于接收渣池中的声波信号，在渣池上方设置至少一个声波接收装置用于接收渣池上方的声波信号；(2)对接收的声波信号进行预处理，以去除噪声；(3)对去噪后的声波信号依次进行统计分析、傅里叶变换、小波分析、小波包分析，提取特征频段的声波能量E或声波信号的频率位移△ f作为特征参数；(4)将E或Λ f代入预测模型，得到各个声波接收装置测得的熔渣流动性指数，再对所有声波接收装置测得的熔渣流动性指数进行加权融合，得到熔渣流动性指数F ；(5)计算熔渣流动性指数F与控制目标值F。之间的偏差B，其中，5=~xl()0%
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9(6)当B>5%或B=5%时，说明熔渣流动性偏高，温度偏高；当B〈_5%时，说明熔渣流动性偏低，温度偏低，此时，通过调节负荷、氧煤比、水氧比等参数使熔渣流动性指数回归目标值。本发明中的渣池上方指渣池液面上方、下渣口下方的空间。流动性指数用于表征熔渣的流动性，是熔渣粘度的函数。熔渣粘度越大，则流动性越差，流动性指数越小；熔渣粘度越小，则流动性越好，流动性指数越大。特征频段指对声波信号进行傅里叶变化后，熔渣所产生的声波信号所在的频率区间。熔渣流动性越好，下落的速度越快，流动性越差，下落的速度越慢。速度不同的熔渣在下落过程中产生的声波或撞击导波杆、声波传感器所产生的声波的能量或频率是不同；速度不同的熔渣撞击渣池水面时所产生的声波的能量或频率也是不同的。本发明通过这种熔渣速度变化带来的声波特征参数的变化来检测熔渣的流动性。渣池上方和渣池中充斥着各种声音，例如气流和熔渣高速运动发出的声音，熔渣碰撞渣屏或渣屏发出的声音，熔渣碰撞渣池水发出的声音，渣池内水汽化发出的声音，喷洒环洒水的声音，渣池内水流动的声音，破渣机的声音等等，一般工况下，声压级高达110 130dB。这些声音多在20Hz 20kHz的可听声范围内。因为水听器和传声器多用于检测低频声音信号，其主要频响范围集中在20Hz 20kHz的可听声范围内，所以使用水听器和传声器来检测时很难去除噪声信号的影响，往往只能从总的声压来判断熔渣状态，精度低且响应滞后。因此，使用具有更高频率响应的声发射传感器或加速度传感器来检测渣池和渣池上方的声波信号，重点研究频率在20kHz以上的声波信号的特征，可以去除大部分噪声信号的干扰，提高测量的精度，缩短响应时间。 所述声波接收装置有4 8个，声波接收装置是声波传感器或者是声波传感器与导波杆的结合，所述声波传感器选自声发射传感器、加速度传感器中的一种或两种。声波接收装置中，声波传感器可以通过胶粘、磁吸附、夹具等方法直接固定在渣池外壁面。所述声波传感器的频率响应范围为20 kHz I MHz。渣池中和渣池上方的声波传感器可以相同也可以不同，优选方案是选用同一类型，具有相同频率响应特性的声波传感器。所述设置于渣池中的声波接收装置位于渣池液面上；所述设置于渣池上方的声波接收装置位于渣池和渣屏之间的缝隙处。所述声波接收装置是声波传感器与导波杆的结合时，所述导波杆的一端设置于渣池或渣池上方，声波传感器固定在导波杆的另一端；声波接收装置是声波传感器时，所述声波传感器设置于渣池和渣屏的外壁面上。在渣池中布置4 8个声波接收装置。声波接收装置可以安装在渣池中任意高度，优选方案是安装在渣池液面附近。多个声波接收装置的安装高度可以相同，也可以不同。渣池中一种优选的声波接收装置布置方案是在渣池液面高度沿圆周均匀布置4 8个声波接收装置。声波接收装置中，声波传感器可以通过胶粘、磁吸附、夹具等方法直接固定在渣池外壁面；声波传感器加导波杆的组合装置中，导波杆一端焊接在渣池外壁面上，另一端穿过反应器外壁或在反应器内，声波传感器固定在反应器外导波杆端；还可以米用导波杆，导波杆一端伸入渣池，另一端穿过反应器外壁或在反应器内，声波传感器固定在反应器外导波杆端。