關(guān)鍵字：電容式 固體質(zhì)量流量計(jì) 氣固兩相流測(cè)量 核輻射
粉煤氣化是潔凈煤技術(shù)領(lǐng)域里型的技術(shù)之一。以粉煤干法進(jìn)料，加壓連續(xù)運(yùn)行為特點(diǎn)的Shell、GSP、航天爐等是較為成熟的粉煤氣化工藝。這類(lèi)工藝具有純氧氣化，密相氣力輸送粉煤，液態(tài)排渣的特點(diǎn)，其冷煤氣效率高、煤種適應(yīng)性廣、碳轉(zhuǎn)化率高、操作自動(dòng)化程度高、生產(chǎn)能力大、煤氣品質(zhì)好、能滿足環(huán)保要求，具有很強(qiáng)的技術(shù)優(yōu)勢(shì)［1］。
粉煤氣化工藝中煤粉流量是涉及系統(tǒng)穩(wěn)定、安全運(yùn)行的重要參數(shù)，煤粉質(zhì)量流量計(jì)是關(guān)鍵儀表。目前，干煤粉密相輸送的計(jì)量大體可以分為電容式與放射線式2種，主要有賽默飛世爾公司（原美國(guó)熱電公司，主要見(jiàn)于Shell）、德國(guó)斯威爾SWR（見(jiàn)于航天爐）、德國(guó)伯托及法國(guó)EDITFLOW等。
1固體質(zhì)量流量測(cè)量技術(shù)及產(chǎn)品
1.1電容式
該測(cè)量技術(shù)應(yīng)用較為廣泛，具有代表性的是賽默飛世爾公司和德國(guó)SWR。從本質(zhì)上講，SWR的固體流量計(jì)和賽默飛世爾公司的電容式固體質(zhì)量流量計(jì)是基于同一種技術(shù)的產(chǎn)品，在測(cè)量適用的壓力、濃度、靈敏度和精度上類(lèi)似。
1.1.1測(cè)量原理
將電容極板安裝在流動(dòng)管道外，當(dāng)管道內(nèi)氣固相比例發(fā)生變化時(shí)，介電常數(shù)也會(huì)發(fā)生相應(yīng)變化，從而引起電容值改變。測(cè)量極板間電容值，再通過(guò)數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換，即可得管道內(nèi)相濃度。圖1為電容極板系統(tǒng)。
圖1電容極板系統(tǒng)
速度傳感器由2個(gè)電容傳感器構(gòu)成，兩傳感器間距為8mm，固體顆粒依次經(jīng)過(guò)2個(gè)傳感器，理想狀態(tài)下，固體物料流動(dòng)形態(tài)經(jīng)過(guò)較短距離不發(fā)生變化，兩傳感器可捕捉到相同的物料流動(dòng)形態(tài)信號(hào)，由信號(hào)間存在的時(shí)間差即可計(jì)算固體顆粒速度［2］。
依據(jù)物質(zhì)質(zhì)量與電容的比例關(guān)系，通過(guò)測(cè)量電容變化測(cè)量物料濃度，通過(guò)交相關(guān)模型測(cè)量物料的速度（測(cè)量基礎(chǔ)仍然是電容變化），物料質(zhì)量流量計(jì)算公式為：
Q=CAVK
式中，Q為質(zhì)量流量，kg/s；C為固體質(zhì)量濃度，kg/m3；A為傳感器截面積，m2；V為平均固體流速，m/s；K為校正因子，無(wú)因次。
賽默飛世爾公司的固體質(zhì)量流量計(jì)由濃度計(jì)DC13、速度計(jì)DK13、二次儀表MT2109或MT2107（當(dāng)需要PID調(diào)節(jié)時(shí)選用）組成。
儀表處理濃度、速度信號(hào)后輸出到用戶主機(jī)，其儀表直接輸出值為濃度、速度、瞬時(shí)流量、累計(jì)流量等主要參數(shù)，標(biāo)準(zhǔn)配置為兩路輸出。圖2為電容式固體質(zhì)量流量測(cè)量原理。
圖2電容式固體質(zhì)量流量測(cè)量原理
SWR的固體流量計(jì)則是將速度計(jì)與密度計(jì)整合成一個(gè)模塊，長(zhǎng)度較短（400mm左右），二次儀表相對(duì)功能較少，因此外形小巧。1.1.2應(yīng)用范圍
應(yīng)用物料范圍：濃相輸送的固體物料，主要是煤粉等。
