国产非核煤粉流量测量技术及其在Shell煤气化装置上的应用

梁伟(柳州化工股份有限公司自控分厂，广西 柳州 545002)

白茂森（天津孚洛泰科技有限公司，中国 天津 300000）

国产非核煤粉流量测量技术及其在Shell煤气化装置上的应用

梁伟(柳州化工股份有限公司自控分厂，广西 柳州 545002)

白茂森（天津孚洛泰科技有限公司，中国 天津 300000）

对比分析了当前粉煤流量测量的主流技术，引进了天津孚洛泰公司自主研发的新型国产非核一体集成式煤粉流量计，对其原理和特性进行了分析，并在柳州化工Shell煤气化装置现场应用，现场运行数据表明，该款国产SFM型煤粉流量计测量性能完全满足Shell煤气化装置现场生产的工艺需求，为Shell煤气化装置的煤粉流量测量系统的升级换代提供了可靠保障。

煤粉流量测量；Shell煤气化装置；气固两相流；质量流量

煤粉的密相气力输送是Shell煤气化装置中的关键技术之一[1]。对于输送煤粉的悬浮密度、流动速度以及瞬时流量的在线、准确、稳定测量，对维持Shell气化炉安全、稳定生产，确保良好性能指标至关重要。

1 测量技术分析

粉煤气化工艺中的煤粉密相气力输送属于气固两相流形态，主要的测量技术有差压测量法[2]、微波反射式测量法[3]、电容法[4]、γ射线衰减法[5]、静电电荷法[6]、激光多普勒法[7]以及传热法[8]等。

1.1 差压测量法

该方法采用文丘里等装置形成差压，但文丘里装置会在收缩段和喉管段内壁粘附形成坚固垢层，造成相同输送压差下，输送量降低，文丘里管总压差增大，且文丘里管结构发生改变，测量精度进一步恶化。因此，并不适合气化炉煤粉流量测量。

1.2 微波后向散射法

该方法采用雷达原理和多普勒特性来进行煤粉质量流量的测量。通常应用在火力发电厂一次风管道等管径大且输送密度较小的应用场景，对于小管径管道，微波在管道内形成多次反射，污染甚至湮没散射的微波信号，测量结果波动性大，精度差，甚至失效，不能满足气化炉生产需求。

1.3 静电电荷测量技术

该技术易受现场工况因素变化的影响，现场煤粉水分含量的变化、煤粉运动速度的变化、温度的变化以及颗粒直径的变化，都有可能导致静电电荷减弱甚至被噪声湮没，现场传感器输出信号消失，测量失效。在现场稳定性方面存在着天生缺陷。

1.4 电容法

该技术是Shell气化炉上当前最常见的测量技术，已由美国热电公司形成工业用产品。其缺点是有效电容信号非常弱小，系统的寄生电容信号在受到现场干扰时会淹没有效电容信号导致测量失效。

1.5 γ射线衰减测量技术

该技术采用放射源释放的γ射线来进行煤粉的悬浮密度测量。其主要的缺点是放射源安全隐患大，维护费用高，且准确测量需要对密度计进行压力、温度补偿以及放射源衰减导致的零点漂移补偿，长时间的测量精度差。因此，无论是从经济性、安全性以及测量的准确可靠性，都属于即将被非核测量技术替代的落后技术。

1.6 其余测量技术

其余测量技术如激光多普勒法、传热法等，由于耐磨性、恶劣工况下的适应性等各种原因，均无法形成粉煤气化装置现场的实用产品。

2 新型非核一体式煤粉流量测量技术

由天津孚洛泰科技有限公司自主研发的新型SFM非核一体式煤粉流量计，是国内首家在煤气化装置上成功应用的非核的速度、密度、流量一体式高密度集成的在线测量仪器，针对粉煤加压气化装置的密相煤粉输送的煤粉速度、悬浮密度以及煤粉流量测量，采用电磁波透射测量技术，解决了气化炉煤粉流量测量安全性、稳定性、准确度等方面的工业现场问题，实现了对粉煤气化装置煤粉管线中粉煤运动速度、悬浮密度及瞬时流量的准确、可靠测量，目前已在航天炉、Shell炉等工业煤气化装置上成功应用，满足粉煤气化装置长时间生产工艺需求。

