高温液体流量检测系统及其在锌精馏中的应用

2007-03-09 19:03:27来源: 互联网
摘要:鉴于高温液体的流量难以直接检测,利用软测量技术,提出了一种间接检测流量的方法——称重法。该方法根据流体力学中孔中出流的基本原理,得出重量与流量之间的数学模型,然后通过检测到的重量计算流量。该流量检测系统已成功地应用于某冶炼厂的锌精馏过程。实际运行结果表明,该方法的精度达到1.5%,满足实际生产要求。 关键词:高温液体 流量检测 软测量技术 孔口出流 称重传感器 在有色金属冶炼过程中,金属液体的流量是一个非常重要的工艺参数。例如在锌的精馏过程中,锌液流量的稳定与否直接影响精馏塔的寿命,而且对精锌的纯度及有价金属的回收率有着很大的影响。因此,采用合理的检测手段,精确地检测锌液流量,就成了锌冶炼厂亟待解决的问题。然而,在实际生产中,锌液的温度非常高(一般在600~650℃之间),而且具有较强的腐蚀性,因此不可能用一般的流量计检测其流量。 虽然现在有许多高温流量计问世,但是还没有见到能够检测600℃以上流体流量的仪表的报道。 软测量技术就是通过软件的手段,实现对那些重要而又难以直接检测的变量的在线检测。其基本原理是根据某些最优准则,选择一组在工业上容易检测而且与主导变量(Primary Variable,即待测变量)有密切关系的辅助变量(Secondary Variable),通过构造某种数字关系,用计算机软件实现对主导变量的在线估计。目前,人们对软测量技术进行了广泛的研究,并取得了很大的成果[2~4]。 本文利用软测量技术,提出一种间接检测流量的方法——称重法。它以流体力学中孔口出流基本原理为依据,分析了影响流量的主要因素——液位高度(即液体重量)对流量的影响;通过孔口出流试验,获得不同重量下的流量值,然后利用最小二乘法,建立了流量与重量之间的数学模型,最后通过称重传感器检测到的重量值计算实际的流量。 1 流量检测原理 为了检测从熔炼炉流入精馏塔的锌液流量,在熔炼炉与精馏塔之间增加了一个过渡的方形流槽。锌液从熔炼炉流入流槽,然后从其侧壁的一个圆孔流出到精馏塔中。这样,单位时间内从圆孔流出的锌液重量就是所要检测的锌液流量。锌液从流槽的圆孔中流出,从流体力学的观点来看,实际上就是孔口出流。 1.1 孔口出流基本理论 液体经过孔口出流是一个广泛应用的实际问题,其基本原理可以用图1表示[1]。 容器中的液体在重力作用下,从其侧壁的小孔流出,根据流体力学的理论,此时的体积流量可以用公式(1)表示: 式中,Cd表示流量系数,A表示小孔的面积,g为重力加速度,H为液位高度。 1.2 称得法原理 由公式(1)可以看出,液体的体积流量Qv取决于流量系数Cd、孔口面积A及液位高度H。而影响Cd的主要因素是孔口雷诺数Re以及孔口形状及面积。而雷诺数Re又是由孔口形状、面积、液位高度及液体的动动粘度v共同决定的。对于圆孔,其孔口形状已经确定,因此影响Qv的主要因素就是液位高度H、孔口直径D和运行粘度v,用数学公式表示如下: Qv=f(H,D,v) (2) 然而,在锌的精馏过程中,锌液的表面会浮有一层氧化锌固体,其厚度不均匀,因此不便于测量流槽中锌液的液高度H。但是氧化锌的重量非常轻,对于流槽中的锌液来说,完全可以忽略,而测量流槽中锌液的重量是比较容量的。由于流槽的尺寸已知,因此其中锌液的液位高度H就与锌液(高出圆孔的那一部分)的重量和锌液密度的比值成正比。因此,(2)式可以改为: QG=f"[G/(S%26;#183;ρzn),D,v] %26;#183;ρzn (3) 式中,QG表示锌液的重量流量,S表示流槽的底面积。 锌游人密度ρzn及运动粘度v都是由其温度决定的。在实际生产中,温度变化范围是600~650℃。这样可以知道密度变化范围为6.81~6.77g/ml,运动粘度变化范围为0.3568~0.3261μm2/s。因为它们的变化很小,对流量影响不大,可以视其为常量(后面的试验结果可以证明,这样的简化是合理的,不会对模型精度产生很大的影响)。另外,流槽的尺寸是固定的,也就是说,流槽底面积和孔口直径也是常量。这样,流量就只与重量有关,可用数字式表示为: QG=f(G) (4) 因此,只要找出流量与重量之间的关系,就可将流量检测问题转化成了重量检测问题。而重量的测量是比较容易的,这就是称重法的基本原理。 2 流量模型的拟合 2.1 孔口出流试验 为了找出流槽中锌液的流量与重量之间的关系,我们做了如下的孔口出流试验。先在流槽中装满锌液,然后打开圆孔,让锌液自由的流出。在锌液流出过程中,不停地测量流槽中锌液(高于小圆孔位置的那部分锌液)的重量。