优选方案是采用导波杆和声波传感器的组合方式。导波杆采用耐高温、耐腐蚀的金属制成。导波杆伸入渣池的长度大于零，小于渣池的直径。在渣池上方布置4 8个声波接收装置。声波接收装置可以安装在渣池上方任意高度，多个声波接收装置的安装高度可以相同，也可以不同。声波接收装置中，声波传感器可以通过胶粘、磁吸附、夹具等方法直接固定在渣池外壁面；声波传感器加导波杆的组合装置中，导波杆一端焊接在渣池外壁面上，另一端穿过反应器外壁或在反应器内，声波传感器固定在反应器外导波杆端；还可以采用导波杆，导波杆一端伸入渣池，另一端穿过反应器外壁或在反应器内，声波传感器固定在反应器外导波杆端。一种优选的方案是导波杆通过渣池和渣屏之间的缝隙伸入渣池上方，在渣池上方同一高度沿圆周均匀布置4-8个声波接收装置。导波杆采用耐高温、耐腐蚀的金属制成。如果将传感器直接置于渣池或渣池上方，可能与熔渣或渣块发生接触，导致设备损坏，不能满足长期监控的要求。使用声波传感器或声波传感器与导波杆的组合，避免了声波传感器与熔渣或渣块的直接接触，能够满足长期监控的要求。声波传感器把采集到的声波信号转化为电信号，经信号放大装置放大、采集装置转换后传入信号处理装置，处理结果显示在输出显示装置上，还可以根据需要将处理结果送入控制装置，对熔渣的流动性进行调控。所述步骤(2)中，声波信号的预处理方法采用平滑、微分、多元散射校正、傅里叶变换、小波变换中的一种或多种。平滑可以提高分析信号的信噪比，最常用的方法是移动式平 均平滑法和Savizky-Golay多项式平滑。微分可以消除基线漂移、强化谱带特征、克服谱带重叠。多元散射校正可以去除声谱中不均匀性造成的噪声，消除基线的不重复性。傅里叶变换能够实现频域函数与时域函数之间的转换，其实质是把原声谱分解成许多不同频率的正弦波的叠加和，它可以用来对声谱进行平滑去噪、数据压缩以及信息的提取。小波变换能将信号根据频率的不同分解成多种尺度成分，并对大小不同的尺度成分采取相应粗细的取样步长，从而能够聚焦于信号中的任何部分。对不同粘度的熔渣所产生的声波信号进行分析发现，信号的特征频段大于20KHz，且随着熔渣流动性的增加，特征频段的能量E和频率位移Af呈现出单调性的变化。因此，用E或Af作为特征参数与熔渣流动性进行关联。计算频率位移Af需要选择一个基准值。基准值可以选择任一粘度的熔渣所产生地声波信号特征频段的主频作为基准。例如，熔渣的粘度控制范围为5_25Pa · s，以熔渣粘度为5Pa · s或25Pa · s时的声波信号特征频段的主频作为基准。工业生产中，可以选择刚开车时采集到的声波信号的特征频段的主频作为基准。熔渣流动性指数是熔渣速度和熔渣粘度的函数。在实验室中，熔渣粘度用粘度计测定，熔渣速度用摄像法或曝光法测定。本发明中的熔渣速度指渣口和渣池间熔渣的下落速度，在自由落体过程中，不同高度处的速度不同，测定初始速度或终端速度后可以计算得到各个高度处的速度。所述步骤(4)中，预测模型的建立方法包括以下步骤I)使用声波接收装置收集不同工况下的声波信号；2)对声波信号进行预处理，消除噪声；3)采用统计分析、傅里叶变换、小波分析、小波包分析对经过预处理的声波信号进行分析，提取特征参数E和Af;4)采用数据拟合或多元数据回归方法将E和Λ f与熔渣流动性指数相关联，分别建立预测模型。所述多元数据回归方法选用多元线性回归法、主成分回归法、偏最小二乘法、人工神经网络法、支持向量机法等数据处理方法中的一种或多种。多传感器信息融合技术可以大幅提高信息的可信度和可探测性，增强系统的容错能力和自适应性，改进检测性能，提高空间分辨率，从而提高整个检测系统的性能。本发明的技术方案中设置了声波接收装置阵列，采用加权融合对多个声波接收装置的检测值进行融合，可以提高测量精度。所述步骤(4)中，对所有声波接收装置测得的熔渣流动性指数进行加权融合，得到熔渣流动性指数F，其计算公式为
