專利名稱：實時測定固氣混合物中固體質量流量的系統(tǒng)及方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種氣力輸送系統(tǒng)的測量系統(tǒng)，尤其涉及一種實時測定由氣力輸送系 統(tǒng)輸送的固氣混合物中固體質量流量的系統(tǒng)和方法。
背景技術：
氣力輸送系統(tǒng)是由流動氣體作為載氣將固體顆粒通過一個或者多個輸送管道 從一個容器中輸送到另一容器中的系統(tǒng)。流動氣體與固體顆粒形成固氣混合物。氣力 輸送系統(tǒng)廣泛地用于多種工業(yè)場合，例如用于發(fā)電的整體氣化聯(lián)合循環(huán)antegrated Gasification Combined Cycle, IGCC)工廠以及用于生產(chǎn)化學品的化工廠。在氣力輸送系統(tǒng)中，為了控制、監(jiān)測的目的，測量實時的固體質量流量一般是必要 的。實時的固體質量流量一般定義為單位時間內流過輸送管道橫截面的固體顆粒的質量 值。目前具有多種方法用來實時測定固體質量流量。一種方法是采用可以直接輸出固體質 量流量的固體質量流量傳感器直接測量獲得。還有一種方法是利用多種傳感器共同確定實 時的固體質量流量。在使用多種傳感器實時確定固體質量流量的方法中，首先利用一部分 傳感器來測定固氣混合物的混合流量，然后其他傳感器用于測定氣體流量。最后將氣體流 量從混合流量中減去就可以獲得實時的固體質量流量。然而，在上述兩種測量方法中，只獲得了一個實時的固體質量流量的測量值。也就 是說，如果其中一個傳感器壞掉或者不能正常工作，將很難實時獲得可靠的固體質量流量。 有鑒于此，需要提供一種改進的測定系統(tǒng)和測定方法來實時獲得可靠的固體質量流量。

發(fā)明內容
本發(fā)明的一個實施例提供了一種用于實時測定固氣混合物中固體質量流量的系 統(tǒng)。該系統(tǒng)包括數(shù)個傳感器、數(shù)據(jù)融合單元以及估計單元。數(shù)個傳感器產(chǎn)生數(shù)個測量信號以 獲得至少兩個所述固體質量流量的測量值。該數(shù)據(jù)融合單元接收所述至少兩個測量值且基 于所述至少兩個測量值建立狀態(tài)空間模型。該估計單元對建立的狀態(tài)空間模型進行估計， 獲取所述固體質量流量的估計值。本發(fā)明的實施例還提供了一種用于實時測定固氣混合物中固體質量流量的方法。 該方法包括通過數(shù)個傳感器產(chǎn)生表示所述固氣混合物特征的數(shù)個測量信號；基于所述數(shù)個 測量信號提供至少兩個固體質量流量的測量值；基于所述至少兩個測量值建立狀態(tài)空間模 型；以及估計所述狀態(tài)空間模型以輸出所述固體質量流量的估計值。


通過結合附圖對于本發(fā)明的實施例進行描述，以期更好地理解本發(fā)明，在附圖 中圖1為本發(fā)明用于實時測定固氣混合物中固體質量流量的系統(tǒng)的一個實施例的 方框示意圖2為本發(fā)明用于實時測定固氣混合物中固體質量流量的系統(tǒng)的另一個實施例 的方框示意圖；圖3為本發(fā)明用于實時測定固氣混合物中固體質量流量的系統(tǒng)的另一個實施例 與一個氣力輸送系統(tǒng)的連接關系示意圖；圖4為圖3中用于實時測定固氣混合物中固體質量流量的系統(tǒng)的方框示意圖；圖5為應用在圖4所示系統(tǒng)的數(shù)據(jù)融合單元中的方法流程圖。
具體實施例方式本發(fā)明系統(tǒng)涉及一種氣力輸送系統(tǒng)中氣力輸送系統(tǒng)的測量技術，尤其是指用于實 時測定采用氣力輸送系統(tǒng)輸送的固氣混合物中固體質量流量的方法和系統(tǒng)(分別稱為“測 定系統(tǒng)”和“測定方法”)。圖1示意了本發(fā)明的一個實施例測定系統(tǒng)10。測定系統(tǒng)10包括數(shù)個傳感器12、 運算單元14、數(shù)據(jù)融合單元16和估計單元18。在本發(fā)明中，“傳感器”包括但不限于傳感元 件、儀表或者其他能夠測量溫度、表壓、重量或者可以測量對象的其他特性且產(chǎn)生信號用于 輸出這些特性的測量裝置。