CN103256897A - 石化炼焦塔水力除焦运行状态光纤传感在线监测系统及方法 - Google Patents

石化炼焦塔水力除焦运行状态光纤传感在线监测系统及方法 Download PDF

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Abstract

一种石化炼焦塔水力除焦运行状态光纤传感在线监测系统及方法。本系统包括光纤振动传感器、光纤声学传感器、数据处理单元，频谱分析仪和计算机。通过在炼焦塔外壁安装的多个光纤振动传感器和3~5个光纤声学传感器，构成传感网络，拾取除焦过程中振动及声频两种信号送入数据处理单元，并送入频谱分析仪分析，最终一起送入计算机以及分析与识别系统，自动检测出水力除焦中炼焦塔内焦炭的清除情况及水力除焦系统的异常状况，实现水力除焦的自动化生产，增强水力除焦系统的运行安全性和操作人员的安全，提高工作效率，大大降低了能耗，同时也减少了工人的劳动强度。

Description

石化炼焦塔水力除焦运行状态光纤传感在线监测系统及方法
技术领域
  本发明涉及一种石油化工行业炼焦塔水力除焦运行状态的监测设备，具体地说是一种石化炼焦塔水力除焦运行状态光纤传感在线监测系统及方法。
背景技术
 目前，石化炼焦塔在水力除焦的过程中，普遍依靠操作人员间断观察塔底部溜槽中的切焦水流的浑浊程度和所听到的切焦过程中的噪声的特征，依据工作经验来判断炼焦塔内的焦炭是否切干净，无法准确定位每个切焦周期开始和结束的位置及切焦过程中焦层厚度的变化。另外，切焦溜槽口的雾气常常使操作人员无法通过监控视频和肉眼观察切焦溜槽中切焦水流的浑浊程度。炼焦塔操作平台处的其它环境噪声及操作人员精力的集中程度也影响其对切焦过程的判断。切焦操作重复频率高，而工作效率相对较低，水电耗损巨大。另外，由于除焦过程中会出现焦炭垮塌，钻杆会有打歪的风险及切焦系统的机械故障，如果不及时发现并加以处理会引起重大事故，极大威胁在炼焦塔顶工作的操作人员的安全和设备安全。
  目前，水力除焦系统监测方法有以下几种：
1、中国专利（专利号201110091022.X）“水力切焦焦炭厚度自动检测系统 ”中所介绍的自动检测系统，由接近传感器和振动传感器两种传感器结合的方法自动检测炼焦塔内焦炭的清除情况。该发明内容中所述的传感器属于电类传感器，这类传感器易受电磁干扰，不具备防爆功能，该类传感器组网困难，此外，采用该电类传感器测量灵敏度不高、不耐高温，抗腐蚀性差。
2、王涛（王涛等，水力除焦监测系统的设计和研究，工程设计学报，2010,17（2）：146-150）提出了一种水力除焦系统，整个监测系统从两方面进行检测设计，炼焦塔（焦炭塔）振动信号检测设计和除焦器高度信号检测设计，通过采集处理2种信号实现监测某位置焦炭的切割状态；该发明内容中所述的传感器属于压电传感器，该类传感器易受电磁干扰，不具备防爆功能，该类传感器组网困难，所测的振动频率低。
目前，除焦过程中会出现焦炭垮塌，钻杆有打歪的风险及切焦系统的机械故障等问题，如果不及时发现和加以处理会引起重大事故，极大威胁在炼焦塔顶工作的操作人员的安全和设备安全，这些问题尚待解决。有关水力除焦的监测方面的文献较少，现有的监测方法主要采用电类传感器进行监测，由于电类传感器本身易受电磁干扰，不具备防爆功能且在恶劣的环境中工作困难，采用多点测量时组网困难，使得信号的及时处理受限。
发明内容
本发明为了解决上述现有技术存在的问题，提供一种石化炼焦塔水力除焦运行状态光纤传感在线监测系统及方法。由于光纤传感本身具有抗电磁干扰，本征防爆，可在恶劣环境中工作，测量灵敏度和精度高，便于组网等优点，采用本监测系统可实现水力除焦过程的自动控制，保证系统的正常运行，提高炼焦过程的生产效率，降低能耗，减轻工人劳动强度，保证工人的人身安全和设备安全。
为实现上述发明目的，本发明采用如下的技术方案：
一种石化炼焦塔水力除焦运行状态光纤传感在线监测系统：该系统包括光纤振动传感器、光纤声学传感器、数据处理单元、频谱分析仪和计算机；光纤振动传感器于炼焦塔侧壁竖直方向上从上到下均匀布置8~10个，且同一水平位置沿着塔壁外周均匀布置3~5个，并采用同一根光纤波分复用的方式连到同一数据处理单元；3~5个光纤声学传感器布置在炼焦塔顶部、中间和底部，并采用同一根光纤连到同一数据处理单元；光纤振动传感器与光纤声学传感器相结合构成传感网络，再连接到所述的数据处理单元、频谱分析仪和计算机以及分析与识别系统。
本发明的在线监测系统中，所述的光纤振动传感器为高频光纤振动传感器，能够响应到2000Hz左右的振动频率。主要用于判断除焦过程中焦炭层厚度的变化。
本发明的在线监测系统中，所述的光纤声学传感器能够响应频率在100Hz~60000Hz的宽频带范围的声频信号。可用于判断切焦喷嘴的工作状态和除焦塔的运行中出现的异常情况。 
本发明的在线监测系统中，竖直方向上相邻两个光纤振动传感器（1）垂直距离为3±0.3米。
