德國(guó)CABloc流量計(jì)在殼牌氣化爐應(yīng)用

郭培軍

（河南能源化工集團(tuán) 鶴壁煤化工有限公司，河南 鶴壁 458030）

0 引言

殼牌氣化爐煤線(xiàn)采用煤粉濃相氣力輸送，作為煤氣化的關(guān)鍵技術(shù)之一，可實(shí)現(xiàn)對(duì)煤粉輸送速度、密度和流量的實(shí)時(shí)準(zhǔn)確和穩(wěn)定測(cè)量，并根據(jù)這些測(cè)量值及輸送管線(xiàn)的規(guī)格尺寸及材料相關(guān)的校準(zhǔn)因子計(jì)算出質(zhì)量流量。測(cè)量煤粉速度準(zhǔn)確性難度較大，受到干擾較多，在測(cè)量煤粉速度上受煤種的影響較大，特別是對(duì)煤種的濕度、粒度、揮發(fā)份等指標(biāo)，當(dāng)煤粉指標(biāo)參數(shù)變化時(shí)，會(huì)造成煤粉速度計(jì)指示波動(dòng)，無(wú)法實(shí)時(shí)準(zhǔn)確測(cè)量煤粉速度。煤粉速度測(cè)量偏差可能相當(dāng)大，偏差如果在長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)未被檢測(cè)，使得煤線(xiàn)串級(jí)控制無(wú)法投入，可能導(dǎo)致氣化爐爐內(nèi)出現(xiàn)嚴(yán)重問(wèn)題，對(duì)于氣化爐安全生產(chǎn)至關(guān)重要。速度計(jì)是否長(zhǎng)周期穩(wěn)定運(yùn)行，直接關(guān)聯(lián)煤粉氣化效率、穩(wěn)定等方面。

1 CABloc Flow Meters煤粉流量計(jì)

1.1 特點(diǎn)

從投資成本、測(cè)量原理上考慮大幅降低成本，原來(lái)每套儀表各由1臺(tái)放射性密度計(jì)、1臺(tái)速度計(jì)組成，還包括煤粉管線(xiàn)測(cè)量溫度儀表、壓力儀表，其測(cè)量結(jié)果參與補(bǔ)償計(jì)算。從維護(hù)成本上考慮，可以有效減少放射源的購(gòu)買(mǎi)、維護(hù)，減少放射性特種作業(yè)持證人員數(shù)量。而CABloc煤粉質(zhì)量流量計(jì)需要的速度測(cè)量、質(zhì)量測(cè)量、溫度測(cè)量、補(bǔ)償計(jì)算均是通過(guò)自身的一套設(shè)備獨(dú)立完成直接測(cè)量和相關(guān)計(jì)算。通過(guò)內(nèi)部函數(shù)計(jì)算，計(jì)算出煤粉流體的質(zhì)量流量。CABloc 65型Flow Meters煤粉流量計(jì)在PCI技術(shù)上提供了一種從技術(shù)上降低成本的方案，CABloc煤粉流量計(jì)中有多個(gè)測(cè)量電路系統(tǒng)實(shí)時(shí)對(duì)煤粉進(jìn)行測(cè)量工作，可以根據(jù)煤粉介質(zhì)指標(biāo)的不同進(jìn)行預(yù)先調(diào)整，使測(cè)量系統(tǒng)適應(yīng)不同的煤粉特性。CABloc 65型Flow Meters煤粉流量計(jì)通過(guò)CAN-bus總線(xiàn)與PC機(jī)相連進(jìn)行校準(zhǔn)和配置，可以集中管理多達(dá)255個(gè)Cabloc流量計(jì)。流量計(jì)產(chǎn)品出廠(chǎng)時(shí)未進(jìn)行校準(zhǔn)設(shè)定流速，可以將煤管線(xiàn)相等的工況分配到多條線(xiàn)上，而不需要額外的校準(zhǔn)，也可以根據(jù)具體工況分別調(diào)整煤粉流量測(cè)量值，針對(duì)不同的煤粉至少進(jìn)行一次校準(zhǔn)。

1.2 設(shè)計(jì)