數(shù)個傳感器12用于測量固氣混合物的多種特性，且輸出表示這些特性的數(shù)個測 量信號20。運算單元14接收測量信號20且基于接收的測量信號20產(chǎn)生數(shù)個不同的實時 的固體質量流量的測量值22。數(shù)據(jù)融合單元16接收這些測量值22且基于所接收的測量值 22建立一個狀態(tài)空間模型M。最后，該估計單元18根據(jù)預先確定的估計算法估計所建立 的狀態(tài)空間模型對，從而得到實時的固體質量流量的估計值26。圖2示意了本發(fā)明的另一種實施例測定系統(tǒng)觀。測定系統(tǒng)觀與測定系統(tǒng)10具 有類似的結構。不同的是在測定系統(tǒng)觀中，數(shù)個傳感器12包括至少一個固體質量流量傳 感器30，其可以直接輸出實時的固體質量流量的其中一個測量值32。測量值32繞開運算 單元14直接輸入數(shù)據(jù)融合單元16。在一個實施例中，測量值32首先輸入運算單元14。然 而測量值32在運算單元14中并不進行實質性運算。然后，測量值32輸出運算單元14成 為數(shù)據(jù)融合單元16的一個輸入。雖然在上文以及下文的數(shù)個實施例中沒有特別提到，但是可以理解的是傳感器一 般產(chǎn)生的是模擬信號，所以在進行運算或者信息合成之前需要轉化為數(shù)字信號。參閱圖3所示，本發(fā)明另一種實施例氣力輸送系統(tǒng)36用來測定輸送的固氣混合物 中實時的固體質量流量。該氣力輸送系統(tǒng)36包括一個輸送容器38、一個接收容器40以及 連接輸送容器38和接收容器40的一個輸送管道42。該固氣混合物通過輸送管道42輸送。 在一個實施例中，固氣混合物通過多條輸送管道同時輸送。氣力輸送系統(tǒng)36可以應用到多 種工業(yè)領域。例如，在一種應用中，該氣力輸送系統(tǒng)是IGCC工廠內的干式進料氣化系統(tǒng)。在 干式進料氣化系統(tǒng)中，輸送容器38是存儲煤氮混合物的儲存罐，而接收容器40是氣化爐。參閱圖3所示，本實施例中的系統(tǒng)36包括八個傳感器，且將這些傳感器劃分為三 組。第一組傳感器包括一個重量傳感器(W)44、一個溫度傳感器(T)46以及第一表壓傳感器 (Pl) 48。重量傳感器44安裝在輸送容器38的底表面，而溫度傳感器46和第一表壓傳感器 48安裝在輸送容器38的上表面。在一個實施例中，溫度傳感器46和第一表壓傳感器48也 安裝在輸送容器38的底表面，如圖3所示的實施例。重量傳感器44產(chǎn)生表示位于輸送容器38內的固氣混合物重量的重量信號60。溫度傳感器46產(chǎn)生表示位于輸送容器38內的 固氣混合物溫度的溫度信號62。第一表壓傳感器48產(chǎn)生表示位于輸送容器38內的固氣混 合物表壓的第一壓力信號64。第二組傳感器包括一個基于伽瑪射線技術的密度傳感器(D) 50、一個固體速率傳 感器(V) 52以及一個第二表壓傳感器(P》M。第二組傳感器均安裝在輸送管道42的垂直 部51上以測量同一位置的不同特性。密度傳感器50產(chǎn)生表示在垂直部51位置上的固氣 混合物密度的密度信號66。固體速率傳感器52產(chǎn)生表示在垂直部51位置上的固氣混合物 中固體速率的固體速率信號68。第二表壓傳感器M產(chǎn)生表示垂直部51位置上的固體混合 物表壓的第一表壓信號51。第三組傳感器包括一個差壓傳感器(DP) 56以及一個第三表壓傳感器(P;3)58。差 壓傳感器56產(chǎn)生表示在輸送管道42的兩個測量點(未標示)間的壓降的差壓信號72。應當理解的是本發(fā)明可以采用大量的傳感器組，相應的傳感器組內包括多種形式 的傳感器。多個傳感器的測量信號如60、62、64、72、74、66、70、68傳輸?shù)揭粋€運算系統(tǒng)34 內來處理這些測量信號。一個實施例中，運算系統(tǒng)34處理固氣混合物中的實時的固體質量 流量。傳感器的測量信號如60、62、64、72、74、66、70、68線路連接到該運算系統(tǒng)34或者連 接到一個接收器或者一個收發(fā)器以輸送傳感器的信息。根據(jù)一個實施例，運算系統(tǒng)34包括一個或者多個計算裝置，例如可以包括或者連 接到一個計算機可讀存儲介質的處理器或者微處理器。