图1 自激式除尘器原理
Fig.1 Priciple of self-excited deduster
科研成果
王冬雪， 李小川， 魏涛， 胡海彬， 向武
(中国矿业大学 化工学院， 江苏 徐州 221008)
摘要：自激式除尘器内气液混合状态因运行环境密闭而难于实时观测，无法及时避免气液耦合过程中液面波动和捕集体间歇性激发引起的粉尘逃逸，造成除尘器运行参数液位、风速等的确定缺乏科学依据，除尘效率难以保证。针对上述问题，设计了一套自激式除尘器在线监测系统，该系统将除尘器压力信号所具有的阻力参数、液位参数、功率谱密度值、相对功率谱密度值及频率特征段5种特征参数作为气液两相流流型变化识别依据，对除尘器内部气液流动形态进行定量识别，并对其各项运行参数进行调节，实现了自激式除尘器内气液混合状态的在线监测。试验结果表明，在线监测系统能够对除尘器气液流动形态进行实时精准判别，整体识别率为95.6%。
关键词：自激式除尘器； 在线监测； 流型识别； 气液流动模式； 功率谱密度； 阻力参数； 液位参数
Abstract:Due to unobservable operating environment, gas-liquid mixing state of self-excited deduster can not be observed in real time, so it is difficult to avoid dust escape caused by fluctuation of liquid surface and intermittent excitation of traps in gas fluid coupling process, and determining of operating parameters (liquid level, wind speed, etc) of the deduster lacks of scientific basis, so it is difficult to guarantee removal efficiency of the deduster. In order to solve the above problems, an on-line monitoring system for self-excited deduster was designed. The system uses five characteristics parameters as the important identification basis of flow pattern to identify the gas-liquid flow pattern inside the deduster quantitatively, including resistance parameter, liquid level parameter, power spectral density value, relative power spectral density value and frequency characteristic segment of pressure signal. The system can adjust operating parameters of the deduster, and realizes on-line monitoring of gas-liquid mixing state in the self-excited deduster.Test results show that the system can realize real-time and precise recognition for gas-liquid flow pattern of deduster with 95.6% recognition rate.
Keywords:self-excited deduster; on-line monitoring; flow pattern recognition; gas-liquid flow pattern; power spectral density; resistance parameter; liquid level parameter
煤炭在装卸运输过程中会产生严重的粉尘污染，大量的粉尘不仅给煤矿工作人员的身体健康带来极大威胁[1]，而且极易引发爆炸事故，给人们的生命安全带来隐患，因此，加强除尘装备的研发,保证煤矿企业的生产安全,具有重要意义。
