稱重傳感器在煤粉儲倉中的應(yīng)用

田志偉，陳松華

(1. 呼倫貝爾金新化工有限公司，內(nèi)蒙古 呼倫貝爾 021506；2. 中國五環(huán)工程有限公司，湖北 武漢 430223)

殼牌煤氣化裝置中，煤粉中間儲倉有1套稱重系統(tǒng)，用于檢測所使用的煤量。在生產(chǎn)過程中，煤流量直接影響氧/煤比的計算及氣化爐反應(yīng)窗口的控制[1]，甚至影響裝置的安全穩(wěn)定運(yùn)行。目前還沒有能直接測量煤流量的儀表，只能通過速度計和密度計間接計算得到。在開車初期，需要用校準(zhǔn)后的煤質(zhì)量作為參考來標(biāo)定4條煤線上的速度計及密度計。因此，稱重儀表的準(zhǔn)確與否至關(guān)重要，必須從選型、安裝、標(biāo)定等方面進(jìn)行嚴(yán)格把控。

1 稱重傳感器的選型

1.1 傳感器量程選擇的計算

傳感器量程的選擇可根據(jù)設(shè)備的最大稱量值、選用傳感器的數(shù)量、設(shè)備的自身質(zhì)量和發(fā)生的最大偏載及動載等要素歸納評估來判定[2]。一般來說，傳感器的量程越接近分配到每個傳感器的載荷，其稱量的準(zhǔn)確度就越高。但在實(shí)際運(yùn)用時，加在傳感器上的載荷除被稱物體外，還存在設(shè)備自身質(zhì)量、包裝質(zhì)量、偏載及振動沖擊等載荷，因而選用傳感器量程時，要考慮諸多方面的要素，確保傳感器的安全和壽命[3-4]。

傳感器的選型計算如式(1)所示：

(1)

式中：c——單個傳感器的額定量程；m——秤體質(zhì)量；mmax——被稱物體總質(zhì)量的最大值；N——秤體所選用支撐點(diǎn)的數(shù)量；k0——保險系數(shù)，一般取1.5；k1——沖擊系數(shù)，；k2——秤體的重心偏移系數(shù)；k3——風(fēng)壓系數(shù)。

某煤氣化項(xiàng)目采用殼牌Hybrid下行水激冷粉煤氣化工藝，生產(chǎn)6×104m3/h有效氣CO和H2。其中煤粉儲倉自身質(zhì)量約28.5 t，最大荷載75 t，該設(shè)備基礎(chǔ)支撐點(diǎn)采用4個，通過查詢稱重傳感器的選型手冊，k1=0.35，k2=0.85，k3=2.5。

通過計算得知，c=28.86m2,其中m2為液壓千斤頂?shù)脑O(shè)計量程。為了確保稱重傳感器的運(yùn)用安全和壽命，并考慮傳感器可以抵抗熱脹冷縮對設(shè)備造成的位移[5]、抗側(cè)向力、耐低溫-50～80 ℃、蠕變系數(shù)、重復(fù)性、靈敏度等方面的因素，該項(xiàng)目選擇了進(jìn)口雙球頭自復(fù)位柱式結(jié)構(gòu)傳感器[6]，傳感器的精度為±0.5%， 煤粉儲倉測量范圍選擇0～150 t。

1.2 稱重傳感器工作原理及結(jié)構(gòu)

稱重儀表按工作原理分為機(jī)械式、液動式、氣動式和電子式， 電子式根據(jù)檢測原理的不同又分電阻應(yīng)變式、磁彈性式、電容式、電壓式、電感式、壓電式和振弦式等[7]。

該項(xiàng)目中所使用的是電阻應(yīng)變式稱重傳感器，該傳感器由金屬應(yīng)變彈性本體、套筒和與其相連的電阻應(yīng)變片構(gòu)成，結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 電阻應(yīng)變式稱重傳感器結(jié)構(gòu)示意

