德國CABloc流量計在殼牌氣化爐應用

郭培軍

（河南能源化工集團 鶴壁煤化工有限公司，河南 鶴壁 458030）

0 引言

殼牌氣化爐煤線采用煤粉濃相氣力輸送，作為煤氣化的關鍵技術之一，可實現對煤粉輸送速度、密度和流量的實時準確和穩(wěn)定測量，并根據這些測量值及輸送管線的規(guī)格尺寸及材料相關的校準因子計算出質量流量。測量煤粉速度準確性難度較大，受到干擾較多，在測量煤粉速度上受煤種的影響較大，特別是對煤種的濕度、粒度、揮發(fā)份等指標，當煤粉指標參數變化時，會造成煤粉速度計指示波動，無法實時準確測量煤粉速度。煤粉速度測量偏差可能相當大，偏差如果在長時間內未被檢測，使得煤線串級控制無法投入，可能導致氣化爐爐內出現嚴重問題，對于氣化爐安全生產至關重要。速度計是否長周期穩(wěn)定運行，直接關聯煤粉氣化效率、穩(wěn)定等方面。

1 CABloc Flow Meters煤粉流量計

1.1 特點

從投資成本、測量原理上考慮大幅降低成本，原來每套儀表各由1臺放射性密度計、1臺速度計組成，還包括煤粉管線測量溫度儀表、壓力儀表，其測量結果參與補償計算。從維護成本上考慮，可以有效減少放射源的購買、維護，減少放射性特種作業(yè)持證人員數量。而CABloc煤粉質量流量計需要的速度測量、質量測量、溫度測量、補償計算均是通過自身的一套設備獨立完成直接測量和相關計算。通過內部函數計算，計算出煤粉流體的質量流量。CABloc 65型Flow Meters煤粉流量計在PCI技術上提供了一種從技術上降低成本的方案，CABloc煤粉流量計中有多個測量電路系統(tǒng)實時對煤粉進行測量工作，可以根據煤粉介質指標的不同進行預先調整，使測量系統(tǒng)適應不同的煤粉特性。CABloc 65型Flow Meters煤粉流量計通過CAN-bus總線與PC機相連進行校準和配置，可以集中管理多達255個Cabloc流量計。流量計產品出廠時未進行校準設定流速，可以將煤管線相等的工況分配到多條線上，而不需要額外的校準，也可以根據具體工況分別調整煤粉流量測量值，針對不同的煤粉至少進行一次校準。

1.2 設計

采用新型速度計在一次元件[1]設計、安裝上的好處，如內襯起皮，采取了特別的設計方式和具體措施。由于管線和速度計法蘭口不平衡，速度計進口大，該法蘭的進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內襯的沖刷，避免在輸送煤粉時對測量部件內襯的損壞，避免煤粉不穩(wěn)定湍流的形成，有效確保煤粉靜電荷波形，便于信號的處理。由于該速度計是為了特殊用途而設計的，在任何情況下都要遵守行業(yè)標準規(guī)范和確保工作人員的安全。在設計之初就要求設備不得在最大允許的負載值以上運行，例如溫度、壓力、介質或未進一步定義的內容。

1.3 安裝注意事項

速度計安裝時不能承受任何其它的重量，例如連接的管道、混合器等。速度計未曾設計和構造相關的重量，應該根據壓力管道或容器的規(guī)定進行反復琢磨，進一步確認，確保工藝管道、法蘭、速度計傳感器保持在同一中心線上，同時兼顧到負載特性的靜態(tài)、動態(tài)[2]。該速度計測量本體為特殊設計，安裝時本體部位不得產生應變，避免本體在安裝時被抬起而受力。

1.3.1 安裝中存在的潛在風險

安裝過程中存在的潛在風險，例如：

①管道溫度過高，造成未隔離部分組件受損。

②通過介質和其他產生的腐蝕（壁變薄）。

③不應有的外部負載。

④填充或清空工藝過程中的風險。

⑤混合器等產生的額外磨損（壁變薄）。

⑥外部火災的影響。

⑦安裝環(huán)境或測量介質潮濕，表體絲堵存水。

圖1 法蘭Fig.1 Flange

Cabloc速度計不能安裝在管道轉彎處，速度計上游和下游必須有足夠的直管段長度。上游直管段至少要有20倍煤粉管線內徑的長度，下游直管段至少有20倍煤粉管線內徑的長度。在滿足最低要求的速度計前后直管段距離的前提條件下，較長的直管段可以有效保證煤粉濃相流動狀態(tài)，保證相似波形的穩(wěn)定[3]。在安裝使用過程中，應當采取適當的技術手段或設備設施來消除潛在風險。在消除潛在安裝風險后，需要根據規(guī)程做進一步的檢查。

1.3.2 法蘭標準

Cabloc速度計法蘭符合DIN/EN 1092-1標準（型號FLEN）型號FLENFE，在入口處為F型凹面法蘭，出口處為E型凸面法蘭型號FLENF，兩側均采用F型凹面法蘭。

