水煤漿氣化爐煤漿流量計測量問題解決方案

楊紹軍，周 鋁

(1.國家能源集團神華包頭煤化工有限責任公司，內蒙古 包頭 014010；2.岳陽建華工程有限公司包頭分公司，內蒙古 包頭 014010)

0 引言

測量煤漿的流量計(煤漿流量計)是水煤漿氣化爐的重要操作參數。煤漿流量與氧氣流量共同參與氣化爐的氧煤比控制(氧煤比是指氧氣的體積流量與煤漿的體積流量之比)。氧煤比的結果直接影響氣化爐運行的經濟性和可靠性。

合適的氧煤比可以提高碳的轉化率，而過量的氧煤比則會導致氣化爐過氧，引發氣化爐爆炸事故。因此，氣化爐的氧氣流量計和煤漿流量計都是非常重要的儀表設備。本文主要研究了實際應用過程中煤漿流量計存在的問題及相應的解決方案。

1 工藝簡介及流量計的作用

1.1 氣化裝置工藝簡介

某煤制烯烴工廠氣化裝置采用美國GE 公司水煤漿加壓氣化技術，以煤和氧氣為主要原料，生產粗合成氣送至下游凈化裝置。具體工藝是：原料煤經制漿單元加工成一定粒度分布、適宜pH值、較高濃度、穩定期和流變性較好的水煤漿；水煤漿經高壓煤漿泵加壓后和純氧經燒嘴進入氣化爐，在壓力6.5 MPa、溫度為1 350 ℃左右的條件下進行氣化反應，生成以CO、H2、CO2為主要成分的粗煤氣；將系統中產生的黑水送入閃蒸、沉降系統處理，以達到回收熱量、灰水再生、循環使用的目的[1]。

1.2 煤漿流量的測量方式及主要作用

氣化爐的水煤漿是非牛頓流體，成分復雜、測量難度大。依據同行業煤漿流量測量經驗，目前電磁流量計是可選的測量方式[2]。

煤漿流量計是氣化裝置重要的儀表設備。為確保準確、可靠測量煤漿流量，在煤漿管線上共安裝有三臺煤漿流量計。煤漿流量計取三者的中間值參與氣化爐的氧煤比控制，同時還通過三取二邏輯參與氣化爐的聯鎖控制。

2 電磁流量計測量原理及主要特點

2.1 測量原理及結構

2.1.1 測量原理

電磁流量計測量的基本原理是法拉第電磁感應定律[3]，即導電性流體-煤漿在磁場中切割磁力線運動時，其兩端產生感應電動勢。感應電勢的大小與煤漿在磁場中的平均速度成正比。所以，電磁流量計是一種速度式流量計。

2.1.2 電磁流量計的結構組成

電磁流量計由傳感器和轉換器兩部分組成。

傳感器安裝在煤漿管道上，由導管、線圈、電極、襯里、外殼和法蘭組成。導管是非導磁材料，且能承受水煤漿的額定工作壓力。線圈用于產生磁場。電極用于檢測與煤漿流量成正比關系的感應電勢信號。因為直接與煤漿接觸，電板耐磨性和耐蝕性應與介質相匹配、要具備一定的耐溫性、耐磨性和耐蝕性。外殼用于屏蔽外界磁場、保護線圈和電極。法蘭用于連接煤漿管道，要符合相關標準要求。

轉換器由電源電路、前置、主機電路、輸入/輸出電路、通信接口電路、顯示電路和勵磁電流電路等七部分電路組成。電源、前置電路、主機和輸入/輸出電路用于接收傳感器檢測到的毫伏級的感應電勢信號，把幾毫伏的流量信號轉換成儀表4～20 mA的標準信號；顯示電路用于內部參數的設定和各種數據、參數的顯示；勵磁電流電路用于為傳感器提供產生磁場的勵磁電流。

