CN104713896B - 糖厂冷凝水含糖量实时检测报警方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及电子类的蔗糖含量检测领域，具体是指一种糖厂冷凝水中微量糖分实时检测报警方法及装置。糖厂蒸发工段的蒸汽冷凝水，通常可直接补给到锅炉中重新产生蒸汽，以达到节约能源和减少排污的目的，条件是冷凝水的含糖量不超过规定的限额。本发明根据糖液蒸发机理和含糖溶液的特性，提出了两种冷凝水含糖量实时检测方案：第一种方案是通过测量糖液蒸发速度计算冷凝水含糖量；第二种方案是直接测量冷凝水的电气特性，计算冷凝水的含糖量。本发明测量精度高，完全不受其他杂质的影响。既保证在设备正常时冷凝水含糖量测量的稳定性和可靠性，又能在设备发生故障时及时报警，采取措施，避免更严重的损失。

Description

糖厂冷凝水含糖量实时检测报警方法及装置

技术领域

本发明涉及电子类的蔗糖含量检测领域，具体是指一种糖厂冷凝水中微量糖分实时检测报警方法及装置。

背景技术

糖厂在蔗糖生产过程中，通常将在蒸发工段中糖液蒸发出的蒸汽收集冷凝，形成温度较高的冷凝水，并将这些冷凝水补给到锅炉中重新产生蒸汽，以达到节约能源和减少排污的目的。由于这些循环使用的冷凝水来自于蒸发的糖液，带有一定的糖分，如果冷凝水中糖分浓度超过一定限额(例如，大于50ppm)，会引起锅炉设备的结垢与腐蚀，影响锅炉热效率，甚至造成严重的安全事故。因此必须对冷凝水的含糖量进行精确严格的检测，避免糖分高的冷凝水进入锅炉。

目前，国内糖厂对冷凝水含糖量的检测基本是依赖化学处理及人工比色测量方法。在冷凝水中加入化学试剂并加热反应，再加入显色剂与比色卡进行颜色对比，进而确定糖分含量。这种方法耗时过长，难于实时检测报警，因而存在含糖量超标的冷凝水入炉的风险，或者，将本来合格的冷凝水当超标水排放掉。发明专利CN101393154A提出了用电导率检测糖分的方法，通过检测含糖冷凝水的电导率和温度，利用不同糖分浓度下电导率值、温度值的对应关系式测得糖分浓度。此方法检测时间短，能够在线实时检测冷凝水中的糖含量。但该发明测量的参数少，测量结果易受冷凝水中其他杂质的干扰，检测的精度有限，甚至会出现杂质的电导效应大于糖质的电导效应的情况，测量结果失去使用价值。

发明内容

本发明根据糖液蒸发机理和含糖溶液的特性，提出糖厂冷凝水含糖量实时检测报警方法及装置。

根据不同的测量原理，糖厂冷凝水含糖量实时检测报警方法可分为两种方案：第一种方案是通过测量糖液蒸发速度计算冷凝水含糖量；第二种方案直接测量冷凝水的电气特性，从而计算冷凝水的含糖量。

首先说明第一种方案。在蒸发罐体积和形状一定的情况下，冷凝水的含糖量与糖液浓度以及蒸发速度密切相关。糖液浓度越大，蒸发速度越快，冷凝水的含糖量就越高。由此可得本发明的第一种方案如下：

一种糖厂冷凝水含糖量实时检测报警方法及装置，包含蒸发速度测量单元和计算显示控制单元，其特征是：蒸发速度测量单元连接到计算显示控制单元，计算显示控制单元根据蒸发速度计算冷凝水的含糖量，并显示出来，当含糖量超过设定值时，输出相应的报警和控制信号。

