張國(guó)民，白茂森

(1.神華寧夏煤業(yè)集團(tuán)煤制油分公司，寧夏銀川 750409； 2.天津孚洛泰科技有限公司，天津 300010)

神華寧夏煤業(yè)集團(tuán)4 000 kt/a煤炭間接液化示范項(xiàng)目是基于我國(guó)“缺油、少氣、富煤”的一次能源基本結(jié)構(gòu)，為滿足我國(guó)石油消費(fèi)快速增長(zhǎng)需求，保障我國(guó)能源安全，推進(jìn)國(guó)家中長(zhǎng)期能源發(fā)展戰(zhàn)略而設(shè)立的國(guó)家煤炭深加工示范項(xiàng)目，是全球單套裝置規(guī)模最大的煤制油項(xiàng)目。該項(xiàng)目承擔(dān)著37項(xiàng)裝備國(guó)產(chǎn)化任務(wù)，具有重要的工業(yè)示范意義。在論證充分、確保安全的前提下，引入優(yōu)良的國(guó)產(chǎn)化設(shè)備和技術(shù)是項(xiàng)目建設(shè)者和生產(chǎn)管理者的責(zé)任。

以粉煤干法進(jìn)料的氣流床粉煤加壓氣化工藝是目前最先進(jìn)的煤氣化技術(shù)之一[1]。在粉煤加壓氣化裝置中，粉煤密相氣力輸送是其關(guān)鍵技術(shù)之一[2]。準(zhǔn)確、可靠測(cè)量輸煤管線中的煤粉流量是準(zhǔn)確計(jì)算、控制氣化爐氧煤比的前提條件，對(duì)確保氣化爐安全、平穩(wěn)運(yùn)行具有至關(guān)重要的作用。

1 現(xiàn)有測(cè)量技術(shù)

針對(duì)密相氣力輸送的氣固兩相流，目前已報(bào)道的測(cè)量技術(shù)主要有差壓測(cè)量法[3]、微波反射法[4]、電容法[5]、γ射線衰減法[6]、靜電電荷法[7]、激光多普勒法[8]以及傳熱法[9]等。其中，差壓測(cè)量法存在文丘里等取壓裝置內(nèi)部結(jié)垢而使壓阻加大、內(nèi)部變形等缺點(diǎn)，并不適合工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用[10]；微波反射法由于多次雜散反射，不適合氣化爐輸煤管線應(yīng)用；激光多譜勒法和傳熱法等不能滿足工業(yè)的惡劣現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境，目前還無(wú)法形成工業(yè)實(shí)用產(chǎn)品。氣化爐現(xiàn)場(chǎng)使用的技術(shù)通常是基于電容法的煤粉速度計(jì)、γ射線衰減法的煤粉密度計(jì)以及靜電電荷法的煤粉速度計(jì)，通過(guò)煤粉速度計(jì)與密度計(jì)搭配的方式組成煤粉流量在線測(cè)量系統(tǒng)。然而，上述產(chǎn)品從經(jīng)濟(jì)上看，技術(shù)被少數(shù)國(guó)外公司壟斷，價(jià)格高、備件周期長(zhǎng)，亟需國(guó)產(chǎn)化；從技術(shù)方面看，依然存在不少缺陷，也需改進(jìn)。電容法是依據(jù)煤粉/傳感電極構(gòu)成等效電容變化的一種被動(dòng)式測(cè)量技術(shù)，等效電容非常微小，甚至低于傳感器引線的寄生電容，因此其抗干擾能力非常弱；靜電電荷法依據(jù)煤粉運(yùn)動(dòng)摩擦產(chǎn)生的靜電荷進(jìn)行測(cè)量，當(dāng)現(xiàn)場(chǎng)煤粉水分含量、運(yùn)動(dòng)速度、微粒直徑等工況環(huán)境變化不能滿足靜電荷信號(hào)產(chǎn)生的條件時(shí)，測(cè)量就會(huì)失??；γ射線衰減法所用的密度計(jì)帶有對(duì)人體有害的放射源，存在安全、環(huán)保隱患，且隨著放射源的衰減存在長(zhǎng)時(shí)間的零點(diǎn)漂移，同時(shí)準(zhǔn)確測(cè)量還需要扣除載氣本底密度、測(cè)量點(diǎn)的溫度并進(jìn)行壓力補(bǔ)償[11]，密度計(jì)構(gòu)成復(fù)雜，成本高，使用很不方便。

基于上述分析，無(wú)論是從經(jīng)濟(jì)角度還是技術(shù)角度考慮，都需要一種新型的測(cè)量技術(shù)，來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)煤氣化裝置中煤粉流量的準(zhǔn)確、可靠測(cè)量。

2 微功率電磁波透射式煤粉流量測(cè)量技術(shù)

