于廣吉，王俊杰

(國(guó)家能源集團(tuán)寧夏煤業(yè)有限責(zé)任公司 煤制油分公司，寧夏 銀川 750411)

國(guó)家能源集團(tuán)寧煤4 Mt/a煤炭間接液化項(xiàng)目氣化裝置采用GSP氣化爐和神寧爐共計(jì)28臺(tái)，數(shù)量遠(yuǎn)大于目前為止所有的單套煤化工裝置，在設(shè)計(jì)和選型上更加容易暴露存在的問題，本文以兩種氣化爐為例，探討干煤粉氣化爐儀表及控制閥選型、調(diào)試和優(yōu)化經(jīng)驗(yàn)。

面對(duì)中國(guó)多煤、少油、缺氣的能源格局，以煤為原料生產(chǎn)甲醇、烯烴、乙二醇、天然氣和油品的工藝生產(chǎn)路線越來越受到關(guān)注，也是中國(guó)煤化工產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重點(diǎn)領(lǐng)域。氣化爐作為煤化工的龍頭裝置，不同于傳統(tǒng)石油化工行業(yè)，由于工藝介質(zhì)為煤粉，容易對(duì)儀表和閥門造成沖刷，同時(shí)由于煤粉成分復(fù)雜，所產(chǎn)生的黑水和灰水腐蝕性強(qiáng)、容易結(jié)垢，而氣化爐具有高溫、高壓，煤粉及合成氣具有易燃、易爆等特點(diǎn)，對(duì)儀表和閥門的性能都提出了較高的要求。如果儀表和控制閥選型不合理，輕則出現(xiàn)測(cè)量不準(zhǔn)確、控制閥控制不穩(wěn)定等情況，影響裝置的安全運(yùn)行；重則發(fā)生泄漏，造成火災(zāi)、爆炸等事故。本文就該項(xiàng)目干煤粉氣化爐儀表及控制閥選型、調(diào)試和優(yōu)化經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行探討。

1 流量計(jì)和盤閥的選型

1.1 煤粉流量計(jì)

1.1.1應(yīng)用工況簡(jiǎn)介

煤粉和氧氣在氣化爐內(nèi)4.52 MPa壓力和1 400～1 600 ℃的溫度下進(jìn)行氣化反應(yīng)，氣化反應(yīng)所需的氧氣量由粉煤的質(zhì)量流量決定；氧煤比根據(jù)氣化爐的不同負(fù)荷進(jìn)行相應(yīng)調(diào)節(jié)；氣化溫度由液態(tài)渣特性以及粉煤中灰質(zhì)量分?jǐn)?shù)決定。如果煤粉質(zhì)量流量測(cè)量不準(zhǔn)，氣化爐出現(xiàn)過氧情況，輕則導(dǎo)致燒嘴損壞，水冷壁燒穿，重則出現(xiàn)爐內(nèi)燃燒、爆炸，嚴(yán)重影響裝置安全運(yùn)行。

傳統(tǒng)方法是采用電容式速度計(jì)和放射性密度計(jì)組合測(cè)量煤粉質(zhì)量流量。由于采用分體設(shè)計(jì)，增加了故障點(diǎn)數(shù)，測(cè)量的穩(wěn)定性與靈敏度方面差強(qiáng)人意，該裝置運(yùn)行以來多次出現(xiàn)因速度計(jì)和密度計(jì)故障引起的氣化爐跳車，并且放射性儀表需要專業(yè)人員維護(hù)，在壽命到期后存在放射源回收問題，增加了裝置運(yùn)營(yíng)成本。

在該項(xiàng)目上采用了高頻振蕩電磁波技術(shù)的一體式煤粉流量計(jì)，避免了傳統(tǒng)電容式速度計(jì)的測(cè)量不穩(wěn)定問題，同時(shí)可以輸出密度信號(hào)，避免了放射性儀表的維護(hù)及放射源回收問題。一套完整的測(cè)量系統(tǒng)由傳感器和中央處理單元組成，采用自動(dòng)調(diào)諧式電磁波技術(shù)?；谧詣?dòng)調(diào)諧式電磁波技術(shù)和自適應(yīng)式數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)高壓密相粉煤氣相關(guān)參數(shù)的高精度、免維護(hù)在線監(jiān)測(cè)，實(shí)現(xiàn)了在線檢測(cè)管道內(nèi)煤粉的懸浮密度和質(zhì)量流量及在線檢測(cè)管道內(nèi)煤粉絕對(duì)流速。

1.1.2測(cè)量原理

該流量計(jì)采用微波透射法原理測(cè)量煤粉密度和流態(tài)，如圖1所示，在煤粉流經(jīng)通道的兩側(cè)布有微波發(fā)射和接收單元。微波在煤粉中傳播時(shí)，是1個(gè)衰減的正弦波或余弦波，其振幅沿傳播方向隨著能量被煤粉流吸收而逐漸減少，呈現(xiàn)指數(shù)型衰減，電磁波功率損耗曲線如圖2所示。