本发明的在线监测系统中，相邻两个光纤声学传感器距离为6±0.5米。
本发明的石化炼焦塔水力除焦运行状态光纤传感在线监测系统应用方法：通过在炼焦塔外壁从上而下安装的多个个光纤振动传感器，和布置在炼焦塔顶部、中间和底部的3~5个光纤声学传感器获取相关的振动信号和声频信号，由所述的光纤振动传感器和光纤声学传感器构成的光纤传感网，将探测到的光学信号通过光缆实时传送到远离炼焦塔的地面监测控制室中的数据处理单元，获得相应的数字信号，由数据处理单元将信号传送到频谱分析仪进行频谱分析，并将分析结果通过USB接口输入计算机，通过分析及识别系统，分析采集到的频率分布图谱，与不同除割阶段的特征图谱比较，判断出水力除焦进行的不同阶段，从而实现除焦进程的识别和设备运行状态的判断。
所述的光纤振动传感器和光纤声学传感器具有本征防爆与抗电磁干扰的特性，本系统将光纤振动传感器与光纤声学传感器有机结合在一起进行组网，以实现远距离分布式在线监测。 
所述的光纤振动传感器从上到下均布于除焦塔侧壁，并采用波分复用的方式连到同一解调系统，便于对各种不同部位的光纤振动传感器采集的振动信号进行区分，方便实现数字信处理系统的简单化。
所述的光纤振动传感器不仅在炼焦塔外壁从上到下布置多个，同时水平方向上沿塔外壁周围也布置多个，构成网状结构，既监测炼焦塔塔壁在高压水射流冲击下的振动，又监测切焦喷嘴的大致位置。
所述的光纤声学传感器主要布置在除焦塔顶部、中间和底部，其中顶部传感器主要用于监测除焦运行过程中喷嘴位置，中间和底部的传感器主要用于监测除焦运行过程中的异常情况。
传感探头与信号处理系统分离，光纤传感网探测到的光学信号通过光纤实时传送到远离除焦塔的地面监测控制室，进行信号处理，有利保证系统的安全运行和操作人员的人身安全，同时光学传感测量相对电学传感测量具有较高的灵敏度。
本系统采用快速信号处理方法，对所采集的数据信号进行快速分析与判断，对数据进行缓存和除焦状态的实时显示，可通过串口通信与除焦设备控制的PLC系统进行连接，以实现全自动化的除焦控制。
该水力除焦监测系统，通过采用波分复用技术将多个光纤振动传感器连接在一起组成监测水力除焦过程中炼焦塔振动信号的在线监测光纤传感网络以判断除焦焦炭厚度的变化。
该水力除焦监测系统，采用光纤声学传感网络，判断每个切焦周期开始和结束的位置及设备的运行状况的判断。
  由于采用上述的技术方案，本发明具有如下优越性：该水力除焦监测系统，将振动传感网络和声学传感网络，组成一个有机的整体网络，具有抗电磁干扰、抗腐蚀、耐高温、防爆、频带宽、损耗低、精度较高等特点，成功解决了在除焦过程中切焦状态通过操作工作经验判别和受环境影响大的问题，通过全程在线监测水力除焦过程中除焦的变化，使得操作人员可以准确的观察和判断水力切焦的工况状态，从而有效的提高除焦效率，缩短切焦周期，提高工作效率，降低工业成本。
附图说明
图1是本发明的结构示意图，
   图中：1-光纤振动传感器，2-光纤声学传感器，3-炼焦塔，4-数据处理单元，5-频谱分析仪，6-计算机，7-光缆。
具体实施方式
  下面结合附图进一步说明本发明的石化炼焦塔水力除焦运行状态光纤传感在线监测系统及方法。
如图1所示，本发明的水力除焦运行状态光纤传感在线监测系统，包括光纤振动传感器1、光纤声学传感器2、数据处理单元4、频谱分析仪5、计算机6和光缆7。
光纤振动传感器1和光纤声学传感器2沿垂直方向设置在炼焦塔3的外壁上，光纤振动传感器1和光纤声学传感器2通过光缆7将信号输入地面监测控制室的数据处理单元4，数据处理单元4连接到频谱分析仪5，最后连接设有显示器的计算机6，能够显示分析结果。
竖直方向上相邻两个光纤振动传感器1垂直距离为3±0.3米。
相邻两个光纤声学传感器距离为6±0.5米。
在切焦的过程中，切焦装置沿炼焦塔约35米的高空从上而下分段切割，每段往复切割，在切割时高压水切割焦炭与高压水冲击塔内壁所产生作用效果是不同的，不同阶段所产生的振动信号和声频信号均不相同，都具有不同的频率特征。通过在炼焦塔外壁从上而下安装的多个光纤振动传感器1和布置在炼焦塔顶部、中间和底部的3~5个光纤声学传感器2来获取相关的振动信号和声频信号，由光纤振动传感器1和光纤声学传感器2构成的光纤传感网将探测到的光学信号通过光缆7实时传送到远离炼焦塔的地面监测控制室中的数据处理单元4，获得相应的数字信号，由数据处理单元4将信号传送到频谱分析仪，进行频谱分析，并将分析结果通过USB接口输入计算机6，通过分析系统及模态识别系统软件，分析采集到的频率分布图谱，与不同除割阶段的特征图谱比较，判断出水力除焦进行的不同阶段。
其中，通过采用波分复用技术将多个光纤振动传感器连接在一起组成监测水力除焦过程中炼焦塔振动信号的在线监测光纤传感网络以判断除焦焦炭厚度的变化，同时光纤声学传感网络，判断每个切焦周期开始和结束的位置及设备的运行状况的判断。
   最后，将分析到的结果以模拟的图像形式实时显示于计算机中，反映出当前水力除焦的进程和系统的正常运行与否。 

