國產(chǎn)非核煤粉流量測量技術(shù)及其在Shell煤氣化裝置上的應(yīng)用

梁偉(柳州化工股份有限公司自控分廠，廣西 柳州 545002)

白茂森（天津孚洛泰科技有限公司，中國 天津 300000）

國產(chǎn)非核煤粉流量測量技術(shù)及其在Shell煤氣化裝置上的應(yīng)用

梁偉(柳州化工股份有限公司自控分廠，廣西 柳州 545002)

白茂森（天津孚洛泰科技有限公司，中國 天津 300000）

對比分析了當(dāng)前粉煤流量測量的主流技術(shù)，引進(jìn)了天津孚洛泰公司自主研發(fā)的新型國產(chǎn)非核一體集成式煤粉流量計(jì)，對其原理和特性進(jìn)行了分析，并在柳州化工Shell煤氣化裝置現(xiàn)場應(yīng)用，現(xiàn)場運(yùn)行數(shù)據(jù)表明，該款國產(chǎn)SFM型煤粉流量計(jì)測量性能完全滿足Shell煤氣化裝置現(xiàn)場生產(chǎn)的工藝需求，為Shell煤氣化裝置的煤粉流量測量系統(tǒng)的升級換代提供了可靠保障。

煤粉流量測量；Shell煤氣化裝置；氣固兩相流；質(zhì)量流量

煤粉的密相氣力輸送是Shell煤氣化裝置中的關(guān)鍵技術(shù)之一[1]。對于輸送煤粉的懸浮密度、流動速度以及瞬時流量的在線、準(zhǔn)確、穩(wěn)定測量，對維持Shell氣化爐安全、穩(wěn)定生產(chǎn)，確保良好性能指標(biāo)至關(guān)重要。

1 測量技術(shù)分析

粉煤氣化工藝中的煤粉密相氣力輸送屬于氣固兩相流形態(tài)，主要的測量技術(shù)有差壓測量法[2]、微波反射式測量法[3]、電容法[4]、γ射線衰減法[5]、靜電電荷法[6]、激光多普勒法[7]以及傳熱法[8]等。

1.1 差壓測量法

該方法采用文丘里等裝置形成差壓，但文丘里裝置會在收縮段和喉管段內(nèi)壁粘附形成堅(jiān)固垢層，造成相同輸送壓差下，輸送量降低，文丘里管總壓差增大，且文丘里管結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，測量精度進(jìn)一步惡化。因此，并不適合氣化爐煤粉流量測量。

1.2 微波后向散射法

該方法采用雷達(dá)原理和多普勒特性來進(jìn)行煤粉質(zhì)量流量的測量。通常應(yīng)用在火力發(fā)電廠一次風(fēng)管道等管徑大且輸送密度較小的應(yīng)用場景，對于小管徑管道，微波在管道內(nèi)形成多次反射，污染甚至湮沒散射的微波信號，測量結(jié)果波動性大，精度差，甚至失效，不能滿足氣化爐生產(chǎn)需求。

1.3 靜電電荷測量技術(shù)

該技術(shù)易受現(xiàn)場工況因素變化的影響，現(xiàn)場煤粉水分含量的變化、煤粉運(yùn)動速度的變化、溫度的變化以及顆粒直徑的變化，都有可能導(dǎo)致靜電電荷減弱甚至被噪聲湮沒，現(xiàn)場傳感器輸出信號消失，測量失效。在現(xiàn)場穩(wěn)定性方面存在著天生缺陷。

1.4 電容法

該技術(shù)是Shell氣化爐上當(dāng)前最常見的測量技術(shù)，已由美國熱電公司形成工業(yè)用產(chǎn)品。其缺點(diǎn)是有效電容信號非常弱小，系統(tǒng)的寄生電容信號在受到現(xiàn)場干擾時會淹沒有效電容信號導(dǎo)致測量失效。

1.5 γ射線衰減測量技術(shù)

