一种利用液位仪控制非标准容器流量的方法与流程

1.本发明涉及工业控制领域，尤其涉及一种利用液位仪控制非标准容器流量的方法。


背景技术：

2.在工业生产中，尤其是钢铁行业，存在着诸多非标准容器，需要准确地测量其使用流量。通常情况下，在管道上安装流量计，然后使用流量计测量即可得到确切的流量；然而，由于生产过程中的一些液体易结垢，从而造成流量计测量失效，或者由于生产环境、管道长度限制、设计不合理等原因，一些管道上安装流量计后，测出的数据与实际不符。在这种情况下，就需要采用新的方法进行流量测量，以满足生产需要。本发明就是在这种情况下开发的。


技术实现要素：

3.本发明的目的就是针对上述问题，提供一种利用液位仪控制非标准容器流量的方法。
4.本发明的目的是这样实现的：一种利用液位仪控制非标准容器流量的方法，包括以下步骤：步骤一：对非标准容器简化建模，将其转化为可计算的空间模型；步骤二：建立非标准容器容积计算的数学模型；步骤三：建立流量计算的数学模型；步骤四：将数学模型转化为线性模型；步骤五：将液位与液体重量的线性模型输入至控制系统：建立好液位与流速的线性模型后，将液位值作为输入值，将线性模型计算的流速作为输出值，通过plc进行实时流量控制。
5.步骤二中将水平放置的近似圆柱体的喷碱罐体进行了建模，具体如下：根据碱液液位处于罐体截面圆心上方和下方两种情况分别确定截面面积，当液位位于圆心上方，即h≥1.1时，液位到圆心距离h=h-1.1，由三角函数cos θ=h/r=(h-1.1)/r，计算θ=arc cos (h-1.1)/r，则液体截面面积：s=π*r2‑ꢀ
[2*θ/360*π*r
2-(r2‑ꢀ
h2)^0.5*h]当液位位于圆心下方即h《1.1时，液位到圆心距离h=1.1
‑ꢀ
h，由三角函数cosθ
，
= h/r=(1.1-h)/r，计算θ
，
=arc cos(1.1-h)/r，则液体截面面积s= 2*θ/360*π*r
2-(r2‑ꢀ
h2)^0.5*h。
[0006]
步骤三中当某液位为h时，可以计算出图中阴影部分面积s，利用罐体长度l和碱液密度ρ，可求得该液位下的液体重量w =s*l*ρ。
[0007]
步骤四中通过回归分析得出不同液位下液体重量的回归方程，将数学模型转化为相对简单的线性模型，如果非标准容器较复杂，可以建立分段的线性方程，以实现在生产中应用。
[0008]
本发明的有益效果是：1）控制效果：2021年5月份之前，在喷碱工艺中，流量计结垢后易导致生产人员误判，不利于喷
碱系统的稳定运行。针对这一问题，本发明提供了可靠的方案，这种流量控制方法具有精度适宜，价格便宜，可靠性高等优点，且应用环境广，液位计所控制的液体对各种酸碱溶液均有效。
[0009]
2）效益及推广意义：当碱液流量计失效时，无法正常使用喷碱工艺，导致高炉酸性煤气腐蚀设备及管道，降低了设备及管道使用寿命。太钢六高炉使用液位计实现了对非标准容器的流量的控制，解决了生产中出现的问题，有利于延长设备及管道寿命，控制方法简单有效，实用性强，具有较高的经济效益和推广意义。
附图说明
[0010]
下面结合附图对本发明作进一步的描述。
[0011]
图1为喷碱罐体主视图。
[0012]
图2为喷碱罐体俯视图。
[0013]
图3为液位示意图，液位处于罐体截面圆心上方。
[0014]
图4为液位示意图，液位处于罐体截面圆心下方。
[0015]
图5为各液位下碱液重量值计算值与回归值分析图。
具体实施方式
[0016]
在工业生产中，因各种原因，当非标准容器所使用的流量计结垢失效时无法为生产提供准确可靠的数据。高炉在冶炼过程产生煤气，由于煤气中含有较高的氯化物及其他酸性物质，当煤气温度降低至露点后会有冷凝水排出，会引起设备及管道腐蚀，所以需要对高炉煤气进行喷碱液中和氯化物及煤气中的酸性成分，使高炉煤气冷凝水ph值提高至7以上。本发明根据非标准容器的特点，建立数学模型，测算出非标准容器的液位重量，然后通过不同时间的溶液重量差，计算非标准容器的流量，以实现快速、准确的控制流量。
[0017]
本发明根据非标准容器的特点，建立数学模型，测算出非标准容器的液位重量，然后通过plc实现非标准容器的流量控制。
[0018]
