楊紹軍，周 鋁

(1.國家能源集團神華包頭煤化工有限責任公司，內(nèi)蒙古 包頭 014010；2.岳陽建華工程有限公司包頭分公司，內(nèi)蒙古 包頭 014010)

0 引言

測量煤漿的流量計(煤漿流量計)是水煤漿氣化爐的重要操作參數(shù)。煤漿流量與氧氣流量共同參與氣化爐的氧煤比控制(氧煤比是指氧氣的體積流量與煤漿的體積流量之比)。氧煤比的結(jié)果直接影響氣化爐運行的經(jīng)濟性和可靠性。

合適的氧煤比可以提高碳的轉(zhuǎn)化率，而過量的氧煤比則會導致氣化爐過氧，引發(fā)氣化爐爆炸事故。因此，氣化爐的氧氣流量計和煤漿流量計都是非常重要的儀表設(shè)備。本文主要研究了實際應(yīng)用過程中煤漿流量計存在的問題及相應(yīng)的解決方案。

1 工藝簡介及流量計的作用

1.1 氣化裝置工藝簡介

某煤制烯烴工廠氣化裝置采用美國GE 公司水煤漿加壓氣化技術(shù)，以煤和氧氣為主要原料，生產(chǎn)粗合成氣送至下游凈化裝置。具體工藝是：原料煤經(jīng)制漿單元加工成一定粒度分布、適宜pH值、較高濃度、穩(wěn)定期和流變性較好的水煤漿；水煤漿經(jīng)高壓煤漿泵加壓后和純氧經(jīng)燒嘴進入氣化爐，在壓力6.5 MPa、溫度為1 350 ℃左右的條件下進行氣化反應(yīng)，生成以CO、H2、CO2為主要成分的粗煤氣；將系統(tǒng)中產(chǎn)生的黑水送入閃蒸、沉降系統(tǒng)處理，以達到回收熱量、灰水再生、循環(huán)使用的目的[1]。

1.2 煤漿流量的測量方式及主要作用

氣化爐的水煤漿是非牛頓流體，成分復雜、測量難度大。依據(jù)同行業(yè)煤漿流量測量經(jīng)驗，目前電磁流量計是可選的測量方式[2]。

煤漿流量計是氣化裝置重要的儀表設(shè)備。為確保準確、可靠測量煤漿流量，在煤漿管線上共安裝有三臺煤漿流量計。煤漿流量計取三者的中間值參與氣化爐的氧煤比控制，同時還通過三取二邏輯參與氣化爐的聯(lián)鎖控制。

2 電磁流量計測量原理及主要特點

2.1 測量原理及結(jié)構(gòu)

2.1.1 測量原理

電磁流量計測量的基本原理是法拉第電磁感應(yīng)定律[3]，即導電性流體-煤漿在磁場中切割磁力線運動時，其兩端產(chǎn)生感應(yīng)電動勢。感應(yīng)電勢的大小與煤漿在磁場中的平均速度成正比。所以，電磁流量計是一種速度式流量計。

2.1.2 電磁流量計的結(jié)構(gòu)組成

電磁流量計由傳感器和轉(zhuǎn)換器兩部分組成。

傳感器安裝在煤漿管道上，由導管、線圈、電極、襯里、外殼和法蘭組成。導管是非導磁材料，且能承受水煤漿的額定工作壓力。線圈用于產(chǎn)生磁場。電極用于檢測與煤漿流量成正比關(guān)系的感應(yīng)電勢信號。因為直接與煤漿接觸，電板耐磨性和耐蝕性應(yīng)與介質(zhì)相匹配、要具備一定的耐溫性、耐磨性和耐蝕性。外殼用于屏蔽外界磁場、保護線圈和電極。法蘭用于連接煤漿管道，要符合相關(guān)標準要求。

