微功率電磁波透射式煤粉流量測量技術在粉煤加壓氣化裝置上的應用

張國民，白茂森

(1.神華寧夏煤業集團煤制油分公司，寧夏銀川 750409； 2.天津孚洛泰科技有限公司，天津 300010)

神華寧夏煤業集團4 000 kt/a煤炭間接液化示范項目是基于我國“缺油、少氣、富煤”的一次能源基本結構，為滿足我國石油消費快速增長需求，保障我國能源安全，推進國家中長期能源發展戰略而設立的國家煤炭深加工示范項目，是全球單套裝置規模最大的煤制油項目。該項目承擔著37項裝備國產化任務，具有重要的工業示范意義。在論證充分、確保安全的前提下，引入優良的國產化設備和技術是項目建設者和生產管理者的責任。

以粉煤干法進料的氣流床粉煤加壓氣化工藝是目前最先進的煤氣化技術之一[1]。在粉煤加壓氣化裝置中，粉煤密相氣力輸送是其關鍵技術之一[2]。準確、可靠測量輸煤管線中的煤粉流量是準確計算、控制氣化爐氧煤比的前提條件，對確保氣化爐安全、平穩運行具有至關重要的作用。

1 現有測量技術

針對密相氣力輸送的氣固兩相流，目前已報道的測量技術主要有差壓測量法[3]、微波反射法[4]、電容法[5]、γ射線衰減法[6]、靜電電荷法[7]、激光多普勒法[8]以及傳熱法[9]等。其中，差壓測量法存在文丘里等取壓裝置內部結垢而使壓阻加大、內部變形等缺點，并不適合工業現場應用[10]；微波反射法由于多次雜散反射，不適合氣化爐輸煤管線應用；激光多譜勒法和傳熱法等不能滿足工業的惡劣現場環境，目前還無法形成工業實用產品。氣化爐現場使用的技術通常是基于電容法的煤粉速度計、γ射線衰減法的煤粉密度計以及靜電電荷法的煤粉速度計，通過煤粉速度計與密度計搭配的方式組成煤粉流量在線測量系統。然而，上述產品從經濟上看，技術被少數國外公司壟斷，價格高、備件周期長，亟需國產化；從技術方面看，依然存在不少缺陷，也需改進。電容法是依據煤粉/傳感電極構成等效電容變化的一種被動式測量技術，等效電容非常微小，甚至低于傳感器引線的寄生電容，因此其抗干擾能力非常弱；靜電電荷法依據煤粉運動摩擦產生的靜電荷進行測量，當現場煤粉水分含量、運動速度、微粒直徑等工況環境變化不能滿足靜電荷信號產生的條件時，測量就會失?。沪蒙渚€衰減法所用的密度計帶有對人體有害的放射源，存在安全、環保隱患，且隨著放射源的衰減存在長時間的零點漂移，同時準確測量還需要扣除載氣本底密度、測量點的溫度并進行壓力補償[11]，密度計構成復雜，成本高，使用很不方便。

基于上述分析，無論是從經濟角度還是技術角度考慮，都需要一種新型的測量技術，來實現對煤氣化裝置中煤粉流量的準確、可靠測量。

2 微功率電磁波透射式煤粉流量測量技術

微功率電磁波透射式煤粉流量測量技術采用高密度一體集成的煤粉密度傳感器、煤粉速度傳感器，可同時測量煤粉運動速度、懸浮密度以及質量流量等。該技術國內已有公司研制，并有成熟的工業現場用產品(SFM型煤粉流量計)，在航天爐、Shell爐等主流煤氣化裝置上都取得了成功應用，在寧煤爐上的現場試用，證明了該項技術具有可靠性。

2.1 測量原理

煤粉對于電磁波是一種有損介質，電磁波在煤粉中傳播時是一個衰減的正弦波或余弦波，其振幅沿傳播方向指數衰減，衰減的速度取決于衰減因子α，衰減的原因是電磁波的能量被煤粉所吸收，其能量隨電磁波在煤粉中的傳播逐漸減少。因此，當選擇合適的頻率時，煤粉對電磁波的吸收能量最大，且吸收能量的大小與煤粉的密度呈一定的正比例關系。依據這一原理，即可通過透射的電磁波來傳感檢測管道內煤粉密度和流態的變化。SFM型電磁波透射式煤粉流量計測量原理示意見圖1。

1.煤粉密度傳感器電磁波發射單元 2.煤粉密度傳感器電磁波發射天線 3.煤粉密度傳感器電磁波接收天線 4.煤粉密度傳感器電磁波信號接收單元 5.煤粉速度傳感器電磁波信號接收處理單元 6.金屬屏蔽外殼 7.第2煤粉速度傳感器接收天線 8.第1煤粉速度傳感器接收天線 9.非金屬測量內管 10.煤粉 11.傳感器密封腔體 12.第2煤粉速度傳感器電磁波發射天線 13.第1煤粉速度傳感器電磁波發射天線 14.煤粉速度傳感器電磁波發射單元 15.信號引線。圖1 SFM型電磁波透射式煤粉流量計測量原理示意

