發布日期：2022-05-11 點擊率：128
摘 要： 介紹了煤粉固體質量流量測量技術及產品，總結了固體質量流量計在粉煤氣力輸送過程中的應用情況，探討了電容式固體流量計工業規模下試驗標定方法和結果，對于氣固兩相流工業在線測量提供了參考。
關鍵字： 電容式 固體質量流量計 氣固兩相流測量 核輻射
粉煤氣化是潔凈煤技術領域里最新型的技術之一。以粉煤干法進料，加壓連續運行為特點的Shell、GSP、航天爐等是較為成熟的粉煤氣化工藝。這類工藝具有純氧氣化，密相氣力輸送粉煤，液態排渣的特點，其冷煤氣效率高、煤種適應性廣、碳轉化率高、操作自動化程度高、生產能力大、煤氣品質好、能滿足環保要求，具有很強的技術優勢［1］。
粉煤氣化工藝中煤粉流量是涉及系統穩定、安全運行的重要參數，煤粉質量流量計是關鍵儀表。目前，干煤粉密相輸送的計量大體可以分為電容式與放射線式2種，主要有賽默飛世爾公司（原美國熱電公司，主要見于Shell）、德國斯威爾SWR（見于航天爐）、德國伯托及法國EDITFLOW等。
1 固體質量流量測量技術及產品
1.1 電容式
該測量技術應用較為廣泛，具有代表性的是賽默飛世爾公司和德國SWR。從本質上講，SWR的固體流量計和賽默飛世爾公司的電容式固體質量流量計是基于同一種技術的產品，在測量適用的壓力、濃度、靈敏度和精度上類似。
1.1.1 測量原理
將電容極板安裝在流動管道外，當管道內氣固相比例發生變化時，介電常數也會發生相應變化，從而引起電容值改變。測量極板間電容值，再通過數字信號轉換，即可得管道內相濃度。圖1為電容極板系統。
圖1 電容極板系統
速度傳感器由2個電容傳感器構成，兩傳感器間距為8mm，固體顆粒依次經過2個傳感器，理想狀態下，固體物料流動形態經過較短距離不發生變化，兩傳感器可捕捉到相同的物料流動形態信號，由信號間存在的時間差即可計算固體顆粒速度［2］。
依據物質質量與電容的比例關系，通過測量電容變化測量物料濃度，通過交相關模型測量物料的速度（測量基礎仍然是電容變化），物料質量流量計算公式為：
Q=CAVK
式中，Q為質量流量，kg/s；C為固體質量濃度，kg/m3；A為傳感器截面積，m2；V為平均固體流速，m/s；K為校正因子，無因次。
賽默飛世爾公司的固體質量流量計由濃度計DC13、速度計DK13、二次儀表MT2109或MT2107（當需要PID調節時選用）組成。
儀表處理濃度、速度信號后輸出到用戶主機，其儀表直接輸出值為濃度、速度、瞬時流量、累計流量等主要參數，標準配置為兩路輸出。圖2為電容式固體質量流量測量原理。
圖2 電容式固體質量流量測量原理
SWR的固體流量計則是將速度計與密度計整合成一個模塊，長度較短（400mm左右），二次儀表相對功能較少，因此外形小巧。
1.1.2 應用范圍
應用物料范圍：濃相輸送的固體物料，主要是煤粉等。
固氣質量比（以下簡稱固氣比）不小于5∶1的輸送狀態，在此基礎上，滿足其它使用條件精度可達0.5%～1%，國外用戶的普遍精度為1%～2%；固氣比介于4～5，精度降低，有可能到4%，甚至8%；固氣比介于3～4，精度進一步降低；固氣比小于3，基本上難以滿足測量要求。
應用壓力/溫度范圍：12MPa/150℃（可選200℃，特制）；
應用危險場合：適用于ClassI，Division1，GroupsA、B、C、D；
1.1.3 應用情況
