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煤粉质量流量计的选择与应用 流量计技术指标

时间:2020-07-30    来源:仪多多仪器网    作者:仪多多商城     
摘 要: 介绍了煤粉固体质量流量测量技术及产品,总结了固体质量流量计在粉煤气力输送过程中的应用情况,探讨了电容式固体流量计工业规模下试验标定方法和结果,对于气固两相流工业在线测量提供了参考。
关键字: 电容式 固体质量流量计 气固两相流测量 核辐射

粉煤气化是洁净煤技术领域里较新型的技术之一。以粉煤干法进料,加压连续运行为特点的Shell、GSP、航天炉等是较为成熟的粉煤气化工艺。这类工艺具有纯氧气化,密相气力输送粉煤,液态排渣的特点,其冷煤气效率高、煤种适应性广、碳转化率高、操作自动化程度高、生产能力大、煤气品质好、能满足环保要求,具有很强的技术优势[1]。

粉煤气化工艺中煤粉流量是涉及系统稳定、安全运行的重要参数,煤粉质量流量计是关键仪表。目前,干煤粉密相输送的计量大体可以分为电容式与放射线式2种,主要有赛默飞世尔公司(原美国热电公司,主要见于Shell)、德国斯威尔SWR(见于航天炉)、德国伯托及法国EDITFLOW等。

1 固体质量流量测量技术及产品

1.1 电容式

该测量技术应用较为广泛,具有代表性的是赛默飞世尔公司和德国SWR。从本质上讲,SWR的固体流量计和赛默飞世尔公司的电容式固体质量流量计是基于同一种技术的产品,在测量适用的压力、浓度、灵敏度和精度上类似。

1.1.1 测量原理

将电容极板安装在流动管道外,当管道内气固相比例发生变化时,介电常数也会发生相应变化,从而引起电容值改变。测量极板间电容值,再通过数字信号转换,即可得管道内相浓度。图1为电容极板系统。


图1 电容极板系统

速度传感器由2个电容传感器构成,两传感器间距为8mm,固体颗粒依次经过2个传感器,理想状态下,固体物料流动形态经过较短距离不发生变化,两传感器可捕捉到相同的物料流动形态信号,由信号间存在的时间差即可计算固体颗粒速度[2]。

依据物质质量与电容的比例关系,通过测量电容变化测量物料浓度,通过交相关模型测量物料的速度(测量基础仍然是电容变化),物料质量流量计算公式为:

Q=CAVK

式中,Q为质量流量,kg/s;C为固体质量浓度,kg/m3;A为传感器截面积,m2;V为平均固体流速,m/s;K为校正因子,无因次。

赛默飞世尔公司的固体质量流量计由浓度计DC13、速度计DK13、二次仪表MT2109或MT2107(当需要PID调节时选用)组成。

仪表处理浓度、速度信号后输出到用户主机,其仪表直接输出值为浓度、速度、瞬时流量、累计流量等主要参数,标准配置为两路输出。图2为电容式固体质量流量测量原理。


图2 电容式固体质量流量测量原理

SWR的固体流量计则是将速度计与密度计整合成一个模块,长度较短(400mm左右),二次仪表相对功能较少,因此外形小巧。

1.1.2 应用范围

应用物料范围:浓相输送的固体物料,主要是煤粉等。

固气质量比(以下简称固气比)不小于5∶1的输送状态,在此基础上,满足其它使用条件精度可达0.5%~1%,国外用户的普遍精度为1%~2%;固气比介于4~5,精度降低,有可能到4%,甚至8%;固气比介于3~4,精度进一步降低;固气比小于3,基本上难以满足测量要求。

应用压力/温度范围:12MPa/150℃(可选200℃,特制);

应用危险场合:适用于ClassI,Division1,GroupsA、B、C、D;

1.1.3 应用情况

电容式固体质量流量测量技术主要用户分布在煤化工和钢铁行业。国外煤气化都是典型的浓相输送,绝大多数采用非核的测量方式,即采用固体质量流量计由DC13(浓度计)+DK13(速度计)直接测量煤粉的质量流量,Shell在国外采用浓相输送工艺时也会选用非核的测量方式;国内水煤浆气化及煤化工国家工程研究中心中试装置2004年订购了8台质量流量计,目前尚在中试装置和华东理工大学实验室装置上使用[2]。国内云南大维和中石化安庆的壳牌装置上各购置了1台电容式固体质量流量计,目前尚未上线运行。钢铁行业的应用主要是钢厂炼铁时高炉喷煤质量测量与控制,国内的用户主要有上海宝钢、重庆钢铁公司、沙钢等。