微功率電磁波透射式煤粉流量測(cè)量技術(shù)采用高密度一體集成的煤粉密度傳感器、煤粉速度傳感器，可同時(shí)測(cè)量煤粉運(yùn)動(dòng)速度、懸浮密度以及質(zhì)量流量等。該技術(shù)國(guó)內(nèi)已有公司研制，并有成熟的工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)用產(chǎn)品(SFM型煤粉流量計(jì))，在航天爐、Shell爐等主流煤氣化裝置上都取得了成功應(yīng)用，在寧煤爐上的現(xiàn)場(chǎng)試用，證明了該項(xiàng)技術(shù)具有可靠性。

2.1 測(cè)量原理

煤粉對(duì)于電磁波是一種有損介質(zhì)，電磁波在煤粉中傳播時(shí)是一個(gè)衰減的正弦波或余弦波，其振幅沿傳播方向指數(shù)衰減，衰減的速度取決于衰減因子α，衰減的原因是電磁波的能量被煤粉所吸收，其能量隨電磁波在煤粉中的傳播逐漸減少。因此，當(dāng)選擇合適的頻率時(shí)，煤粉對(duì)電磁波的吸收能量最大，且吸收能量的大小與煤粉的密度呈一定的正比例關(guān)系。依據(jù)這一原理，即可通過(guò)透射的電磁波來(lái)傳感檢測(cè)管道內(nèi)煤粉密度和流態(tài)的變化。SFM型電磁波透射式煤粉流量計(jì)測(cè)量原理示意見(jiàn)圖1。

1.煤粉密度傳感器電磁波發(fā)射單元 2.煤粉密度傳感器電磁波發(fā)射天線 3.煤粉密度傳感器電磁波接收天線 4.煤粉密度傳感器電磁波信號(hào)接收單元 5.煤粉速度傳感器電磁波信號(hào)接收處理單元 6.金屬屏蔽外殼 7.第2煤粉速度傳感器接收天線 8.第1煤粉速度傳感器接收天線 9.非金屬測(cè)量?jī)?nèi)管 10.煤粉 11.傳感器密封腔體 12.第2煤粉速度傳感器電磁波發(fā)射天線 13.第1煤粉速度傳感器電磁波發(fā)射天線 14.煤粉速度傳感器電磁波發(fā)射單元 15.信號(hào)引線。圖1 SFM型電磁波透射式煤粉流量計(jì)測(cè)量原理示意

由圖1可以看出：在SFM型煤粉流量計(jì)中，包含了1對(duì)密度傳感器(圖中的2、3)和2對(duì)速度傳感器(圖中的7、8、12、13)，這3對(duì)傳感器密封在非金屬測(cè)量?jī)?nèi)管與金屬屏蔽外殼之間的空腔體內(nèi)。

對(duì)于煤粉密度的測(cè)量，是通過(guò)煤粉密度傳感器電磁波發(fā)射單元控制電磁波發(fā)射天線將電磁波定向穿透測(cè)量管中的煤粉后，到達(dá)管道另一側(cè)壁的接收天線，在電磁波穿透煤粉的過(guò)程中產(chǎn)生色散和衰減。煤粉的密度越大，電磁波的能量損耗越大；煤粉的密度越小，電磁波的能量損耗越小。煤粉密度傳感器接收天線接收色散和能量衰減后的電磁波信號(hào)，經(jīng)煤粉密度傳感器電磁波信號(hào)接收單元分析處理后，可輸出煤粉密度的測(cè)量結(jié)果。

對(duì)于煤粉速度的測(cè)量，是通過(guò)沿煤粉流動(dòng)的方向上布置2對(duì)相同的速度傳感器來(lái)檢測(cè)完成。每對(duì)速度傳感器包含1個(gè)電磁波發(fā)射器(圖中的12、13)和1個(gè)電磁波接收器(圖中的7、8)。發(fā)射的電磁波穿透過(guò)管道內(nèi)的煤粉后到達(dá)管道另一側(cè)的電磁波接收器，在穿透的過(guò)程中，電磁波信號(hào)被管道中時(shí)刻瞬變的煤粉流態(tài)所改變，煤粉流態(tài)信息疊加在透射的電磁波上，該電磁波信號(hào)被速度傳感器的接收天線(圖中的7、8)接收，經(jīng)過(guò)接收處理、分析單元處理分析后，從電磁波中剝離出其攜帶的煤粉流態(tài)信息。對(duì)比分析煤粉在第1、第2傳感器間的流態(tài)信息，計(jì)算出煤粉在二者間的渡越時(shí)間和管道中煤粉的運(yùn)動(dòng)速度，最終可計(jì)算出煤粉的流量。

2.2 標(biāo)定方式

SFM型煤粉流量計(jì)的速度測(cè)量結(jié)果是由時(shí)鐘脈沖計(jì)數(shù)來(lái)保證的，而其選擇的時(shí)鐘脈沖器件的精度為±50×10-6，遠(yuǎn)超過(guò)煤氣化裝置對(duì)于速度的測(cè)量精度要求，故無(wú)需另外標(biāo)定，可直接使用。

