催化劑激光顆粒分析系統(tǒng)

發(fā)布時(shí)間：2007-3-2發(fā)布者：北京王曉娟李宏李心義黃元忠摘要：介紹了催化劑激光在線監(jiān)測(cè)分析系統(tǒng)的研制，并對(duì)系統(tǒng)原理進(jìn)行了分析，對(duì)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了論述。關(guān)鍵詞：催化劑激光光散射顆粒粒度濃度信號(hào)處理計(jì)算機(jī)煙氣輪機(jī)是催化裝置的關(guān)鍵設(shè)備，煙氣輪機(jī)是否正常運(yùn)轉(zhuǎn)直接關(guān)系到催化裝置的能耗、效率和效益而煙氣輪機(jī)的運(yùn)行壽命與高溫?zé)煔庵兴呋瘎┑牧６群蜐舛扔兄苯雨P(guān)系，監(jiān)測(cè)煙氣管道中催化劑的粒度和濃度，對(duì)保證煙氣輪機(jī)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)將起到重大作用。目前，國(guó)內(nèi)外的監(jiān)測(cè)手段有離線和在線兩種。離線監(jiān)測(cè)就是現(xiàn)場(chǎng)動(dòng)態(tài)多點(diǎn)采樣，然后在分析儀上進(jìn)行分析。由于其采樣環(huán)境溫度高、采樣時(shí)間長(zhǎng)，不能適應(yīng)現(xiàn)代生產(chǎn)技術(shù)發(fā)展的要求。我們研制的催化劑顆粒激光在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，利用激光技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)實(shí)時(shí)在線測(cè)出煙氣管道中催化劑顆粒的濃度和粒度分布，同時(shí)在線記錄催化劑系統(tǒng)顆粒濃度的變化趨勢(shì)，并提供報(bào)警服務(wù)，為全面及時(shí)監(jiān)控設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)提供科學(xué)依據(jù)。1系統(tǒng)測(cè)量原理任何物質(zhì)分得很細(xì)時(shí)就會(huì)呈現(xiàn)出明顯的光學(xué)特性，即微小顆粒的散射現(xiàn)象。梅氏(Mie)在本世紀(jì)初曾從電磁理論出發(fā)，導(dǎo)出了由球形無(wú)吸收粒子對(duì)平面單色光散射的嚴(yán)格表達(dá)式。梅氏理論對(duì)于給定折射率的單一散射粒子的處理，是以散射光與入射光波長(zhǎng)相同，并假定粒子間相互獨(dú)立為前提的。獨(dú)立性要求a)球體之間的距離至少在3倍半徑以上；b)由單個(gè)粒子所散射的強(qiáng)度具有可加性;C）假定粒子僅受原光束輻射，即沒有多次散射發(fā)生，因此總散射率應(yīng)與粒子數(shù)成正比。煙氣管道中的催化劑顆粒場(chǎng)，完全符合梅氏散射理論的條件。早期人們用衰減法來(lái)測(cè)量非均勻分布顆粒場(chǎng)中顆粒的濃度和粒度大小，即首先用雙波長(zhǎng)測(cè)出顆粒場(chǎng)的濃度，然后在假設(shè)了粒子分布的前提下,再測(cè)量并計(jì)算出粒子的平均直徑。這顯然不能準(zhǔn)確地測(cè)量。在梅氏理論的基礎(chǔ)上，人們又設(shè)想通過(guò)散射光來(lái)監(jiān)測(cè)顆粒或顆粒場(chǎng)，仍然不能同時(shí)對(duì)非均勻分布顆粒場(chǎng)中的體積濃度和大小分布進(jìn)行監(jiān)測(cè)。我們的設(shè)計(jì)思想是將散射和衰減同時(shí)考慮，通過(guò)適當(dāng)標(biāo)定和設(shè)計(jì)激光發(fā)射功率信號(hào)、接收光功率信號(hào)和散射光功率信號(hào)的增益，由微機(jī)采集透射光能信號(hào)和散射光能信號(hào)，計(jì)算出催化劑顆粒場(chǎng)的體積濃度；再將發(fā)射光能信號(hào)、接收光能信號(hào)、濃度值和實(shí)際工況（煙氣流量和煙氣管道直徑）送入計(jì)算機(jī)，通過(guò)軟件根據(jù)實(shí)際工況對(duì)濃度作適當(dāng)修正，同時(shí)計(jì)算出平均顆粒直徑大小，并在分析得出的分布模型上，估計(jì)出催化劑顆粒直徑分布的直方圖。2系統(tǒng)組成本系統(tǒng)由發(fā)射和接收系統(tǒng)；信號(hào)處理系統(tǒng)；計(jì)算機(jī)控制中心系統(tǒng)；吹掃系統(tǒng)構(gòu)成，如圖1所示。址如盤2 厲氣人;」親牝冀2圖1系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)示意圖2.1發(fā)射和接收系統(tǒng)（見圖2）疋9疋9熾圖2發(fā)射器和接收器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖2所示，發(fā)射激光管和接收激光管對(duì)稱安裝在煙道兩側(cè)，系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)控制中心供給發(fā)射器和接收器低壓直流電源信號(hào)及散射功率和參考信號(hào)。