权利要求
1.一种煤气化炉中熔渣流动性的检测方法，其特征在于，包括以下步骤 (1)在煤气化炉的渣池中设置至少一个声波接收装置用于接收渣池中的声波信号，在渣池上方设置至少一个声波接收装置用于接收渣池上方的声波信号； (2)对接收的声波信号进行预处理，以去除噪声； (3)对去噪后的声波信号依次进行统计分析、傅里叶变换、小波分析、小波包分析，提取特征频段的声波能量E或声波信号的频率位移△ f作为特征参数； (4)将E或Λf代入预测模型，得到各个声波接收装置测得的熔渣流动性指数，再对所有声波接收装置测得的熔渣流动性指数进行加权融合，得到熔渣流动性指数F ； (5)计算熔渣流动性指数F与控制目标值Ftl之间的偏差B， 其中，
2.根据权利要求I所述的一种煤气化炉中熔渣流动性的检测方法，其特征在于所述声波接收装置有4 8个，声波接收装置是声波传感器或者是声波传感器与导波杆的结合，所述声波传感器选自声发射传感器、加速度传感器中的一种或两种。
3.根据权利要求2所述的一种煤气化炉中熔渣流动性的检测方法，其特征在于所述声波传感器的频率响应范围为20 kHz I MHz。
4.根据权利要求2所述的一种煤气化炉中熔渣流动性的检测方法，其特征在于所述设置于渣池中的声波接收装置位于渣池液面上；所述设置于渣池上方的声波接收装置位于渣池和渣屏之间的缝隙处。
5.根据权利要求2所述的一种煤气化炉中熔渣流动性的检测方法，其特征在于所述声波接收装置是声波传感器与导波杆的结合时，所述导波杆的一端设置于渣池或渣池上方，声波传感器固定在导波杆的另一端；声波接收装置是声波传感器时，所述声波传感器设置于渣池和渣屏的外壁面上。
6.根据权利要求I所述的一种煤气化炉中熔渣流动性的检测方法，其特征在于所述步骤(2)中，声波信号的预处理方法采用平滑、微分、多元散射校正、傅里叶变换、小波变换中的一种或多种。
7.根据权利要求I所述的一种煤气化炉中熔渣流动性的检测方法，其特征在于所述步骤(4)中，预测模型的建立方法包括以下步骤 1)使用声波接收装置收集不同工况下的声波信号； 2)对声波信号进行预处理，消除噪声； 3)采用统计分析、傅里叶变换、小波分析、小波包分析对经过预处理的声波信号进行分析，提取特征参数E和Af; 4)采用数据拟合或多元数据回归方法将E和△f与熔渣流动性指数相关联，分别建立预测模型。
8.根据权利要求7所述的一种煤气化炉中熔渣流动性的检测方法，其特征在于所述多元数据回归方法选用多元线性回归法、主成分回归法、偏最小二乘法、人工神经网络法、支持向量机法等数据处理方法中的一种或多种。
9.根据权利要求I所述的一种煤气化炉中熔渣流动性的检测方法，其特征在于所述步骤(4)中，对所有声波接收装置测得的熔渣流动性指数进行加权融合，得到熔渣流动性指数F，其计算公式为
全文摘要
本发明公开了一种煤气化炉中熔渣流动性的检测方法，包括以下步骤声波信号的采集；声波信号的预处理；声波信号特征参数的提取；预测模型的建立；熔渣流动性的检测。本发明的声发射传感器或加速度传感器与导波杆结合的检测方法具有稳定、安全、环保等特点，适用于工业生产过程的在线检测；采用声波接收装置阵列，通过多传感器数据融合提高了测量精度；基于声波检测的熔渣流动性指数检测技术实现了熔渣流动性的在线检测，与现有技术相比，更为灵敏，检测精度更高；基于熔渣流动性指数检测的堵渣预警和控制技术实现了堵渣的提前预警，可以把熔渣粘度控制在目标值的±5%以内，有效避免堵渣的发生。
文档编号G01N11/00GK102879300SQ20121035966
公开日2013年1月16日 申请日期2012年9月24日 优先权日2012年9月24日
发明者黄正梁, 盛新, 王靖岱, 黄晓华, 赵锦波, 汪永庆, 何乐路, 张传玉, 阳永荣, 潘功胜 申请人:中国石油化工股份有限公司, 浙江大学