該技術(shù)采用放射源釋放的γ射線來進(jìn)行煤粉的懸浮密度測量。其主要的缺點(diǎn)是放射源安全隱患大，維護(hù)費(fèi)用高，且準(zhǔn)確測量需要對密度計(jì)進(jìn)行壓力、溫度補(bǔ)償以及放射源衰減導(dǎo)致的零點(diǎn)漂移補(bǔ)償，長時間的測量精度差。因此，無論是從經(jīng)濟(jì)性、安全性以及測量的準(zhǔn)確可靠性，都屬于即將被非核測量技術(shù)替代的落后技術(shù)。

1.6 其余測量技術(shù)

其余測量技術(shù)如激光多普勒法、傳熱法等，由于耐磨性、惡劣工況下的適應(yīng)性等各種原因，均無法形成粉煤氣化裝置現(xiàn)場的實(shí)用產(chǎn)品。

2 新型非核一體式煤粉流量測量技術(shù)

由天津孚洛泰科技有限公司自主研發(fā)的新型SFM非核一體式煤粉流量計(jì)，是國內(nèi)首家在煤氣化裝置上成功應(yīng)用的非核的速度、密度、流量一體式高密度集成的在線測量儀器，針對粉煤加壓氣化裝置的密相煤粉輸送的煤粉速度、懸浮密度以及煤粉流量測量，采用電磁波透射測量技術(shù)，解決了氣化爐煤粉流量測量安全性、穩(wěn)定性、準(zhǔn)確度等方面的工業(yè)現(xiàn)場問題，實(shí)現(xiàn)了對粉煤氣化裝置煤粉管線中粉煤運(yùn)動速度、懸浮密度及瞬時流量的準(zhǔn)確、可靠測量，目前已在航天爐、Shell爐等工業(yè)煤氣化裝置上成功應(yīng)用，滿足粉煤氣化裝置長時間生產(chǎn)工藝需求。

2.1 測量原理

天津孚洛泰科技有限公司的SFM非核一體式煤粉流量計(jì)的測量原理如下圖所示：速度傳感器電磁波發(fā)射單元；12-第一煤粉速度傳感器電磁波發(fā)射單元。

圖1 、天津孚洛泰公司SFM型非核一體式煤粉流量計(jì)測量原理圖

該煤粉流量計(jì)包含了一對密度傳感器（圖1中的1、2）和兩對速度傳感器（圖1中的5，6，11，12）。這三對傳感器密封在非金屬測量內(nèi)管7與金屬屏蔽外殼4之間的空腔體內(nèi)。

對于密度測量，是通過密度傳感器的發(fā)射單元發(fā)射電磁波，定向穿透測量管中的煤粉后，由管道另一側(cè)壁的接收單元接收到。在穿透煤粉的過程中，由于煤粉是有損介質(zhì)，電磁波產(chǎn)生色散，能量被吸收。在這種有損介質(zhì)中，煤粉的密度越大，電磁波的能量損耗越大，煤粉密度越小，電磁波的能量損耗越小。依據(jù)此，經(jīng)計(jì)算處理后可輸出煤粉密度測量結(jié)果。

對于煤粉速度的測量，則通過沿煤粉流動的方向上布置兩對相同的速度傳感器來檢測完成。每一對速度傳感器包含一個電磁波發(fā)射器和一個電磁波接收器。發(fā)射的電磁波穿透過管道內(nèi)的煤粉時攜帶出煤粉的流態(tài)信息。由此計(jì)算出煤粉同一流態(tài)在第一、二傳速度感器間的渡越時間Δt，由公式：