由發(fā)射器發(fā)出的激光束沿管道徑向橫穿煙氣管道進(jìn)入接收系統(tǒng)；接收器檢測(cè)透射光能，收集并檢測(cè)某一環(huán)帶孔徑內(nèi)的散射光能。由于電子系統(tǒng)不能直接對(duì)光學(xué)量進(jìn)行處理，因此所有的光學(xué)信號(hào)須經(jīng)過(guò)光/電轉(zhuǎn)換。這部分工作由光電探測(cè)器、斬光器完成。2.1.1光電探測(cè)器根據(jù)總體要求，進(jìn)行發(fā)射光功率探測(cè)時(shí)，為減少光能損失，只能用光學(xué)方法分出很小一部分光來(lái)進(jìn)行，而散射光信號(hào)則更弱。為能使用同一種探測(cè)器檢測(cè)發(fā)射光功率和散射光功率，我們研制了一種特別的光電探測(cè)器。其性能如圖3和圖4所示?！鰓E !■wE !-*-rooonV盞芒直云菽?童fl.ID.6 G很 l.C圖3光譜響應(yīng)曲線

咚FW諾誓靈咚FW諾誓靈圖4Voc和良與受光面積關(guān)系曲線oV/2.1.2斬光器的研制斬光器是一種將連續(xù)光變成脈沖光的器件，可以將直流光電信號(hào)調(diào)制成交流信號(hào)，可消除光電探測(cè)器的暗電流和放大器的直流漂移對(duì)信號(hào)的影響，也便于信號(hào)長(zhǎng)距離傳輸時(shí)的信號(hào)隔離和抗干擾。斬光的方式我們選擇了電磁共振式，其頻率為400Hz。2.2信號(hào)處理系統(tǒng)（見圖5）圖5信號(hào)處理系統(tǒng)方框圖圖5信號(hào)處理系統(tǒng)方框圖圖中L,T，S，R見圖2所示信號(hào)處理系統(tǒng)主要處理來(lái)自接收系統(tǒng)的透射光能信號(hào)和散射光能信號(hào)。光點(diǎn)打在位敏器（即在1個(gè)硅片上沿X,y軸線分割成4個(gè)象限面積相同的器件）上后，經(jīng)電路的數(shù)學(xué)處理，就可以判別光束打在哪個(gè)象限。處理器共處理X,-X,Y,-Y，散射光信號(hào)和激光光能信號(hào)6路電信號(hào)。信號(hào)處理后，各路信號(hào)除了用作狀態(tài)顯示外，還要經(jīng)過(guò)A/D轉(zhuǎn)換，傳送到計(jì)算機(jī)控制中心，并由控制系統(tǒng)輸出必要的信息。其中模擬量和數(shù)字量的轉(zhuǎn)換，需要考慮在線監(jiān)測(cè)的速率和精度。本系統(tǒng)采用ACD1140專用16位模/數(shù)轉(zhuǎn)換器。2.3計(jì)算機(jī)控制中心系統(tǒng)計(jì)算機(jī)控制中心系統(tǒng)包括計(jì)算機(jī)主機(jī)、顯示器、鍵盤、打印機(jī)、記錄儀、報(bào)警儀、顯示儀表、控制電路。其工作程序框圖如圖6所示。!遊找丁怖!遊找丁怖圖6計(jì)算機(jī)控制中心工作程序框圖2.4吹掃系統(tǒng)為防止高溫?zé)煔飧g激光管和石英玻璃窗在熱態(tài)工作環(huán)境下表面被催化劑顆粒污染粘糊，以及防爆的要求，特設(shè)計(jì)了吹掃系統(tǒng)。吹掃系統(tǒng)一方面保證發(fā)射和接收系統(tǒng)電子組件的工作溫度，使發(fā)射、接收子系統(tǒng)內(nèi)形成空氣正壓，以隔離高溫環(huán)境的影響，另一方面保證石英玻璃窗不被催化劑顆粒粘糊。吹掃風(fēng)采用凈化的壓縮空氣。3結(jié)論1）本系統(tǒng)是目前國(guó)內(nèi)研制成功的最先進(jìn)的催化劑激光在線監(jiān)測(cè)分析系統(tǒng)，已在眾多煉油廠得到應(yīng)用，準(zhǔn)確有效地實(shí)現(xiàn)了煙氣管道中催化劑顆粒濃度、粒度分布和變化趨勢(shì)的實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)，為我國(guó)煉油廠催化裝置關(guān)鍵設(shè)備安全、穩(wěn)定、長(zhǎng)周期的運(yùn)行提供了現(xiàn)代化監(jiān)測(cè)手段。2）本系統(tǒng)還可應(yīng)用在下列場(chǎng)合。a） 催化裝置風(fēng)機(jī)排出口，監(jiān)測(cè)催化劑從再生器返流的信息并提供報(bào)警服務(wù)；b） 廢熱鍋爐或除塵器的出、入口，監(jiān)測(cè)顆粒負(fù)荷狀況；c） 反應(yīng)器出口，監(jiān)測(cè)、計(jì)算旋風(fēng)分離器的工作性能和催化劑損失情況；d） 大氣環(huán)境中粉塵顆粒濃度的測(cè)量。*本項(xiàng)目獲1994年度國(guó)家級(jí)新產(chǎn)品獎(jiǎng)和1995年聯(lián)合國(guó)技術(shù)信息促進(jìn)系統(tǒng)“發(fā)明創(chuàng)新科技之星獎(jiǎng)”。作者簡(jiǎn)介：王曉娟女，副教授，1963年生，