试验中,每隔一秒钟测量一次,直到流槽中锌液的液位与孔口持平(即锌液重量接近于零,此时,锌液不再外流)。设锌液的重量用G(t)表示,则其流量QG(t)可以表示为: QG(t)=(d/dt)G(t) (5) 由于试验中,采样间隔为1s,所以,锌液流量可以近似的表示为: QG(t)=G(t)-G(t+1) (6) 式中,G(t)、G(t+1)分别表示t和t+1时刻的锌液重量。这样,就可以得出在t时刻,锌液重量为G(t)时锌液的流量值。 2.2 模型拟合 由前面的分析可以看出,重量(也就是液位高度)与流量之间的关系非常复杂,很难用一个简单的数字表达式来描述。而在实际生产中,重量只有在一个比较窄的范围内波动,超过这个范围的情况对我们来说是没有意义的。因此,为了简化问题,我们只考虑这个范围内的情况,这样可以用一个二元多项式函数来近似的描述两者之间的关系。即: QG=a0+a1G+a2G2 (7) 式中,a0、a1和a2为待定的多项式系数。为了确定这些系数,采用最小二乘法,对孔口出流试验所获得的数据进行拟合,其拟合结果如图2所示。其中的不光滑曲线为试验数据,光滑曲线为拟合结果。其中的重量单位为kg,而流量单位为吨/班。拟合的结果为: QG=6.01+0.26167G-0.000817G2 (8) 针对不同温度下(600~650℃之间)的锌液, 做了另外四组孔口出流试验,其拟合结果如图3所示。从图中可以看出,五条拟合曲线非常接近。这样通过试验就证明了,当锌液温度变化不大时,其密度和运动粘度对流量的影响可以忽略,也就是说,将这两个参数视为常数是合理的。 3 实际系统的设计及应用 高温流量检测系统包括硬件和软件两个部分。 3.1 系统硬件结构 该系统利用称重传感器测量流槽中锌液的重量,然后根据系统试验所获得的数学模型在线估计流量的大小。其硬件装置主要包括称重传感器、变送器、数据采集卡和工业控制计算机,硬件结构框图如图4所示。 (1)称重传感器 为了保证流量模型的精度,必须让流槽保持水平。为此,我们用了三个称重传感器。该系统使用的称重传感器是美国SENSORTRONICS公司生产的60001 S型拉压传感器。该产品采用S型剪切设计,具有高灵敏度输出、多层介质密封、高可靠性等特点,适用于拉、压场合。由于现场的温度很高,因此我们采用的是高温型传感器,其适应温度为200℃。 (2)变送器 由于称重传感器的输出信号是毫伏信号,不能进行远距离传输,而生产现场,采样信号必须传输几十米。为此,必须使用变送器将毫伏信号转换为适于传输的伏级信号或毫安信号。 (3)数据采集卡和工控机 本系统采用的数据采集卡和工控机都是研祥公司的产品。 3.2 软件的设计 本系统软件采用Visul C++6.0编制。称重传感器检测到的重量信号通过变送器传送给数据采集卡,经过采集卡的A/D转换成为数字信号给工控机。工控机根据建立的流量模型,计算出流量并显示,完成流量监视任务。 在生产过程中,流槽的一些变化会发生一些小的改变,如锌流出流的圆孔尺寸发生变化,可能会使得原来的流量模型精度受到影响。为此,软件设计了重建模型的功能,只要按前面介绍的方法做一次孔口出流试验,软件就能够自动的重新建立模型,保证模型的精度。 另外,为了让操作人员了解以前的生产情况,该软件还具备数据查询和统计功能。 3.3 实际应用 该系统已经投入某冶炼厂的锌精馏过程,表1是系统运行四天的结果。 表1 高温液体流量检测系统运行结果 日期 班 次 锌液流出量/吨 早班 中班 晚班 2002-1-24 实际值 19.12 17.96 19.89 检测值 18.87 17.83 20.11 2002-1-25 实际值 18.89 18.52 19.81 检测值 19.07 18.43 20.21 2002-1-26 实际值 19.52 18.12 20.12 检测值 19.31 17.97 19.88 2002-1-27 实际值 18.99 18.02 20.34 检测值 18.87 17.93 20.22 从表中可以看出,该系统的检测精度达到1.5%,完全满足生产的需求。 本文利用软测量技术,提出了一种间接检测高温液体流量的方法,并应用于某冶炼厂锌精馏过程的锌液流量检测系统。实际运行结果表明该方法具有较高的精度,完全满足生产的要求。该系统的设入运行,对锌精馏过程进行监视,对现场操作人员具有指导作用,并为锌液流量的控制打好了基础。 高温金属液体流量的检测,是有色金属冶炼行业所面临的一个很大的技术难题。本文提出的方法对这些行具有很好的借鉴意义。

关键字:高温  检测  系统  应用

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