基于料位模型的污泥柱塞泵自校正体积流量软测量研究.pdf

91第 43 卷第 4 期能 源 工 程基于料位模型的污泥柱塞泵自校正体积流量软测量研究龚苏平(浙江浙能电力股份有限公司 台州发电厂，浙江 台州，318016)摘要：由于湿污泥流动性差且不稳定，无法建立稳定流场，国内外目前没有成熟可用的流量测量技术。通过基于湿污泥仓料位模型建立了污泥柱塞泵自校正体积流量软测量方法，测量湿污泥仓的料位变化量推算出对应时间段柱塞泵泵出的污泥体积量，通过两者的数学关系建模和实时自校准，根据柱塞泵的运行周期，计算得到可用的污泥柱塞泵瞬时流量。实际应用的案例分析表明，基于料位模型的污泥柱塞泵自校正体积流量软测量方法有效，可供同类工艺系统借鉴。关键词：湿污泥，柱塞泵，软测量，自校准中图分类号：TK37文献标识码：ADOI：10.16189/j.nygc.2023.04.014A soft measurement method for self-correcting volume flow of sludge plunger pumpGONG Suping(Taizhou power plant,Taizhou 318016,China)Abstract:Due to the poor fluidity and unstable flow of wet sludge,it is impossible to establish a stable flow field,and there is no mature and available flow measurement technology at home and abroad.By establishing a soft measurement method of self-calibrated volumetric flow rate of the sludge plunger pump based on the material level model of the wet sludge silo,the volumetric volume of sludge pumped out by the plunger pump during the corresponding time period was deduced by measuring the amount of material level change of the wet sludge silo.By modeling the mathematical relationship between the two and real-time self-calibration,the available instantaneous flow rate of the sludge plunger pump was calculated according to the operating cycle of the plunger pump.Case studies of practical applications show that the self-calibrated volume flow soft measurement method of the sludge plunger pump based on the material level model is effective and feasible for scenarios using similar process systems.Key words:wet sludge plunger pump soft measurement self-calibration收稿日期：2023-03-10作者简介：龚苏平(1984-)，男，江西进贤人，工程师，从事发电厂仪控专业工作。0引言为提高锅炉燃烧效率和减少污染物排放，近年来国内外许多电厂都采用污泥干化掺烧技术1。该技术工艺将城市生活污水处理厂的污泥进行干化处理后，与传统固体燃料掺混并燃烧，可有效降低污泥的体积和重量，减轻对环境的污染。污泥进厂测量一般采用称重的方法：运输车辆进厂前，先过秤计量车辆重量，然后在卸载后再次过秤，根据两次过秤的差值计算出污泥的实际重量。典型的污泥干化系统所处理的污泥是通过汽车运输进厂，倒入湿污泥仓中，通过污泥柱塞泵将污泥从湿污泥仓提升到干化机进行干化处理，再进行干污泥掺配入电厂燃煤中燃烧发电。污泥泵送工艺方案通常是将污泥从低位污泥仓泵至高位的干化机，泵送系统长期处于高扬程的反向负载状态2。使用污泥柱塞泵进行污泥的泵送提升输送，需要可用的流量测量技术。谢敏等3选取分维作为表征污泥颗粒形态的重要参数,考查图像法、小角度光散射法和沉降法在污泥分维VOL.43No.4Aug.2023第 43 卷第 4 期2023 年 8 月能 源 工 程ENERGY ENGINEERING92VOL.43No.4测量中的应用。罗章等4根据污泥比阻测量原理,对污泥比阻测量方法进行改进，简化其测量手段、缩短其测量周期，极大提高了河湖疏浚泥浆的污泥比阻测定效率。