固氣質(zhì)量比（以下簡(jiǎn)稱(chēng)固氣比）不小于5∶1的輸送狀態(tài)，在此基礎(chǔ)上，滿足其它使用條件精度可達(dá)0.5%～1%，國(guó)外用戶的普遍精度為1%～2%；固氣比介于4～5，精度降低，有可能到4%，甚至8%；固氣比介于3～4，精度進(jìn)一步降低；固氣比小于3，基本上難以滿足測(cè)量要求。
應(yīng)用壓力/溫度范圍：12MPa/150℃（可選200℃，特制）；
應(yīng)用危險(xiǎn)場(chǎng)合：適用于ClassI，Division1，GroupsA、B、C、D；
1.1.3應(yīng)用情況
電容式固體質(zhì)量流量測(cè)量技術(shù)主要用戶分布在煤化工和鋼鐵行業(yè)。國(guó)外煤氣化都是典型的濃相輸送，絕大多數(shù)采用非核的測(cè)量方式，即采用固體質(zhì)量流量計(jì)由DC13（濃度計(jì)）+DK13（速度計(jì)）直接測(cè)量煤粉的質(zhì)量流量，Shell在國(guó)外采用濃相輸送工藝時(shí)也會(huì)選用非核的測(cè)量方式；國(guó)內(nèi)水煤漿氣化及煤化工國(guó)家工程研究中心中試裝置2004年訂購(gòu)了8臺(tái)質(zhì)量流量計(jì)，目前尚在中試裝置和華東理工大學(xué)實(shí)驗(yàn)室裝置上使用［2］。國(guó)內(nèi)云南大維和中石化安慶的殼牌裝置上各購(gòu)置了1臺(tái)電容式固體質(zhì)量流量計(jì)，目前尚未上線運(yùn)行。鋼鐵行業(yè)的應(yīng)用主要是鋼廠煉鐵時(shí)高爐噴煤質(zhì)量測(cè)量與控制，國(guó)內(nèi)的用戶主要有上海寶鋼、重慶鋼鐵公司、沙鋼等。
目前，SWR的主要用戶在航天爐，包括河南濮陽(yáng)龍宇化工有限責(zé)任公司、安徽臨泉化工有限公司。河南濮陽(yáng)龍宇化工航天爐項(xiàng)目氣化裝置的每根煤粉管線上采用了2套美國(guó)熱電流量計(jì)和1套SWR流量計(jì)同時(shí)測(cè)量［3］，在滿足工藝要求的同時(shí)，也驗(yàn)證了在同樣工況下，2個(gè)廠家的流量計(jì)在煤粉流量計(jì)量上的準(zhǔn)確度和可靠性。安徽臨泉在航天爐裝置的每條煤粉管線上采用了2套SWR流量計(jì)。
1.2核輻射測(cè)量方式
利用核密度計(jì)和速度計(jì)配合測(cè)量煤粉質(zhì)量的技術(shù)是20世紀(jì)90年代美國(guó)拉姆齊公司開(kāi)發(fā)并成功應(yīng)用到殼牌煤氣化工藝上的。后來(lái)德國(guó)伯托（Bertohod）公司也開(kāi)始涉足類(lèi)似的領(lǐng)域。
1.2.1測(cè)量原理
核輻射密度計(jì)也稱(chēng)為核密度計(jì)、伽馬密度計(jì)等，其測(cè)量原理是利用能量衰減法對(duì)密度進(jìn)行測(cè)量。核密度計(jì)的放射源（137Cs或60Co）置入一個(gè)鉛罐內(nèi)，安裝在被測(cè)管道的一側(cè)，核密度計(jì)的探測(cè)器安裝在被測(cè)管道的另一側(cè)（對(duì)稱(chēng)），放射源發(fā)出的伽馬射線穿過(guò)被測(cè)容器的管壁及介質(zhì)到達(dá)探測(cè)器，當(dāng)管內(nèi)介質(zhì)的密度發(fā)生改變時(shí)，伽馬密度計(jì)探測(cè)器接收的射線能量也發(fā)生變化。核密度計(jì)將檢測(cè)到的射線能量的變化電量轉(zhuǎn)換成用戶需要的物理量———密度［2］。利用這種技術(shù)，核輻射密度計(jì)能夠進(jìn)行高精度的密度測(cè)量及快速反映被測(cè)密度的變化。密度計(jì)測(cè)量濃度之后輸出測(cè)量值給用戶主機(jī)，采用速度計(jì)測(cè)量速度輸出速度信號(hào)給總控系統(tǒng)，質(zhì)量計(jì)算由用戶主系統(tǒng)完成。
