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摘  要： 對比美國熱電流量計和德國SWR流量計在粉煤加壓氣化裝置中的應用。
關鍵字： 煤制合成氣 煤粉質量 德國SWR流量計 美國熱電流量計 應用

0 引言

對于采用高濃相輸送技術的煤粉輸送，煤粉流量的精確計量對氣量的消耗、系統的順暢運行及設備、管道等的維護以及驗證整個系統的濃相輸送等相關指標、調控輸送量等工藝參數具有重要的作用和意義。在粉煤加壓氣化裝置的流程控制中，煤粉密度、流速的測量是整個輸煤系統的重中之重。我國近年來引進的荷蘭殼牌公司的Shell粉煤加壓氣化技術中，粉煤質量流量計一直采用美國熱電提供的核密度計與速度計。考察國內同類設備的使用情況，其測量的準確性需要靠經驗數據來調整，采集經驗數據最少需要2~3個月時間，煤粉標定時間周期較長，而且其速度計響應時間較慢，在濮陽航天爐的生產過程中，這種現象已得到驗證。而采用德國斯威爾的微波技術的流量計調校比較簡單，調試時間大約一周，測量能滿足工藝要求。在航天爐項目的建設中，濮陽龍宇化工有限責任公司氣化裝置的每根煤粉管線上采用了2套美國熱電流量計和1套SWR流量計同時測量，在滿足工藝要求的同時，也驗證了在同樣工況下，兩個廠家的流量計在煤粉流量計量上的準確度和可靠性。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，在煤粉的計量和控制中得到了很好的應用。

1 SWR（斯威爾）流量計

1.1 測量原理

SWR生產的DensFlow流量計是專門針對氣固兩相流而開發的測量儀器，適用于濃相或超濃相輸送工藝，通過在測量管中產生一個高頻、交流、均勻的電磁場來測量固體物料通過管道截面的平均流速和濃度，從而計算出固體物料在管道中的流速（m/s）、濃度（kg/m3）、質量流量（kg/h或t/h），并且輸出對應上述測量值的3路獨立的4~20mA電流信號。

流量、密度、流速的測量一體化，大大提高了測量的精度。

DensFlow固體物料密度值的測量是需要校準和標定的，因為該儀器可以測量濃相、超濃相輸送的所有固體顆粒或粉狀物料，而不同物料的堆積密度是不同的，所以必須實際標定輸送物料的濃度值。正常的準確度為±1%～±3%，系統均勻穩定的噴吹狀態下可以達到小于±1％的測量及控制準確度。

在現有濃相、超濃相輸送技術條件下，有以下幾種標定方法可以使用：

（1）使用SWR的專用測試棒標定；也可訂購SWR流量在線標定系統來進行標定。

（2）用戶在安裝儀器前，在車間將固體流量計垂直放置在敞開容器后通電預熱，15min后將被測固體物料放入測量管內進行標定。

（3）用戶在安裝儀器后，通電預熱15min，并將流量計內置累積器清零后開始正常的物料輸送，通過儀器累計的物料質量流量值與現有儀器的顯示值比較，然后將修正系數輸入儀器。

（4）用戶在安裝儀器后，通電預熱15min，并將流量計內置累積器清零后開始正常輸送物料，通過儀器累計的物料質量流量值與每天/每周/每月的物料消耗量比較，然后將修正系數輸入儀器。

1.2 標定過程的修正方案

影響流量計測量結果的因素為壓力、懸浮密度、溫度，其中壓力的影響因素很穩定，經過現場的觀察和計算，壓力的影響為0~5MPa，影響零點漂移為0.4%~0.5%；濃度的影響只與傳感器特性有關；溫度的影響，安徽臨泉和濮陽由于安裝位置的不同，產生的影響大小有所不同，但是觀察在溫度變化不大的環境下，對流量計檢測的影響很小。針對這3個影響因素的修正方案如下：

（1）濃度修正方案。DCS計算方程如下：

密度的修正曲線如圖1所示，橫坐標代表密度（kg/m3），縱坐標代表修正系數。

圖1 密度修正曲線

（2）壓力修正。壓力影響實際顯示濃度值，隨著壓力的增加影響值逐漸減少。對應著0~5MPa的壓力變化，零點漂移為0.4%~0.5%。

壓力修正公式為：

f（p）=1.7P

式中，f（p）為經過修正后的管道壓力；p為流量計附近壓力取樣點壓力；P為實測的管道壓力。

（3）溫度修正。溫度對于傳感器的影響直接反映到傳感器的軸向應力上。對于臨泉和濮陽現場出現的溫度影響不一致的原因，經分析和現場的安裝位置有關。當溫度變化不是很大的情況下，基本可以忽略此參數的影響。