目前,SWR的主要用户在航天炉,包括河南濮阳龙宇化工有限责任公司、安徽临泉化工有限公司。河南濮阳龙宇化工航天炉项目气化装置的每根煤粉管线上采用了2套美国热电流量计和1套SWR流量计同时测量[3],在满足工艺要求的同时,也验证了在同样工况下,2个厂家的流量计在煤粉流量计量上的准确度和可靠性。安徽临泉在航天炉装置的每条煤粉管线上采用了2套SWR流量计。

1.2 核辐射测量方式

利用核密度计和速度计配合测量煤粉质量的技术是20世纪90年代美国拉姆齐公司开发并成功应用到壳牌煤气化工艺上的。后来德国伯托(Bertohod)公司也开始涉足类似的领域。

1.2.1 测量原理

核辐射密度计也称为核密度计、伽马密度计等,其测量原理是利用能量衰减法对密度进行测量。核密度计的放射源(137Cs或60Co)置入一个铅罐内,安装在被测管道的一侧,核密度计的探测器安装在被测管道的另一侧(对称),放射源发出的伽马射线穿过被测容器的管壁及介质到达探测器,当管内介质的密度发生改变时,伽马密度计探测器接收的射线能量也发生变化。核密度计将检测到的射线能量的变化电量转换成用户需要的物理量———密度[2]。利用这种技术,核辐射密度计能够进行高精度的密度测量及快速反映被测密度的变化。密度计测量浓度之后输出测量值给用户主机,采用速度计测量速度输出速度信号给总控系统,质量计算由用户主系统完成。

赛默飞世尔公司核辐射式质量流量计DensityPRO,密度计包括2个主要部分:一是放射源及铅罐;二是一体化变送器/探测器。密度计所用放射源一般情况下使用密封型的放射源137Cs,特殊情况下使用60Co。PRO核密度计基本测量提供一个独立环路供电4~20mA输出,输出可设置为8个独立数据或范围通道,单位可由用户选择,包括密度、固体质量百分比、BRIX°、API°等。

DensityPRO核密度计具有测量精度高、响应速度快及核密度计独有的非接触测量方式等优点,满足粉煤气化在线介质密度测量要求,在国内壳牌装置上应用较为广泛。德国伯托公司采用放射性密度计+静电式速度计+计算及补偿的方式进行计量。速度计为静电感应式,原理为粉煤在气力输送过程中,颗粒之间互相碰撞、摩擦,产生静电,经过速度计时引起静电场的波动,感应出一个电压信号;相邻的一些粉煤颗粒相继经过速度计,感应出一个电压波形。根据速度计内部2个一定距离的电极接收到同一信号的时间差,计算出粉煤的流动速度。伯托速度主要影响因素有煤粉粒径、水分含量、温度等[4]。

1.2.2 应用范围

应用物料范围:稀相或者浓相输送的所有固体物料包括煤粉,在固气比不小于5∶1的输送状态,满足其它使用条件,精度可达0.5%~1%,国外用户的普遍精度为1%~2%;固气比小于4∶1,则以密度测量值为主要控制依据。

应用压力/温度范围:12MPa/150℃(可选200℃,特制);

应用危险场合:适用于ClassI,Division1,GroupsA、B、C、D;

1.2.3 应用情况

赛默飞世尔公司核辐射式质量流量计主要在国内Shell装置应用,如大连大化集团、中原大化集团、中石化安庆公司、中石化柳州化工有限公司、湖北双环化肥厂等均有应用。

德国伯托公司核辐射式质量流量计国内主要应用于Shell装置,如岳阳中石化壳牌煤气化有限公司、中石化湖北分公司、云南沾化责任有限公司、中国神华煤制油有限公司、神华宁煤、河南开祥化工有限公司、河南龙宇煤化工有限公司等单位。