软测量方法是利用一些易于实时测得与被测变量密切相关的变量，通过在线分析来估计不可测或难测量变量的方法。该方法已得到广泛应用，且在热工参数的测量中效果良好5。但目前国内外没有成熟的测量手段，污泥进厂测量方式依然存在局限性：实施过程中对操作人员技术水平要求高；称量设备的精度和故障率的不确定性，以及污泥本身的特性（如水分含量、密度等）对测量结果也有影响；间接质量指标、在线分析仪表的应用都存在限制条件，并需要较多的成本投入6。因此，本文基于湿污泥仓料位模型研究了污泥柱塞泵自校正体积流量软测量方法，通过建立数学建模及实时自校准，根据当前柱塞泵的运行周期，计算得到可用的污泥柱塞泵瞬时流量。1软测量方法模型设计柱塞泵体积流量的软测量需要先建立方法模型。对于在现场已经投入运行的柱塞泵来说，其工作腔截面是固定的，其行程也是固定的，这就可确定柱塞泵推送一次排放出的物料的单位体积V1c。柱塞泵的行程时间和运行间隔时间决定了柱塞泵多长时间推送一次，如果每次推送都能充满柱塞泵的腔室，就可以根据其运行周期简单计算出污泥的体积流量。柱塞泵的小时统计推送次数为 n，其推送的物料单位体积为 V1c，则可根据这两个参数计算出柱塞泵 1 小时的体积流量为：Vh=nV1c(1)式中：Vh为小时体积流量，m3/h，n 为小时推送次数；V1c为柱塞泵结构单次推送体积，m3。实际运行中柱塞泵在进料时，物料不一定能充满整个柱塞泵工作腔室，且进料和出料切换阀也存在关闭不够严密，有一定的泄漏回流量。因此，实际运行中物料单位体积 V1r的值在运行中是永远小于柱塞泵活塞缸工作体积 V1c的，而且还会随着物料的性状变化而变化。运行中的柱塞泵工作腔充满度的不同，也会有不同的变化。如果湿污泥仓没有新的进料情况下，湿污泥仓的料位 L 在运行中是连续下降的，运行操作人员通过湿污泥仓的料位 L 的 1 小时下降变化值和污泥仓水平截面积 Sc就可以计算得到精确的 1 小时体积流量：Vh=(Lt Lt-1)Sc(2)式中：Vh为小时体积流量 m3/h；Lt为选取的某个时刻湿仓料位，m；Lt-1为选取的时刻 1 小时之前时刻湿仓料位，m；Sc为湿污泥仓的水平截面积，m2。根据柱塞泵推送次数计算出的体积流量没有通过料位下降计算的体积流量准确，因此如作为事后计算体积流量则没有什么实用价值。然而在观察的湿污泥仓与柱塞泵系统运行中，对长时间污泥料位变化、柱塞泵单位小时推送次数等历史数据进行统计分析和计算发现，对于给定的柱塞泵，通过上面的简单公式计算其物料单位体积V1r=(Lt Lt-1)Sc(3)根据统计数据计算出的结果分布可见，V1r在大部分时间变化并不大，由此如果对之前一定时间进行自动计算得到 V1r这个最近的实际值，再根据当前的柱塞泵运行周期 T 秒，用每小时 3600秒计算出每小时周期数：Th=(4)再将得到的当前的 V1r、Th相乘，得到当前的瞬时流量7：Fh=V1rTh(5)在物料性状变化不大的情况下，所计算出来的瞬时流量与实际值偏差小于 10%8，就可以为运行操作人员提供参考。龚苏平：基于料位模型的污泥柱塞泵自校正体积流量软测量研究93第 43 卷第 4 期能 源 工 程2测量对象系统组成由于无法通过现有的仪表测量管道内的湿污泥流量，需要经过很长时间后观察湿污泥仓的料位降低量才能确定进入干化机的污泥体积量，这样的方法无法及时给运行操作人员提供操作依据，只能凭经验和感觉进行操作调整，导致系统运行难以及时调整，不能稳定地生产干化出含水率符合要求的干污泥。测量湿污泥仓的料位变化量可以推算出对应时间段柱塞泵泵出的污泥体积量，然后通过它们之间的数学关系进行建模和实时自校准9。典型的电厂污泥干化系统的进料和湿污泥泵送设备简化流程如图 1 所示。图 1污泥干化系统和湿污泥泵送设备流程污水厂的湿污泥由罐车运输进场，通过重力自卸流淌到湿污泥仓内。湿污泥仓结构为方形，垂直方向截面在正常料位变化范围内固定不变。根据料位变化可准确计算出湿污泥的体积消耗量，即得到湿污泥处理量。液压柱塞泵安装在湿污泥仓下部，柱塞泵是靠油压推动柱塞在柱塞泵缸体中作往复运动，通过柱塞泵密封空间内容积的变化来实现进料与出料。本系统配置双缸柱塞泵，其特点是工作连续性好，输送能力强。柱塞泵在运行中通过调节液压油的压力可以调整柱塞泵的行进与后退速度和推力，调节其运行间隔时间，可以调整柱塞泵运行出力：减小其推送间隔时间周期可以增大柱塞泵小时出力，增大其推送间隔时间周期可以降低柱塞泵小时出力。运行中，操作人员通过调节柱塞泵油压可以得到柱塞泵合适的推送速度和推送力度，再结合调整柱塞泵的间隔时间周期以实现污泥输送出力的调节。湿污泥仓日历史料位的变化情况如图 2 所示，料位下降的速率快慢代表污泥柱塞泵出料体积流量的大小，料位的上升是罐车进料造成的，在排除罐车进料引起的料位上升点后，可以通过截取料位连续下降的两个时间点料位值，即可计算出该段时间的柱塞泵体积出力。图 2湿污泥仓日历史料位的变化3现场实施案例和运行情况根据以上论证的柱塞泵瞬时流量数学模型，在某火电厂配套的污泥干系统实施此软测量方案。