對(duì)密度和流量的標(biāo)定，則采用業(yè)界最常用的粉煤循環(huán)標(biāo)定方式，通過(guò)循環(huán)累積量與電子秤稱(chēng)重?cái)?shù)據(jù)的比較來(lái)獲得在線標(biāo)定系數(shù)。

2.3 本底扣除與補(bǔ)償

電磁波透射式煤粉流量計(jì)對(duì)于氣化爐輸煤管線中載氣密度變化的響應(yīng)幾乎為零，只響應(yīng)煤粉密度的變化。因此，它與當(dāng)前氣化爐上通常采用的放射性密度計(jì)(γ射線衰減密度計(jì))不同，無(wú)需扣除載氣本底密度，也無(wú)需進(jìn)行載氣壓力和溫度補(bǔ)償，測(cè)量更加準(zhǔn)確、可靠，使用也更加安全、環(huán)保、簡(jiǎn)單、方便。

2.4 零點(diǎn)漂移問(wèn)題

當(dāng)前氣化爐所用的放射性密度計(jì)，隨使用時(shí)間的推移，放射源不斷衰減，導(dǎo)致其存在長(zhǎng)時(shí)間的零點(diǎn)漂移問(wèn)題。電磁波透射式煤粉流量計(jì)采用恒定功率電磁波發(fā)射，無(wú)長(zhǎng)時(shí)間零點(diǎn)漂移問(wèn)題。

2.5 安全性

電磁波透射式煤粉流量計(jì)的電磁波發(fā)射功率僅為10 dm，相當(dāng)于手機(jī)發(fā)射功率的1/10，對(duì)人體無(wú)輻射傷害，對(duì)周?chē)h(huán)境不存在電磁污染，屬于安全、環(huán)保儀器。

3 SFM型煤粉流量計(jì)在工業(yè)煤氣化裝置上的應(yīng)用

3.1 航天爐

通常在工業(yè)生產(chǎn)的煤氣化裝置中，同一管線上要配置2臺(tái)煤粉流量計(jì)。在一些已建成項(xiàng)目中，當(dāng)進(jìn)口產(chǎn)品失效后，將其替換成SFM型電磁波透射式煤粉流量計(jì)，此時(shí)同一管線上同時(shí)配有SFM型電磁波透射式煤粉流量計(jì)和進(jìn)口的煤粉流量計(jì)。將同一管線上2臺(tái)不同煤粉流量計(jì)的長(zhǎng)時(shí)間測(cè)量結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，也可驗(yàn)證該測(cè)量技術(shù)的準(zhǔn)確性與可靠性。

從某煤化工生產(chǎn)企業(yè)DCS記錄的與進(jìn)口煤粉流量計(jì)長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行的歷史趨勢(shì)曲線對(duì)比發(fā)現(xiàn)，無(wú)論是斷煤響應(yīng)、煤量的增減調(diào)整，還是長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行趨勢(shì)變化，SFM型電磁波透射式煤粉流量計(jì)與德國(guó)生產(chǎn)的煤粉流量計(jì)的測(cè)量結(jié)果均保持高度一致，這驗(yàn)證了SFM型電磁波透射式煤粉流量計(jì)完全滿足煤氣化裝置的生產(chǎn)工藝需求。

3.2 Shell煤氣化裝置

SFM型電磁波透射式煤粉流量計(jì)在廣西柳州化工Shell煤氣化裝置上已成功取代1套美國(guó)進(jìn)口的“電容式煤粉速度計(jì)+放射性密度計(jì)”的煤粉流量測(cè)量系統(tǒng)，運(yùn)行效果良好。SFM型煤粉流量計(jì)與美國(guó)熱電公司同類(lèi)產(chǎn)品的對(duì)比見(jiàn)表1。

表1 SFM型煤粉流量計(jì)與美國(guó)熱電公司同類(lèi)產(chǎn)品的對(duì)比

替換后現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行效果表明，SFM型電磁波透射式煤粉流量計(jì)完全滿足Shell煤氣化裝置的生產(chǎn)工藝需求。

4 結(jié)語(yǔ)

微功率電磁波透射式煤粉流量測(cè)量技術(shù)針對(duì)粉煤加壓氣化裝置的煤粉密相氣力輸送，采用速度、密度傳感器一體式高密度集成方案，無(wú)電容法、靜電電荷法等被動(dòng)式測(cè)量技術(shù)抗干擾性差的缺點(diǎn)，無(wú)放射性密度計(jì)對(duì)人體傷害的安全隱患，且可直接測(cè)量粉煤的流動(dòng)速度、懸浮密度，無(wú)需扣除載氣本底密度，無(wú)需載氣壓力和溫度補(bǔ)償，使用簡(jiǎn)單、安全、可靠、經(jīng)濟(jì)。基于該技術(shù)的SFM型煤粉流量計(jì)已在航天爐、Shell爐等主流煤氣化裝置上得到成功應(yīng)用，并取得了良好的工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果。