Claims (6)

1.一种石化炼焦塔水力除焦运行状态光纤传感在线监测系统，其特征在于：该系统包括光纤振动传感器（1）、光纤声学传感器（2）、数据处理单元（4）、频谱分析仪（5）和计算机（6）；光纤振动传感器于炼焦塔（3）侧壁竖直方向上从上到下均匀布置8~10个，且同一水平位置沿着塔壁外周均匀布置3~5个，并采用同一根光纤波分复用的方式连到同一数据处理单元（4）；3~5个光纤声学传感器布置在炼焦塔顶部、中间和底部，并采用同一根光纤连到同一数据处理单元（4）；光纤振动传感器与光纤声学传感器相结合构成传感网络，再连接到所述的数据处理单元、频谱分析仪和计算机。
2.如权利要求1所述的石化炼焦塔水力除焦运行状态光纤传感在线监测系统，其特征在于：所述的光纤振动传感器为高频光纤振动传感器，能够响应到2000Hz的振动频率。
3.如权利要求1所述的石化炼焦塔水力除焦运行状态光纤传感在线监测系统，其特征在于：所述的光纤声学传感器能够响应频率在100Hz~60000Hz的宽频带范围的声频信号。
4.如权利要求1所述的石化炼焦塔水力除焦运行状态光纤传感在线监测系统，其特征在于：竖直方向上相邻两个光纤振动传感器（1）垂直距离为3±0.3米。
5.如权利要求1所述的石化炼焦塔水力除焦运行状态光纤传感在线监测系统，其特征在于：相邻两个光纤声学传感器（2）距离为6±0.5米。
6.如权利要求1所述的石化炼焦塔水力除焦运行状态光纤传感在线监测系统应用方法，其特征在于：通过在炼焦塔（3）外壁从上而下安装的多个个光纤振动传感器（1），和布置在炼焦塔顶部、中间和底部的3~5个光纤声学传感器（2）获取相关的振动信号和声频信号，由所述的光纤振动传感器和光纤声学传感器构成的光纤传感网，将探测到的光学信号通过光缆（7）实时传送到远离炼焦塔的地面监测控制室中的数据处理单元（4），获得相应的数字信号，由数据处理单元（4）将信号传送到频谱分析仪（5）进行频谱分析，并将分析结果通过USB接口输入计算机（6），通过分析及识别系统，分析采集到的频率分布图谱，与不同除割阶段的特征图谱比较，判断出水力除焦进行的不同阶段，从而实现除焦进程的识别和设备运行状态的判断。
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