賽默飛世爾公司核輻射式質(zhì)量流量計(jì)DensityPRO，密度計(jì)包括2個(gè)主要部分：一是放射源及鉛罐；二是一體化變送器/探測(cè)器。密度計(jì)所用放射源一般情況下使用密封型的放射源137Cs，特殊情況下使用60Co。PRO核密度計(jì)基本測(cè)量提供一個(gè)獨(dú)立環(huán)路供電4～20mA輸出，輸出可設(shè)置為8個(gè)獨(dú)立數(shù)據(jù)或范圍通道，單位可由用戶選擇，包括密度、固體質(zhì)量百分比、BRIX°、API°等。
DensityPRO核密度計(jì)具有測(cè)量精度高、響應(yīng)速度快及核密度計(jì)獨(dú)有的非接觸測(cè)量方式等優(yōu)點(diǎn)，滿足粉煤氣化在線介質(zhì)密度測(cè)量要求，在國(guó)內(nèi)殼牌裝置上應(yīng)用較為廣泛。德國(guó)伯托公司采用放射性密度計(jì)+靜電式速度計(jì)+計(jì)算及補(bǔ)償?shù)姆绞竭M(jìn)行計(jì)量。速度計(jì)為靜電感應(yīng)式，原理為粉煤在氣力輸送過(guò)程中，顆粒之間互相碰撞、摩擦，產(chǎn)生靜電，經(jīng)過(guò)速度計(jì)時(shí)引起靜電場(chǎng)的波動(dòng)，感應(yīng)出一個(gè)電壓信號(hào)；相鄰的一些粉煤顆粒相繼經(jīng)過(guò)速度計(jì)，感應(yīng)出一個(gè)電壓波形。根據(jù)速度計(jì)內(nèi)部2個(gè)一定距離的電極接收到同一信號(hào)的時(shí)間差，計(jì)算出粉煤的流動(dòng)速度。伯托速度主要影響因素有煤粉粒徑、水分含量、溫度等［4］。
1.2.2應(yīng)用范圍
應(yīng)用物料范圍：稀相或者濃相輸送的所有固體物料包括煤粉，在固氣比不小于5∶1的輸送狀態(tài)，滿足其它使用條件，精度可達(dá)0.5%～1%，國(guó)外用戶的普遍精度為1%～2%；固氣比小于4∶1，則以密度測(cè)量值為主要控制依據(jù)。
應(yīng)用壓力/溫度范圍：12MPa/150℃（可選200℃，特制）；
應(yīng)用危險(xiǎn)場(chǎng)合：適用于ClassI，Division1，GroupsA、B、C、D；
1.2.3應(yīng)用情況
賽默飛世爾公司核輻射式質(zhì)量流量計(jì)主要在國(guó)內(nèi)Shell裝置應(yīng)用，如大連大化集團(tuán)、中原大化集團(tuán)、中石化安慶公司、中石化柳州化工有限公司、湖北雙環(huán)化肥廠等均有應(yīng)用。
德國(guó)伯托公司核輻射式質(zhì)量流量計(jì)國(guó)內(nèi)主要應(yīng)用于Shell裝置，如岳陽(yáng)中石化殼牌煤氣化有限公司、中石化湖北分公司、云南沾化責(zé)任有限公司、中國(guó)神華煤制油有限公司、神華寧煤、河南開(kāi)祥化工有限公司、河南龍宇煤化工有限公司等單位。
1.3微波固體流量測(cè)量
1.3.1測(cè)量原理
微波固體流量測(cè)量?jī)x適用于金屬管道內(nèi)固體物料流量的測(cè)量。利用微波能量場(chǎng)和固體顆粒對(duì)微波的反射和多普勒特性，通過(guò)傳感器和管道之間電磁場(chǎng)的特殊耦合，產(chǎn)生一個(gè)測(cè)量場(chǎng)。傳感器向金屬輸料管道固體顆粒發(fā)射低能量微波信號(hào)，信號(hào)被固體反射后又被傳感器接收到，這些信號(hào)的頻率和振幅被中央處理單元處理利用。通過(guò)移動(dòng)物料的微波反射能量來(lái)測(cè)量物料的密度，相當(dāng)于一個(gè)微波計(jì)數(shù)器，記錄單位時(shí)間內(nèi)流動(dòng)的物料顆粒數(shù)量，從而測(cè)量出物料的流量。由于采用特定的頻率，故僅流動(dòng)的微粒數(shù)量能被測(cè)量，堆積的微粒數(shù)量不被測(cè)量。傳感器的標(biāo)定在安裝完成后進(jìn)行，簡(jiǎn)單地按鍵并輸入?yún)⒖紨?shù)量即可［5］。圖3為測(cè)量原理示意。