2.2 主要特點

現場應用過程中使用了科隆和橫河兩種電磁流量計。由于使用的科隆流量計數量較多，本文以科隆流量計為例，說明該流量計的主要優缺點。

(1)流量計優點。

①傳感器測量管是無阻尼結構，用于煤漿流量測量時壓損小，有利于節能。

②電磁流量計屬于速度式流量計，測量不受被測煤漿的溫度、壓力、密度、黏度、雷諾數、電導率(必須大于一定值)等參數的影響[4]。

③輸出信號與被測煤漿的體積流量成線性關系。

④測量范圍大，量程比寬(1∶100)，不需要進行線性修正，流速測量范圍大(0.3～12 m/s)。

⑤對前后直管段要求低，要求前5D、后2D。

⑥合理選擇傳感器襯里和電極材料，即具有良好的耐蝕性和耐磨性。

⑦傳感器采用低頻恒流勵磁技術，既克服了交流勵磁的干擾影響，又消除了極化現象，增強了流量計抗干擾性能，提高了儀表的穩定性。

(2)流量計缺點。

①被測介質電導率下限值是1 μs/cm。如果煤漿電導率過低，在下限值附近波動甚至低于下限值時，不能保證測量的準確性。

②傳感器電極檢測的信號是幾個毫伏的微弱信號，易受周圍電磁干擾。

③煤漿流速不能太低，一般應大于0.5 m/s，流速太低則無法保證測量精度。

3 漿流量計在實際應用中存在的問題

3.1 測量值不準

煤漿流量計在實際使用過程中，經常會出現測量值不準的情況，具體表現為零點不穩、實測值與實際值偏差大、穩定性差等現象。煤漿流量測量值不準對氣化爐的正常生產操作有很大的影響，尤其是流量計穩定性差、波動大的問題，曾引發氣化爐誤停車的事故。

3.2 響應速度慢

通過實際測量，煤漿流量計響應時間比煤漿管線內部煤漿的實際變化平均滯后約25 s。當氣化爐實際煤漿流量因某種原因迅速降低時，流量計阻尼時間過大，指示值沒有快速反映煤漿的實際變化值。氣化爐在固定氧煤比控制方式下，會造成氣化爐過氧爆炸[5]。同類企業曾經出現過因氣化爐過氧導致爆炸的惡性事故。

4 主要原因分析及解決方案

在實際使用過程中，電磁流量計出現測量值不準、響應速度慢的原因很多，具體包括安裝不符合要求、高壓煤漿泵工作異常、煤漿質量異常、流量計故障和流量計內部參數設定不科學等。

4.1 安裝問題

4.1.1 保證科學合理安裝

電磁流量計既可以垂直安裝，又可以水平安裝。垂直安裝時，要保證煤漿是從下往上流動；水平安裝時，要保證煤漿處于滿管測量狀態，流量計的傳感器上的箭頭方向與實際煤漿流向相同，前后直管段必須滿足電磁流量計安裝的最低要求[6]。

4.1.2 抗電磁干擾

電磁流量計傳感器兩個電極測得的與煤漿流量成比例關系的電信號很微弱，一般只有2.5～8 mV[7]。而傳感器周圍環境的電磁干擾對電極測得的信號影響很大，因此必須進行可靠的工作接地。

電磁流量計應該進行現場接地，接地電阻不大于10 Ω，且不得與電機等設備共用接地端、不得把焊機的地線接到流量計的地線上。要確保電磁流量計的信號線、電源線單獨穿管并分開敷設，信號線遠離大電機和動力電纜，且保證接線牢固可靠。

4.2 高壓煤漿泵問題

高壓煤漿泵是負責把煤漿輸送到氣化爐的重要設備，它的穩定運行有利于煤漿流量的準確測量。當煤漿泵出現異常時，煤漿的脈動性變大，煤漿流量測量值會出現大幅波動，所以要及時檢查泵的運行狀態，從而發現問題并及時處理。

4.3 煤漿質量問題

煤漿質量對煤漿流量的測量影響非常大，煤漿的電導率、pH值、氣泡大小及含量、鐵磁性物質含量、顆粒密度、顆粒粒徑、易結垢程度、易沉積程度等因素變化，都會使電磁流量計測量值出現無輸出、偏差大、穩定性差以及煤漿流量計響應速度慢等問題，嚴重時會引發氣化爐停爐的事故。

煤漿質量變化對煤漿流量測量的影響，實際上就是工藝操作變化對流量測量的影響。具體表現在以下幾個方面。

①氣化爐摻燒渣油，使混合后煤漿的導電率大幅下降，逼近電磁流量計要求的下限值，造成煤漿流量測量值大幅波動。

②氣化爐摻燒污水裝置的污泥，混合后煤漿的pH值偏酸性，電磁流量計的電極被腐蝕后造成煤漿流量測量值受到很大的影響。

③煤漿中含有的氣泡球徑較大時，氣泡經過電極就會完全擋住電極，使煤漿流量的測量產生波動。波動幅度與氣泡的大小有關，波動頻次與氣泡的多少有關[7-8]。

④煤漿中的顆粒撞擊電極會使煤漿流量的測量產生波動。波動幅度與顆粒大小有關，波動頻次與顆粒撞擊測量電極的頻次有關。

⑤流量計傳感器內部結垢或有沉積物時對測量結果影響很大，會造成測量值降低甚至無測量值輸出。相應的解決方案是加強對煤漿質量的監控。當發現水煤漿的電導率、pH值、粒度、濃度、黏度等指標發生較大變化時，應及時分析原因，并立即采取相應的措施調整操作工藝，改善煤漿質量。

