称重传感器在煤粉储仓中的应用

田志伟，陈松华

(1. 呼伦贝尔金新化工有限公司，内蒙古 呼伦贝尔 021506；2. 中国五环工程有限公司，湖北 武汉 430223)

壳牌煤气化装置中，煤粉中间储仓有1套称重系统，用于检测所使用的煤量。在生产过程中，煤流量直接影响氧/煤比的计算及气化炉反应窗口的控制[1]，甚至影响装置的安全稳定运行。目前还没有能直接测量煤流量的仪表，只能通过速度计和密度计间接计算得到。在开车初期，需要用校准后的煤质量作为参考来标定4条煤线上的速度计及密度计。因此，称重仪表的准确与否至关重要，必须从选型、安装、标定等方面进行严格把控。

1 称重传感器的选型

1.1 传感器量程选择的计算

传感器量程的选择可根据设备的最大称量值、选用传感器的数量、设备的自身质量和发生的最大偏载及动载等要素归纳评估来判定[2]。一般来说，传感器的量程越接近分配到每个传感器的载荷，其称量的准确度就越高。但在实际运用时，加在传感器上的载荷除被称物体外，还存在设备自身质量、包装质量、偏载及振动冲击等载荷，因而选用传感器量程时，要考虑诸多方面的要素，确保传感器的安全和寿命[3-4]。

传感器的选型计算如式(1)所示：

(1)

式中：c——单个传感器的额定量程；m——秤体质量；mmax——被称物体总质量的最大值；N——秤体所选用支撑点的数量；k0——保险系数，一般取1.5；k1——冲击系数，；k2——秤体的重心偏移系数；k3——风压系数。

某煤气化项目采用壳牌Hybrid下行水激冷粉煤气化工艺，生产6×104m3/h有效气CO和H2。其中煤粉储仓自身质量约28.5 t，最大荷载75 t，该设备基础支撑点采用4个，通过查询称重传感器的选型手册，k1=0.35，k2=0.85，k3=2.5。

通过计算得知，c=28.86m2,其中m2为液压千斤顶的设计量程。为了确保称重传感器的运用安全和寿命，并考虑传感器可以抵抗热胀冷缩对设备造成的位移[5]、抗侧向力、耐低温-50～80 ℃、蠕变系数、重复性、灵敏度等方面的因素，该项目选择了进口双球头自复位柱式结构传感器[6]，传感器的精度为±0.5%， 煤粉储仓测量范围选择0～150 t。

1.2 称重传感器工作原理及结构

称重仪表按工作原理分为机械式、液动式、气动式和电子式， 电子式根据检测原理的不同又分电阻应变式、磁弹性式、电容式、电压式、电感式、压电式和振弦式等[7]。

该项目中所使用的是电阻应变式称重传感器，该传感器由金属应变弹性本体、套筒和与其相连的电阻应变片构成，结构如图1所示。

图1 电阻应变式称重传感器结构示意

每个称重传感器由4片电阻应变片组成一个惠斯通电桥。被测物的重量F使弹性元件产生形变，该形变引起电阻应变片的延伸及弹性形变系数ε的变化。如图1所示，A， B 为电阻应变片，粘贴在圆筒的外壁，组成电桥的4个臂。根据虎克定律，弹性形变与外力成正比：ε∝F；根据电阻应变效应理论： 电阻应变片的相对变化ΔR/R与ε成正比，即ΔR/R∝Kε=F，K为电阻应变片灵敏系数。

由于4片电阻应变片在静态平衡时，阻值完全相等， 所构成的电桥处于平衡状态，信号正负线间电位相等；当圆筒受压时，4个电阻应变片两两变化相同，根据ΔR/R∝F，惠斯通电桥产生不平衡， 输出1个电压信号，经过信号放大、A/D模数转换、滤波、数字化处理后，将称重结果输出到显示面板，并以4～20 mA信号远传[8]，电阻应变式称重传感器电路如图2所示。

图2 电阻应变式称重传感器电路示意

该项目每套称重装置采用了4个电阻应变式称重传感器，每个传感器的输出信号经过中间接线盒后，4路信号合为1路信号，再输入至称重模块中进行信号的处理计算。

2 影响称重的因素及预防措施

2.1 传感器本体安装精度要求

传感器的安装是称重仪表能否正常投用的重要因素，由于传感器正常工作时的形变量很小，一般在1 mm左右。因此，安装称重传感器的基础必须坚固结实，布置要对准钢结构的中心部位，保证在承受最大荷载时不变形和下沉，安装传感器支撑点顶部要用筋板局部加强，以防撕裂变形，安装传感器的位置必须预埋底板， 还应安装设备限位器，防止设备晃动过大对称重的影响。水平度也要求在2.5‰以内，安装时需使用水平仪检测。在安装传感器时各个传感器的高低可用调整垫片来解决，使称重传感器输出信号值基本保证一致，以确保每点都均匀受力。该项目记录了每个传感器的测量值，为了减少误差，在实测中每一个传感器测量10次取平均值，称重传感器输出电压平均值见表1所列。HBM传感器说明书中要求的电压输出值范围为2.5～3.0 mV。

表1 称重传感器输出电压数据 mV

2.2 秤体设备的安装

2.2.1秤体悬空安装

煤粉储仓壁面与楼板之间以及煤粉储仓与安装支架之间都应留有合理间隙，不得有任何接触或卡死现象，以免称重系统不能工作。

2.2.2秤体与其他设备之间的连接

一般来说，需要作为称重计量的煤粉储仓，除了称重支点受力外，不允许其他外力作用在罐体上，最大限度减小管道应力对称重的影响，但该情况也只能是理想状态，实际生产中不可能满足该条件，必定会与其他设备相连接。为减小这些连接对称重的影响，该项目中采用在连接管道上加装膨胀节、软管等的软连接方式。在校秤及正常投用前，膨胀节上的保护限位螺栓必须处于释放位置，否则将影响称重。