圖3微波固體流量測(cè)量?jī)x測(cè)量原理
1.3.2系統(tǒng)構(gòu)成
一套完整的微波固體測(cè)量系統(tǒng)包括：傳感器及安裝底座、中央處理單元FME、C－Box接線盒（連接傳感器與中央處理單元）［5］。圖4為系統(tǒng)組成。
圖4微波固體測(cè)量系統(tǒng)組成
1.3.3應(yīng)用情況
微波固體測(cè)量系統(tǒng)主要應(yīng)用于電廠鍋爐系統(tǒng)中的大型燃煤機(jī)組、煉鋼廠高爐粉煤的輸送。粉塵狀燃料被輸送到鍋爐中作二次燃料，在每根送料管上采用1臺(tái)固體流量探測(cè)儀測(cè)量流量，優(yōu)化燃燒；高爐粉煤的輸送應(yīng)用情況與之類(lèi)似。
目前應(yīng)用較多的為法國(guó)EDIT固體流量計(jì)。該流量計(jì)采用的是微波式測(cè)量原理，精度可達(dá)到1%～2%，產(chǎn)品樣本上注明的測(cè)量精度為1%。該流量計(jì)在粉煤氣化工況中沒(méi)有應(yīng)用業(yè)績(jī)，國(guó)內(nèi)所有業(yè)績(jī)均在電廠、煉鋼廠高爐粉煤的輸送管道上取得。
2電容式與核輻射測(cè)量方式的差別
2.1濃度測(cè)量技術(shù)不同
核測(cè)量技術(shù)使用核密度計(jì)來(lái)測(cè)量煤粉濃度，用DK13測(cè)量速度。非核技術(shù)完全使用電容式的密度計(jì)測(cè)量濃度和速度計(jì)測(cè)量速度。表1為兩者的優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比。
表1核測(cè)量技術(shù)與非核測(cè)量技術(shù)對(duì)比
核輻射測(cè)量技術(shù)并不直接提供質(zhì)量流量的計(jì)算和顯示，而由用戶主系統(tǒng)根據(jù)工藝商模型計(jì)算得出，儀表只提供濃度，速度測(cè)量值；非核測(cè)量技術(shù)直接計(jì)算出瞬時(shí)流量、累積流量、濃度、速度，如果必要可以直接控制相關(guān)的給料設(shè)備（PID控制）。
2.3測(cè)量精度不同
使用賽默飛世爾公司的核密度計(jì)+速度計(jì)的測(cè)量方式（核測(cè)量技術(shù)），核密度計(jì)用于測(cè)量濃度時(shí)標(biāo)稱(chēng)的精度等級(jí)為0.2%，速度計(jì)一般利用電容式測(cè)量原理，精度等級(jí)1%。
使用賽默飛世爾公司的電容式固體質(zhì)量流量計(jì)（非核測(cè)量技術(shù)密度），型號(hào)GranucorDC/13、DK13，稀相輸送狀況時(shí)因?yàn)镈C13測(cè)量誤差較大（5%或更大），超濃相時(shí)煤粉由于發(fā)生柱塞、停滯、倒流，流動(dòng)性偏離理想狀況很多，DC13的速度測(cè)量值會(huì)偏差較大，尤其當(dāng)DC13被安裝在水平管道甚至是物料從下往上流動(dòng)的管道時(shí)誤差可以達(dá)到6%甚至更大；不過(guò)賽默飛世爾公司已經(jīng)更新了DC13的硬件和相應(yīng)的測(cè)量軟件（基于交相關(guān)原理）。
2.4標(biāo)定方法不同
核輻射測(cè)量技術(shù)測(cè)量的準(zhǔn)確性需要靠實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)來(lái)調(diào)整，需要在輸送工況下先用輸送載氣進(jìn)行標(biāo)定，而后通過(guò)循環(huán)輸送對(duì)煤粉進(jìn)行標(biāo)定。
賽默飛世爾公司（美國(guó)熱電）的非核測(cè)量技術(shù)根據(jù)水煤漿氣化及煤化工國(guó)家工程研究中心中試使用經(jīng)驗(yàn)，不需單獨(dú)對(duì)載氣進(jìn)行標(biāo)定，而是在輸送工況下進(jìn)行標(biāo)定。標(biāo)定完成后，僅在化工投料前簡(jiǎn)單驗(yàn)證即可。