每個稱重傳感器由4片電阻應(yīng)變片組成一個惠斯通電橋。被測物的重量F使彈性元件產(chǎn)生形變，該形變引起電阻應(yīng)變片的延伸及彈性形變系數(shù)ε的變化。如圖1所示，A， B 為電阻應(yīng)變片，粘貼在圓筒的外壁，組成電橋的4個臂。根據(jù)虎克定律，彈性形變與外力成正比：ε∝F；根據(jù)電阻應(yīng)變效應(yīng)理論： 電阻應(yīng)變片的相對變化ΔR/R與ε成正比，即ΔR/R∝Kε=F，K為電阻應(yīng)變片靈敏系數(shù)。

由于4片電阻應(yīng)變片在靜態(tài)平衡時，阻值完全相等， 所構(gòu)成的電橋處于平衡狀態(tài)，信號正負(fù)線間電位相等；當(dāng)圓筒受壓時，4個電阻應(yīng)變片兩兩變化相同，根據(jù)ΔR/R∝F，惠斯通電橋產(chǎn)生不平衡， 輸出1個電壓信號，經(jīng)過信號放大、A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換、濾波、數(shù)字化處理后，將稱重結(jié)果輸出到顯示面板，并以4～20 mA信號遠(yuǎn)傳[8]，電阻應(yīng)變式稱重傳感器電路如圖2所示。

圖2 電阻應(yīng)變式稱重傳感器電路示意

該項(xiàng)目每套稱重裝置采用了4個電阻應(yīng)變式稱重傳感器，每個傳感器的輸出信號經(jīng)過中間接線盒后，4路信號合為1路信號，再輸入至稱重模塊中進(jìn)行信號的處理計算。

2 影響稱重的因素及預(yù)防措施

2.1 傳感器本體安裝精度要求

傳感器的安裝是稱重儀表能否正常投用的重要因素，由于傳感器正常工作時的形變量很小，一般在1 mm左右。因此，安裝稱重傳感器的基礎(chǔ)必須堅(jiān)固結(jié)實(shí)，布置要對準(zhǔn)鋼結(jié)構(gòu)的中心部位，保證在承受最大荷載時不變形和下沉，安裝傳感器支撐點(diǎn)頂部要用筋板局部加強(qiáng)，以防撕裂變形，安裝傳感器的位置必須預(yù)埋底板， 還應(yīng)安裝設(shè)備限位器，防止設(shè)備晃動過大對稱重的影響。水平度也要求在2.5‰以內(nèi)，安裝時需使用水平儀檢測。在安裝傳感器時各個傳感器的高低可用調(diào)整墊片來解決，使稱重傳感器輸出信號值基本保證一致，以確保每點(diǎn)都均勻受力。該項(xiàng)目記錄了每個傳感器的測量值，為了減少誤差，在實(shí)測中每一個傳感器測量10次取平均值，稱重傳感器輸出電壓平均值見表1所列。HBM傳感器說明書中要求的電壓輸出值范圍為2.5～3.0 mV。

表1 稱重傳感器輸出電壓數(shù)據(jù) mV

2.2 秤體設(shè)備的安裝

2.2.1秤體懸空安裝

煤粉儲倉壁面與樓板之間以及煤粉儲倉與安裝支架之間都應(yīng)留有合理間隙，不得有任何接觸或卡死現(xiàn)象，以免稱重系統(tǒng)不能工作。

2.2.2秤體與其他設(shè)備之間的連接

一般來說，需要作為稱重計量的煤粉儲倉，除了稱重支點(diǎn)受力外，不允許其他外力作用在罐體上，最大限度減小管道應(yīng)力對稱重的影響，但該情況也只能是理想狀態(tài)，實(shí)際生產(chǎn)中不可能滿足該條件，必定會與其他設(shè)備相連接。為減小這些連接對稱重的影響，該項(xiàng)目中采用在連接管道上加裝膨脹節(jié)、軟管等的軟連接方式。在校秤及正常投用前，膨脹節(jié)上的保護(hù)限位螺栓必須處于釋放位置，否則將影響稱重。