電容式固體質量流量測量技術主要用戶分布在煤化工和鋼鐵行業。國外煤氣化都是典型的濃相輸送，絕大多數采用非核的測量方式，即采用固體質量流量計由DC13（濃度計）+DK13（速度計）直接測量煤粉的質量流量，Shell在國外采用濃相輸送工藝時也會選用非核的測量方式；國內水煤漿氣化及煤化工國家工程研究中心中試裝置2004年訂購了8臺質量流量計，目前尚在中試裝置和華東理工大學實驗室裝置上使用［2］。國內云南大維和中石化安慶的殼牌裝置上各購置了1臺電容式固體質量流量計，目前尚未上線運行。鋼鐵行業的應用主要是鋼廠煉鐵時高爐噴煤質量測量與控制，國內的用戶主要有上海寶鋼、重慶鋼鐵公司、沙鋼等。
目前，SWR的主要用戶在航天爐，包括河南濮陽龍宇化工有限責任公司、安徽臨泉化工有限公司。河南濮陽龍宇化工航天爐項目氣化裝置的每根煤粉管線上采用了2套美國熱電流量計和1套SWR流量計同時測量［3］，在滿足工藝要求的同時，也驗證了在同樣工況下，2個廠家的流量計在煤粉流量計量上的準確度和可靠性。安徽臨泉在航天爐裝置的每條煤粉管線上采用了2套SWR流量計。
1.2 核輻射測量方式
利用核密度計和速度計配合測量煤粉質量的技術是20世紀90年代美國拉姆齊公司開發并成功應用到殼牌煤氣化工藝上的。后來德國伯托（Bertohod）公司也開始涉足類似的領域。
1.2.1 測量原理
核輻射密度計也稱為核密度計、伽馬密度計等，其測量原理是利用能量衰減法對密度進行測量。核密度計的放射源（137Cs或60Co）置入一個鉛罐內，安裝在被測管道的一側，核密度計的探測器安裝在被測管道的另一側（對稱），放射源發出的伽馬射線穿過被測容器的管壁及介質到達探測器，當管內介質的密度發生改變時，伽馬密度計探測器接收的射線能量也發生變化。核密度計將檢測到的射線能量的變化電量轉換成用戶需要的物理量———密度［2］。利用這種技術，核輻射密度計能夠進行高精度的密度測量及快速反映被測密度的變化。密度計測量濃度之后輸出測量值給用戶主機，采用速度計測量速度輸出速度信號給總控系統，質量計算由用戶主系統完成。
賽默飛世爾公司核輻射式質量流量計DensityPRO，密度計包括2個主要部分：一是放射源及鉛罐；二是一體化變送器/探測器。密度計所用放射源一般情況下使用密封型的放射源137Cs，特殊情況下使用60Co。PRO核密度計基本測量提供一個獨立環路供電4～20mA輸出，輸出可設置為8個獨立數據或范圍通道，單位可由用戶選擇，包括密度、固體質量百分比、BRIX°、API°等。
DensityPRO核密度計具有測量精度高、響應速度快及核密度計獨有的非接觸測量方式等優點，滿足粉煤氣化在線介質密度測量要求，在國內殼牌裝置上應用較為廣泛。德國伯托公司采用放射性密度計+靜電式速度計+計算及補償的方式進行計量。速度計為靜電感應式，原理為粉煤在氣力輸送過程中，顆粒之間互相碰撞、摩擦，產生靜電，經過速度計時引起靜電場的波動，感應出一個電壓信號；相鄰的一些粉煤顆粒相繼經過速度計，感應出一個電壓波形。根據速度計內部2個一定距離的電極接收到同一信號的時間差，計算出粉煤的流動速度。伯托速度主要影響因素有煤粉粒徑、水分含量、溫度等［4］。
1.2.2 應用范圍
應用物料范圍：稀相或者濃相輸送的所有固體物料包括煤粉，在固氣比不小于5∶1的輸送狀態，滿足其它使用條件，精度可達0.5%～1%，國外用戶的普遍精度為1%～2%；固氣比小于4∶1，則以密度測量值為主要控制依據。