在众多的除尘设备中，自激式除尘器因结构简单、操作方便、运行成本低而备受煤矿等高排放企业的青睐，也吸引了诸多国内外学者关注。文献[2-4]对矿用湿式除尘器的结构及相关性能等进行了理论研究；文献[5]在除尘液中加入聚丙烯酰胺(PAM)复配物来增加粉尘的浸润效果，提高除尘效率；文献[6-7]将液位高度、进气速度和接触室夹角等性能指标与除尘效率相关联，并将除尘器应用于脱硫工艺；文献[8]对自激式除尘器的内部压力分布进行了较系统的研究；文献[9-10]通过测量除尘器脉动压力时均值，对除尘器内部气液耦合宏观状况进行了研究，对自激式除尘器内部气液两相流流型进行了定性划分，并指出压力波动信号与气液耦合模式具有一定的关联性；文献[11]通过设置涡形腔提高自激式除尘器对微细粉尘的净化效率；文献[12]利用自激式除尘器进行氨气和粉尘去除实验。
综上分析可知，现有研究未提出对气液耦合状态的定量判别依据。为此，本文在现有研究的基础上[9-10,13]，将除尘器内气液两相流流动的统计特征参数与频域特征参数相结合，挖掘出各流动状态间区分度较高的特征参数，设计了除尘器在线监测系统，为除尘器气液流动形态的定量判别提供了依据，解决了除尘器内运行状态因密闭而不能实时监测的技术难题，为除尘器气液流动形态的进一步研究提供了实践基础。
自激式除尘器的结构包括除尘腔、除尘风机、节流板、脱水板、限流板等，如图1所示。除尘器在运行过程中，由于节流口前后静压力不同，在节流口前后形成节流液位差，除尘器静止时，节流液位差为0，此时液面与节流口末端的距离称为初始液位，用b0表示。b0是除尘器的重要性能参数，与气液耦合程度有很大关联。当液面与节流口末端相切时，初始液位b0为0；当液面位于节流口末端下方时，b0为正值；当液面位于节流口末端上方时，b0为负值。
图1 自激式除尘器原理
Fig.1 Priciple of self-excited deduster
除尘器的工作过程如下：由除尘器进气口流入的含尘气流，经节流板加速，在节流口以冲击、卷吸等方式作用于除尘液面，在除尘腔中产生液滴、液幕或液面之下的气泡等捕集体，捕集体以碰撞、截留或布朗扩散等方式捕获固相粉尘，最后清洁气体由排气口排出。
自激式除尘器气液流动形态可以分为微弱波动、静液位差、气液共振、卷吸气泡、剪切液幕5种模式,从文献[9]可以看出，这5种模式具有各自典型的流动形态，明显的图形区分特征。但在实际运行中，流动形态因密闭而难于直接观测,其图形特征更难直接测量，对此，在线监测系统借助压力信号的统计特征与频域特征来表征气液流动形态的衍变，以划分特征向量的数据区间为基础，根据接收到的气相压力信号迅速识别除尘器内部流型，为除尘器气液流动形态的在线监测提供判别依据。
能够反映气液两相流流型变化的两相流参数很多，其中，两相流的波动特性很好地反映了两相流的流动结构型式。文献[14-15]证明了压力信号的波动与流型的变化密切相关，压力信号的波动可以给流型识别提供足够的信息，对流型的某些物理性质进行数学描述。
由于自激式除尘器内两相流流动结构形式变化具有复杂多样性，只使用单一的参数难以全面反映流型的实际特征，所以,对不同气液耦合模式的特征参数(包括表征气液宏观耦合程度的除尘器阻力参数、作为运行参数划分依据的液位参数、揭示气液流动细节信息的各频段的功率谱密度值、反映气液流动能量分布信息的相对功率谱密度值及作为气液流动细节信息分区基础的频率特征段5种特征参数)进行研究,如图2所示。研究发现这5种特征参数优势互补，包含了气液流动形态的宏观耦合和细节特征信息，可作为在线识别的科学依据。从多种特征中可获得对分类识别有效的特征信息，将数据空间转换为特征空间。
图2 自激式除尘器气液两相流流型变化的特征参数
Fig.2 The characteristic parameters of change of gas-liquid flow pattern in self-excited deduster
首先，分析各流动形态的功率谱密度及阻力特征，确定具有较高区分度的除尘器阻力参数、液位参数、功率谱密度值、相对功率谱密度值及频率特征段5种特征参数[15]。
其次，根据功率谱密度分析及数理统计特征，提取不同模式下的特征参数范围，步骤如下：
(1) 将能量主要集中的频率域划分为维持液面宏观波动的低频段(0～10 Hz)、表征捕集体产生量的变化及动态变迁过程的中频段(10～20 Hz)和高频段(20～32 Hz)3个频率段，对除尘器气液两相流动特征进行具体的数据挖掘。分别提取各频段的最大峰值，整理出不同模式下的各频段峰值范围，见表1。
(2) 计算出全部情况下第2频段、第3频段相对于第1频段的值(即第2频段、第3频段占第1频段的百分数)作为相对峰值，对除尘器气液流动能量的细节分布信息进行提取，并整理出不同气液流动模式的频段相对峰值范围，见表2。
(3) 整理出不同模式对应的特征频段、液位参数范围和阻力参数范围，挖掘出反映气液流动细节分区、运行参数划分、气液两相宏观耦合的数据特征，见表3。