2.1 测量原理

天津孚洛泰科技有限公司的SFM非核一体式煤粉流量计的测量原理如下图所示：速度传感器电磁波发射单元；12-第一煤粉速度传感器电磁波发射单元。

图1 、天津孚洛泰公司SFM型非核一体式煤粉流量计测量原理图

该煤粉流量计包含了一对密度传感器（图1中的1、2）和两对速度传感器（图1中的5，6，11，12）。这三对传感器密封在非金属测量内管7与金属屏蔽外壳4之间的空腔体内。

对于密度测量，是通过密度传感器的发射单元发射电磁波，定向穿透测量管中的煤粉后，由管道另一侧壁的接收单元接收到。在穿透煤粉的过程中，由于煤粉是有损介质，电磁波产生色散，能量被吸收。在这种有损介质中，煤粉的密度越大，电磁波的能量损耗越大，煤粉密度越小，电磁波的能量损耗越小。依据此，经计算处理后可输出煤粉密度测量结果。

对于煤粉速度的测量，则通过沿煤粉流动的方向上布置两对相同的速度传感器来检测完成。每一对速度传感器包含一个电磁波发射器和一个电磁波接收器。发射的电磁波穿透过管道内的煤粉时携带出煤粉的流态信息。由此计算出煤粉同一流态在第一、二传速度感器间的渡越时间Δt，由公式：

即可计算出管道中煤粉的运动速度，其中d为第一、二速度传感器间的距离。

测得煤粉的悬浮密度、运动速度后，有下式计算获得煤粉流量：

其中，qm(t)—平均质量流量,kg/s；A—煤粉管道截面积,m2；v(t)—煤粉瞬时速度,m/s；ρsb(t)—煤粉瞬时密度,kg/m3。

2.2 标定方式

天津孚洛泰公司SFM型煤粉流量计，其速度测量结果无需标定，可直接使用。

对于密度，由于不同的粉体物质具有不同的电磁特性，因此在安装后初次使用时，需要现场进行一次标定后方可投入正式使用。

2.3 关于补偿

与有核放射性密度计的单点标定不同，由于在Shell气化炉输煤管线中，载气N2或CO2气体的介电常数都非常接近真空的介电常数（CO2的介电常数ξ=1.000921，N2的介电常数ξ= 1.00058），因此，SFM型电磁波透射式煤粉流量计的密度传感器只对管道中煤粉密度变化敏感，而对载气密度的变化几乎没有反应。这种特性在测量准确性、使用方便性方面提供了卓越的性能，因为：有核放射性密度计对载气的密度变化与对煤粉密度变化的响应是相近的，要准确测量管道中煤粉的密度，必须先扣除管道中载气的密度，而载气的密度本身是随管道内温度和压力的变化而变化，因此需要在管道内布置温度传感器和压力传感器，实时计算载气的密度，对有核放射性密度计进行实时补偿，导致其测量结果可信度降低，系统复杂化，可靠性和便捷性降低。

2.4 关于零点漂移

有核放射性密度计，通常只能以N2或水作为标准物质在停车状态下进行单点标定，无法动态多点标定，也使其在使用过程中一旦放射源零点漂移，便无法在线校准。而SFM型电磁波透射式的密度测量方式，不存在零点漂移的问题。

3 在Shell煤气化装置上的应用结果及讨论

广西柳州化工股份有限公司煤气化装置采用荷兰Shell煤气化装置，日投煤量1300吨。建成初期，该气化装置的煤粉流量测量采用美国热电公司的电容式煤粉速度计+有核放射性密度计，通过积算仪，通过按公式（2）积算的方式计算煤粉管线的煤粉流量。该套装置2006年建成投产，其有核放射性密度计逼近其半衰期，面临更换和替代的压力。考虑到测量的安全性、可靠性、稳定性以及经济性。通过对比分析、考察了本文上述各类备选的煤粉流量测量技术，最终确定了在其Shell煤气化装置中安装天津孚洛泰科技有限公司提供的SFM型非核一体化集成的电磁波透射式煤粉流量计，并成功上线运行。