轉(zhuǎn)換器由電源電路、前置、主機電路、輸入/輸出電路、通信接口電路、顯示電路和勵磁電流電路等七部分電路組成。電源、前置電路、主機和輸入/輸出電路用于接收傳感器檢測到的毫伏級的感應(yīng)電勢信號，把幾毫伏的流量信號轉(zhuǎn)換成儀表4～20 mA的標準信號；顯示電路用于內(nèi)部參數(shù)的設(shè)定和各種數(shù)據(jù)、參數(shù)的顯示；勵磁電流電路用于為傳感器提供產(chǎn)生磁場的勵磁電流。

2.2 主要特點

現(xiàn)場應(yīng)用過程中使用了科隆和橫河兩種電磁流量計。由于使用的科隆流量計數(shù)量較多，本文以科隆流量計為例，說明該流量計的主要優(yōu)缺點。

(1)流量計優(yōu)點。

①傳感器測量管是無阻尼結(jié)構(gòu)，用于煤漿流量測量時壓損小，有利于節(jié)能。

②電磁流量計屬于速度式流量計，測量不受被測煤漿的溫度、壓力、密度、黏度、雷諾數(shù)、電導率(必須大于一定值)等參數(shù)的影響[4]。

③輸出信號與被測煤漿的體積流量成線性關(guān)系。

④測量范圍大，量程比寬(1∶100)，不需要進行線性修正，流速測量范圍大(0.3～12 m/s)。

⑤對前后直管段要求低，要求前5D、后2D。

⑥合理選擇傳感器襯里和電極材料，即具有良好的耐蝕性和耐磨性。

⑦傳感器采用低頻恒流勵磁技術(shù)，既克服了交流勵磁的干擾影響，又消除了極化現(xiàn)象，增強了流量計抗干擾性能，提高了儀表的穩(wěn)定性。

(2)流量計缺點。

①被測介質(zhì)電導率下限值是1 μs/cm。如果煤漿電導率過低，在下限值附近波動甚至低于下限值時，不能保證測量的準確性。

②傳感器電極檢測的信號是幾個毫伏的微弱信號，易受周圍電磁干擾。

③煤漿流速不能太低，一般應(yīng)大于0.5 m/s，流速太低則無法保證測量精度。

3 漿流量計在實際應(yīng)用中存在的問題

3.1 測量值不準

煤漿流量計在實際使用過程中，經(jīng)常會出現(xiàn)測量值不準的情況，具體表現(xiàn)為零點不穩(wěn)、實測值與實際值偏差大、穩(wěn)定性差等現(xiàn)象。煤漿流量測量值不準對氣化爐的正常生產(chǎn)操作有很大的影響，尤其是流量計穩(wěn)定性差、波動大的問題，曾引發(fā)氣化爐誤停車的事故。

3.2 響應(yīng)速度慢

通過實際測量，煤漿流量計響應(yīng)時間比煤漿管線內(nèi)部煤漿的實際變化平均滯后約25 s。當氣化爐實際煤漿流量因某種原因迅速降低時，流量計阻尼時間過大，指示值沒有快速反映煤漿的實際變化值。氣化爐在固定氧煤比控制方式下，會造成氣化爐過氧爆炸[5]。同類企業(yè)曾經(jīng)出現(xiàn)過因氣化爐過氧導致爆炸的惡性事故。

4 主要原因分析及解決方案

在實際使用過程中，電磁流量計出現(xiàn)測量值不準、響應(yīng)速度慢的原因很多，具體包括安裝不符合要求、高壓煤漿泵工作異常、煤漿質(zhì)量異常、流量計故障和流量計內(nèi)部參數(shù)設(shè)定不科學等。

4.1 安裝問題

4.1.1 保證科學合理安裝

電磁流量計既可以垂直安裝，又可以水平安裝。垂直安裝時，要保證煤漿是從下往上流動；水平安裝時，要保證煤漿處于滿管測量狀態(tài)，流量計的傳感器上的箭頭方向與實際煤漿流向相同，前后直管段必須滿足電磁流量計安裝的最低要求[6]。