通过对功率谱密度及相对功率谱密度2个特征参数的高频段(20～30 Hz)的数据特征进行分析发现，微弱波动模式下的最大值小于其他模式的最小值，而卷吸气泡模式下的最小值大于其他模式的最大值，因此，能够将微弱波动模式和卷吸气泡模式从其他3种模式中较好地区分开来，达到较高的识别率。另外3种模式需要结合其他特征参数作进一步判别。
表1 不同气液流动模式的频段峰值范围
Table 1 The peak range of different frequency band at different gas-liquid flow pattern
表2 不同气液流动模式的频段相对峰值范围
Table 2 The relative peak range of different frequency band at different gas-liquid flow pattern
表3 不同气液流动模式的特征参数
Table 3 Several kinds of characteristic parameters at different gas-liquid flow pattern
首先，通过测量除尘器阻力大小，检测阻力是否大于某一设定值(本模型为320 Pa)，若不大于此设定值，则通过液位传感器检测其液位参数是否在静液位差模式下的特定液位范围内(即其液位是否小于或等于0)，若是，则除尘器内部流动形态为静液位差模式；若不是，则检测低频频段峰值所对应的频率是否为0～0.3 Hz，同时检测中频频段内的峰值所对应的频率是否为10～15 Hz(发生共振时的中频波动范围)。若同时满足这2个条件,则为气液共振模式；否则，继续检测中频频段内的峰值所对应的频率是否为15～20 Hz(发生剪切时的中频波动范围)，若是，则为剪切液幕模式，否则为其他模式。以此，将这3种模式完全区分开来。最终，实现5种气液流动形态的定量识别。同时，进行偏差参数检验，检验系统显示与实时流型之间是否对应。
自激式除尘器在线监测系统硬件主要由计算机、变频器、传感器、数据采集卡等组成，如图3所示。
图3 自激式除尘器在线监测系统组成
Fig.3 Components of on-line monitoring system for self-excited deducter
计算机主要实现监测参数的显示、处理、查询及报警功能，同时生成并显示各参数相应的历史曲线，以便用户掌握自激式除尘器的内部气液耦合状态及各项运行参数。此外，根据报警记录查询结果,可针对自激式除尘器运行中出现的故障采取相应的维修和维护措施。
变频器主要用于风速的调节。目前应用较多的调速手段有机械调速、变频调速等，由于自激式除尘器需要调节的风量等级多，调节速度较快，采用变频调速是最为简便的手段。变频器是一种通过微电子技术改变交流电频率，进而改变电动机工作频率，达到控制交流电动机运行速度的设备。该系统选用RP600-4G3/5.5P3型变频器，适配电动机功率为4/5.5 kW，电源电压为三相AC380 V，输出频率精度为±0.5%，给定频率分辨率为0.1 Hz。
压力传感器主要用于自激式除尘器出口静压力的测量。结合自激式除尘器气液耦合的特点(气相压力波动较大，压力变化频繁，研究需分析其动态特性)，要求压力传感器快速响应并测量连续变化的压力，同时综合考虑其经济性和可靠性，选择了压电式扩散硅压力传感器。扩散硅压力传感器的测量元件为精密度非常高的陶瓷材料，内部没有中间体和中间介质。其工作原理是被测量介质的压力作用于传感器的扩散硅膜片上，膜片产生微小的位移量，当测量电路检测到这一位移量时，将其转换为电信号。自激式除尘器在线监测系统压力范围为0～1.5 kPa，压力传感器的工作介质为气体，选用LEEG SMP131-TLD型扩散硅压力传感器较为合适，其量程为0～3 kPa，精度等级为0.2% F.S，响应时间小于5 ms。
数据采集卡主要用于将压力传感器获得的0～5 V标准模拟量信号转换成为计算机可以识别的数字量信号。普通工控数据采集模块采集频率较低，不能实现高速连续的数据采集，需要选用高速数据采集板卡进行数据采集。本文选择具有USB传输功能的USB-V5.0数据采集卡。该采集卡提供了模拟量输入、模拟量输出、计数器、中断、数字量输入、数字量输出等模块，包含模拟信号采集、模拟信号输出、计数器、PWM输入输出、数字量输出输入等接口。采集卡采样速率为100～48×103Samples/s，最大总误差小于0.05%。
自激式除尘器在线监测系统软件设计通过虚拟仪器软件开发工具LabVIEW来实现。利用LabVIEW强大的采集、控制、数据分析及显示等功能，在LabVIEW语言环境下，通过调用Matlab Script节点来完成信号分析处理功能，借助Matlab在控制系统、小波分析和信号处理等众多领域的应用工具箱，实现数值计算与信号分析。Matlab与LabVIEW的结合，使虚拟仪器的数据处理功能更强大，具体流程如图4所示。
