微功率电磁波透射式煤粉流量测量技术在粉煤加压气化装置上的应用

张国民，白茂森

(1.神华宁夏煤业集团煤制油分公司，宁夏银川 750409； 2.天津孚洛泰科技有限公司，天津 300010)

神华宁夏煤业集团4 000 kt/a煤炭间接液化示范项目是基于我国“缺油、少气、富煤”的一次能源基本结构，为满足我国石油消费快速增长需求，保障我国能源安全，推进国家中长期能源发展战略而设立的国家煤炭深加工示范项目，是全球单套装置规模最大的煤制油项目。该项目承担着37项装备国产化任务，具有重要的工业示范意义。在论证充分、确保安全的前提下，引入优良的国产化设备和技术是项目建设者和生产管理者的责任。

以粉煤干法进料的气流床粉煤加压气化工艺是目前最先进的煤气化技术之一[1]。在粉煤加压气化装置中，粉煤密相气力输送是其关键技术之一[2]。准确、可靠测量输煤管线中的煤粉流量是准确计算、控制气化炉氧煤比的前提条件，对确保气化炉安全、平稳运行具有至关重要的作用。

1 现有测量技术

针对密相气力输送的气固两相流，目前已报道的测量技术主要有差压测量法[3]、微波反射法[4]、电容法[5]、γ射线衰减法[6]、静电电荷法[7]、激光多普勒法[8]以及传热法[9]等。其中，差压测量法存在文丘里等取压装置内部结垢而使压阻加大、内部变形等缺点，并不适合工业现场应用[10]；微波反射法由于多次杂散反射，不适合气化炉输煤管线应用；激光多谱勒法和传热法等不能满足工业的恶劣现场环境，目前还无法形成工业实用产品。气化炉现场使用的技术通常是基于电容法的煤粉速度计、γ射线衰减法的煤粉密度计以及静电电荷法的煤粉速度计，通过煤粉速度计与密度计搭配的方式组成煤粉流量在线测量系统。然而，上述产品从经济上看，技术被少数国外公司垄断，价格高、备件周期长，亟需国产化；从技术方面看，依然存在不少缺陷，也需改进。电容法是依据煤粉/传感电极构成等效电容变化的一种被动式测量技术，等效电容非常微小，甚至低于传感器引线的寄生电容，因此其抗干扰能力非常弱；静电电荷法依据煤粉运动摩擦产生的静电荷进行测量，当现场煤粉水分含量、运动速度、微粒直径等工况环境变化不能满足静电荷信号产生的条件时，测量就会失败；γ射线衰减法所用的密度计带有对人体有害的放射源，存在安全、环保隐患，且随着放射源的衰减存在长时间的零点漂移，同时准确测量还需要扣除载气本底密度、测量点的温度并进行压力补偿[11]，密度计构成复杂，成本高，使用很不方便。

基于上述分析，无论是从经济角度还是技术角度考虑，都需要一种新型的测量技术，来实现对煤气化装置中煤粉流量的准确、可靠测量。

2 微功率电磁波透射式煤粉流量测量技术

微功率电磁波透射式煤粉流量测量技术采用高密度一体集成的煤粉密度传感器、煤粉速度传感器，可同时测量煤粉运动速度、悬浮密度以及质量流量等。该技术国内已有公司研制，并有成熟的工业现场用产品(SFM型煤粉流量计)，在航天炉、Shell炉等主流煤气化装置上都取得了成功应用，在宁煤炉上的现场试用，证明了该项技术具有可靠性。

2.1 测量原理

煤粉对于电磁波是一种有损介质，电磁波在煤粉中传播时是一个衰减的正弦波或余弦波，其振幅沿传播方向指数衰减，衰减的速度取决于衰减因子α，衰减的原因是电磁波的能量被煤粉所吸收，其能量随电磁波在煤粉中的传播逐渐减少。因此，当选择合适的频率时，煤粉对电磁波的吸收能量最大，且吸收能量的大小与煤粉的密度呈一定的正比例关系。依据这一原理，即可通过透射的电磁波来传感检测管道内煤粉密度和流态的变化。SFM型电磁波透射式煤粉流量计测量原理示意见图1。

1.煤粉密度传感器电磁波发射单元 2.煤粉密度传感器电磁波发射天线 3.煤粉密度传感器电磁波接收天线 4.煤粉密度传感器电磁波信号接收单元 5.煤粉速度传感器电磁波信号接收处理单元 6.金属屏蔽外壳 7.第2煤粉速度传感器接收天线 8.第1煤粉速度传感器接收天线 9.非金属测量内管 10.煤粉 11.传感器密封腔体 12.第2煤粉速度传感器电磁波发射天线 13.第1煤粉速度传感器电磁波发射天线 14.煤粉速度传感器电磁波发射单元 15.信号引线。图1 SFM型电磁波透射式煤粉流量计测量原理示意

