何德頌

(中國五環(huán)工程有限公司,武漢 430223)

0 引 言

在工業(yè)生產(chǎn)過程中,兩相流量是一個(gè)極為重要且測量難度較大的參數(shù)。特別對于干煤粉氣化工藝的密相輸送系統(tǒng)來說,煤粉質(zhì)量流量的測量尤為重要,不僅關(guān)系磨煤工序的控制參數(shù),更直接參與氣化過程的氧煤比,直接影響氣化效率及工藝安全和工藝指標(biāo)。目前市場上主要有差壓測量、微波測量、密度速度測量等手段,對于煤化工來說,主要采用密度速度測量技術(shù)。

1 測量技術(shù)

1.1 差壓測量技術(shù)

差壓法的原理是將氣固兩相流看做是一個(gè)“均勻”的流體,當(dāng)流體經(jīng)過管道或文丘里裝置時(shí),會產(chǎn)生相應(yīng)壓力降,根據(jù)流動過程中產(chǎn)生的差壓與質(zhì)量流量的關(guān)系即可測量兩相流中的固體質(zhì)量流量。

1.2 微波測量技術(shù)

微波固體流量測量儀采用雷達(dá)原理和多普勒特性來進(jìn)行固體質(zhì)量流量的測量。傳感器采用微波技術(shù),通過和管道的特別連接,產(chǎn)生一個(gè)測量場,并向被測固體微粒發(fā)射低能量微波信號,信號散射回來并被傳感器接收。傳感器工作就像粒子計(jì)數(shù)器,記錄每個(gè)單位時(shí)間內(nèi)流動的微粒數(shù)量。由于采用特定的頻率,故僅流動的微粒能被測量而堆積的微粒不被測量,從而保證測量的精確性。

1.3 密度速度測量技術(shù)

在氣固兩相流中,固體顆粒的質(zhì)量流量是氣固兩相流速度和密度的函數(shù),所以密度速度測量技術(shù)原理即為將流體速度和密度分開檢測,然后計(jì)算質(zhì)量流量。

式中 qm(t)——平均質(zhì)量流量,kg/s;A——煤粉管道截面積,m2;v(t)——煤粉瞬時(shí)速度,m/s;ρsb(t)——煤粉瞬時(shí)密度,kg/m3。

2 密度速度測量系統(tǒng)配置及應(yīng)用

依據(jù)國內(nèi)某大型煤化工氣化工藝中的應(yīng)用實(shí)例,對密度速度測量系統(tǒng)配置進(jìn)行說明:工況為測量煤粉質(zhì)量流量,介質(zhì)形態(tài)為氣固兩相,溫度為80℃,壓力為4.3 MPa(G),介質(zhì)密度為0～600 kg/m3,速度為0～12 m/s。

該系統(tǒng)由核密度計(jì)、電容式速度計(jì)、二次儀表組成,具體配置如圖1所示。

圖1 密度速度測量統(tǒng)配置示意

2.1 核密度計(jì)

核密度計(jì)由放射源和檢測器組成,測量管道中物料的密度值。

放射源在大部分應(yīng)用場合可選用Cs137,但當(dāng)需要高能量場合時(shí),需選用放射源Co60。同時(shí)因?yàn)榉派湓吹妮椛湫?放射源被雙層密封在鉛罐中,以滿足美國核管制委員會(NRC)的安全要求。

核密度計(jì)使用閃爍型探測器來測量放射源的輻射到達(dá)量。該探測器由一個(gè)特殊的塑料閃爍體材料、光電倍增管及相關(guān)電子器件組成。當(dāng)閃爍器接收到射源輻射時(shí),會發(fā)出微小光閃爍。一定厚度的樣品對射線的吸收量與該樣品的密度有關(guān),而射線檢測器的信號則與該吸收量有關(guān)。當(dāng)管道內(nèi)介質(zhì)密度發(fā)生改變時(shí),更多的γ射線被介質(zhì)吸收,到達(dá)檢測器的能量隨之改變從而引起閃爍器的光脈沖減少,利用動態(tài)追蹤處理技術(shù)和光電倍增管檢測器將光脈沖轉(zhuǎn)變?yōu)殡娒}沖,便可測出介質(zhì)的密度。

2.2 電容式速度計(jì)

電容式速度計(jì)由內(nèi)置兩個(gè)電容傳感器構(gòu)成,用來測量管道中物料的速度值。理想狀態(tài)下,煤粉經(jīng)較短距離流動形態(tài)不會發(fā)生改變,通過計(jì)算兩傳感器捕捉到相同形態(tài)的煤粉時(shí)間差,即可計(jì)算煤粉顆粒速度。

2.3 二次儀表

二次儀表用來處理速度傳感器信號。質(zhì)量流量即通過測量的速度和密度的乘積,經(jīng)儀表處理后,可用以下任意一種方式輸出到用戶主機(jī):4～ 20 mA;ProfibusDP;Modbus;DeviceNet; Ethernet(TCP/IP)。