4.1.2 抗電磁干擾

電磁流量計傳感器兩個電極測得的與煤漿流量成比例關(guān)系的電信號很微弱，一般只有2.5～8 mV[7]。而傳感器周圍環(huán)境的電磁干擾對電極測得的信號影響很大，因此必須進行可靠的工作接地。

電磁流量計應(yīng)該進行現(xiàn)場接地，接地電阻不大于10 Ω，且不得與電機等設(shè)備共用接地端、不得把焊機的地線接到流量計的地線上。要確保電磁流量計的信號線、電源線單獨穿管并分開敷設(shè)，信號線遠離大電機和動力電纜，且保證接線牢固可靠。

4.2 高壓煤漿泵問題

高壓煤漿泵是負責把煤漿輸送到氣化爐的重要設(shè)備，它的穩(wěn)定運行有利于煤漿流量的準確測量。當煤漿泵出現(xiàn)異常時，煤漿的脈動性變大，煤漿流量測量值會出現(xiàn)大幅波動，所以要及時檢查泵的運行狀態(tài)，從而發(fā)現(xiàn)問題并及時處理。

4.3 煤漿質(zhì)量問題

煤漿質(zhì)量對煤漿流量的測量影響非常大，煤漿的電導率、pH值、氣泡大小及含量、鐵磁性物質(zhì)含量、顆粒密度、顆粒粒徑、易結(jié)垢程度、易沉積程度等因素變化，都會使電磁流量計測量值出現(xiàn)無輸出、偏差大、穩(wěn)定性差以及煤漿流量計響應(yīng)速度慢等問題，嚴重時會引發(fā)氣化爐停爐的事故。

煤漿質(zhì)量變化對煤漿流量測量的影響，實際上就是工藝操作變化對流量測量的影響。具體表現(xiàn)在以下幾個方面。

①氣化爐摻燒渣油，使混合后煤漿的導電率大幅下降，逼近電磁流量計要求的下限值，造成煤漿流量測量值大幅波動。

②氣化爐摻燒污水裝置的污泥，混合后煤漿的pH值偏酸性，電磁流量計的電極被腐蝕后造成煤漿流量測量值受到很大的影響。

③煤漿中含有的氣泡球徑較大時，氣泡經(jīng)過電極就會完全擋住電極，使煤漿流量的測量產(chǎn)生波動。波動幅度與氣泡的大小有關(guān)，波動頻次與氣泡的多少有關(guān)[7-8]。

④煤漿中的顆粒撞擊電極會使煤漿流量的測量產(chǎn)生波動。波動幅度與顆粒大小有關(guān)，波動頻次與顆粒撞擊測量電極的頻次有關(guān)。

⑤流量計傳感器內(nèi)部結(jié)垢或有沉積物時對測量結(jié)果影響很大，會造成測量值降低甚至無測量值輸出。相應(yīng)的解決方案是加強對煤漿質(zhì)量的監(jiān)控。當發(fā)現(xiàn)水煤漿的電導率、pH值、粒度、濃度、黏度等指標發(fā)生較大變化時，應(yīng)及時分析原因，并立即采取相應(yīng)的措施調(diào)整操作工藝，改善煤漿質(zhì)量。

4.4 流量計問題

4.4.1 電極極化

電極極化是指固液兩相的煤漿測量中，當煤漿中的固體顆粒撞擊或擦過電極表面，電極表面接觸電化學電勢突然變化，使測得的流量出現(xiàn)尖峰脈沖狀的噪聲[9]。其解決方案如下。

①選用表面積較小的電極，可以有效減少煤漿內(nèi)部顆粒單位時間內(nèi)撞擊或擦過測量電極表面的次數(shù)。

②選用表面相對光滑的電極，使電極表面薄層氧化膜不容易受顆粒沖撞或產(chǎn)生劃痕。

③采用低噪聲型電極。該型電極在實際安裝中低于傳感器內(nèi)部襯里，電極表面與煤漿之間是一層絕緣襯里。在電極表面的面積范圍內(nèi)，通過在絕緣襯里設(shè)置的若干個小孔與被測煤漿連通，小孔內(nèi)充滿被測流體，可以避免電極表面受到煤漿內(nèi)部顆粒的直接沖撞，從而減少噪聲的影響。實踐證明，采用低噪聲型電極抑制電極極化的效果較好。