1.3 微波固体流量测量

1.3.1 测量原理

微波固体流量测量仪适用于金属管道内固体物料流量的测量。利用微波能量场和固体颗粒对微波的反射和多普勒特性,通过传感器和管道之间电磁场的特殊耦合,产生一个测量场。传感器向金属输料管道固体颗粒发射低能量微波信号,信号被固体反射后又被传感器接收到,这些信号的频率和振幅被中央处理单元处理利用。通过移动物料的微波反射能量来测量物料的密度,相当于一个微波计数器,记录单位时间内流动的物料颗粒数量,从而测量出物料的流量。由于采用特定的频率,故仅流动的微粒数量能被测量,堆积的微粒数量不被测量。传感器的标定在安装完成后进行,简单地按键并输入参考数量即可[5]。图3为测量原理示意。


图3 微波固体流量测量仪测量原理

1.3.2 系统构成

一套完整的微波固体测量系统包括:传感器及安装底座、中央处理单元FME、C-Box接线盒(连接传感器与中央处理单元)[5]。图4为系统组成。


图4 微波固体测量系统组成

1.3.3 应用情况

微波固体测量系统主要应用于电厂锅炉系统中的大型燃煤机组、炼钢厂高炉粉煤的输送。粉尘状燃料被输送到锅炉中作二次燃料,在每根送料管上采用1台固体流量探测仪测量流量,优化燃烧;高炉粉煤的输送应用情况与之类似。

目前应用较多的为法国EDIT固体流量计。该流量计采用的是微波式测量原理,精度可达到1%~2%,产品样本上注明的测量精度为1%。该流量计在粉煤气化工况中没有应用业绩,国内所有业绩均在电厂、炼钢厂高炉粉煤的输送管道上取得。

2 电容式与核辐射测量方式的差别

2.1 浓度测量技术不同

核测量技术使用核密度计来测量煤粉浓度,用DK13测量速度。非核技术完全使用电容式的密度计测量浓度和速度计测量速度。表1为两者的优缺点对比。

表1 核测量技术与非核测量技术对比

2.2 设备承担的任务不同

核辐射测量技术并不直接提供质量流量的计算和显示,而由用户主系统根据工艺商模型计算得出,仪表只提供浓度,速度测量值;非核测量技术直接计算出瞬时流量、累积流量、浓度、速度,如果必要可以直接控制相关的给料设备(PID控制)。

2.3 测量精度不同

使用赛默飞世尔公司的核密度计+速度计的测量方式(核测量技术),核密度计用于测量浓度时标称的精度等级为0.2%,速度计一般利用电容式测量原理,精度等级1%。

使用赛默飞世尔公司的电容式固体质量流量计(非核测量技术密度),型号GranucorDC/13、DK13,稀相输送状况时因为DC13测量误差较大(5%或更大),超浓相时煤粉由于发生柱塞、停滞、倒流,流动性偏离理想状况很多,DC13的速度测量值会偏差较大,尤其当DC13被安装在水平管道甚至是物料从下往上流动的管道时误差可以达到6%甚至更大;不过赛默飞世尔公司已经更新了DC13的硬件和相应的测量软件(基于交相关原理)。

2.4 标定方法不同

核辐射测量技术测量的准确性需要靠实测数据来调整,需要在输送工况下先用输送载气进行标定,而后通过循环输送对煤粉进行标定。

赛默飞世尔公司(美国热电)的非核测量技术根据水煤浆气化及煤化工国家工程研究中心中试使用经验,不需单独对载气进行标定,而是在输送工况下进行标定。标定完成后,仅在化工投料前简单验证即可。

3 电容式固体质量流量计使用研究

早在2004年,水煤浆气化及煤化工国家工程研究中心、华东理工大学在承担国家“十五”科技攻关重点课题“粉煤加压气化制备合成气研究与开发”时就购置了8台美国热电(原美国拉姆齐)固体质量流量计Model2109进行煤粉输送与计量。使用过程表明,质量流量计的测量已经达到了一定的精度,完全可以满足工业应用的要求;流量计的测量精度不仅与仪器本身的硬件及软件设置有关,还与煤粉在管道中的流动形态有着密切的关系。华东理工大学和水煤浆气化及煤化工国家工程研究中心对DC13与DK13组合用于煤粉密相气力输送质量流率测量性能系统开展了固气比、稳定性、物料流向、物料湿含量等影响因素的研究[5]。结果表明,密相稳定输送条件下的总体测量偏差在10%以内,优化条件下可达5%以内,并成功应用于粉煤气化中试装置,完全满足粉煤气流床气化的工艺要求。