4.4 流量計問題

4.4.1 電極極化

電極極化是指固液兩相的煤漿測量中，當煤漿中的固體顆粒撞擊或擦過電極表面，電極表面接觸電化學電勢突然變化，使測得的流量出現尖峰脈沖狀的噪聲[9]。其解決方案如下。

①選用表面積較小的電極，可以有效減少煤漿內部顆粒單位時間內撞擊或擦過測量電極表面的次數。

②選用表面相對光滑的電極，使電極表面薄層氧化膜不容易受顆粒沖撞或產生劃痕。

③采用低噪聲型電極。該型電極在實際安裝中低于傳感器內部襯里，電極表面與煤漿之間是一層絕緣襯里。在電極表面的面積范圍內，通過在絕緣襯里設置的若干個小孔與被測煤漿連通，小孔內充滿被測流體，可以避免電極表面受到煤漿內部顆粒的直接沖撞，從而減少噪聲的影響。實踐證明，采用低噪聲型電極抑制電極極化的效果較好。

4.4.2 電極絕緣性沉積結垢

若絕緣性沉積結垢覆蓋電極表面，則測量信號會被斷路[10]。其解決方案是在電磁流量計具備下線檢查條件時，檢查清理電極表面。

4.4.3 轉換器故障

當流量計本身的各個電路或接線出現故障時，流量計會出現無輸出、測量值偏離實際值、測量值突變、滿量程等異常情況。實際應用中，根據流量計的故障現象，分析故障原因，及時排除故障點。

4.5 流量計內部參數設定問題

電磁流量計的內部參數設定功能很強大，內部參數設定不科學會使流量計在實際使用過程中出現零點不穩、偏差、波動大、響應速度慢等問題。科學、合理的內部參數設定，會減小甚至消除各種問題。本文以科隆流量計為例，說明一些重要參數的內部參數設定情況。

4.5.1 流量計模擬量輸出設定

模擬量輸出設定內容有5項，分別是測量、單位、范圍、小信號切除和時間常數，應注意最后一項內容的設定。時間常數用于流量計主電流輸出的設定。流量計的響應時間也稱為阻尼時間，可設定的范圍是0.0～100 s。考慮到既要減少測量值的波動，又要保證流量計的響應速度，將時間常數設定為1 s。

4.5.2 過程輸入設定

過程輸入設定內容非常多，重點介紹對流量計測量值有較大影響的勵磁頻率和濾波等參數的設定情況。

(1)勵磁頻率。

(2)濾波。

科學、合理地設定流量計的濾波功能，可以抑制漿液噪聲對測量值的影響。濾波時間常數、脈動濾波、噪聲濾波等多項參數可以設定。

①考慮到濾波時間常數設定偏小會使測量數據波動變大，所以根據實際調試經驗，將濾波時間常數設定為5 s。

②脈動濾波用來抑制由煤漿內的固體顆粒、氣泡、及變化的pH值產生的噪聲。根據流量計調試經驗，脈動寬度和脈動限制值分別設定為5 s和0.03 m/s。

③噪聲濾波用于抑制低電導率、高固體含量、多氣泡、化學介質不均勻引起的噪聲。根據流量計調試經驗，噪聲限制值設定為0.03 m/s，噪聲抑制系數設定為3。

④小信號切除是指切除傳感器檢測的小流速對應流量。根據實際運行情況，將其設定為0.02 m/s。

5 結束語

通過分析水煤漿氣化爐煤漿流量計[9-11]在實際使用過程中存在問題，從安裝、問題分析處理以及流量計內部參數設定等方面，針對性地提出了切實可行的解決方案。該方案實現了煤漿流量計的穩定、可靠運行，保證了氣化爐運行的經濟性和安全性，同時也為其他同類工藝裝置煤漿流量的穩定、可靠測量提供了良好的解決方案。