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）

對比分析了當前粉煤流量測量的主流技術(shù)，引進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，對其原理和特性進行了分析，并在柳州化工Shell煤氣化裝置現(xiàn)場應(yīng)用，現(xiàn)場運行數(shù)據(jù)表明，該款國產(chǎn)SFM型煤粉流量計測量性能完全滿足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

該方法采用雷達原理和多普勒特性來進行煤粉質(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射線來進行煤粉的懸浮密度測量。其主要的缺點是放射源安全隱患大，維護費用高，且準確測量需要對密度計進行壓力、溫度補償以及放射源衰減導致的零點漂移補償，長時間的測量精度差。因此，無論是從經(jīng)濟性、安全性以及測量的準確可靠性，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，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、準確度等方面的工業(yè)現(xiàn)場問題，實現(xiàn)了對粉煤氣化裝置煤粉管線中粉煤運動速度、懸浮密度及瞬時流量的準確、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測量原理圖

該煤粉流量計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：

即可計算出管道中煤粉的運動速度，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、運動速度后，有下式計算獲得煤粉流量：

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 標定方式

天津孚洛泰公司SFM型煤粉流量計，其速度測量結(jié)果無需標定，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)場進行一次標定后方可投入正式使用。

2.3 關(guān)于補償

與有核放射性密度計的單點標定不同，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)。這種特性在測量準確性、使用方便性方面提供了卓越的性能，因為：有核放射性密度計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，實時計算載氣的密度，對有核放射性密度計進行實時補償，導致其測量結(jié)果可信度降低，系統(tǒng)復雜化，可靠性和便捷性降低。

2.4 關(guān)于零點漂移

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

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+有核放射性密度計，通過積算儀，通過按公式（2）積算的方式計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逼近其半衰期，面臨更換和替代的壓力。考慮到測量的安全性、可靠性、穩(wěn)定性以及經(jīng)濟性。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，并成功上線運行。

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

該款煤粉流量計在柳州化工現(xiàn)場安裝如下圖所示。該套煤粉流量計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高度集成，所以替換原美國熱電速度計時，無需任何動火施工，在原美國熱電速度計的安裝位置上實現(xiàn)了“密度計+速度計”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型煤粉流量計在柳化Shell爐上的現(xiàn)場安裝照片

3.3 現(xiàn)場標定與補償措施

現(xiàn)場標定通過粉煤循環(huán)標定，通過與電子秤稱重數(shù)據(jù)比對，獲得標定系數(shù)，在積算儀中植入標定系數(shù)，測量系統(tǒng)即進入正常運行狀態(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行壓力和溫度補償。因此，相對于有核放射性密度計而言，測量更加簡潔、可靠。

3.3 在線運行效果分析

3.3.1 運行趨勢

天津孚洛泰公司的非核一體式煤粉流量計在柳州化工Shell粉煤加壓氣化裝置上上線后總體運行趨勢平穩(wěn)，滿足現(xiàn)場生產(chǎn)的工藝需求。圖3截取了其中8小時的運行歷史數(shù)據(jù)，以展示其運行效果。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，該煤粉流量計準確反映了現(xiàn)場工況的此類變化，也從側(cè)面驗證了此款SFM型流量計的準確度與響應(yīng)的靈敏度。

圖3 孚洛泰公司SFM非核一體式煤粉流量計在柳州化工Shell上的運行效果

4 結(jié)語

該款國產(chǎn)非核一體式粉煤流量計，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，無需壓力補償和溫度補償，現(xiàn)場使用簡單、安全、可靠、經(jīng)濟。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。

[1]龔欣，郭曉鐳，代正華，等.氣流床粉煤加壓氣化制備合成氣新技術(shù)[J].煤化工，2005，33(6):5-8.

[2]何德頌.煤粉流量測量技術(shù)及應(yīng)用[J].石油化工自動化，2011，47(2):57-59.

[3]江華東.微波固體流量計在煤粉測量中的應(yīng)用[J].石油化工自動化，2009，3:54.

[4]路文學，郭曉鐳，龔欣.煤粉質(zhì)量流量計的選擇與應(yīng)用[J].潔凈煤技術(shù),2011,17(6):106-110.

[5]李朝陽,孫普男,饒丹楓.γ射線在線式煤粉流量計[J].黑龍江大學自然科學學報,2000,17(4):54-58.

[6]蔣泰毅,熊友輝.氣固兩相流速度及質(zhì)量流量的靜電測量法研究[J].華中科技大學學報(自然科學版),2005,33(1):93-95.

[7]孔慶林,王澤章,岳建華.激光多普勒測速儀在兩相流測試中的應(yīng)用[J].中國電力,1987(9):67-72+78.

[8]袁竹林,盧作基.氣力輸送中固相流量測量傳熱法的研究[J].發(fā)電設(shè)備,1999(4):36-39.