蒸发速度测量单元的构成可有以下三种方式：1、蒸发速度测量单元是安装在蒸发罐蒸汽出口的蒸汽流量测量单元。这是最直接且最及时的测量方法，只需在蒸发罐蒸汽出口管道加装蒸汽流量计即可。2、蒸发速度测量单元是安装在冷凝器出口的冷凝水流量测量单元。液体流量计比蒸汽流量计要简单可靠，成本也较低。由于蒸汽变成冷凝水并流出冷凝器需要一定的时间，这种测量方式有一定的时间滞后。但大多数情况下，滞后时间很短，可以忽略不计。3、蒸发速度测量单元是安装在加热蒸汽入口的蒸汽流量测量单元。在正常工作时，蒸发罐内的糖液处于沸腾状态，且温度恒定，输入到罐内的加热蒸汽热量几乎全部用于糖液的蒸发，糖液蒸发速度和加热蒸汽流量成正比关系。如果加热蒸汽的温度有较大波动，为保证测量精度，应加装蒸汽温度测量单元，对蒸发速度值做相应的修正。当加热蒸汽的热量随尾汽和加热蒸汽的冷凝水流出较多时，应对尾气和加热蒸汽的冷凝水的热量进行测量，并对蒸发速度值做相应的修正。

有时候，蒸发罐中糖液的浓度会有较大变化，为提高测量精度，检测报警装置还包含蒸发罐糖液浓度测量单元，计算显示控制单元根据蒸发速度和糖液浓度计算冷凝水的含糖量。

实验表明，糖厂冷凝水的含糖量可由下面的公式计算：

H＝A*(S*S+B*S+C)*N+D

其中，H为冷凝水含糖量，N为糖液浓度，S为蒸发速度，A、B、C和D为常数，和蒸发罐的结构及工艺有关，可通过实验数据拟合得出。在实际应用中，蒸发速度S可用蒸发罐蒸汽出口的蒸汽流量直接代换，或者用冷凝器出口的冷凝水流量直接代换，或者用加热蒸汽入口的蒸汽流量直接代换。

正常工作时糖液浓度基本恒定，糖厂冷凝水的含糖量计算公式可简化为：

H=A*S*S+B*S+C

其中，H为冷凝水含糖量，S为蒸发速度。A、B和C为常数，和蒸发罐的结构及工艺有关，可通过实验数据拟合得出。在实际应用中，蒸发速度S可用蒸发罐蒸汽出口的蒸汽流量直接代换，或者用冷凝器出口的冷凝水流量直接代换，或者用加热蒸汽入口的蒸汽流量直接代换。

有时候，蒸发罐中糖液的液位会有较大变化，对冷凝水含糖量有很大影响，为保证测量精度，检测报警装置还包含蒸发罐糖液液位测量单元，对计算出的冷凝水含糖量作进一步的修正。一种简单的修正方法是采用比例系数法，即修正后的含糖量等于修正前的含糖量乘以一个比例系数，而这个比例系数随糖液的液位有相应的变化。比例系数的具体变化值与蒸发罐的结构有很多关系，需要通过现场实验来确定。

蒸发罐糖液浓度测量单元的安装和蒸发罐糖液液位测量单元的安装是相互独立的，可同时安装，也可任选一种安装。

计算显示控制单元的计算量并不大，可用普通的单片机或DSP完成实时计算显示和控制任务。

本发明的第二方案是直接测量冷凝水的电气特性，从而计算冷凝水的含糖量。

蔗糖溶解在水中，会改变水的电导效应、电容效应和介质损耗值，用测量电极直接测量冷凝水的电导、电容和介质损耗，加上温度补偿，就能快速准确地计算出含糖量。

一种糖厂冷凝水含糖量实时检测报警方法及装置，包含测量电极、交流信号发生器、电流测量电路、电压测量电路、温度测量电路、信号处理单元、显示及报警单元，其特征是：信号处理单元分析电极两端的交流电压和交流电流，计算等效电导、等效电容和介质损耗，加上温度补偿，用四维变量计算冷凝水含糖量。

测量电极安装在冷凝水中，为增强电容效应，测量电极可采用面积较大的板状结构，最好是两个套在一起的同心的圆形管状电极，能最大限度地消除边缘效应。

交流信号发生器采用频率和幅值都很稳定的正弦信号发生器。

信号处理单元处理信号的过程分为两步：第一步计算冷凝水的电气参数，先用傅里叶变换计算复数电流和复数电压，得到复导纳，复导纳的实部即为电导，复导纳的虚部即代表电容，复导纳的角度余切值就代表介质损耗；第二步根据电气参数和温度计算冷凝水含糖量，具体方法有很多种，可采用线性回归或泰勒级数展开等经典传统算法，也可采用更复杂的模型算法。实验表明：用神经网络模型，根据测量的电导、电容、介质损耗和冷凝水温度，计算冷凝水含糖量，可取得更高的精度。