在“十一五”863项目“高灰熔点煤气流床加压气化”应用研究中,水煤浆气化及煤化工国家工程研究中心在2009年购置了1台SWR的Densfow电容式流量计,与华东理工大学共同开展工业规模煤粉输送研究。测量结果表明该固体质量流量计的测量偏差可控制在7%以内,与赛默飞世尔公司DC13与DK13组合的性能相当,符合工业运行要求。

4 结论与建议

(1)从使用业绩上看,赛默飞世尔公司、德国伯托公司的放射性质量流量计在国内煤化工领域应用较多;电容式主要应用在钢铁行业,煤化工领域赛默飞世尔公司主要在兖矿中试及壳牌云南大维装置中使用;SWR主要在国内航天炉上使用。

(2)美国热电的电容式流量计和德国SWR流量计技术来源相同,测量原理相似,技术上没有本质区别。近年来的工业应用实践表明,对于粉煤加压气化装置中的煤粉流量的计量都是有效的。

(3)由于煤粉的密相输送为气固两相流,测量和控制极为复杂,2种流量计由于测量原理的限制,对浓度的测量均存在局限性,在煤粉流型等发生变化时,均存在浓度测量的较大误差。

(4)对于首次进行粉煤加压气化应用的企业,建议在每台气化炉的煤粉管线上设置至少1台核密度计,在开车初期准确测量煤粉流量,积累运行经验。

(5)上述仪表对工艺要求比较苛刻,设计、施工应严格按照仪表的要求进行,运行时也应从工艺上尽量满足仪表的要求。

参考文献:
[1]倪维斗,李政.以煤气化为核心的多联产能源系统[J].煤化工,2003,104(1):3.
[2]郭云舟,郭晓镭,郭为国.固体质量流量计在密相气力输送中的应用[J].自动化仪表,2007,28(6):17-18.
[3]肖玲,刘连景.德国SWR(斯威尔)流量计在粉煤气化装置———航天炉中的应用[J].化工自动化及仪表,2010,37(5):112-113.
[4]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):54-55.

金属管转子流量计的测量误差及巧妙处理方法

一、金属转子流量计指针有抖动      

1、轻微指针抖动:一般由于介质波动引起,可采用增加阻尼的方式来克服。  

2、中度指针抖动:一般由于介质流动状态造成,对于气体一般由于介质操作压力不稳造成,可采用稳压或稳流装置来克服或加大金属转子流量计气阻尼。      

3、剧烈指针抖动:主要由于介质脉动,气压不稳或用户给出的气体操作状态的压力、温度、流量与金属转子流量计实际的状态不符,有较大差异造成浮子流量计过量程。      

二、金属转子流量计指针停到某一位置不动      

主要原因是浮子流量计的浮子卡死。一般由于金属转子使用时开启阀门过快,使得浮子飞快向上冲击止动器,造成止动器变形而将浮子卡死。但也不排除由于浮子导向杆与止动环不同心,造成浮子卡死。处理时可将仪表拆下,将变形的止动器取下整形,并检查与导向杆是否同心,如不同心可进行校正,然后将浮子装好,手推浮子,感觉浮子上下通畅无阻卡即可,另外,在浮子流量计安装时一定要垂直或水平安装,不能倾斜,否则也容易引起卡 表并给测量带来误差。      

三、金属转子流量计测量误差大      

1、安装不符合要求

(1)对于垂直安装浮子流量计要保持垂直,倾角不大于20度

(2)对于水平安装浮子流量计要保持水平,倾角不大于20度

(3)浮子流量计周围100mm空间不得有铁磁性物体。

(4)安装位置要远离阀门变径口、泵出口、工艺管线转弯口等。要保持前5D后250mm直管段的要求。      

2、液体介质的密度变化较大也是引起误差较大的一个原因。由于仪表在标定前,都将介质按用户给出的密度进行换算,换算成标校状态下水的流量进行标定,因此如果介质密度变化较大,会对测量造成很大误差。解决方法可将变化以后的介质密度带入公式,换算成误差修正系数,然后再将流量计测出的流量乘以系数换成真实的流量。      

