煤粉流量测量技术及应用

1、第 47 卷 第 2 期石 油 化 工 自 动 化Vol. 47, No. 22011 年 4 月AUTOMATION IN PETRO CH EM ICAL INDU ST RYApril, 2011煤粉流量测量技术及应用何德颂( 中国五环工程有限公司, 武汉 430223)摘要: 对于干煤粉气化工艺的密相输送系统来说, 煤粉质量流量的测量非常重要。介绍几种当前常用或较为热门的气固两相流固体质量流量测量方法, 使用密度速度测量技术对国内某大型煤化工气化工艺中密度速度测量应用方法进行分析, 给出系统的密度计、速度计及二次仪表选型和测试方法, 最后对系统中的测量数据进行分析, 确定该方法的优越性

2、。关键词: 密相输送; 煤粉; 流量测量; 煤气化中图分类号: T H82文献标志码: B文章编号: 1007 7324( 2011) 02 0057 03Technology and Application of Coal Powder Flowrate MeasurementH e Desong( Wuhuan Eng . Co . Ltd. , Wuhan, 420223, China)Abstract: In the danse phase conveying system of the dry co al pow der gasification technolo gy, the p

3、ulverized coal flo w rate m easurement is very im por tant. The comm on measur em ent techniques of solid mass flow rate fo r g as solid tw o phase flow are introduced. T he density velocity measurement technique used in a larg e dom estic co al gasificatio n process is detailed analy zed, and the t

4、est and selection mehtods fo r the density m eter and co rrelation/ integ rato r are pr esented. Then through analysis of the m easuring data of system and super io rity of the m ethod, it is co ncluded that density velocity m easurement is go od applicable for dense conveying .Keywords: dense phase

5、 conveying; pulverized coal; flow rate measurem ent; coal gasificatio n0引 言在工业生产过程中, 两相流量是一个极为重要且测量难度较大的参数。特别对于干煤粉气化工艺的密相输送系统来说, 煤粉质量流量的测量尤为重要, 不仅关系磨煤工序的控制参数, 更直接参与气化过程的氧煤比, 直接影响气化效率及工艺安全和工艺指标。目前市场上主要有差压测量、微波测量、密度速度测量等手段, 对于煤化工来说, 主要采用密度速度测量技术。1 测量技术1. 1 差压测量技术差压法的原理是将气固两相流看做是一个 均匀 的流体, 当流体经过管道或文丘里装

6、置时, 会产生相应压力降, 根据流动过程中产生的差压与质量流量的关系即可测量两相流中的固体质量流量。1. 2 微波测量技术微波固体流量测量仪采用雷达原理和多普勒特性来进行固体质量流量的测量。传感器采用微波技术, 通过和管道的特别连接, 产生一个测量场,并向被测固体微粒发射低能量微波信号, 信号散射回来并被传感器接收。传感器工作就像粒子计数器, 记录每个单位时间内流动的微粒数量。由于采用特定的频率, 故仅流动的微粒能被测量而堆积的微粒不被测量, 从而保证测量的精确性。1. 3 密度速度测量技术在气固两相流中, 固体颗粒的质量流量是气固两相流速度和密度的函数, 所以密度速度测量技术原理即为将流体速

7、度和密度分开检测, 然后计算质量流量。1T v( t) sb ( t) A dt =Aqm ( t) =v( t) sb ( t)T0式中 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;收稿日期: 201101 30( 修改稿) 。作者简介: 何德颂( 1979) , 男, 2002 年毕业于武汉工程大学自动化专业, 硕士学位, 现工作于中国五环工程有限公司电控室,任高级工程师。58石油化工自动化第 47 卷sb ( t)煤粉瞬时密度, kg/ m3 。2 密度速度测量系统配置及应用依据国内某大型煤化工气化工艺中的应用实例,对密

8、度速度测量系统配置进行说明: 工况为测量煤粉质量流量, 介质形态为气固两相, 温度为 80 , 压力为 4. 3 MPa( G) , 介质密度为 0 600 kg/ m3 , 速度为 0 12 m/ s。该系统由核密度计、电容式速度计、二次仪表组成, 具体配置如图 1 所示。图 1 密度速度测量统配置示意2. 1 核密度计核密度计由放射源和检测器组成, 测量管道中物料的密度值。放射源在大部分应用场合可选用 Cs137, 但当需要高能量场合时, 需选用放射源 Co60。同时因为放射源的辐射性, 放射源被双层密封在铅罐中, 以满足美国核管制委员会( NRC ) 的安全要求。核密度计使用闪烁型探测器

9、来测量放射源的辐射到达量。该探测器由一个特殊的塑料闪烁体材料、光电倍增管及相关电子器件组成。当闪烁器接收到射源辐射时, 会发出微小光闪烁。一定厚度的样品对射线的吸收量与该样品的密度有关, 而射线检测器的信号则与该吸收量有关。当管道内介质密度发生改变时, 更多的 射线被介质吸收, 到达检测器的能量随之改变从而引起闪烁器的光脉冲减少, 利用动态追踪处理技术和光电倍增管检测器将光脉冲转变为电脉冲, 便可测出介质的密度。2. 2 电容式速度计电容式速度计由内置两个电容传感器构成,用来测量管道中物料的速度值。理想状态下, 煤粉经较短距离流动形态不会发生改变, 通过计算两传感器捕捉到相同形态的煤粉时间差,