采用新型速度計(jì)在一次元件[1]設(shè)計(jì)、安裝上的好處，如內(nèi)襯起皮，采取了特別的設(shè)計(jì)方式和具體措施。由于管線(xiàn)和速度計(jì)法蘭口不平衡，速度計(jì)進(jìn)口大，該法蘭的進(jìn)口面采用帶錐度的形式，在保證和工藝管道同樣大小的情況下，稍帶一定的錐度，在一定程度上減少對(duì)內(nèi)襯的沖刷，避免在輸送煤粉時(shí)對(duì)測(cè)量部件內(nèi)襯的損壞，避免煤粉不穩(wěn)定湍流的形成，有效確保煤粉靜電荷波形，便于信號(hào)的處理。由于該速度計(jì)是為了特殊用途而設(shè)計(jì)的，在任何情況下都要遵守行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范和確保工作人員的安全。在設(shè)計(jì)之初就要求設(shè)備不得在最大允許的負(fù)載值以上運(yùn)行，例如溫度、壓力、介質(zhì)或未進(jìn)一步定義的內(nèi)容。

1.3 安裝注意事項(xiàng)

速度計(jì)安裝時(shí)不能承受任何其它的重量，例如連接的管道、混合器等。速度計(jì)未曾設(shè)計(jì)和構(gòu)造相關(guān)的重量，應(yīng)該根據(jù)壓力管道或容器的規(guī)定進(jìn)行反復(fù)琢磨，進(jìn)一步確認(rèn)，確保工藝管道、法蘭、速度計(jì)傳感器保持在同一中心線(xiàn)上，同時(shí)兼顧到負(fù)載特性的靜態(tài)、動(dòng)態(tài)[2]。該速度計(jì)測(cè)量本體為特殊設(shè)計(jì)，安裝時(shí)本體部位不得產(chǎn)生應(yīng)變，避免本體在安裝時(shí)被抬起而受力。

1.3.1 安裝中存在的潛在風(fēng)險(xiǎn)

安裝過(guò)程中存在的潛在風(fēng)險(xiǎn)，例如：

①管道溫度過(guò)高，造成未隔離部分組件受損。

②通過(guò)介質(zhì)和其他產(chǎn)生的腐蝕（壁變?。?。

③不應(yīng)有的外部負(fù)載。

④填充或清空工藝過(guò)程中的風(fēng)險(xiǎn)。

⑤混合器等產(chǎn)生的額外磨損（壁變?。?/p>

⑥外部火災(zāi)的影響。

⑦安裝環(huán)境或測(cè)量介質(zhì)潮濕，表體絲堵存水。

圖1 法蘭Fig.1 Flange

Cabloc速度計(jì)不能安裝在管道轉(zhuǎn)彎處，速度計(jì)上游和下游必須有足夠的直管段長(zhǎng)度。上游直管段至少要有20倍煤粉管線(xiàn)內(nèi)徑的長(zhǎng)度，下游直管段至少有20倍煤粉管線(xiàn)內(nèi)徑的長(zhǎng)度。在滿(mǎn)足最低要求的速度計(jì)前后直管段距離的前提條件下，較長(zhǎng)的直管段可以有效保證煤粉濃相流動(dòng)狀態(tài)，保證相似波形的穩(wěn)定[3]。在安裝使用過(guò)程中，應(yīng)當(dāng)采取適當(dāng)?shù)募夹g(shù)手段或設(shè)備設(shè)施來(lái)消除潛在風(fēng)險(xiǎn)。在消除潛在安裝風(fēng)險(xiǎn)后，需要根據(jù)規(guī)程做進(jìn)一步的檢查。

1.3.2 法蘭標(biāo)準(zhǔn)

Cabloc速度計(jì)法蘭符合DIN/EN 1092-1標(biāo)準(zhǔn)（型號(hào)FLEN）型號(hào)FLENFE，在入口處為F型凹面法蘭，出口處為E型凸面法蘭型號(hào)FLENF，兩側(cè)均采用F型凹面法蘭。

為了在流量測(cè)量中獲得最佳結(jié)果，必須使用精確配合的墊圈來(lái)安裝Cabloc流量計(jì)。墊圈必須具有正確的內(nèi)徑和外徑，不完全居中的墊圈或內(nèi)徑太大或太小的墊圈會(huì)引起湍流，并且會(huì)降低儀表的精度。Cabloc流量計(jì)與垂直管線(xiàn)一起輸送煤粉，輸送煤粉過(guò)程中，直管段必須成直線(xiàn)并且與儀表內(nèi)徑相同，距離至少為入口前內(nèi)徑20倍和出口后內(nèi)徑10倍，只有這樣才能實(shí)現(xiàn)設(shè)備的最佳性能。為避免由靜電放電引起的流量計(jì)損壞，不允許有隔離管段（例如襯有陶瓷的管道）。法蘭組件的兩端法蘭接地必須與另外的接地母線(xiàn)連接，整個(gè)裝置必須接地。所有Cabloc流量計(jì)均配有M6螺孔，可在兩個(gè)法蘭上安裝M10螺栓的電纜接頭，以連接接地電纜。整個(gè)裝置的正確接地至關(guān)重要，能夠避免靜電電荷損壞Cabloc流量計(jì)的電子電路，并不需要單獨(dú)對(duì)Cabloc流量計(jì)進(jìn)行接地。