應用壓力/溫度范圍：12MPa/150℃（可選200℃，特制）；
應用危險場合：適用于ClassI，Division1，GroupsA、B、C、D；
1.2.3 應用情況
賽默飛世爾公司核輻射式質量流量計主要在國內Shell裝置應用，如大連大化集團、中原大化集團、中石化安慶公司、中石化柳州化工有限公司、湖北雙環化肥廠等均有應用。
德國伯托公司核輻射式質量流量計國內主要應用于Shell裝置，如岳陽中石化殼牌煤氣化有限公司、中石化湖北分公司、云南沾化責任有限公司、中國神華煤制油有限公司、神華寧煤、河南開祥化工有限公司、河南龍宇煤化工有限公司等單位。
1.3 微波固體流量測量
1.3.1 測量原理
微波固體流量測量儀適用于金屬管道內固體物料流量的測量。利用微波能量場和固體顆粒對微波的反射和多普勒特性，通過傳感器和管道之間電磁場的特殊耦合，產生一個測量場。傳感器向金屬輸料管道固體顆粒發射低能量微波信號，信號被固體反射后又被傳感器接收到，這些信號的頻率和振幅被中央處理單元處理利用。通過移動物料的微波反射能量來測量物料的密度，相當于一個微波計數器，記錄單位時間內流動的物料顆粒數量，從而測量出物料的流量。由于采用特定的頻率，故僅流動的微粒數量能被測量，堆積的微粒數量不被測量。傳感器的標定在安裝完成后進行，簡單地按鍵并輸入參考數量即可［5］。圖3為測量原理示意。
圖3 微波固體流量測量儀測量原理
1.3.2 系統構成
一套完整的微波固體測量系統包括：傳感器及安裝底座、中央處理單元FME、C－Box接線盒（連接傳感器與中央處理單元）［5］。圖4為系統組成。
圖4 微波固體測量系統組成
1.3.3 應用情況
微波固體測量系統主要應用于電廠鍋爐系統中的大型燃煤機組、煉鋼廠高爐粉煤的輸送。粉塵狀燃料被輸送到鍋爐中作二次燃料，在每根送料管上采用1臺固體流量探測儀測量流量，優化燃燒；高爐粉煤的輸送應用情況與之類似。
目前應用較多的為法國EDIT固體流量計。該流量計采用的是微波式測量原理，精度可達到1%～2%，產品樣本上注明的測量精度為1%。該流量計在粉煤氣化工況中沒有應用業績，國內所有業績均在電廠、煉鋼廠高爐粉煤的輸送管道上取得。
2 電容式與核輻射測量方式的差別
2.1 濃度測量技術不同
核測量技術使用核密度計來測量煤粉濃度，用DK13測量速度。非核技術完全使用電容式的密度計測量濃度和速度計測量速度。表1為兩者的優缺點對比。
表1 核測量技術與非核測量技術對比
2.2 設備承擔的任務不同
核輻射測量技術并不直接提供質量流量的計算和顯示，而由用戶主系統根據工藝商模型計算得出，儀表只提供濃度，速度測量值；非核測量技術直接計算出瞬時流量、累積流量、濃度、速度，如果必要可以直接控制相關的給料設備（PID控制）。
2.3 測量精度不同
使用賽默飛世爾公司的核密度計+速度計的測量方式（核測量技術），核密度計用于測量濃度時標稱的精度等級為0.2%，速度計一般利用電容式測量原理，精度等級1%。
使用賽默飛世爾公司的電容式固體質量流量計（非核測量技術密度），型號GranucorDC/13、DK13，稀相輸送狀況時因為DC13測量誤差較大（5%或更大），超濃相時煤粉由于發生柱塞、停滯、倒流，流動性偏離理想狀況很多，DC13的速度測量值會偏差較大，尤其當DC13被安裝在水平管道甚至是物料從下往上流動的管道時誤差可以達到6%甚至更大；不過賽默飛世爾公司已經更新了DC13的硬件和相應的測量軟件（基于交相關原理）。