3 系統(tǒng)的安裝

測量系統(tǒng)應(yīng)安裝在垂直管道上,從而避免懸浮介質(zhì)沉淀引起的誤差。根據(jù)測量原理,射源和檢測器通常要求被安裝在管道的相對面,并確保兩條中心線處于一條直線。密度計(jì)是非接觸安裝,通常選用鏈條捆綁安裝形式。需要注意的是通常煤粉管線是需要保溫的,所以密度計(jì)與管道間有保溫材料隔離,如果直接將密度計(jì)捆綁在管道用的保溫棉上,會出現(xiàn)保溫棉進(jìn)水變形從而引起密度計(jì)中心線傾斜的危險(xiǎn),所以當(dāng)有管道保溫工況的時(shí)候,應(yīng)在安裝儀表處采用保溫繩等不易變形的材料進(jìn)行保溫。如果工藝管道未考慮此處的應(yīng)力,還應(yīng)加裝支撐以支持探頭和安裝組件。

4 系統(tǒng)標(biāo)定及修正

4.1 密度標(biāo)定

現(xiàn)場采用安裝粉煤管線的剩余管材約2 m (保證與實(shí)際安裝的粉煤管線材料、管徑壁厚等參數(shù)相同),吹掃干凈后,兩端焊上封頭,并裝上壓力表及進(jìn)氣、排氣截止閥。然后將密度計(jì)按要求裝至直管段,先行空管標(biāo)定。然后進(jìn)行低量程標(biāo)定:采用氮?dú)馄?密度50 kg/m3)對管內(nèi)充壓,當(dāng)高壓穩(wěn)定2 min后將理論值與密度值對比后標(biāo)定。高量程標(biāo)定選用水充滿管道標(biāo)定。測量數(shù)據(jù)見表1所列。

表1 密度標(biāo)定數(shù)據(jù)

4.2 系統(tǒng)標(biāo)定

由于速度計(jì)是無法調(diào)校的,所以該項(xiàng)目只能采用該煤粉管道煤粉循環(huán)時(shí)煤粉密度和速度的計(jì)算值剔除N2密度與煤粉倉的累積量進(jìn)行對比校準(zhǔn)。但由于粉煤倉的重量是依據(jù)稱重儀表測量,本身存在一定誤差,同時(shí)煤粉管道管徑為2.5 in(1 in= 2.54 cm),而速度儀表的管徑為2 in,所以整個(gè)系統(tǒng)需要重新標(biāo)定,見表2所列。

表2 系統(tǒng)流量測量結(jié)果

根據(jù)表2的實(shí)測值分析,修正曲線如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)流量測量修正曲線

修正后參數(shù)誤差見表2所列。分析數(shù)值可以看到流量計(jì)誤差和流速有關(guān),同時(shí)取決于安裝及物料條件等因素。通過系統(tǒng)分析,對煤粉質(zhì)量系統(tǒng)進(jìn)行了精確可靠的驗(yàn)證,也為隨后煤氣化裝置的順利穩(wěn)定投產(chǎn)所需的氧煤控制提供了可靠的保證。

5 結(jié)束語

目前密度速度測量系統(tǒng)在Shell粉煤氣化爐的密相輸送中得到廣泛應(yīng)用,有非侵入、易于安裝、牢固耐用和響應(yīng)速度快等優(yōu)點(diǎn),與微波技術(shù)相比缺點(diǎn)為需要核輻射源,需定期更換核源,購買核源手續(xù)繁瑣,要求用戶配備專有維護(hù)操作人員,還要處理核廢料,用戶維護(hù)成本高。微波測量技術(shù)主要以德國SWR公司技術(shù)為代表,但微波固體流量計(jì)必須采用實(shí)際被測介質(zhì)進(jìn)行標(biāo)定,較為麻煩。差壓測量技術(shù)雖然在理論及實(shí)驗(yàn)中取得較好的效果,但由于瞬時(shí)流量受到顆粒摩擦系統(tǒng)、速度比及懸浮速度等參數(shù)影響,目前未取得較好的應(yīng)用。另外,還有光學(xué)法、熱力學(xué)法、核磁共振法等其他檢測技術(shù),具體可根據(jù)實(shí)際工況加以分析選用。

[1] 徐苓安.相關(guān)流量測量技術(shù)[M].天津:科學(xué)技術(shù)出版社,2008.

[2] 董 群.氣固兩相流固體質(zhì)量流量測量技術(shù)[J].測量與設(shè)備,2007,(12):36-39.

[3] 韓 麗,歸柯庭,施明恒,等.電容式氣固兩相流濃度傳感器的研究[J].熱科學(xué)與技術(shù),2002,(2):309-321.

[4] 袁竹林,盧作基.用傳熱法測量燃煤鍋爐氣力輸送中煤流量的研究[J].燃燒科學(xué)與技術(shù),1999,5(1):52-56.

[5] 蔡武昌.流量儀表應(yīng)用的發(fā)展若干動態(tài)[J].自動化儀表, 2006,27(7):1-7.

[6] 蔣泰毅.氣固兩相流速度及質(zhì)量流量的靜電測量法研究[D].華中科技大學(xué),2005.

[7] 黃志堯,李海青.氣固兩相流中基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的固相質(zhì)量流量檢測方法的研究[J].儀器儀表學(xué)報(bào),1996,17(5): 465-469.

[8] VAMVUKA D,WOODBUM E T,SENIOR.Modeling of an Entrained Flow Coal Gasifier,1.Development of the Model and General Predicition[J].FUEL,1995,74: 1452-1465.

[9] 陸德民,張振基,黃步余.石油化工自動控制設(shè)計(jì)手冊[M]. 3版.北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2000.

[10] 江華東.微波固體流量計(jì)在煤粉測量中的應(yīng)用[J].石油化工自動化,2009,45(3):54-55.