煤粉流量測量技術及應用

何德頌

(中國五環工程有限公司,武漢 430223)

0 引 言

在工業生產過程中,兩相流量是一個極為重要且測量難度較大的參數。特別對于干煤粉氣化工藝的密相輸送系統來說,煤粉質量流量的測量尤為重要,不僅關系磨煤工序的控制參數,更直接參與氣化過程的氧煤比,直接影響氣化效率及工藝安全和工藝指標。目前市場上主要有差壓測量、微波測量、密度速度測量等手段,對于煤化工來說,主要采用密度速度測量技術。

1 測量技術

1.1 差壓測量技術

差壓法的原理是將氣固兩相流看做是一個“均勻”的流體,當流體經過管道或文丘里裝置時,會產生相應壓力降,根據流動過程中產生的差壓與質量流量的關系即可測量兩相流中的固體質量流量。

1.2 微波測量技術

微波固體流量測量儀采用雷達原理和多普勒特性來進行固體質量流量的測量。傳感器采用微波技術,通過和管道的特別連接,產生一個測量場,并向被測固體微粒發射低能量微波信號,信號散射回來并被傳感器接收。傳感器工作就像粒子計數器,記錄每個單位時間內流動的微粒數量。由于采用特定的頻率,故僅流動的微粒能被測量而堆積的微粒不被測量,從而保證測量的精確性。

1.3 密度速度測量技術

在氣固兩相流中,固體顆粒的質量流量是氣固兩相流速度和密度的函數,所以密度速度測量技術原理即為將流體速度和密度分開檢測,然后計算質量流量。

式中 qm(t)——平均質量流量,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 密度速度測量系統配置及應用

依據國內某大型煤化工氣化工藝中的應用實例,對密度速度測量系統配置進行說明:工況為測量煤粉質量流量,介質形態為氣固兩相,溫度為80℃,壓力為4.3 MPa(G),介質密度為0～600 kg/m3,速度為0～12 m/s。

該系統由核密度計、電容式速度計、二次儀表組成,具體配置如圖1所示。

圖1 密度速度測量統配置示意

2.1 核密度計

核密度計由放射源和檢測器組成,測量管道中物料的密度值。

放射源在大部分應用場合可選用Cs137,但當需要高能量場合時,需選用放射源Co60。同時因為放射源的輻射性,放射源被雙層密封在鉛罐中,以滿足美國核管制委員會(NRC)的安全要求。

核密度計使用閃爍型探測器來測量放射源的輻射到達量。該探測器由一個特殊的塑料閃爍體材料、光電倍增管及相關電子器件組成。當閃爍器接收到射源輻射時,會發出微小光閃爍。一定厚度的樣品對射線的吸收量與該樣品的密度有關,而射線檢測器的信號則與該吸收量有關。當管道內介質密度發生改變時,更多的γ射線被介質吸收,到達檢測器的能量隨之改變從而引起閃爍器的光脈沖減少,利用動態追蹤處理技術和光電倍增管檢測器將光脈沖轉變為電脈沖,便可測出介質的密度。

2.2 電容式速度計

電容式速度計由內置兩個電容傳感器構成,用來測量管道中物料的速度值。理想狀態下,煤粉經較短距離流動形態不會發生改變,通過計算兩傳感器捕捉到相同形態的煤粉時間差,即可計算煤粉顆粒速度。

2.3 二次儀表

二次儀表用來處理速度傳感器信號。質量流量即通過測量的速度和密度的乘積,經儀表處理后,可用以下任意一種方式輸出到用戶主機:4～ 20 mA;ProfibusDP;Modbus;DeviceNet; Ethernet(TCP/IP)。

3 系統的安裝

測量系統應安裝在垂直管道上,從而避免懸浮介質沉淀引起的誤差。根據測量原理,射源和檢測器通常要求被安裝在管道的相對面,并確保兩條中心線處于一條直線。密度計是非接觸安裝,通常選用鏈條捆綁安裝形式。需要注意的是通常煤粉管線是需要保溫的,所以密度計與管道間有保溫材料隔離,如果直接將密度計捆綁在管道用的保溫棉上,會出現保溫棉進水變形從而引起密度計中心線傾斜的危險,所以當有管道保溫工況的時候,應在安裝儀表處采用保溫繩等不易變形的材料進行保溫。如果工藝管道未考慮此處的應力,還應加裝支撐以支持探頭和安裝組件。

4 系統標定及修正

4.1 密度標定

現場采用安裝粉煤管線的剩余管材約2 m (保證與實際安裝的粉煤管線材料、管徑壁厚等參數相同),吹掃干凈后,兩端焊上封頭,并裝上壓力表及進氣、排氣截止閥。然后將密度計按要求裝至直管段,先行空管標定。然后進行低量程標定:采用氮氣瓶(密度50 kg/m3)對管內充壓,當高壓穩定2 min后將理論值與密度值對比后標定。高量程標定選用水充滿管道標定。測量數據見表1所列。

表1 密度標定數據

4.2 系統標定

由于速度計是無法調校的,所以該項目只能采用該煤粉管道煤粉循環時煤粉密度和速度的計算值剔除N2密度與煤粉倉的累積量進行對比校準。但由于粉煤倉的重量是依據稱重儀表測量,本身存在一定誤差,同時煤粉管道管徑為2.5 in(1 in= 2.54 cm),而速度儀表的管徑為2 in,所以整個系統需要重新標定,見表2所列。

表2 系統流量測量結果

根據表2的實測值分析,修正曲線如圖2所示。

圖2 系統流量測量修正曲線

修正后參數誤差見表2所列。分析數值可以看到流量計誤差和流速有關,同時取決于安裝及物料條件等因素。通過系統分析,對煤粉質量系統進行了精確可靠的驗證,也為隨后煤氣化裝置的順利穩定投產所需的氧煤控制提供了可靠的保證。

5 結束語

目前密度速度測量系統在Shell粉煤氣化爐的密相輸送中得到廣泛應用,有非侵入、易于安裝、牢固耐用和響應速度快等優點,與微波技術相比缺點為需要核輻射源,需定期更換核源,購買核源手續繁瑣,要求用戶配備專有維護操作人員,還要處理核廢料,用戶維護成本高。微波測量技術主要以德國SWR公司技術為代表,但微波固體流量計必須采用實際被測介質進行標定,較為麻煩。差壓測量技術雖然在理論及實驗中取得較好的效果,但由于瞬時流量受到顆粒摩擦系統、速度比及懸浮速度等參數影響,目前未取得較好的應用。另外,還有光學法、熱力學法、核磁共振法等其他檢測技術,具體可根據實際工況加以分析選用。

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