即可計(jì)算出管道中煤粉的運(yùn)動速度，其中d為第一、二速度傳感器間的距離。

測得煤粉的懸浮密度、運(yùn)動速度后，有下式計(jì)算獲得煤粉流量：

其中，qm(t)—平均質(zhì)量流量,kg/s；A—煤粉管道截面積,m2；v(t)—煤粉瞬時速度,m/s；ρsb(t)—煤粉瞬時密度,kg/m3。

2.2 標(biāo)定方式

天津孚洛泰公司SFM型煤粉流量計(jì)，其速度測量結(jié)果無需標(biāo)定，可直接使用。

對于密度，由于不同的粉體物質(zhì)具有不同的電磁特性，因此在安裝后初次使用時，需要現(xiàn)場進(jìn)行一次標(biāo)定后方可投入正式使用。

2.3 關(guān)于補(bǔ)償

與有核放射性密度計(jì)的單點(diǎn)標(biāo)定不同，由于在Shell氣化爐輸煤管線中，載氣N2或CO2氣體的介電常數(shù)都非常接近真空的介電常數(shù)（CO2的介電常數(shù)ξ=1.000921，N2的介電常數(shù)ξ= 1.00058），因此，SFM型電磁波透射式煤粉流量計(jì)的密度傳感器只對管道中煤粉密度變化敏感，而對載氣密度的變化幾乎沒有反應(yīng)。這種特性在測量準(zhǔn)確性、使用方便性方面提供了卓越的性能，因?yàn)椋河泻朔派湫悦芏扔?jì)對載氣的密度變化與對煤粉密度變化的響應(yīng)是相近的，要準(zhǔn)確測量管道中煤粉的密度，必須先扣除管道中載氣的密度，而載氣的密度本身是隨管道內(nèi)溫度和壓力的變化而變化，因此需要在管道內(nèi)布置溫度傳感器和壓力傳感器，實(shí)時計(jì)算載氣的密度，對有核放射性密度計(jì)進(jìn)行實(shí)時補(bǔ)償，導(dǎo)致其測量結(jié)果可信度降低，系統(tǒng)復(fù)雜化，可靠性和便捷性降低。

2.4 關(guān)于零點(diǎn)漂移

有核放射性密度計(jì)，通常只能以N2或水作為標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)在停車狀態(tài)下進(jìn)行單點(diǎn)標(biāo)定，無法動態(tài)多點(diǎn)標(biāo)定，也使其在使用過程中一旦放射源零點(diǎn)漂移，便無法在線校準(zhǔn)。而SFM型電磁波透射式的密度測量方式，不存在零點(diǎn)漂移的問題。

3 在Shell煤氣化裝置上的應(yīng)用結(jié)果及討論

廣西柳州化工股份有限公司煤氣化裝置采用荷蘭Shell煤氣化裝置，日投煤量1300噸。建成初期，該氣化裝置的煤粉流量測量采用美國熱電公司的電容式煤粉速度計(jì)+有核放射性密度計(jì)，通過積算儀，通過按公式（2）積算的方式計(jì)算煤粉管線的煤粉流量。該套裝置2006年建成投產(chǎn)，其有核放射性密度計(jì)逼近其半衰期，面臨更換和替代的壓力?？紤]到測量的安全性、可靠性、穩(wěn)定性以及經(jīng)濟(jì)性。通過對比分析、考察了本文上述各類備選的煤粉流量測量技術(shù)，最終確定了在其Shell煤氣化裝置中安裝天津孚洛泰科技有限公司提供的SFM型非核一體化集成的電磁波透射式煤粉流量計(jì)，并成功上線運(yùn)行。

3.1 工藝參數(shù)及測量要求

柳州化工煤粉流量測量儀表參數(shù)要求如表1所示。

表1 柳州化工Shell爐煤粉流量測量系統(tǒng)工藝參數(shù)

3.2 現(xiàn)場安裝

該款煤粉流量計(jì)在柳州化工現(xiàn)場安裝如下圖所示。該套煤粉流量計(jì)可在垂直管段或水平管段上安裝，現(xiàn)場安裝需要保持前10倍直管段徑，后5倍直管段徑，以確保測量流場穩(wěn)定。同時，由于該款煤粉流量計(jì)高度集成，所以替換原美國熱電速度計(jì)時，無需任何動火施工，在原美國熱電速度計(jì)的安裝位置上實(shí)現(xiàn)了“密度計(jì)+速度計(jì)”的煤粉流量測量系統(tǒng)的整套現(xiàn)場傳感器替換。