為了在流量測量中獲得最佳結果，必須使用精確配合的墊圈來安裝Cabloc流量計。墊圈必須具有正確的內徑和外徑，不完全居中的墊圈或內徑太大或太小的墊圈會引起湍流，并且會降低儀表的精度。Cabloc流量計與垂直管線一起輸送煤粉，輸送煤粉過程中，直管段必須成直線并且與儀表內徑相同，距離至少為入口前內徑20倍和出口后內徑10倍，只有這樣才能實現設備的最佳性能。為避免由靜電放電引起的流量計損壞，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連接，整個裝置必須接地。所有Cabloc流量計均配有M6螺孔，可在兩個法蘭上安裝M10螺栓的電纜接頭，以連接接地電纜。整個裝置的正確接地至關重要，能夠避免靜電電荷損壞Cabloc流量計的電子電路，并不需要單獨對Cabloc流量計進行接地。

2 CABloc Flow Meters煤粉流量計測量原理

2.1 測量原理

流量計傳感器內部沿著管道內部流向的方向，安裝有兩個固定距離的測量線圈，煤粉顆粒在輸送過程中產生相互碰撞、摩擦，進而產生靜電，靜電荷在通過兩個測量線圈時產生非常相似的波形信號。該信號傳送到傳感器電子元器件，通過計算兩個測量線圈的距離除以兩個信號的時間差，即可得出煤粉顆粒的速度[4]。

圖2 Cabloc實時數據Fig.2 Cabloc Real-time data

圖3 Cabloc實時數據參數設定Fig.3 Cabloc Real-time data parameter setting

速度是直接測量的，在檢波信號處理上采用獨有算法，流量信號很小時，能準確檢出信號；在流量信號很大時，對波形的準確識別不會引起電路板的故障。從計量準確性上講，做煤粉循環(huán)或更換煤種時，利用V1201罐體計量設備的計量結果來修正速度計的輸出數值，可以在一定程度上克服煤種的濕度、粒度、灰分等指標的變化對速度計的影響。

2.2 CABloc Flow Meters煤粉流量計輸出

流量計測量的參數，即溫度、流量、濃度均以（4mA～20mA）形式輸出，通過上位機組態(tài)軟件修改參數量程的值。在該上位機CABloc軟件上，可以實時查看該速度計4個參數的曲線，從曲線上分析速度計運行狀況，為煤線長期穩(wěn)定運行提供了技術保障。

電源、電流回路和報警觸點各自是獨立的電路。在具有多個電流回路的設備中，電流回路共用同一個接地。CABloc型煤粉流量計通過4mA～20mA電流信號，輸出煤粉的流量、流速、密度和溫度數據；通過CAN-Bus（雙絞線電纜）進行參數設置和測量值的額外輸出；使用Cabloc/Graph（PC軟件）對數據進行圖形評估。

2.3 CABloc Flow Meters煤粉流量計設定

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

CAN-Bus總線采用屏蔽/屏蔽雙絞線電纜對于具有多個電流回路的儀表，當使用報警觸點時，將使用相應的多對電纜。當使用與推薦電纜不同的電纜時，請注意入口的最大合適直徑，避免電纜混用出現信號干擾問題。推薦使用J-Y（ST）Y2×2mm×0.8mm通信電纜。兩對并聯連接可產生100mm的有效橫截面，最大距離可達1000m。CAN-Bus總線地址可在流量計的銘牌上找到，通過該地址實現對對流量計的配置及監(jiān)控運行。

供電電壓指示燈可以為Cabloc流量計配有電源電壓指示器。電壓指示器提供了一種檢測欠壓或過壓的簡便方法。如果流量計指示欠壓或過壓，則應斷開電源，并在解決問題后重新連接。長時間欠壓或過壓運行，可能會導致流量計損壞。Cabloc流量計的保險絲可防止電源極性錯誤或電壓過高，第2個保險絲可防止保護電源輸出過載。Cabloc流量計配有藍色LED作為操作指示燈，該LED位于印刷電路板最上面。當儀表內的計算機處于正常運行狀態(tài)時，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或因電阻過高而終止。對于具有多個電流回路的設備，對應電流回路的編號印在LED附近的電路板上，通過保險絲保護電流回路免受電壓沖擊。如果保險絲熔斷，則必須拆除錯誤連接，并用相同類型的新保險絲更換。

3 CABloc Flow Meters煤粉流量計總結

速度和密度測量集于一體，煤粉濃相氣力輸送的速度和密度均是直接測量出來的。原來每套儀表各由一臺放射性密度計、一臺速度計組成，還包括煤粉管線測量溫度儀表、壓力儀表，其測量結果參與補償計算。而Cabloc煤粉質量流量計需要的速度測量、質量測量、溫度測量、補償計算均是通過自身一套設備獨立完成直接測量和相關計算，通過內部函數計算，得出煤粉流體的質量流量。此種測量方式能省掉很多獨立的儀表設備，比如單獨的密度測量儀表、溫度測量儀表，也能避免放射源維護、更換等工作。

Cabloc煤粉質量流量計本體對伴熱要求也較高，應盡量減少管道內外的溫度差，防止管道內部煤粉的掛料、結垢等造成煤粉速度測量精度的降低。Cabloc煤粉質量流量計的抗干擾在設計上做了一定的優(yōu)化，現場總計有3塊電路板，最底層電路板是直接采樣電極測量信號，中間一塊電路板對采樣信號進行計算及處理，最上層的電路板則是把相應的速度、密度、流量、溫度信號進行變送輸出，在輸出通道上采用單獨隔離輸出，在信號屏蔽處理上較好，總體上在殼牌氣化爐中的應用效果良好。