（1）对非标准容器简化建模太钢6#高炉生产用喷碱罐体为水平放置的近似圆柱体，是非标准容器，现场喷碱罐体示意图如图1所示，其中长度为l，直径为2r，液位计零点至中心为1.1m。
[0019]
（2）建立非标准容器容积计算的数学模型液位示意图如图2所示，根据碱液液位处于罐体截面圆心上方和下方两种情况分别确定截面面积。
[0020]
当液位位于圆心上方，即h≥1.1时，液位到圆心距离h=h-1.1，由三角函数cos θ=h/r=(h-1.1)/r，计算θ=arc cos (h-1.1)/r，则液体截面面积：s=π*r
2-[2*θ/360*π*r
2-(r
2-h2)^0.5*h]
ꢀꢀꢀ
（公式1）当液位位于圆心下方即h《1.1时，液位到圆心距离h=1.1
‑ꢀ
h，由三角函数cosθ
，
= h/r=(1.1-h)/r，计算θ
，
=arc cos(1.1-h)/r，则液体截面面积s= 2*θ/360*π*r
2-(r2‑ꢀ
h2)^0.5*h
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
（公式2）（3）建立流量计算的数学模型
当某液位为h时，可以计算出图中阴影部分面积s，利用罐体长度l和碱液密度ρ，最后可求得该液位下的液体重量w。
[0021]
w1=s1*l*ρ
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
（公式3）同理，求出另一时刻液位h
，
的重量。
[0022]
w2=s2*l*ρ
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
（公式4）通过即根据两者重量差除以所用时间t，算出流速。
[0023]
v=(w
1-w2)/t
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
（公式5）（4）将复杂的数学模型转化为线性模型由于数学模型中存在反三角函数等复杂的计算公式，不易直接在生产控制系统中应用。因此，需将数学模型转化为相对简单的线性模型，具体可通过回归分析得出相应方程。如果非标准容器较复杂，可以建立分段的线性方程，以实现在生产中应用。
[0024]
（5）将模型输入至控制系统建立好控制模型后，将液位值作为输入值，将模型计算的流速作为输出值，通过plc进行实时流量控制。
[0025]
太钢六高炉已于2021年5月采用该方法控制碱液液位，目前运行良好，实施举例如下：六高炉喷碱罐体水平放置，其长度为l=5m，截面圆形半径r=1.25m，液位计最高液位为2.2m，液位计零位到圆心距离1.1m，碱液密度ρ取1.25t/m3。
[0026]
利用数学模型公式（1-2）可以计算不同液位下碱液重量，按每间隔0.05m，各液位下碱液重量计算结果如表1所示。
[0027]
将液位值h作为自变量，将模型计算的碱液重量作为目标函数值，通过统计学回归分析，得出回归方程：y =
ꢀ‑
1.4413x
3 4.4723x
2 10.832x，计算结果见表1最后一列。
[0028]
建立的回归方程中，碱液重量值计算值与回归值的相关系数r
²ꢀ
= 0.9996，可见拟合误差很小，符合实际生产需要，回归分析如图3所示。
[0029]
最后，利用公式（3-5）将模型计算的流速作为输出值，通过plc进行实时流量控制。
[0030]
在工业生产中，尤其是钢铁行业，存在着诸多非标准容器，需要准确地测量其使用流量。由于生产过程中的一些液体易结垢，从而造成流量计测量失效，或者由于生产环境、管道长度限制、设计不合理等原因，一些管道上安装流量计后，测出的数据与实际不符。高炉在冶炼过程产生煤气，由于煤气中含有较高的氯化物及其他酸性物质，当煤气温度降低至露点后会有冷凝水排出，会引起设备及管道腐蚀，所以需要对高炉煤气进行喷碱液中和氯化物及煤气中的酸性成分，使高炉煤气冷凝水ph值提高至7以上。本发明根据非标准容器的特点，建立数学模型，测算出非标准容器的液位重量，然后通过不同时间的溶液重量差，计算非标准容器的流量，实现了控制流量，该控制方法运行效果良好，具有较好的推广意义。
[0031]
以上所述仅为本发明的具体实施例，但本发明所保护范围的结构特征并不限于此，任何本领域的技术人员在本发明的领域内，所作的变化或修饰皆涵盖在本发明的专利范围内。