2 CABloc Flow Meters煤粉流量計(jì)測(cè)量原理

2.1 測(cè)量原理

流量計(jì)傳感器內(nèi)部沿著管道內(nèi)部流向的方向，安裝有兩個(gè)固定距離的測(cè)量線(xiàn)圈，煤粉顆粒在輸送過(guò)程中產(chǎn)生相互碰撞、摩擦，進(jìn)而產(chǎn)生靜電，靜電荷在通過(guò)兩個(gè)測(cè)量線(xiàn)圈時(shí)產(chǎn)生非常相似的波形信號(hào)。該信號(hào)傳送到傳感器電子元器件，通過(guò)計(jì)算兩個(gè)測(cè)量線(xiàn)圈的距離除以?xún)蓚€(gè)信號(hào)的時(shí)間差，即可得出煤粉顆粒的速度[4]。

圖2 Cabloc實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)Fig.2 Cabloc Real-time data

圖3 Cabloc實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)參數(shù)設(shè)定Fig.3 Cabloc Real-time data parameter setting

速度是直接測(cè)量的，在檢波信號(hào)處理上采用獨(dú)有算法，流量信號(hào)很小時(shí)，能準(zhǔn)確檢出信號(hào)；在流量信號(hào)很大時(shí)，對(duì)波形的準(zhǔn)確識(shí)別不會(huì)引起電路板的故障。從計(jì)量準(zhǔn)確性上講，做煤粉循環(huán)或更換煤種時(shí)，利用V1201罐體計(jì)量設(shè)備的計(jì)量結(jié)果來(lái)修正速度計(jì)的輸出數(shù)值，可以在一定程度上克服煤種的濕度、粒度、灰分等指標(biāo)的變化對(duì)速度計(jì)的影響。

2.2 CABloc Flow Meters煤粉流量計(jì)輸出

流量計(jì)測(cè)量的參數(shù)，即溫度、流量、濃度均以（4mA～20mA）形式輸出，通過(guò)上位機(jī)組態(tài)軟件修改參數(shù)量程的值。在該上位機(jī)CABloc軟件上，可以實(shí)時(shí)查看該速度計(jì)4個(gè)參數(shù)的曲線(xiàn)，從曲線(xiàn)上分析速度計(jì)運(yùn)行狀況，為煤線(xiàn)長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行提供了技術(shù)保障。

電源、電流回路和報(bào)警觸點(diǎn)各自是獨(dú)立的電路。在具有多個(gè)電流回路的設(shè)備中，電流回路共用同一個(gè)接地。CABloc型煤粉流量計(jì)通過(guò)4mA～20mA電流信號(hào)，輸出煤粉的流量、流速、密度和溫度數(shù)據(jù)；通過(guò)CAN-Bus（雙絞線(xiàn)電纜）進(jìn)行參數(shù)設(shè)置和測(cè)量值的額外輸出；使用Cabloc/Graph（PC軟件）對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行圖形評(píng)估。

2.3 CABloc Flow Meters煤粉流量計(jì)設(shè)定

儀表參數(shù)的設(shè)定十分重要，殼牌煤氣化工藝一般為0m/s～15m/s，阻尼時(shí)間設(shè)定要與相應(yīng)的速度、密度測(cè)量相同步，使阻尼時(shí)間不能影響速度、密度的快速響應(yīng)；濃度測(cè)量門(mén)卡電壓要更加符合工況，切合實(shí)際設(shè)定，確保測(cè)量需要的波形能被準(zhǔn)確識(shí)別，以便減少采樣頻繁而引起的干擾波動(dòng)；修正系數(shù)或放大系數(shù)a1-Kal、a2-Kal、a3-Kal非常重要，是保證測(cè)量準(zhǔn)確的依據(jù)。V1201每小時(shí)的稱(chēng)重量在計(jì)量準(zhǔn)確的情況下，可以計(jì)算出理論流量和速度。在設(shè)定比例調(diào)整后，可正確計(jì)算校正因子，實(shí)現(xiàn)輸出速度的修正，確保測(cè)量的穩(wěn)定性、準(zhǔn)確性[5]。