4.4.2 電極絕緣性沉積結(jié)垢

若絕緣性沉積結(jié)垢覆蓋電極表面，則測量信號會被斷路[10]。其解決方案是在電磁流量計具備下線檢查條件時，檢查清理電極表面。

4.4.3 轉(zhuǎn)換器故障

當流量計本身的各個電路或接線出現(xiàn)故障時，流量計會出現(xiàn)無輸出、測量值偏離實際值、測量值突變、滿量程等異常情況。實際應(yīng)用中，根據(jù)流量計的故障現(xiàn)象，分析故障原因，及時排除故障點。

4.5 流量計內(nèi)部參數(shù)設(shè)定問題

電磁流量計的內(nèi)部參數(shù)設(shè)定功能很強大，內(nèi)部參數(shù)設(shè)定不科學會使流量計在實際使用過程中出現(xiàn)零點不穩(wěn)、偏差、波動大、響應(yīng)速度慢等問題?？茖W、合理的內(nèi)部參數(shù)設(shè)定，會減小甚至消除各種問題。本文以科隆流量計為例，說明一些重要參數(shù)的內(nèi)部參數(shù)設(shè)定情況。

4.5.1 流量計模擬量輸出設(shè)定

模擬量輸出設(shè)定內(nèi)容有5項，分別是測量、單位、范圍、小信號切除和時間常數(shù)，應(yīng)注意最后一項內(nèi)容的設(shè)定。時間常數(shù)用于流量計主電流輸出的設(shè)定。流量計的響應(yīng)時間也稱為阻尼時間，可設(shè)定的范圍是0.0～100 s?？紤]到既要減少測量值的波動，又要保證流量計的響應(yīng)速度，將時間常數(shù)設(shè)定為1 s。

4.5.2 過程輸入設(shè)定

過程輸入設(shè)定內(nèi)容非常多，重點介紹對流量計測量值有較大影響的勵磁頻率和濾波等參數(shù)的設(shè)定情況。

(1)勵磁頻率。

(2)濾波。

科學、合理地設(shè)定流量計的濾波功能，可以抑制漿液噪聲對測量值的影響。濾波時間常數(shù)、脈動濾波、噪聲濾波等多項參數(shù)可以設(shè)定。

①考慮到濾波時間常數(shù)設(shè)定偏小會使測量數(shù)據(jù)波動變大，所以根據(jù)實際調(diào)試經(jīng)驗，將濾波時間常數(shù)設(shè)定為5 s。

②脈動濾波用來抑制由煤漿內(nèi)的固體顆粒、氣泡、及變化的pH值產(chǎn)生的噪聲。根據(jù)流量計調(diào)試經(jīng)驗，脈動寬度和脈動限制值分別設(shè)定為5 s和0.03 m/s。

③噪聲濾波用于抑制低電導率、高固體含量、多氣泡、化學介質(zhì)不均勻引起的噪聲。根據(jù)流量計調(diào)試經(jīng)驗，噪聲限制值設(shè)定為0.03 m/s，噪聲抑制系數(shù)設(shè)定為3。

④小信號切除是指切除傳感器檢測的小流速對應(yīng)流量。根據(jù)實際運行情況，將其設(shè)定為0.02 m/s。

5 結(jié)束語

通過分析水煤漿氣化爐煤漿流量計[9-11]在實際使用過程中存在問題，從安裝、問題分析處理以及流量計內(nèi)部參數(shù)設(shè)定等方面，針對性地提出了切實可行的解決方案。該方案實現(xiàn)了煤漿流量計的穩(wěn)定、可靠運行，保證了氣化爐運行的經(jīng)濟性和安全性，同時也為其他同類工藝裝置煤漿流量的穩(wěn)定、可靠測量提供了良好的解決方案。