圖1 新型煤粉質(zhì)量流量計(jì)測(cè)量原理示意

圖2 電磁波功率損耗曲線示意

當(dāng)選擇合適的頻率和固定的傳輸路徑時(shí)，微波衰減能量的大小與煤粉的密度呈一定的關(guān)系。依據(jù)該原理，可通過接收到的透射微波能量來檢測(cè)管道內(nèi)煤粉密度和流態(tài)的變化。

該設(shè)計(jì)相較于核放射式煤粉密度測(cè)量，從原理上避免了核放射帶來的安全隱患，減少了維護(hù)和運(yùn)行成本，并避免放射源衰減引起的零點(diǎn)漂移問題；相較于等效電容法，不會(huì)因煤粉與傳感器管壁摩擦導(dǎo)致的靜電荷積累引起的測(cè)量信號(hào)干擾；相較于微波反射法，對(duì)于流態(tài)分布不均勻的煤粉流測(cè)量更加準(zhǔn)確，靈敏度更高。

無源一體式粉煤質(zhì)量流量計(jì)基于高速浮點(diǎn)數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)、通過非接觸的自調(diào)諧式電磁波技術(shù)直接感應(yīng)測(cè)量管中密相粉煤流動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的流態(tài)信號(hào)，利用離散隨機(jī)信號(hào)數(shù)字處理技術(shù)，對(duì)傳感器獲得的流態(tài)信號(hào)進(jìn)行自適應(yīng)式數(shù)字濾波處理、離散變換及譜分析，從中提取有效的煤粉流態(tài)信息，抑制信號(hào)中的噪聲，估計(jì)信號(hào)的特征參數(shù)，變換成易于分析和識(shí)別的型式等。

該一體式煤粉流量計(jì)在該項(xiàng)目中使用2 a來，未發(fā)生過事故，測(cè)量的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性有了較大提升。

1.2 煤鎖斗盤閥

煤鎖斗通過進(jìn)料—升壓—下料—泄壓等一系列過程，將常壓的煤粉加壓到5 MPa，輸送到煤粉給料罐。在煤鎖斗的運(yùn)行過程中，煤粉顆粒細(xì)，流速快，對(duì)閥門的沖刷較為嚴(yán)重，在進(jìn)料、下料、泄壓等位置傳統(tǒng)的煤鎖斗閥都采用球閥，在運(yùn)行1a后，容易出現(xiàn)閥門沖刷、內(nèi)漏、卡澀等問題。出現(xiàn)問題后，大口徑球閥拆卸困難，維修費(fèi)用高。

在該項(xiàng)目中的盤閥由于自身結(jié)構(gòu)優(yōu)勢(shì)，具有自清潔、研磨的功能，可以充分地保證閥門密封性。閥盤、閥座材質(zhì)采用雙相鋼并進(jìn)行硬化處理，閥盤、閥座的硬化材料為合金FSLLOY12，其基本組分為W-Cr-Si-Ni-C，硬度可達(dá)67HRC，其中閥盤與閥座之間有硬度差。閥盤、閥座涂層厚度至少0.8 mm，處理方式為噴熔工藝，結(jié)合強(qiáng)度可達(dá)400 MPa，超過20.68 MPa，殘留應(yīng)力小，抗腐蝕、抗熱沖擊和機(jī)械沖擊性能好，硬化層不易剝落。在使用盤閥的2a時(shí)間內(nèi)，該工況閥門未出現(xiàn)任何問題。

2 調(diào)試和優(yōu)化經(jīng)驗(yàn)

2.1 煤鎖斗和給料罐料位測(cè)量

由于煤鎖斗和給料罐內(nèi)料位介質(zhì)是煤粉，在運(yùn)行過程中，粉塵流動(dòng)，造成氣相密度波動(dòng)大，普通的測(cè)量方法無法測(cè)量料位，只能采用放射性料位計(jì)，利用射線穿透原理，通過接收器計(jì)數(shù)率的變化，間接測(cè)量料位。

一般大型煤化工項(xiàng)目，采用進(jìn)口放射性料位計(jì)測(cè)量料位，該項(xiàng)目放射性料位計(jì)采用國(guó)產(chǎn)化產(chǎn)品，在裝置試車時(shí)發(fā)現(xiàn)，放射性料位計(jì)出現(xiàn)顯示失真問題，在常壓下對(duì)給料罐進(jìn)行標(biāo)定，升壓后料位顯示失真。