該計算機可讀存儲介質包含可執(zhí)行 的計算機軟件。在一個實施例中，計算機可讀存儲介質是物理存儲器，例如驅動器、磁盤、 隨機存儲器(RAM)、只讀存儲器(ROM)或者其他適合的存儲裝置。圖4示意了運算系統(tǒng)34的進一步結構。該運算系統(tǒng)34劃分為一個運算單元75、 一個數(shù)據(jù)融合單元79以及一個估計單元。傳感器(未圖示)產(chǎn)生測量信號如60、62、64、 72、74、66、70、68，向運算單元75輸送測量信息。運算單元75包括三個模塊，即第一模塊76、第二模塊78以及第三模塊80。該三 個模塊根據(jù)從傳感器(未圖示)接收的測量信號如60、62、64、72、74、66、70、68產(chǎn)生三個實 時的固體質量流量的測量值，即第一測量值82、第二測量值84以及第三測量值86。再次參閱圖4所示，第一模塊76接收重量信號60、溫度信號62以及第一表壓信 號64，然后計算根據(jù)接收的測量信號62、62、64計算在某一時刻輸送容器38中的固體重量。 接下來，第一模塊76根據(jù)在某一時間段內固體重量的損失來計算第一測量值82。計算的具 體步驟描述如下。參閱圖3和圖4所示，首先，接收重量信號60、溫度信號62以及第一表壓信號64 計算輸送容器38內的固氣混合物中的固體體積。設定輸送容器38的內部體積、輸送容器 38的固體體積、輸送容器38的氣體體積分別為VsendingOii3) >Vsolid,sending(m3)和Vgas,sending(m3)。 他們之間的關系如公式(1)所示Vsolid，sending+Vgas，sending ^sending(丄)設定輸送容器38的當前壓力和溫度下固體密度和氣體密度分別為P coal(Kg/m3) 和Pgas,smding(Kg/m3)。那么，輸送容器38內固氣混合物的重量(即混合重量)如公式(2) 所示Vsolid，sending P solid+Vgas，sending P gas, sending ^sending(2)
其中，Wsmding(Kg)表示混合重量，可以從重量信號60中獲得；P。。al是固體密度，其 可以從固體的表面密度計算獲得。對于某一確定固體種類，固體的表面密度具有固定的值。
以根據(jù)理想氣體公式⑶以及溫度信號62和第一壓力信號64包含的信息計
算獲得。
權利要求
1.一種用于實時測定固氣混合物中固體質量流量的系統(tǒng)，包括數(shù)個傳感器，其產(chǎn)生數(shù)個測量信號以獲得至少兩個所述固體質量流量的測量值；數(shù)據(jù)融合單元，其接收所述至少兩個測量值且基于所述至少兩個測量值建立狀態(tài)空間 模型；估計單元，其對建立的狀態(tài)空間模型進行估計，獲取所述固體質量流量的估計值。
2.如權利要求1所述的用于實時測定固氣混合物中固體質量流量的系統(tǒng)，還包括從所 述傳感器接收測量信號用于產(chǎn)生至少兩個測量值的運算單元。
3.如權利要求2所述的用于實時測定固氣混合物中固體質量流量的系統(tǒng)，其中所述傳 感器包括安裝在用于存儲固氣混合物的輸送容器上的重量傳感器、溫度傳感器和表壓傳感 器；其中所述至少兩個測量值中的一個是通過基于所述重量傳感器、溫度傳感器以及表壓 傳感器產(chǎn)生的測量信號計算得到的單位時間內固體重量損失獲得的。
4.如權利要求2所述的用于實時測定固氣混合物中固體質量流量的系統(tǒng)，其中所述傳 感器包括安裝在輸送固氣混合物的輸送管道上的差壓傳感器；其中至少兩個測量值中的一 個基于所述差壓傳感器產(chǎn)生的測量信號獲得。
5.如權利要求1所述的用于實時測定固氣混合物中固體質量流量的系統(tǒng)，其中用于產(chǎn) 生至少兩個測量值的傳感器是并行的。
6.如權利要求1所述的用于實時測定固氣混合物中固體質量流量的系統(tǒng)，其中所述傳 感器包括一個固體質量流量傳感器，且至少兩個測量中的一個通過所述固體質量流量傳感 器獲得。
7.如權利要求1所述的用于實時測定固氣混合物中固體質量流量的系統(tǒng)，其中所述狀 態(tài)空間模型包括由所述測量值和固體質量流量的真實值組成的狀態(tài)向量以及測量值組成 的測量向量；其中所述估計單元是卡爾曼濾波器。