3電容式固體質(zhì)量流量計(jì)使用研究
早在2004年，水煤漿氣化及煤化工國(guó)家工程研究中心、華東理工大學(xué)在承擔(dān)國(guó)家“十五”科技攻關(guān)重點(diǎn)課題“粉煤加壓氣化制備合成氣研究與開(kāi)發(fā)”時(shí)就購(gòu)置了8臺(tái)美國(guó)熱電（原美國(guó)拉姆齊）固體質(zhì)量流量計(jì)Model2109進(jìn)行煤粉輸送與計(jì)量。使用過(guò)程表明，質(zhì)量流量計(jì)的測(cè)量已經(jīng)達(dá)到了一定的精度，完全可以滿足工業(yè)應(yīng)用的要求；流量計(jì)的測(cè)量精度不僅與儀器本身的硬件及軟件設(shè)置有關(guān)，還與煤粉在管道中的流動(dòng)形態(tài)有著密切的關(guān)系。華東理工大學(xué)和水煤漿氣化及煤化工國(guó)家工程研究中心對(duì)DC13與DK13組合用于煤粉密相氣力輸送質(zhì)量流率測(cè)量性能系統(tǒng)開(kāi)展了固氣比、穩(wěn)定性、物料流向、物料濕含量等影響因素的研究［5］。結(jié)果表明，密相穩(wěn)定輸送條件下的總體測(cè)量偏差在10%以?xún)?nèi)，優(yōu)化條件下可達(dá)5%以?xún)?nèi)，并成功應(yīng)用于粉煤氣化中試裝置，完全滿足粉煤氣流床氣化的工藝要求。
在“十一五”863項(xiàng)目“高灰熔點(diǎn)煤氣流床加壓氣化”應(yīng)用研究中，水煤漿氣化及煤化工國(guó)家工程研究中心在2009年購(gòu)置了1臺(tái)SWR的Densfow電容式流量計(jì)，與華東理工大學(xué)共同開(kāi)展工業(yè)規(guī)模煤粉輸送研究。測(cè)量結(jié)果表明該固體質(zhì)量流量計(jì)的測(cè)量偏差可控制在7%以?xún)?nèi)，與賽默飛世爾公司DC13與DK13組合的性能相當(dāng)，符合工業(yè)運(yùn)行要求。
4結(jié)論與建議
（1）從使用業(yè)績(jī)上看，賽默飛世爾公司、德國(guó)伯托公司的放射性質(zhì)量流量計(jì)在國(guó)內(nèi)煤化工領(lǐng)域應(yīng)用較多；電容式主要應(yīng)用在鋼鐵行業(yè)，煤化工領(lǐng)域賽默飛世爾公司主要在兗礦中試及殼牌云南大維裝置中使用；SWR主要在國(guó)內(nèi)航天爐上使用。
?。?）美國(guó)熱電的電容式流量計(jì)和德國(guó)SWR流量計(jì)技術(shù)來(lái)源相同，測(cè)量原理相似，技術(shù)上沒(méi)有本質(zhì)區(qū)別。近年來(lái)的工業(yè)應(yīng)用實(shí)踐表明，對(duì)于粉煤加壓氣化裝置中的煤粉流量的計(jì)量都是有效的。
?。?）由于煤粉的密相輸送為氣固兩相流，測(cè)量和控制極為復(fù)雜，2種流量計(jì)由于測(cè)量原理的限制，對(duì)濃度的測(cè)量均存在局限性，在煤粉流型等發(fā)生變化時(shí)，均存在濃度測(cè)量的較大誤差。
?。?）對(duì)于進(jìn)行粉煤加壓氣化應(yīng)用的企業(yè)，建議在每臺(tái)氣化爐的煤粉管線上設(shè)置至少1臺(tái)核密度計(jì)，在開(kāi)車(chē)初期準(zhǔn)確測(cè)量煤粉流量，積累運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)。
（5）上述儀表對(duì)工藝要求比較苛刻，設(shè)計(jì)、施工應(yīng)嚴(yán)格按照儀表的要求進(jìn)行，運(yùn)行時(shí)也應(yīng)從工藝上盡量滿足儀表的要求。
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