由圖1可以看出：在SFM型煤粉流量計中，包含了1對密度傳感器(圖中的2、3)和2對速度傳感器(圖中的7、8、12、13)，這3對傳感器密封在非金屬測量內管與金屬屏蔽外殼之間的空腔體內。

對于煤粉密度的測量，是通過煤粉密度傳感器電磁波發射單元控制電磁波發射天線將電磁波定向穿透測量管中的煤粉后，到達管道另一側壁的接收天線，在電磁波穿透煤粉的過程中產生色散和衰減。煤粉的密度越大，電磁波的能量損耗越大；煤粉的密度越小，電磁波的能量損耗越小。煤粉密度傳感器接收天線接收色散和能量衰減后的電磁波信號，經煤粉密度傳感器電磁波信號接收單元分析處理后，可輸出煤粉密度的測量結果。

對于煤粉速度的測量，是通過沿煤粉流動的方向上布置2對相同的速度傳感器來檢測完成。每對速度傳感器包含1個電磁波發射器(圖中的12、13)和1個電磁波接收器(圖中的7、8)。發射的電磁波穿透過管道內的煤粉后到達管道另一側的電磁波接收器，在穿透的過程中，電磁波信號被管道中時刻瞬變的煤粉流態所改變，煤粉流態信息疊加在透射的電磁波上，該電磁波信號被速度傳感器的接收天線(圖中的7、8)接收，經過接收處理、分析單元處理分析后，從電磁波中剝離出其攜帶的煤粉流態信息。對比分析煤粉在第1、第2傳感器間的流態信息，計算出煤粉在二者間的渡越時間和管道中煤粉的運動速度，最終可計算出煤粉的流量。

2.2 標定方式

SFM型煤粉流量計的速度測量結果是由時鐘脈沖計數來保證的，而其選擇的時鐘脈沖器件的精度為±50×10-6，遠超過煤氣化裝置對于速度的測量精度要求，故無需另外標定，可直接使用。

對密度和流量的標定，則采用業界最常用的粉煤循環標定方式，通過循環累積量與電子秤稱重數據的比較來獲得在線標定系數。

2.3 本底扣除與補償

電磁波透射式煤粉流量計對于氣化爐輸煤管線中載氣密度變化的響應幾乎為零，只響應煤粉密度的變化。因此，它與當前氣化爐上通常采用的放射性密度計(γ射線衰減密度計)不同，無需扣除載氣本底密度，也無需進行載氣壓力和溫度補償，測量更加準確、可靠，使用也更加安全、環保、簡單、方便。

2.4 零點漂移問題

當前氣化爐所用的放射性密度計，隨使用時間的推移，放射源不斷衰減，導致其存在長時間的零點漂移問題。電磁波透射式煤粉流量計采用恒定功率電磁波發射，無長時間零點漂移問題。

2.5 安全性

電磁波透射式煤粉流量計的電磁波發射功率僅為10 dm，相當于手機發射功率的1/10，對人體無輻射傷害，對周圍環境不存在電磁污染，屬于安全、環保儀器。

3 SFM型煤粉流量計在工業煤氣化裝置上的應用

3.1 航天爐

通常在工業生產的煤氣化裝置中，同一管線上要配置2臺煤粉流量計。在一些已建成項目中，當進口產品失效后，將其替換成SFM型電磁波透射式煤粉流量計，此時同一管線上同時配有SFM型電磁波透射式煤粉流量計和進口的煤粉流量計。將同一管線上2臺不同煤粉流量計的長時間測量結果進行對比，也可驗證該測量技術的準確性與可靠性。

從某煤化工生產企業DCS記錄的與進口煤粉流量計長時間運行的歷史趨勢曲線對比發現，無論是斷煤響應、煤量的增減調整，還是長時間運行趨勢變化，SFM型電磁波透射式煤粉流量計與德國生產的煤粉流量計的測量結果均保持高度一致，這驗證了SFM型電磁波透射式煤粉流量計完全滿足煤氣化裝置的生產工藝需求。

3.2 Shell煤氣化裝置

SFM型電磁波透射式煤粉流量計在廣西柳州化工Shell煤氣化裝置上已成功取代1套美國進口的“電容式煤粉速度計+放射性密度計”的煤粉流量測量系統，運行效果良好。SFM型煤粉流量計與美國熱電公司同類產品的對比見表1。

表1 SFM型煤粉流量計與美國熱電公司同類產品的對比

替換后現場運行效果表明，SFM型電磁波透射式煤粉流量計完全滿足Shell煤氣化裝置的生產工藝需求。

4 結語

微功率電磁波透射式煤粉流量測量技術針對粉煤加壓氣化裝置的煤粉密相氣力輸送，采用速度、密度傳感器一體式高密度集成方案，無電容法、靜電電荷法等被動式測量技術抗干擾性差的缺點，無放射性密度計對人體傷害的安全隱患，且可直接測量粉煤的流動速度、懸浮密度，無需扣除載氣本底密度，無需載氣壓力和溫度補償，使用簡單、安全、可靠、經濟。基于該技術的SFM型煤粉流量計已在航天爐、Shell爐等主流煤氣化裝置上得到成功應用，并取得了良好的工業現場應用效果。