摘  要： 對(duì)比美國熱電流量計(jì)和德國SWR流量計(jì)在粉煤加壓氣化裝置中的應(yīng)用。
關(guān)鍵字： 煤制合成氣 煤粉質(zhì)量 德國SWR流量計(jì) 美國熱電流量計(jì) 應(yīng)用

0 引言

對(duì)于采用高濃相輸送技術(shù)的煤粉輸送，煤粉流量的精確計(jì)量對(duì)氣量的消耗、系統(tǒng)的順暢運(yùn)行及設(shè)備、管道等的維護(hù)以及驗(yàn)證整個(gè)系統(tǒng)的濃相輸送等相關(guān)指標(biāo)、調(diào)控輸送量等工藝參數(shù)具有重要的作用和意義。在粉煤加壓氣化裝置的流程控制中，煤粉密度、流速的測(cè)量是整個(gè)輸煤系統(tǒng)的重中之重。我國近年來引進(jìn)的荷蘭殼牌公司的Shell粉煤加壓氣化技術(shù)中，粉煤質(zhì)量流量計(jì)一直采用美國熱電提供的核密度計(jì)與速度計(jì)。考察國內(nèi)同類設(shè)備的使用情況，其測(cè)量的準(zhǔn)確性需要靠經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)來調(diào)整，采集經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)最少需要2~3個(gè)月時(shí)間，煤粉標(biāo)定時(shí)間周期較長，而且其速度計(jì)響應(yīng)時(shí)間較慢，在濮陽航天爐的生產(chǎn)過程中，這種現(xiàn)象已得到驗(yàn)證。而采用德國斯威爾的微波技術(shù)的流量計(jì)調(diào)校比較簡單，調(diào)試時(shí)間大約一周，測(cè)量能滿足工藝要求。在航天爐項(xiàng)目的建設(shè)中，濮陽龍宇化工有限責(zé)任公司氣化裝置的每根煤粉管線上采用了2套美國熱電流量計(jì)和1套SWR流量計(jì)同時(shí)測(cè)量，在滿足工藝要求的同時(shí)，也驗(yàn)證了在同樣工況下，兩個(gè)廠家的流量計(jì)在煤粉流量計(jì)量上的準(zhǔn)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(jì)，在煤粉的計(jì)量和控制中得到了很好的應(yīng)用。

1 SWR（斯威爾）流量計(jì)

1.1 測(cè)量原理

SWR生產(chǎn)的DensFlow流量計(jì)是專門針對(duì)氣固兩相流而開發(fā)的測(cè)量儀器，適用于濃相或超濃相輸送工藝，通過在測(cè)量管中產(chǎn)生一個(gè)高頻、交流、均勻的電磁場來測(cè)量固體物料通過管道截面的平均流速和濃度，從而計(jì)算出固體物料在管道中的流速（m/s）、濃度（kg/m3）、質(zhì)量流量（kg/h或t/h），并且輸出對(duì)應(yīng)上述測(cè)量值的3路獨(dú)立的4~20mA電流信號(hào)。

流量、密度、流速的測(cè)量一體化，大大提高了測(cè)量的精度。

DensFlow固體物料密度值的測(cè)量是需要校準(zhǔn)和標(biāo)定的，因?yàn)樵搩x器可以測(cè)量濃相、超濃相輸送的所有固體顆粒或粉狀物料，而不同物料的堆積密度是不同的，所以必須實(shí)際標(biāo)定輸送物料的濃度值。正常的準(zhǔn)確度為±1%～±3%，系統(tǒng)均勻穩(wěn)定的噴吹狀態(tài)下可以達(dá)到小于±1％的測(cè)量及控制準(zhǔn)確度。

在現(xiàn)有濃相、超濃相輸送技術(shù)條件下，有以下幾種標(biāo)定方法可以使用：

（1）使用SWR的專用測(cè)試棒標(biāo)定；也可訂購SWR流量在線標(biāo)定系統(tǒng)來進(jìn)行標(biāo)定。

（2）用戶在安裝儀器前，在車間將固體流量計(jì)垂直放置在敞開容器后通電預(yù)熱，15min后將被測(cè)固體物料放入測(cè)量管內(nèi)進(jìn)行標(biāo)定。

（3）用戶在安裝儀器后，通電預(yù)熱15min，并將流量計(jì)內(nèi)置累積器清零后開始正常的物料輸送，通過儀器累計(jì)的物料質(zhì)量流量值與現(xiàn)有儀器的顯示值比較，然后將修正系數(shù)輸入儀器。

（4）用戶在安裝儀器后，通電預(yù)熱15min，并將流量計(jì)內(nèi)置累積器清零后開始正常輸送物料，通過儀器累計(jì)的物料質(zhì)量流量值與每天/每周/每月的物料消耗量比較，然后將修正系數(shù)輸入儀器。