分析后發(fā)現(xiàn)，放射性計(jì)數(shù)率受設(shè)備壓力變化影響較大，罐內(nèi)壓力越大射線衰減越嚴(yán)重，計(jì)數(shù)率越小。用于測(cè)量的射線強(qiáng)度變化區(qū)間減小可能會(huì)影響儀表的測(cè)量效果，因此需要重新標(biāo)定數(shù)據(jù)，重新標(biāo)定料位測(cè)量區(qū)間。以帶壓空罐的計(jì)數(shù)率為量程上限，以無壓滿罐的計(jì)數(shù)率為量程下限，設(shè)置量程，避免了測(cè)量過程中料位波動(dòng)和誤報(bào)的情況，雖然精度有所降低，但是滿足了生產(chǎn)過程中的測(cè)量需要，避免了誤顯示的問題。

2.2 解決偏心旋轉(zhuǎn)閥沖刷嚴(yán)重問題

合成氣洗滌系統(tǒng)中，通過文丘洗滌器對(duì)氣化爐出來的粗合成氣進(jìn)行洗滌，循環(huán)水從收縮段進(jìn)入，在收縮段中，由于氣液兩相間相對(duì)流速很大，高壓循環(huán)水在高速氣流下進(jìn)一步霧化成更細(xì)小的水滴，塵粒與液滴之間碰撞團(tuán)聚。在擴(kuò)散段，氣液速度減小，壓力回升，以塵粒為凝結(jié)核加快聚成直徑較大的含塵液滴，進(jìn)而在除霧器內(nèi)實(shí)現(xiàn)了氣液分離，達(dá)到了除塵目的。在整個(gè)洗滌過程中，洗滌水的流量控制較為重要，整個(gè)合成氣洗滌系統(tǒng)的用水量為413 m2/h。

在生產(chǎn)過程中發(fā)現(xiàn)減濕器底部高溫循環(huán)水去一級(jí)文丘里、二級(jí)文丘里、洗滌塔塔盤和洗滌塔下部的4臺(tái)控制閥，在水循環(huán)期間有小開度大流量的問題。

上述閥門檢修過程中，出現(xiàn)了類似氣蝕的現(xiàn)象，推測(cè)有兩種可能： 閥芯處出現(xiàn)了閃蒸；合成氣系統(tǒng)壓力低時(shí)，閥芯被高壓差流體長(zhǎng)期沖刷。

對(duì)氣化爐大水循環(huán)、開車、正常和停車工況進(jìn)行分析后發(fā)現(xiàn)，造成該問題的主要原因是泵的出口壓力基本處于恒定狀態(tài)，閥門的前后壓差設(shè)計(jì)為1.13 MPa，但在這三種工況下，系統(tǒng)壓力處于變化過程中。

1)建立大水循環(huán)工況，閥前泵出口壓力為5.79 MPa，閥后系統(tǒng)壓力0，需要減壓5.79-1.13=4.66 MPa。

2)開車工況，閥前泵出口壓力為5.79 MPa，閥后系統(tǒng)壓力0.5 MPa，需要減壓5.79-1.13-0.5=4.16 MPa。

3)正常工況，閥前泵出口壓力為5.79 MPa，閥后系統(tǒng)壓力4.0 MPa，需要減壓5.79-1.13-4.0=0.66 MPa。

4)停車工況，系統(tǒng)無熱量輸入，閃蒸罐2和閃蒸罐1頂部熱量減少，減濕器內(nèi)溫度逐漸降至循環(huán)水罐液體溫度。該工況暫不考慮。

針對(duì)該問題，需要降低泵出口管線壓力，但在現(xiàn)有技術(shù)條件下，實(shí)現(xiàn)泵出口壓力隨開車進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整存在技術(shù)困難。所以通過增加限流孔板和壓力控制閥，進(jìn)行高壓循環(huán)水管線的動(dòng)態(tài)壓力調(diào)整，避免高壓差對(duì)于偏心旋轉(zhuǎn)閥的沖刷。改造后將偏心旋轉(zhuǎn)閥的壽命由10個(gè)月提高至2a，實(shí)現(xiàn)了延長(zhǎng)閥門壽命的目的。偏心旋轉(zhuǎn)閥降壓改造如圖3所示。

圖3 偏心旋轉(zhuǎn)閥降壓改造示意

3 結(jié)束語

氣化裝置作為煤化工的龍頭裝置，由于“吃煤吐氣”的工藝路線造成了氣化裝置工藝介質(zhì)臟，顆粒物含量大，腐蝕性強(qiáng)等問題，在石油化工等行業(yè)的傳統(tǒng)儀表閥門選型經(jīng)驗(yàn)，無法滿足煤化工苛刻工況下的要求，煤化工對(duì)儀表和閥門的性能提出了更高的要求。該煤炭間接液化項(xiàng)目，作為全球規(guī)模較大的煤化工裝置之一，儀表及控制閥選型、調(diào)試和優(yōu)化經(jīng)驗(yàn)，對(duì)于其他干煤粉氣化爐具有較大的推廣和參考意義。