CAN-Bus總線(xiàn)采用屏蔽/屏蔽雙絞線(xiàn)電纜對(duì)于具有多個(gè)電流回路的儀表，當(dāng)使用報(bào)警觸點(diǎn)時(shí)，將使用相應(yīng)的多對(duì)電纜。當(dāng)使用與推薦電纜不同的電纜時(shí)，請(qǐng)注意入口的最大合適直徑，避免電纜混用出現(xiàn)信號(hào)干擾問(wèn)題。推薦使用J-Y（ST）Y2×2mm×0.8mm通信電纜。兩對(duì)并聯(lián)連接可產(chǎn)生100mm的有效橫截面，最大距離可達(dá)1000m。CAN-Bus總線(xiàn)地址可在流量計(jì)的銘牌上找到，通過(guò)該地址實(shí)現(xiàn)對(duì)對(duì)流量計(jì)的配置及監(jiān)控運(yùn)行。

供電電壓指示燈可以為Cabloc流量計(jì)配有電源電壓指示器。電壓指示器提供了一種檢測(cè)欠壓或過(guò)壓的簡(jiǎn)便方法。如果流量計(jì)指示欠壓或過(guò)壓，則應(yīng)斷開(kāi)電源，并在解決問(wèn)題后重新連接。長(zhǎng)時(shí)間欠壓或過(guò)壓運(yùn)行，可能會(huì)導(dǎo)致流量計(jì)損壞。Cabloc流量計(jì)的保險(xiǎn)絲可防止電源極性錯(cuò)誤或電壓過(guò)高，第2個(gè)保險(xiǎn)絲可防止保護(hù)電源輸出過(guò)載。Cabloc流量計(jì)配有藍(lán)色LED作為操作指示燈，該LED位于印刷電路板最上面。當(dāng)儀表內(nèi)的計(jì)算機(jī)處于正常運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，此LED將每秒閃爍一次。電流回路紅色LED指示電流回路是斷開(kāi)或因電阻過(guò)高而終止。對(duì)于具有多個(gè)電流回路的設(shè)備，對(duì)應(yīng)電流回路的編號(hào)印在LED附近的電路板上，通過(guò)保險(xiǎn)絲保護(hù)電流回路免受電壓沖擊。如果保險(xiǎn)絲熔斷，則必須拆除錯(cuò)誤連接，并用相同類(lèi)型的新保險(xiǎn)絲更換。

3 CABloc Flow Meters煤粉流量計(jì)總結(jié)

速度和密度測(cè)量集于一體，煤粉濃相氣力輸送的速度和密度均是直接測(cè)量出來(lái)的。原來(lái)每套儀表各由一臺(tái)放射性密度計(jì)、一臺(tái)速度計(jì)組成，還包括煤粉管線(xiàn)測(cè)量溫度儀表、壓力儀表，其測(cè)量結(jié)果參與補(bǔ)償計(jì)算。而Cabloc煤粉質(zhì)量流量計(jì)需要的速度測(cè)量、質(zhì)量測(cè)量、溫度測(cè)量、補(bǔ)償計(jì)算均是通過(guò)自身一套設(shè)備獨(dú)立完成直接測(cè)量和相關(guān)計(jì)算，通過(guò)內(nèi)部函數(shù)計(jì)算，得出煤粉流體的質(zhì)量流量。此種測(cè)量方式能省掉很多獨(dú)立的儀表設(shè)備，比如單獨(dú)的密度測(cè)量?jī)x表、溫度測(cè)量?jī)x表，也能避免放射源維護(hù)、更換等工作。

Cabloc煤粉質(zhì)量流量計(jì)本體對(duì)伴熱要求也較高，應(yīng)盡量減少管道內(nèi)外的溫度差，防止管道內(nèi)部煤粉的掛料、結(jié)垢等造成煤粉速度測(cè)量精度的降低。Cabloc煤粉質(zhì)量流量計(jì)的抗干擾在設(shè)計(jì)上做了一定的優(yōu)化，現(xiàn)場(chǎng)總計(jì)有3塊電路板，最底層電路板是直接采樣電極測(cè)量信號(hào)，中間一塊電路板對(duì)采樣信號(hào)進(jìn)行計(jì)算及處理，最上層的電路板則是把相應(yīng)的速度、密度、流量、溫度信號(hào)進(jìn)行變送輸出，在輸出通道上采用單獨(dú)隔離輸出，在信號(hào)屏蔽處理上較好，總體上在殼牌氣化爐中的應(yīng)用效果良好。