3、气体介质由于受到温度压力影响较大,建议采用温压补偿的方式来获得真实的流量。    

4、由于长期使用及管道震动等多因素引起浮子流量计传感磁钢、指针、配重、旋转磁钢等活动部件松动,造成误差较大。解决方法:可先用手推指针的方式来验证。首先将指针按在RP位置,看输出是否为4mA,流量显示是否为0%,再依次按照刻度进行验证。若发现不符,可对部件进行位置调整。一般要求专业人员调整,否则会造成位置丢失,需返回江苏铭宇仪表进行校正。

扩展阅读:铭宇仪表科技




    1、选型方面的问题。
    有些涡街传感器在口径选型上或者在设计选型之后由于工艺条件变动,使得选择大了―个规格,实际选型应选择尽可能小的口径,以提高测量精度,这方面的原因主要同问题①、③、⑥有关。比如,一条涡街管线设计上供几个设备使用,由于工艺部分设备有时候不使用,造成目前实际使用流量减小,实际使用造成原设计选型口径过大,相当于提高了可测的流量下限,工艺管道小流量时指示无法保证,流量大时还可以使用,因为如果要重新改造有时候难度太大.工艺条件的变动只是临时的。可结合参数的重新整定以提高指示准确度。
    2、安装方面的问题。
    主要是传感器前面的直管段长度不够,影响测量精度,这方面的原因主要同问题①有关。比如:传感器前面直管段明显不足,由于FIC203不用于计量,仅仅用于控制,故目前的精度可以使用相当于降级使用。
    3、参数整定方向的原因。
    由于参数错误,导致仪表指示有误.参数错误使得二次仪表满度频率计算错误,这方面的原因主要同问题①、③有关。满度频率相差不多的使得指示长期不准,实际满度频率大干计算的满度频率的使得指示大范围波动,无法读数,而资料上参数的不一致性又影响了参数的最终确定,最终通过重新标定结合相互比较确定了参数,解决了这一问题。
    4、二次仪表故障。
    这部分故障较多,包括:一次仪表电路板有断线之处,量程设定有个别位显示坏,K系数设定有个别位显示坏,使得无法确定量程设定以及K系数设定,这部分原因主要向问题①、②有关。通过修复相应的故障,问题得以解决。
    5、四路线路连接问题。
    部分回路表面上看线路连接很好,仔细检查,有的接头实际已松动造成回路中断,有的接头虽连接很紧但由于副线问题紧固螺钉却紧固在了线皮上,也使得回路中断,这部分原因主要同问题②有关。
    6、二次仪表与后续仪表的连接问题。
    由于后续仪表的问题或者由于后续仪表的检修,使得二次仪表的mA输出回路中断,对于这类型的二次仪表来说,这部分原因主要同问题②有关。尤其是对于后续的记录仪,在记录仪长期损坏无法修复的情况下,一定要注意短接二次仪表的输出。
    7、由于二次仪表平轴电缆故障造成回路始终无指示。
    由于长期运行,再加上受到灰尘的影响,造成平轴电缆故障,通过清洗或者更换平轴电线,问题得以解决。
    8、对于问题⑦主要是由于二次仪表显示表头线圈固定螺丝松,造成表头下沉,指针与表壳摩擦大,动作不灵,通过调整表头并重新固定,问题相应解决。
    9、使用环境问题。
    尤其是安装在地井中的传感器部分,由于环境湿度大,造成线路板受潮,这部分原因主要同问题②、②有关。通过相应的技改措施,对部分环境湿度大的传感器重新作了把探头部分与转换部分分离处理,改用了分离型传感器,故善了工作环境,日前这部分仪表运行良好。
    10、由于现场调校不好,或者由于调校之后的实际情况的再变动。
    由于现场振动噪声平衡调整以及灵敏度调整不好.或者由于调整之后运行一段时间之后现场情况的再变动,造成指示问题、这部分原因主要同问题④、⑤有关。使用示波器,加上结合工艺运行情况,重新调整。







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