自激式除尘器在线监测系统主界面如图5所示。系统主要工作过程：如果所检测到的参数在某一特定模式所对应的特征参数范围内，则指示控件给出回应信号，除尘器运行模式就为所对应的气液流动模式，以此达到模式在线识别的目的。
图4 数据处理流程
Fig.4 The flow diagram of data handling
系统以气相压力信号的动态变化为依据，对自激式除尘器的内部气液混合状态进行识别，并对各运行参数(风速、液位、流量)进行调控。系统主要功能如下：
(1) 通过对压力、风速、流量、液位等各项参数的监控，实时监测自激式除尘器的运行情况，保证监测数据不丢失、不失真。
(2) 友好的可视化界面，使用户可多视角、全方位地监测自激式除尘器的运行状况。
(3) 通过变频调速技术使风压控制在一定范围内，达到系统高效节能运行的目的。
(4) 通过气相压力波动信号间接判别自激式除尘器内部气液混合状态，避免设备长期处于非正常运行工况。
(5) 当风速、液位等参数超限时执行报警操作，保证系统安全可靠运行。
在试验工况条件下，进行5次试验，每次试验选取100组数据，共500组数据，包含微弱波动模式、静液位差模式、气液共振模式、剪切液幕模式和卷吸气泡模式的典型流型，在实验室的自激式除尘器试验系统上进行测试，测试结果见表4。
采用本系统进行自激式除尘器气液流动形态的在线识别，500组试验数据中，共有22组识别错误，包括9组剪切液幕流型、6组卷吸气泡流型、4组静液位差流型、3组气液共振流型，其中，微弱波动流型的识别率为100%，整体识别率为95.6%。
图5 自激式除尘器在线监测系统主界面
Fig.5 The main interface of on-line monitoring system for self-excited deduster
表4 气液流动形态测试结果
Table 4 The testing results of gas-liquid flow pattern
(1) 通过解析自激式除尘器内5种气液耦合模式的压差信号，提取与流型相关联的功率谱密度特征、阻力特征和平衡液位参数，构成流型识别的特征向量库。
(2) 试验结果表明，自激式除尘器在线监测系统能够对除尘器的运行状态实现有效监控，避免了除尘器在气液共振等非工况模式下运行从而造成综合除尘效率的降低；系统能够对除尘器气液流动形态进行实时精准判别，整体识别率为95.6%。
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WANG Dongxue, LI Xiaochuan, WEI Tao, HU Haibin, XIANG Wu
(School of Chemical Engineering and Technology, China University of Mining and Technology, Xuzhou 221008, China)
中图分类号：TD714.4
文献标志码：A 网络出版时间：2017-09-27 13:42
网络出版地址：http://kns.cnki.net/kcms/detail/32.1627.TP.20170927.1342.002.html
文章编号：1671-251X(2017)10-0007-07
DOI：10.13272/j.issn.1671-251x.2017.10.002
收稿日期：2017-04-15；
修回日期：2017-07-17；责任编辑张强。
基金项目：国家自然科学基金资助项目(51404252)；中国博士后科学基金面上资助项目(2016M590522)；江苏省大学生创新训练计划项目(201610290084X)；中国矿业大学大学生创新创业基金资助大学生创新项目(DC201622)。
作者简介：王冬雪(1993-)，女，江苏徐州人，硕士研究生，主要研究方向为分离装备及多相流动，E-mail:454236835@qq.com。通信作者：李小川(1984-)，男，四川大英人，副教授，博士，硕士研究生导师，主要研究方向为分离装备及多相流动、颗粒运动及介尺度科学、过程工程与过程强化等，E-mail:xiaochuanli2008@163.com。
引用格式：王冬雪，李小川，魏涛，等.自激式除尘器在线监测系统设计[J].工矿自动化，2017,43(10)：7-13. WANG Dongxue, LI Xiaochuan, WEI Tao, et al. Design of on-line monitoring system for self-excited deduster[J].Industry and Mine Automation，2017,43(10)：7-13.