8.一種用于實時測定固氣混合物中固體質量流量的方法，其包括通過數(shù)個傳感器產(chǎn)生表示所述固氣混合物特征的數(shù)個測量信號；基于所述數(shù)個測量信號提供至少兩個固體質量流量的測量值；基于所述至少兩個測量值建立狀態(tài)空間模型；以及估計所述狀態(tài)空間模型以輸出所述固體質量流量的估計值。
9.如權利要求8所述的用于實時測定固氣混合物中固體質量流量的方法，其中通過數(shù) 個傳感器產(chǎn)生表示所述固氣混合物特征的數(shù)個信號的步驟包括以下子步驟產(chǎn)生表示存儲在輸送容器中固氣混合物特征的一部分測量信號；以及產(chǎn)生表示輸送管道中固氣混合物特征的另一部分測量信號。
10.如權利要求9所述的用于實時測定固氣混合物中固體質量流量的方法，其中所述 傳感器包括安裝在輸送容器上的重量傳感器、溫度傳感器和表壓傳感器，基于所述數(shù)個測 量信號提供至少兩個固體質量流量的測量值的步驟包括以下子步驟基于所述重量傳感器、溫度傳感器和表壓傳感器生成的測量信號計算輸送容器內的固 體體積；計算輸送容器中的固體重量；以及基于輸送容器中的固體體積和固體重量計算單位時間內的固體重量損失以獲得至少 一個測量值。
11.如權利要求9所述的用于實時測定固氣混合物中固體質量流量的方法，其中所述 傳感器包括安裝輸送管道同一位置的密度傳感器、表壓傳感器、固體速率傳感器，基于所述 數(shù)個測量信號提供至少兩個固體質量流量的測量值的步驟包括以下子步驟基于密度傳感器和表壓傳感器產(chǎn)生的測量信號計算在輸送管道內的固氣混合物中固 體體積比率；基于所述固體體積比率以及固體速率傳感器來計算至少一個測量值。
12.如權利要求8所述的用于實時測定固氣混合物中固體質量流量的方法，其中所述 傳感器包括安裝在輸送管道上同一位置的差壓傳感器和表壓傳感器，基于所述數(shù)個測量信 號提供至少兩個固體質量流量的測量值的步驟包括以下子步驟基于所述差壓傳感器和表壓傳感器產(chǎn)生的測量信號計算固氣混合物的混合密度； 基于所述混合密度計算固氣混合物中的固體體積比率； 基于所述固體體積比率計算至少一個測量值。
13.如權利要求8所述的用于實時測定固氣混合物中固體質量流量的方法，其中基于 所述數(shù)個測量信號提供固體質量流量的至少兩個測量值的步驟包括使用固體質量流量傳 感器直接測量獲得至少一個測量值。
14.如權利要求8所述的用于實時測定固氣混合物中固體質量流量的方法，其中基于 所述至少兩個測量值建立狀態(tài)空間模型的步驟包括以下子步驟定義一個狀態(tài)向量和測量向量；其中所述狀態(tài)向量由固體質量流量的真實值以及所述 測量值與所述真實值的偏差組成；測量向量由所述測量值組成； 建立過程噪聲向量和測量噪聲向量；根據(jù)狀態(tài)向量、測量向量以及過程噪聲向量和測量噪聲向量形成連續(xù)的狀態(tài)空間模型；對連續(xù)的狀態(tài)空間模型進行離散化以建立所述的狀態(tài)空間模型。
15.如權利要求8所述的用于實時測定固氣混合物中固體質量流量的方法，其中估計 所述狀態(tài)空間模型以輸出所述固體質量流量的估計值的步驟由卡爾曼濾波器實現(xiàn)。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種用于實時測定固氣混合物中固體質量流量的系統(tǒng)和方法。其中該系統(tǒng)包括數(shù)個傳感器、數(shù)據(jù)融合單元以及估計單元。數(shù)個傳感器產(chǎn)生數(shù)個測量信號以獲得至少兩個所述固體質量流量的測量值。該數(shù)據(jù)融合單元接收所述至少兩個測量值且基于所述至少兩個測量值建立狀態(tài)空間模型。該估計單元對建立的狀態(tài)空間模型進行估計，獲取所述固體質量流量的估計值。
文檔編號G01F1/86GK102141423SQ20101010503
公開日2011年8月3日 申請日期2010年1月29日 優(yōu)先權日2010年1月29日
發(fā)明者付旭, 胡忠志, 蔡自立, 趙彤, 陳耀, 黃寶明 申請人:通用電氣公司