信号处理单元的计算量并不大，可用普通的单片机或DSP完成实时计算显示和控制任务。。

本发明的第二方案，直接测量冷凝水特性，在设备发生故障(比如出现泄露)时能及时发现故障，避免更严重的损失。

两种方案可同时应用，检测并控制冷凝水含糖量，提高冷凝水重复利用率，节省能源，减少排污。

本发明与现有技术相比，具有的优点和有益效果

本发明与现有技术相比，具有如下优点：1.本发明第一方案通过测量糖液蒸发速度和糖液浓度计算冷凝水含糖量，完全不受冷凝水中其他杂质的影响，测量精度高，稳定性好，速度快，成本低，简单易行。2.本发明第二方案通过测量冷凝水的电导、电容和介质损耗，计算冷凝水含糖量，比现有的单纯测电导的方法，有更多的测量维度，更能抑制杂质的干扰，测量灵敏度高，可靠性和稳定性更好。3.本发明的两种方案同时应用，可保证在设备正常时冷凝水含糖量测量的稳定性和可靠性，并能在设备发生故障时及时报警，采取措施，避免更严重的损失。

附图说明

图1是本发明第一方案实施例的结构示意图。

图2是本发明第二方案实施例的结构示意图。

具体实施方式

图1是本发明第一方案实施例的结构示意图。本实施例包含蒸汽流量测量单元(蒸汽流量计)、糖液浓度测量单元(浓度计)、计算显示控制单元、显示器、电磁阀及键盘。蒸汽流量计安装在蒸发罐蒸汽出口处，浓度计安装在蒸发罐内糖液中，计算显示控制单元根据蒸汽流量和糖液浓度计算冷凝水的含糖量，并通过显示器及时显示。当计算的冷凝水含糖量小于给定的标准值时，利用电磁阀打开锅炉水通道，关闭排放通道。当计算的冷凝水含糖量超出给定的标准值时，利用电磁阀关闭锅炉水通道，打开排放通道。

图2是本发明第二方案实施例的结构示意图。本实施例包含测量电极、正弦信号发生器、电流测量电路、电压测量电路、温度测量电路、信号处理单片机、显示报警单元及键盘。电极采用两个套在一起的同心的圆形管状金属电极，电极和测温元件安装在冷凝水中。信号处理单片机首先用傅里叶变换计算冷凝水的电气参数(包括电导、电容和介质损耗)，然后根据电气参数和温度用RBF神经网络模型计算冷凝水含糖量。

Claims (4)

1.一种糖厂冷凝水含糖量实时检测报警装置，包含蒸发速度测量单元、蒸发罐糖液浓度测量单元、蒸发罐糖液液位测量单元和计算显示控制单元，其特征是：计算显示控制单元根据蒸发速度和蒸发罐糖液浓度计算冷凝器出口的冷凝水含糖量，并根据蒸发罐糖液液位对计算出的冷凝器出口的冷凝水含糖量作进一步的修正；冷凝器出口的冷凝水含糖量由下式计算，

H＝A*(S*S+B*S+C)*N+D

其中，H为冷凝器出口的冷凝水含糖量，N为蒸发罐糖液浓度，S为蒸发速度，A、B、C和D为常数，和蒸发罐的结构及工艺有关，可通过实验数据拟合得出；冷凝器出口的冷凝水含糖量修正方法是采用比例系数法，即修正后的冷凝器出口的冷凝水含糖量等于修正前的冷凝器出口的冷凝水含糖量乘以一个比例系数，而这个比例系数随糖液的液位有相应的变化，比例系数的具体变化值与蒸发罐的结构有关，可通过现场实验确定。

2.根据权利要求1所述的糖厂冷凝水含糖量实时检测报警装置，其特征是：蒸发速度测量单元是安装在蒸发罐蒸汽出口的蒸汽流量测量单元。

3.根据权利要求1所述的糖厂冷凝水含糖量实时检测报警装置，其特征是：蒸发速度测量单元是安装在冷凝器出口的冷凝水流量测量单元。

4.根据权利要求1所述的糖厂冷凝水含糖量实时检测报警装置，其特征是：蒸发速度测量单元是安装在加热蒸汽入口的蒸汽流量测量单元。