2.2.3秤體伴熱管的連接

煤粉儲倉為伴熱設(shè)備，與設(shè)備之間有伴熱管線，在該情況下，為了減小伴熱管由于熱脹冷縮以及管道安裝所產(chǎn)生的應(yīng)力，因而在伴熱管的出入口處采用了π形彎。

要保證稱重的準(zhǔn)確性，必須考慮要從設(shè)備的安裝、傳感器的找平、管道的連接等諸多因素，盡量減少外界因素對稱重的影響。

3 標(biāo)定方法對稱重傳感器的準(zhǔn)確度影響

除了設(shè)備的現(xiàn)場安裝需要重點(diǎn)把控外，秤的標(biāo)定也是重要的一環(huán)，為了保證校秤的準(zhǔn)確性，結(jié)合現(xiàn)場實(shí)際情況，該項(xiàng)目采用液壓千斤頂加壓方式進(jìn)行標(biāo)定，該標(biāo)定方法為滿量程標(biāo)定，代替砝碼，并使用該標(biāo)定裝置對免砝碼標(biāo)定、4 t砝碼標(biāo)定的小量程標(biāo)定及滿量程標(biāo)定三種模式進(jìn)行標(biāo)定測試。

3.1 液壓校秤系統(tǒng)及校秤準(zhǔn)備

液壓標(biāo)定裝置是由4臺液壓千斤頂、1只油箱、1臺油泵、1臺多通路換向閥以及連接各設(shè)備的油管組成，在換向閥上安裝1臺壓力變送器，用于檢測千斤頂對秤體所施加的壓力。換向閥是1個四路出油，另外四路回油的裝置，以保證加載在4個稱重傳感器上的壓力一致[9]。

在標(biāo)定前還需要在每個傳感器安裝的位置處制作一個專門的加載機(jī)構(gòu)： 龍門架，將液壓千斤頂按相關(guān)要求放置，然后通過液壓泵給秤體加壓，進(jìn)行稱重標(biāo)定。

根據(jù)廠家提供的液壓校秤裝置的參數(shù)得知： 千斤頂設(shè)計加載油壓為63.7 MPa時，對應(yīng)輸出力為106N。其質(zhì)量與壓力轉(zhuǎn)換計算公式如下：

(2)

式中：m1——實(shí)際計算質(zhì)量，t；m2——液壓千斤頂?shù)脑O(shè)計量程，0～100 t；p——液壓千斤頂?shù)脑O(shè)計油壓63.7 MPa；p0——液壓千斤頂?shù)膶?shí)際加載油壓，MPa；N——千斤頂個數(shù)，N=4。

通過式(2)，可以計算出加載油壓與質(zhì)量之間的關(guān)系，m1=6.28p0,加載油壓與質(zhì)量關(guān)系對照見表2所列。

表2 加載油壓與質(zhì)量關(guān)系對照

3.2 免砝碼標(biāo)定

根據(jù)廠家提供的資料，該項(xiàng)目中所使用的秤在無砝碼的情況下標(biāo)定，即mV值標(biāo)定方式。標(biāo)定步驟如下：

1) 空倉狀態(tài)下輸入空倉狀態(tài)的傳感器mV值，一般使用稱重儀表上默認(rèn)的數(shù)值即可進(jìn)行零點(diǎn)標(biāo)定。

2) 根據(jù)傳感器規(guī)格、靈敏度、數(shù)量、秤的實(shí)際量程計算出滿量程時的mV值。計算公式為

右岸趾板邊坡較陡，采用4～6m寬的窄趾板加內(nèi)趾板的結(jié)構(gòu)形式，內(nèi)趾板為掛網(wǎng)噴混凝土，厚20 cm，寬20m。

(3)

式中：m3——秤量程，0～150 t；m0——單個傳感器量程，0～40 t；μ——傳感器平均靈敏度，取2 mV[1]。

將式(3)中的各變量代入數(shù)值計算得：U=1.875 mV，并將該值輸入到免砝碼標(biāo)定參數(shù)內(nèi)，完成標(biāo)定。

標(biāo)定完成后，使用液壓校秤系統(tǒng)，檢驗(yàn)秤的標(biāo)定數(shù)值，系統(tǒng)穩(wěn)定15 min后記錄液壓值及稱重值，見表3所列。