圖2 國產(chǎn)SFM型煤粉流量計(jì)在柳化Shell爐上的現(xiàn)場安裝照片

3.3 現(xiàn)場標(biāo)定與補(bǔ)償措施

現(xiàn)場標(biāo)定通過粉煤循環(huán)標(biāo)定，通過與電子秤稱重?cái)?shù)據(jù)比對，獲得標(biāo)定系數(shù)，在積算儀中植入標(biāo)定系數(shù)，測量系統(tǒng)即進(jìn)入正常運(yùn)行狀態(tài)。整個過程非常簡潔、方便。

Shell爐檢修安裝后，開車前，對管道進(jìn)行了保壓測試，管道內(nèi)充滿了N2，但沒有煤粉，壓力維持在系統(tǒng)正常工作時的4.27MPa，溫度維持在80℃。此時，正如SFM型產(chǎn)品手冊所描述的一樣，SFM煤粉流量計(jì)的密度傳感器對載氣N2的密度沒有任何反應(yīng)，密度輸出為零。在此參數(shù)附近改變載氣溫度和壓力，以改變載氣密度，SFM煤粉流量計(jì)的密度輸出仍為零。由此可以確定，該SFM煤粉流量測量系統(tǒng)，對于懸浮密度的測量，無需將載氣密度計(jì)入其測量本底中，測量直接得到懸浮密度，無需因考慮載氣密度而需要進(jìn)行壓力和溫度補(bǔ)償。因此，相對于有核放射性密度計(jì)而言，測量更加簡潔、可靠。

3.3 在線運(yùn)行效果分析

3.3.1 運(yùn)行趨勢

天津孚洛泰公司的非核一體式煤粉流量計(jì)在柳州化工Shell粉煤加壓氣化裝置上上線后總體運(yùn)行趨勢平穩(wěn)，滿足現(xiàn)場生產(chǎn)的工藝需求。圖3截取了其中8小時的運(yùn)行歷史數(shù)據(jù)，以展示其運(yùn)行效果。從圖中可以看出，在此期間，其煤粉速度測量結(jié)果基本穩(wěn)定在7.10m/s左右，懸浮密度測量結(jié)果基本穩(wěn)定在288.42Kg/m3左右，煤粉流量穩(wěn)定在3.16Kg/s左右，與實(shí)際生產(chǎn)工況相符。其中，懸浮密度歷史趨勢上的類周期波動，主要是生產(chǎn)現(xiàn)場煤粉發(fā)料罐上壓力調(diào)節(jié)的結(jié)果，該煤粉流量計(jì)準(zhǔn)確反映了現(xiàn)場工況的此類變化，也從側(cè)面驗(yàn)證了此款SFM型流量計(jì)的準(zhǔn)確度與響應(yīng)的靈敏度。

圖3 孚洛泰公司SFM非核一體式煤粉流量計(jì)在柳州化工Shell上的運(yùn)行效果

4 結(jié)語

該款國產(chǎn)非核一體式粉煤流量計(jì)，采用電磁波透射式測量原理，無放射性儀表的安全隱患，直接測量粉煤的流動速度和懸浮密度，無需扣除載氣本底密度，無需壓力補(bǔ)償和溫度補(bǔ)償，現(xiàn)場使用簡單、安全、可靠、經(jīng)濟(jì)。且其測量性能在柳州化工Shell煤氣化裝置中得到了充分的現(xiàn)場驗(yàn)證，完全滿足Shell煤氣化裝置的生產(chǎn)工藝需求，可以為我國Shell煤氣化裝置的粉煤流量測量系統(tǒng)的升級換代提供可靠的技術(shù)儲備和技術(shù)保障。

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