3.1 工艺参数及测量要求

柳州化工煤粉流量测量仪表参数要求如表1所示。

表1 柳州化工Shell炉煤粉流量测量系统工艺参数

3.2 现场安装

该款煤粉流量计在柳州化工现场安装如下图所示。该套煤粉流量计可在垂直管段或水平管段上安装，现场安装需要保持前10倍直管段径，后5倍直管段径，以确保测量流场稳定。同时，由于该款煤粉流量计高度集成，所以替换原美国热电速度计时，无需任何动火施工，在原美国热电速度计的安装位置上实现了“密度计+速度计”的煤粉流量测量系统的整套现场传感器替换。

图2 国产SFM型煤粉流量计在柳化Shell炉上的现场安装照片

3.3 现场标定与补偿措施

现场标定通过粉煤循环标定，通过与电子秤称重数据比对，获得标定系数，在积算仪中植入标定系数，测量系统即进入正常运行状态。整个过程非常简洁、方便。

Shell炉检修安装后，开车前，对管道进行了保压测试，管道内充满了N2，但没有煤粉，压力维持在系统正常工作时的4.27MPa，温度维持在80℃。此时，正如SFM型产品手册所描述的一样，SFM煤粉流量计的密度传感器对载气N2的密度没有任何反应，密度输出为零。在此参数附近改变载气温度和压力，以改变载气密度，SFM煤粉流量计的密度输出仍为零。由此可以确定，该SFM煤粉流量测量系统，对于悬浮密度的测量，无需将载气密度计入其测量本底中，测量直接得到悬浮密度，无需因考虑载气密度而需要进行压力和温度补偿。因此，相对于有核放射性密度计而言，测量更加简洁、可靠。

3.3 在线运行效果分析

3.3.1 运行趋势

天津孚洛泰公司的非核一体式煤粉流量计在柳州化工Shell粉煤加压气化装置上上线后总体运行趋势平稳，满足现场生产的工艺需求。图3截取了其中8小时的运行历史数据，以展示其运行效果。从图中可以看出，在此期间，其煤粉速度测量结果基本稳定在7.10m/s左右，悬浮密度测量结果基本稳定在288.42Kg/m3左右，煤粉流量稳定在3.16Kg/s左右，与实际生产工况相符。其中，悬浮密度历史趋势上的类周期波动，主要是生产现场煤粉发料罐上压力调节的结果，该煤粉流量计准确反映了现场工况的此类变化，也从侧面验证了此款SFM型流量计的准确度与响应的灵敏度。

图3 孚洛泰公司SFM非核一体式煤粉流量计在柳州化工Shell上的运行效果

4 结语

该款国产非核一体式粉煤流量计，采用电磁波透射式测量原理，无放射性仪表的安全隐患，直接测量粉煤的流动速度和悬浮密度，无需扣除载气本底密度，无需压力补偿和温度补偿，现场使用简单、安全、可靠、经济。且其测量性能在柳州化工Shell煤气化装置中得到了充分的现场验证，完全满足Shell煤气化装置的生产工艺需求，可以为我国Shell煤气化装置的粉煤流量测量系统的升级换代提供可靠的技术储备和技术保障。

[1]龚欣，郭晓镭，代正华，等.气流床粉煤加压气化制备合成气新技术[J].煤化工，2005，33(6):5-8.

[2]何德颂.煤粉流量测量技术及应用[J].石油化工自动化，2011，47(2):57-59.

[3]江华东.微波固体流量计在煤粉测量中的应用[J].石油化工自动化，2009，3:54.

[4]路文学，郭晓镭，龚欣.煤粉质量流量计的选择与应用[J].洁净煤技术,2011,17(6):106-110.

[5]李朝阳,孙普男,饶丹枫.γ射线在线式煤粉流量计[J].黑龙江大学自然科学学报,2000,17(4):54-58.

[6]蒋泰毅,熊友辉.气固两相流速度及质量流量的静电测量法研究[J].华中科技大学学报(自然科学版),2005,33(1):93-95.

[7]孔庆林,王泽章,岳建华.激光多普勒测速仪在两相流测试中的应用[J].中国电力,1987(9):67-72+78.

[8]袁竹林,卢作基.气力输送中固相流量测量传热法的研究[J].发电设备,1999(4):36-39.