1.2 標(biāo)定過程的修正方案

影響流量計(jì)測(cè)量結(jié)果的因素為壓力、懸浮密度、溫度，其中壓力的影響因素很穩(wěn)定，經(jīng)過現(xiàn)場的觀察和計(jì)算，壓力的影響為0~5MPa，影響零點(diǎn)漂移為0.4%~0.5%；濃度的影響只與傳感器特性有關(guān)；溫度的影響，安徽臨泉和濮陽由于安裝位置的不同，產(chǎn)生的影響大小有所不同，但是觀察在溫度變化不大的環(huán)境下，對(duì)流量計(jì)檢測(cè)的影響很小。針對(duì)這3個(gè)影響因素的修正方案如下：

（1）濃度修正方案。DCS計(jì)算方程如下：

密度的修正曲線如圖1所示，橫坐標(biāo)代表密度（kg/m3），縱坐標(biāo)代表修正系數(shù)。

圖1 密度修正曲線

（2）壓力修正。壓力影響實(shí)際顯示濃度值，隨著壓力的增加影響值逐漸減少。對(duì)應(yīng)著0~5MPa的壓力變化，零點(diǎn)漂移為0.4%~0.5%。

壓力修正公式為：

f（p）=1.7P

式中，f（p）為經(jīng)過修正后的管道壓力；p為流量計(jì)附近壓力取樣點(diǎn)壓力；P為實(shí)測(cè)的管道壓力。

（3）溫度修正。溫度對(duì)于傳感器的影響直接反映到傳感器的軸向應(yīng)力上。對(duì)于臨泉和濮陽現(xiàn)場出現(xiàn)的溫度影響不一致的原因，經(jīng)分析和現(xiàn)場的安裝位置有關(guān)。當(dāng)溫度變化不是很大的情況下，基本可以忽略此參數(shù)的影響。

（4）總修正方案。

DCS最后修正方程為：

A=（原始密度-f2（P）+f3（T））

DCS顯示密度=f1（A）·A·K2·K3

式中，K2為管道系數(shù)；K3為煤種系數(shù)，針對(duì)每根管道單獨(dú)進(jìn)行標(biāo)定；f1（A）為傳感器的特征方程。

經(jīng)過標(biāo)定，SWR流量計(jì)在實(shí)際工況中的歷史曲線如圖2所示。

圖2 SWR流量計(jì)在實(shí)際工況中的歷史曲線

1.3 存在的問題及改進(jìn)

（1）現(xiàn)場傳感器的線路板安裝采用接插件的方式，配線硬度較大，儀表在工作過程中煤粉管線的震動(dòng)易使線路板接插件松動(dòng)，造成接觸不良，導(dǎo)致煤粉流量無顯示。此問題已提交SWR總部，線路板經(jīng)過改進(jìn)后有效地杜絕了此類故障的發(fā)生。

（2）SWR流量計(jì)抗干擾能力較弱，中央處理器面對(duì)磁場的干擾表現(xiàn)為速度的波動(dòng)，進(jìn)而影響流量計(jì)量。所以二次表中央處理單元的安裝應(yīng)遠(yuǎn)離磁場，避免干擾信號(hào)的發(fā)生。

2 美國熱電流量計(jì)

2.1 測(cè)量原理

放射性同位素產(chǎn)生的γ射線具有穿透物質(zhì)的能力，對(duì)于一束準(zhǔn)直的γ射線，在穿過管徑為d，密度為ρ的被測(cè)介質(zhì)后，入射到γ探測(cè)器上的射線強(qiáng)度I與ρ=0時(shí)的射線強(qiáng)度Io之間成指數(shù)關(guān)系，通過測(cè)量射線強(qiáng)弱的變化，可知道介質(zhì)密度的大小。將放射源和射線探測(cè)器（閃爍探測(cè)器或電離室探測(cè)器）分別安裝在被測(cè)管兩側(cè)，用計(jì)算機(jī)處理放射線探測(cè)器的輸出信號(hào)，就可顯示出被測(cè)介質(zhì)的密度或濃度。

如將管道流量信號(hào)送入變送器，經(jīng)計(jì)算機(jī)處理后，可顯示被測(cè)介質(zhì)的質(zhì)量流量和積算值。

2.2 儀表系統(tǒng)的組成

DensityPRO密度計(jì)包括2個(gè)主要部分：放射源及鉛罐、一體化變送器/探測(cè)器。

密度計(jì)所用放射源一般情況下使用Cs137，特殊情況下使用Co60，無論是Cs137還是Co60放射源均為密封型的放射源，不會(huì)造成環(huán)境污染。