由图1可以看出：在SFM型煤粉流量计中，包含了1对密度传感器(图中的2、3)和2对速度传感器(图中的7、8、12、13)，这3对传感器密封在非金属测量内管与金属屏蔽外壳之间的空腔体内。

对于煤粉密度的测量，是通过煤粉密度传感器电磁波发射单元控制电磁波发射天线将电磁波定向穿透测量管中的煤粉后，到达管道另一侧壁的接收天线，在电磁波穿透煤粉的过程中产生色散和衰减。煤粉的密度越大，电磁波的能量损耗越大；煤粉的密度越小，电磁波的能量损耗越小。煤粉密度传感器接收天线接收色散和能量衰减后的电磁波信号，经煤粉密度传感器电磁波信号接收单元分析处理后，可输出煤粉密度的测量结果。

对于煤粉速度的测量，是通过沿煤粉流动的方向上布置2对相同的速度传感器来检测完成。每对速度传感器包含1个电磁波发射器(图中的12、13)和1个电磁波接收器(图中的7、8)。发射的电磁波穿透过管道内的煤粉后到达管道另一侧的电磁波接收器，在穿透的过程中，电磁波信号被管道中时刻瞬变的煤粉流态所改变，煤粉流态信息叠加在透射的电磁波上，该电磁波信号被速度传感器的接收天线(图中的7、8)接收，经过接收处理、分析单元处理分析后，从电磁波中剥离出其携带的煤粉流态信息。对比分析煤粉在第1、第2传感器间的流态信息，计算出煤粉在二者间的渡越时间和管道中煤粉的运动速度，最终可计算出煤粉的流量。

2.2 标定方式

SFM型煤粉流量计的速度测量结果是由时钟脉冲计数来保证的，而其选择的时钟脉冲器件的精度为±50×10-6，远超过煤气化装置对于速度的测量精度要求，故无需另外标定，可直接使用。

对密度和流量的标定，则采用业界最常用的粉煤循环标定方式，通过循环累积量与电子秤称重数据的比较来获得在线标定系数。

2.3 本底扣除与补偿

电磁波透射式煤粉流量计对于气化炉输煤管线中载气密度变化的响应几乎为零，只响应煤粉密度的变化。因此，它与当前气化炉上通常采用的放射性密度计(γ射线衰减密度计)不同，无需扣除载气本底密度，也无需进行载气压力和温度补偿，测量更加准确、可靠，使用也更加安全、环保、简单、方便。

2.4 零点漂移问题

当前气化炉所用的放射性密度计，随使用时间的推移，放射源不断衰减，导致其存在长时间的零点漂移问题。电磁波透射式煤粉流量计采用恒定功率电磁波发射，无长时间零点漂移问题。

2.5 安全性

电磁波透射式煤粉流量计的电磁波发射功率仅为10 dm，相当于手机发射功率的1/10，对人体无辐射伤害，对周围环境不存在电磁污染，属于安全、环保仪器。

3 SFM型煤粉流量计在工业煤气化装置上的应用

3.1 航天炉

通常在工业生产的煤气化装置中，同一管线上要配置2台煤粉流量计。在一些已建成项目中，当进口产品失效后，将其替换成SFM型电磁波透射式煤粉流量计，此时同一管线上同时配有SFM型电磁波透射式煤粉流量计和进口的煤粉流量计。将同一管线上2台不同煤粉流量计的长时间测量结果进行对比，也可验证该测量技术的准确性与可靠性。

从某煤化工生产企业DCS记录的与进口煤粉流量计长时间运行的历史趋势曲线对比发现，无论是断煤响应、煤量的增减调整，还是长时间运行趋势变化，SFM型电磁波透射式煤粉流量计与德国生产的煤粉流量计的测量结果均保持高度一致，这验证了SFM型电磁波透射式煤粉流量计完全满足煤气化装置的生产工艺需求。

3.2 Shell煤气化装置

SFM型电磁波透射式煤粉流量计在广西柳州化工Shell煤气化装置上已成功取代1套美国进口的“电容式煤粉速度计+放射性密度计”的煤粉流量测量系统，运行效果良好。SFM型煤粉流量计与美国热电公司同类产品的对比见表1。

表1 SFM型煤粉流量计与美国热电公司同类产品的对比

替换后现场运行效果表明，SFM型电磁波透射式煤粉流量计完全满足Shell煤气化装置的生产工艺需求。

4 结语

微功率电磁波透射式煤粉流量测量技术针对粉煤加压气化装置的煤粉密相气力输送，采用速度、密度传感器一体式高密度集成方案，无电容法、静电电荷法等被动式测量技术抗干扰性差的缺点，无放射性密度计对人体伤害的安全隐患，且可直接测量粉煤的流动速度、悬浮密度，无需扣除载气本底密度，无需载气压力和温度补偿，使用简单、安全、可靠、经济。基于该技术的SFM型煤粉流量计已在航天炉、Shell炉等主流煤气化装置上得到成功应用，并取得了良好的工业现场应用效果。