（4）總修正方案。

DCS最后修正方程為：

A=（原始密度-f2（P）+f3（T））

DCS顯示密度=f1（A）·A·K2·K3

式中，K2為管道系數；K3為煤種系數，針對每根管道單獨進行標定；f1（A）為傳感器的特征方程。

經過標定，SWR流量計在實際工況中的歷史曲線如圖2所示。

圖2 SWR流量計在實際工況中的歷史曲線

1.3 存在的問題及改進

（1）現場傳感器的線路板安裝采用接插件的方式，配線硬度較大，儀表在工作過程中煤粉管線的震動易使線路板接插件松動，造成接觸不良，導致煤粉流量無顯示。此問題已提交SWR總部，線路板經過改進后有效地杜絕了此類故障的發生。

（2）SWR流量計抗干擾能力較弱，中央處理器面對磁場的干擾表現為速度的波動，進而影響流量計量。所以二次表中央處理單元的安裝應遠離磁場，避免干擾信號的發生。

2 美國熱電流量計

2.1 測量原理

放射性同位素產生的γ射線具有穿透物質的能力，對于一束準直的γ射線，在穿過管徑為d，密度為ρ的被測介質后，入射到γ探測器上的射線強度I與ρ=0時的射線強度Io之間成指數關系，通過測量射線強弱的變化，可知道介質密度的大小。將放射源和射線探測器（閃爍探測器或電離室探測器）分別安裝在被測管兩側，用計算機處理放射線探測器的輸出信號，就可顯示出被測介質的密度或濃度。

如將管道流量信號送入變送器，經計算機處理后，可顯示被測介質的質量流量和積算值。

2.2 儀表系統的組成

DensityPRO密度計包括2個主要部分：放射源及鉛罐、一體化變送器/探測器。

密度計所用放射源一般情況下使用Cs137，特殊情況下使用Co60，無論是Cs137還是Co60放射源均為密封型的放射源，不會造成環境污染。

放射源固定在一個容器內，這個容器由鉛層和鋼外殼及源開關裝置組成，源容器內有一個射線通道（準直孔）。當源開關裝置處于關閉狀態時，從準直孔出來的γ射線被屏蔽；而當源開關處于開時，射線通過準直孔穿過被測管道射到探測器上。源罐的鉛層厚度保證了從源罐泄露出的射線劑量不超過安全防護標準。

2.3 標定

在標定周期，密度計對探測器信號進行平均處理。標定的缺省周期時間為17min。平均的探測器信號提供在標準配置下的一個重復性非常好的信號測量值。

一旦完成標準測量，就可以對類似介質沉積在管壁造成不斷增加的衰減等任何變化重復進行補償。然后，密度計就可以基于新的標定值調整校準值。由于校準值是按照相對于標定值的一個比例系數存儲的，所以不需要進行重新校準。無論什么時候計算出新的標定值，就自動對校準值進行調整。

2.4 校準

除非在對于懸浮液類型介質“管道充滿載體”（對于溶液類型介質“管道充滿溶劑”、對于乳液類型介質“管道充滿液體1”）狀態下完成了標定，必須用“設置密度，…”菜單組下的“密度計校準”菜單完成校準。如果需要校準測量，顯示器顯示“Unitshasnotbeencali-brated（密度計沒有校準）”消息。需要校準時，單點校準對于很多應用是合適的。校準測量應該在實際介質上完成，該介質的密度接近正常工作期間預計的正常介質密度。校準測量時必須對介質進行采樣以確定介質密度。密度計能夠使用源罐（幾何條件因子）、管道尺寸和介質類型等信息，通過計算與探測器信號變化對應的密度變化，測量其它密度值。需要更精確測量值時，可以進行兩點標定。第二個校準值應用“斜率”校正因子將探測器信號轉換為介質密度。應用兩點校準時，盡量在靠近工作介質密度范圍的一個端點完成第一點校準，然后，在另一端點完成第二點校準。

3 對比

在同樣工況下，對比美國熱電和SWR流量計在粉煤加壓氣化裝置中的應用，采用SWR公司的Dens-Flow具有以下優點：

（1）儀表沒有任何放射性物質，現場技術人員不用擔心遭受核輻射的傷害。
（2）儀表標定、校準簡單，可操作性強，減少了儀表人員的維護周期。
（3）采用GFK（增強玻璃纖維）內襯，耐高壓、耐磨、防腐，SWR承諾傳感器壽命大于3年，并提供相對應的傳感器3年質量保證。
（4）速度測量范圍可選（0~10m/s或0~20m/s），在濃相和稀相狀態下均可準確測量，并且沒有靜電原理流量計速度測量范圍必須大于4m/s的限制。
（5）采用一臺儀表就可以完成煤粉的流速、濃度在線測量。
（6）DensFlow的測量管沒有任何節流部件，無壓力損失，免維護。
（7）不存在射源衰減的問題，儀表使用后期不會影響測量的精度。