表3 免砝碼標(biāo)定測量數(shù)據(jù)

通過表3數(shù)據(jù)得知，免砝碼標(biāo)定測量偏差大，超出傳感器測量精度±0.5%(±0.75 t)的要求。

3.3 小量程標(biāo)定

由于無砝碼標(biāo)定不能滿足要求，該項(xiàng)目尋求另外一種校驗(yàn)方案： 4 t砝碼標(biāo)定。

4 t砝碼標(biāo)定為小量程范圍的標(biāo)定，也是在沒有液壓標(biāo)定工具的情況下，實(shí)現(xiàn)標(biāo)定的一種方法，標(biāo)定步驟如下：

1) 空倉狀態(tài)下進(jìn)行零點(diǎn)標(biāo)定。

同樣，該項(xiàng)目完成4 t砝碼標(biāo)定后，取下砝碼，裝上液壓校秤裝置，對秤的準(zhǔn)確度進(jìn)行了檢驗(yàn)，系統(tǒng)穩(wěn)定了15 min后再記錄每組數(shù)據(jù)，見表4所列。

表4 4 t砝碼標(biāo)定測量數(shù)據(jù)

通過表4數(shù)據(jù)可以看出，4 t砝碼標(biāo)定測量偏差也是較大，不能滿足工藝使用要求。

3.4 滿量程標(biāo)定

通過以上兩種方式的校驗(yàn)后，稱重都不能達(dá)到設(shè)計及工藝控制的要求。因此，必須尋求新的標(biāo)定方式。經(jīng)過分析，任何儀表的標(biāo)定，越接近最大測量范圍的標(biāo)定就越準(zhǔn)確。于是，該項(xiàng)目采用了滿量程標(biāo)定，步驟如下：

1) 空倉狀態(tài)下，系統(tǒng)穩(wěn)定15 min后標(biāo)定零點(diǎn)。

2) 將液壓千斤頂進(jìn)行升壓，加載油壓升壓到23.89 MPa，系統(tǒng)穩(wěn)定15 min后輸入150 t，標(biāo)定滿量程。

3) 取值，系統(tǒng)穩(wěn)定15 min后隨機(jī)記錄相應(yīng)的數(shù)據(jù)，測量數(shù)據(jù)見表5所列。

從表5數(shù)據(jù)可以看出，滿量程標(biāo)定雖然仍存在一定偏差，但最大偏差也只有0.39 t，完全滿足了傳感器的測量精度±0.5 %(±0.75 t)要求。

通過以上3種不同的校秤方式，以及對所記錄數(shù)據(jù)的分析，不難看出采用滿量程標(biāo)定是準(zhǔn)確、有效的一種方式。

表5 滿量程標(biāo)定測量數(shù)據(jù)

為了驗(yàn)證滿量程標(biāo)定的準(zhǔn)確性，該項(xiàng)目使用了200個20 kg砝碼，合計4 t的標(biāo)準(zhǔn)砝碼加在秤體上進(jìn)行檢驗(yàn)，并對數(shù)據(jù)進(jìn)行了記錄，見表6所列?？梢钥闯觯拥臏?zhǔn)確度較高，完全符合設(shè)計及工藝要求。

表6 4 t砝碼檢驗(yàn)記錄 t

4 結(jié)束語

煤粉儲倉稱重傳感器在殼牌煤氣化裝置的穩(wěn)定運(yùn)行至關(guān)重要，影響稱重準(zhǔn)確性的因素也較多[6]。本文對煤粉儲倉稱重傳感器從設(shè)備選型、安裝、標(biāo)定與調(diào)試過程中的影響因素及控制點(diǎn)進(jìn)行了分析，并采取了有效的解決方法。保證了稱重儀表的準(zhǔn)確性，為后續(xù)的速度計和密度計標(biāo)定的準(zhǔn)確性打下了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。