2.2.3秤体伴热管的连接

煤粉储仓为伴热设备，与设备之间有伴热管线，在该情况下，为了减小伴热管由于热胀冷缩以及管道安装所产生的应力，因而在伴热管的出入口处采用了π形弯。

要保证称重的准确性，必须考虑要从设备的安装、传感器的找平、管道的连接等诸多因素，尽量减少外界因素对称重的影响。

3 标定方法对称重传感器的准确度影响

除了设备的现场安装需要重点把控外，秤的标定也是重要的一环，为了保证校秤的准确性，结合现场实际情况，该项目采用液压千斤顶加压方式进行标定，该标定方法为满量程标定，代替砝码，并使用该标定装置对免砝码标定、4 t砝码标定的小量程标定及满量程标定三种模式进行标定测试。

3.1 液压校秤系统及校秤准备

液压标定装置是由4台液压千斤顶、1只油箱、1台油泵、1台多通路换向阀以及连接各设备的油管组成，在换向阀上安装1台压力变送器，用于检测千斤顶对秤体所施加的压力。换向阀是1个四路出油，另外四路回油的装置，以保证加载在4个称重传感器上的压力一致[9]。

在标定前还需要在每个传感器安装的位置处制作一个专门的加载机构： 龙门架，将液压千斤顶按相关要求放置，然后通过液压泵给秤体加压，进行称重标定。

根据厂家提供的液压校秤装置的参数得知： 千斤顶设计加载油压为63.7 MPa时，对应输出力为106N。其质量与压力转换计算公式如下：

(2)

式中：m1——实际计算质量，t；m2——液压千斤顶的设计量程，0～100 t；p——液压千斤顶的设计油压63.7 MPa；p0——液压千斤顶的实际加载油压，MPa；N——千斤顶个数，N=4。

通过式(2)，可以计算出加载油压与质量之间的关系，m1=6.28p0,加载油压与质量关系对照见表2所列。

表2 加载油压与质量关系对照

3.2 免砝码标定

根据厂家提供的资料，该项目中所使用的秤在无砝码的情况下标定，即mV值标定方式。标定步骤如下：

1) 空仓状态下输入空仓状态的传感器mV值，一般使用称重仪表上默认的数值即可进行零点标定。

2) 根据传感器规格、灵敏度、数量、秤的实际量程计算出满量程时的mV值。计算公式为

右岸趾板边坡较陡，采用4～6m宽的窄趾板加内趾板的结构形式，内趾板为挂网喷混凝土，厚20 cm，宽20m。

(3)

式中：m3——秤量程，0～150 t；m0——单个传感器量程，0～40 t；μ——传感器平均灵敏度，取2 mV[1]。

将式(3)中的各变量代入数值计算得：U=1.875 mV，并将该值输入到免砝码标定参数内，完成标定。

标定完成后，使用液压校秤系统，检验秤的标定数值，系统稳定15 min后记录液压值及称重值，见表3所列。

表3 免砝码标定测量数据

通过表3数据得知，免砝码标定测量偏差大，超出传感器测量精度±0.5%(±0.75 t)的要求。

3.3 小量程标定

由于无砝码标定不能满足要求，该项目寻求另外一种校验方案： 4 t砝码标定。

4 t砝码标定为小量程范围的标定，也是在没有液压标定工具的情况下，实现标定的一种方法，标定步骤如下：

1) 空仓状态下进行零点标定。

同样，该项目完成4 t砝码标定后，取下砝码，装上液压校秤装置，对秤的准确度进行了检验，系统稳定了15 min后再记录每组数据，见表4所列。

表4 4 t砝码标定测量数据

通过表4数据可以看出，4 t砝码标定测量偏差也是较大，不能满足工艺使用要求。

3.4 满量程标定

通过以上两种方式的校验后，称重都不能达到设计及工艺控制的要求。因此，必须寻求新的标定方式。经过分析，任何仪表的标定，越接近最大测量范围的标定就越准确。于是，该项目采用了满量程标定，步骤如下：

1) 空仓状态下，系统稳定15 min后标定零点。

2) 将液压千斤顶进行升压，加载油压升压到23.89 MPa，系统稳定15 min后输入150 t，标定满量程。

3) 取值，系统稳定15 min后随机记录相应的数据，测量数据见表5所列。

从表5数据可以看出，满量程标定虽然仍存在一定偏差，但最大偏差也只有0.39 t，完全满足了传感器的测量精度±0.5 %(±0.75 t)要求。

通过以上3种不同的校秤方式，以及对所记录数据的分析，不难看出采用满量程标定是准确、有效的一种方式。

表5 满量程标定测量数据

为了验证满量程标定的准确性，该项目使用了200个20 kg砝码，合计4 t的标准砝码加在秤体上进行检验，并对数据进行了记录，见表6所列。可以看出，秤的准确度较高，完全符合设计及工艺要求。

表6 4 t砝码检验记录 t

4 结束语

煤粉储仓称重传感器在壳牌煤气化装置的稳定运行至关重要，影响称重准确性的因素也较多[6]。本文对煤粉储仓称重传感器从设备选型、安装、标定与调试过程中的影响因素及控制点进行了分析，并采取了有效的解决方法。保证了称重仪表的准确性，为后续的速度计和密度计标定的准确性打下了坚实基础。