10、 即可计算煤粉颗粒速度。2. 3 二次仪表二次仪表用来处理速度传感器信号。质量流量即通过测量的速度和密度的乘积, 经仪表处理后, 可用以下任意一种方式输出到用户主机: 420 mA; Profibus DP; M odbus; Dev iceN et; Ethernet( TCP/ IP) 。3 系统的安装测量系统应安装在垂直管道上, 从而避免悬浮介质沉淀引起的误差。根据测量原理, 射源和检测器通常要求被安装在管道的相对面, 并确保两条中心线处于一条直线。密度计是非接触安装, 通常选用链条捆绑安装形式。需要注意的是通常煤粉管线是需要保温的, 所以密度计与管道间有保温材料隔离, 如果直接将密度计

11、捆绑在管道用的保温棉上, 会出现保温棉进水变形从而引起密度计中心线倾斜的危险, 所以当有管道保温工况的时候, 应在安装仪表处采用保温绳等不易变形的材料进行保温。如果工艺管道未考虑此处的应力, 还应加装支撑以支持探头和安装组件。4 系统标定及修正 4. 1 密度标定现场采用安装粉煤管线的剩余管材约 2 m ( 保证与实际安装的粉煤管线材料、管径壁厚等参数相同) , 吹扫干净后, 两端焊上封头, 并装上压力表及进气、排气截止阀。然后将密度计按要求装至直管段, 先行空管标定。然后进行低量程标定: 采用氮气瓶( 密度 50 kg/ m3 ) 对管内充压,当高压稳定 2 min 后将理论值与密度值对比后

12、标定。高量程标定选用水充满管道标定。测量数据见表 1 所列。表 1密度标定数据标定介质理论值/实测值 /( kg m- 3 )( kg m- 3 )空管标定空气00. 02低量程标定氮气9. 048. 87高量程标定水1 000995. 764. 2 系统标定由于速度计是无法调校的, 所以该项目只能采用该煤粉管道煤粉循环时煤粉密度和速度的计算值剔除 N2 密度与煤粉仓的累积量进行对比校准。但由于粉煤仓的重量是依据称重仪表测量, 本身存在一定误差, 同时煤粉管道管径为 2. 5 in( 1 in =2 54 cm) , 而速度仪表的管径为 2 in, 所以整个系统需要重新标定, 见表 2 所列。

13、第 2 期何德颂. 煤粉流量测量技术及应用59表 2系统流量测量结果工况给定循环时间/前累计粉煤仓累计平均粉煤仓累计偏差/ %修正后煤流量/流量/增加量/流量/平均流量/数据s误差/ %( kg s- 1)kgkg( kg s- 1 )( kg s- 1 )开车工况1. 250900870.9001 354.7800. 9681. 505- 35. 72- 3. 7635%1. 700600804.0501 147.8001. 3401. 913- 29. 95- 0. 8440%2. 1506001032.0301 411.2401. 7202. 352- 26. 870.0950%2. 8

14、006001348.3901 749.9302. 2472. 917- 22. 952.4860%3. 4506001677.7402 145.0802. 7963. 575- 21. 792.0865%3. 7706151899.3202 464.9503. 0884. 008- 22. 95- 0. 1780%4. 4706002403.7603 104.7104. 0065. 175- 22. 58- 1.33根据表 2 的实测值分析, 修正曲线如图 2 所示。图 2系统流量测量修正曲线修正后参数误差见表 2 所列。分析数值可以看到流量计误差和流速有关, 同时取决于安装及物料条件等因素。

15、通过系统分析, 对煤粉质量系统进行了精确可靠的验证, 也为随后煤气化装置的顺利稳定投产所需的氧煤控制提供了可靠的保证。5 结束语目前密度速度测量系统在 Shell 粉煤气化炉的密相输送中得到广泛应用, 有非侵入、易于安装、牢固耐用和响应速度快等优点, 与微波技术相比缺点为需要核辐射源, 需定期更换核源, 购买核源手续繁琐, 要求用户配备专有维护操作人员, 还要处理核废料, 用户维护成本高。微波测量技术主要以德国 SWR 公司技术为代表, 但微波固体流量计必须采用实际被测介质进行标定, 较为麻烦。差压测量技术虽然在理论及实验中取得较好的效果, 但由于瞬时流量受到颗粒摩擦系统、速度比及悬浮速度等参

16、数影响, 目前未取得较好的应用。另外, 还有光学法、热力学法、核磁共振法等其他检测技术, 具体可根据实际工况加以分析选用。参考文献: 1 徐苓安. 相关流量测量技术 M . 天津: 科学技术出版社 , 2008. 2 董 群. 气固两相流固体质量流量测量技术 J . 测量与设备 , 2007, ( 12) : 36 39. 3 韩 丽, 归柯庭, 施明恒, 等. 电容式气固两相流浓度传感器的研究 J . 热科学与技术, 2002, ( 2) : 309 321. 4 袁竹林, 卢作基. 用传热法测量燃煤锅炉气力输送中煤流量的研究 J . 燃烧科学与技术, 1999, 5( 1) : 52 56

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