2.4 標定方法不同
核輻射測量技術測量的準確性需要靠實測數據來調整，需要在輸送工況下先用輸送載氣進行標定，而后通過循環輸送對煤粉進行標定。
賽默飛世爾公司（美國熱電）的非核測量技術根據水煤漿氣化及煤化工國家工程研究中心中試使用經驗，不需單獨對載氣進行標定，而是在輸送工況下進行標定。標定完成后，僅在化工投料前簡單驗證即可。
3 電容式固體質量流量計使用研究
早在2004年，水煤漿氣化及煤化工國家工程研究中心、華東理工大學在承擔國家“十五”科技攻關重點課題“粉煤加壓氣化制備合成氣研究與開發”時就購置了8臺美國熱電（原美國拉姆齊）固體質量流量計Model2109進行煤粉輸送與計量。使用過程表明，質量流量計的測量已經達到了一定的精度，完全可以滿足工業應用的要求；流量計的測量精度不僅與儀器本身的硬件及軟件設置有關，還與煤粉在管道中的流動形態有著密切的關系。華東理工大學和水煤漿氣化及煤化工國家工程研究中心對DC13與DK13組合用于煤粉密相氣力輸送質量流率測量性能系統開展了固氣比、穩定性、物料流向、物料濕含量等影響因素的研究［5］。結果表明，密相穩定輸送條件下的總體測量偏差在10%以內，優化條件下可達5%以內，并成功應用于粉煤氣化中試裝置，完全滿足粉煤氣流床氣化的工藝要求。
在“十一五”863項目“高灰熔點煤氣流床加壓氣化”應用研究中，水煤漿氣化及煤化工國家工程研究中心在2009年購置了1臺SWR的Densfow電容式流量計，與華東理工大學共同開展工業規模煤粉輸送研究。測量結果表明該固體質量流量計的測量偏差可控制在7%以內，與賽默飛世爾公司DC13與DK13組合的性能相當，符合工業運行要求。
4 結論與建議
（1）從使用業績上看，賽默飛世爾公司、德國伯托公司的放射性質量流量計在國內煤化工領域應用較多；電容式主要應用在鋼鐵行業，煤化工領域賽默飛世爾公司主要在兗礦中試及殼牌云南大維裝置中使用；SWR主要在國內航天爐上使用。
（2）美國熱電的電容式流量計和德國SWR流量計技術來源相同，測量原理相似，技術上沒有本質區別。近年來的工業應用實踐表明，對于粉煤加壓氣化裝置中的煤粉流量的計量都是有效的。
（3）由于煤粉的密相輸送為氣固兩相流，測量和控制極為復雜，2種流量計由于測量原理的限制，對濃度的測量均存在局限性，在煤粉流型等發生變化時，均存在濃度測量的較大誤差。
（4）對于首次進行粉煤加壓氣化應用的企業，建議在每臺氣化爐的煤粉管線上設置至少1臺核密度計，在開車初期準確測量煤粉流量，積累運行經驗。
（5）上述儀表對工藝要求比較苛刻，設計、施工應嚴格按照儀表的要求進行，運行時也應從工藝上盡量滿足儀表的要求。
參考文獻：
［1］倪維斗，李政.以煤氣化為核心的多聯產能源系統［J］.煤化工，2003，104（1）：3.
［2］郭云舟，郭曉鐳，郭為國.固體質量流量計在密相氣力輸送中的應用［J］.自動化儀表，2007，28（6）：17－18.
［3］肖玲，劉連景.德國SWR（斯威爾）流量計在粉煤氣化裝置———航天爐中的應用［J］.化工自動化及儀表，2010，37（5）：112－113.
［4］江華東.微波固體流量計在煤粉測量中的應用［J］.石油化工自動化，2009（3）：54－55.
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