在控制系统内编程组态，实现柱塞泵瞬时流量的软测量计算，并在控制系统内将它存入历史库，以便于统计和比较，然后随机抽取到如表 1所示连续 7 天的统计比较。94VOL.43No.4表 1柱塞泵瞬时流量的统计比较表序号物料单位体积V1r/(m3次-1)4 小时平均流量计算值/(m3d-1)瞬时流量平均值/(m3d-1)偏差百分比/%10.05692.04798.350-6.85%20.04888.46282.1097.18%30.057108.56107.5320.95%40.05396.14296.453-0.32%50.04581.86282.142-0.34%60.054111.15115.065-3.52%70.04684.05278.1417.03%80.04987.51789.053-1.76%90.056102.32103.650-1.30%100.05194.37294.0330.36%110.05499.982100.096-0.11%120.05092.81293.143-0.36%130.054100.1100.301-0.20%140.04787.75791.534-4.30%150.04994.89795.014-0.12%160.04893.05293.259-0.22%170.04689.27292.487-3.60%180.04386.00293.825-9.10%190.047103.2105.610-2.34%200.045101.24102.405-1.15%210.04397.89789.8708.20%220.04581.86282.142-0.34%230.05396.14296.453-0.32%240.062108.74112.133-3.12%250.04888.46282.1097.18%260.05692.04795.788-4.06%270.04886.01778.6578.56%280.05086.34783.2033.64%实际运行中物料单位体积 V1r的变化是比较大的，如果直接使用测试条件下计算的物料单位体积V1r值，所得到的瞬时流量平均值不具有可用性，但对物料单位体积 V1r值进行实时计算，不断更新为当前工况，所计算得到的瞬时流量值有较好的准确性，用湿污泥料位计算的较准确的 4 小时平均流量计算值与同时段瞬时流量平均值偏差变化在-10%10%之间，这样的测量精确度，对于解决现场监视和操作的难题，已经有足够的使用价值。在实际使用中，需要排除汽车来泥后料位的上升影响 V1r计算值，也需要对由于系统和柱塞泵不正常运行导致的 V1r计算不正常波动，对计算出的结果 V1r，需要进行可信度判断，对不正常的 V1r值不予采用，避免出现非正常测量值。4结论针对污泥湿仓与污泥柱塞泵配套的系统在生产现场具体遇到的没有瞬时流量问题，通过研究柱塞泵的单次泵送体积 V1r变化情况统计，得知V1r在大多数情况下变化并不大，具有足够的参考价值，在控制系统上用控制软件组态实时计算前数小时的 V1r实际值，并进行可信度判断后保留可信的值，从而不断得到最近时间段的 V1r值，又使用它来当作实时计算柱塞泵的瞬时体积流量的软件组态计算系数，解决现场运行操作人员无法了解柱塞泵运行中瞬时流量的难题。在实际使用中，只要污泥性状和柱塞泵的工况不发生大的变化，得到的柱塞泵瞬时流量软测量值有较好的实用价值，由于柱塞泵的单次泵送体积 V1r是实时计算并进行可信度判断后保留的，也就实现了柱塞泵体积流量软测量的自动校准，软测量计算的柱塞泵瞬时流量准确性取决于柱塞泵所推送的污泥性状是否稳定，和湿仓料位 L 的测量精度是否稳定，在上述两个测量值具有可用性时，柱塞泵体积流量软测量值就有很好的可用性。该方法为污泥湿仓与污泥柱塞泵系统解决了一个极其困难的现实问题，运行操作人员能够及时根据柱塞泵体积流量软测量值去操作，大大提高了系统操作及时性，从而提高系统运行效率。参考文献1 芦佳,章华熔,叶兴联,等.我国燃煤电厂掺烧污泥技术路线应用探讨 J.电力科技与环保,2020,36(4)：51-54.2 苏志升,林培真,罗建标,等.污泥脱水、输送及储存系统的设计探讨与总结 J.中国给水排水,2021,37(4)：76-81.3 陈兆林,张鸿涛,周全胜,等.脱水污泥输送工艺研究与设计探讨 J.给水排水,2021,57(S2)：1-5+174.龚苏平：基于料位模型的污泥柱塞泵自校正体积流量软测量研究95第 43 卷第 4 期能 源 工 程4 苏志升,林培真,罗建标,等.污泥脱水、输送及储存系统的设计探讨与总结 J.中国给水排水,2021,37(4)：76-81.5 韩璞,乔弘,王东风,等.火电厂热工参数软测量技术的发展和现状 J.仪器仪表学报,2007(6)：1139-1146.6 罗荣富,邵惠鹤,张钟俊.一种新的软测量方法及其工业应用 J.上海交通大学学报,1994(S1)：50-55.7 孙涛,曹广益.软测量建模方法分析 J.机床与液压,2005(2)：67-68+20.8 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