放射源固定在一個(gè)容器內(nèi)，這個(gè)容器由鉛層和鋼外殼及源開關(guān)裝置組成，源容器內(nèi)有一個(gè)射線通道（準(zhǔn)直孔）。當(dāng)源開關(guān)裝置處于關(guān)閉狀態(tài)時(shí)，從準(zhǔn)直孔出來的γ射線被屏蔽；而當(dāng)源開關(guān)處于開時(shí)，射線通過準(zhǔn)直孔穿過被測(cè)管道射到探測(cè)器上。源罐的鉛層厚度保證了從源罐泄露出的射線劑量不超過安全防護(hù)標(biāo)準(zhǔn)。

2.3 標(biāo)定

在標(biāo)定周期，密度計(jì)對(duì)探測(cè)器信號(hào)進(jìn)行平均處理。標(biāo)定的缺省周期時(shí)間為17min。平均的探測(cè)器信號(hào)提供在標(biāo)準(zhǔn)配置下的一個(gè)重復(fù)性非常好的信號(hào)測(cè)量值。

一旦完成標(biāo)準(zhǔn)測(cè)量，就可以對(duì)類似介質(zhì)沉積在管壁造成不斷增加的衰減等任何變化重復(fù)進(jìn)行補(bǔ)償。然后，密度計(jì)就可以基于新的標(biāo)定值調(diào)整校準(zhǔn)值。由于校準(zhǔn)值是按照相對(duì)于標(biāo)定值的一個(gè)比例系數(shù)存儲(chǔ)的，所以不需要進(jìn)行重新校準(zhǔn)。無論什么時(shí)候計(jì)算出新的標(biāo)定值，就自動(dòng)對(duì)校準(zhǔn)值進(jìn)行調(diào)整。

2.4 校準(zhǔn)

除非在對(duì)于懸浮液類型介質(zhì)“管道充滿載體”（對(duì)于溶液類型介質(zhì)“管道充滿溶劑”、對(duì)于乳液類型介質(zhì)“管道充滿液體1”）狀態(tài)下完成了標(biāo)定，必須用“設(shè)置密度，…”菜單組下的“密度計(jì)校準(zhǔn)”菜單完成校準(zhǔn)。如果需要校準(zhǔn)測(cè)量，顯示器顯示“Unitshasnotbeencali-brated（密度計(jì)沒有校準(zhǔn)）”消息。需要校準(zhǔn)時(shí)，單點(diǎn)校準(zhǔn)對(duì)于很多應(yīng)用是合適的。校準(zhǔn)測(cè)量應(yīng)該在實(shí)際介質(zhì)上完成，該介質(zhì)的密度接近正常工作期間預(yù)計(jì)的正常介質(zhì)密度。校準(zhǔn)測(cè)量時(shí)必須對(duì)介質(zhì)進(jìn)行采樣以確定介質(zhì)密度。密度計(jì)能夠使用源罐（幾何條件因子）、管道尺寸和介質(zhì)類型等信息，通過計(jì)算與探測(cè)器信號(hào)變化對(duì)應(yīng)的密度變化，測(cè)量其它密度值。需要更精確測(cè)量值時(shí)，可以進(jìn)行兩點(diǎn)標(biāo)定。第二個(gè)校準(zhǔn)值應(yīng)用“斜率”校正因子將探測(cè)器信號(hào)轉(zhuǎn)換為介質(zhì)密度。應(yīng)用兩點(diǎn)校準(zhǔn)時(shí)，盡量在靠近工作介質(zhì)密度范圍的一個(gè)端點(diǎn)完成第一點(diǎn)校準(zhǔn)，然后，在另一端點(diǎn)完成第二點(diǎn)校準(zhǔn)。

3 對(duì)比

在同樣工況下，對(duì)比美國熱電和SWR流量計(jì)在粉煤加壓氣化裝置中的應(yīng)用，采用SWR公司的Dens-Flow具有以下優(yōu)點(diǎn)：

（1）儀表沒有任何放射性物質(zhì)，現(xiàn)場技術(shù)人員不用擔(dān)心遭受核輻射的傷害。
（2）儀表標(biāo)定、校準(zhǔn)簡單，可操作性強(qiáng)，減少了儀表人員的維護(hù)周期。
（3）采用GFK（增強(qiáng)玻璃纖維）內(nèi)襯，耐高壓、耐磨、防腐，SWR承諾傳感器壽命大于3年，并提供相對(duì)應(yīng)的傳感器3年質(zhì)量保證。
（4）速度測(cè)量范圍可選（0~10m/s或0~20m/s），在濃相和稀相狀態(tài)下均可準(zhǔn)確測(cè)量，并且沒有靜電原理流量計(jì)速度測(cè)量范圍必須大于4m/s的限制。
（5）采用一臺(tái)儀表就可以完成煤粉的流速、濃度在線測(cè)量。
（6）DensFlow的測(cè)量管沒有任何節(jié)流部件，無壓力損失，免維護(hù)。
（7）不存在射源衰減的問題，儀表使用后期不會(huì)影響測(cè)量的精度。