水煤浆气化炉煤浆流量计测量问题解决方案

杨绍军，周 铝

(1.国家能源集团神华包头煤化工有限责任公司，内蒙古 包头 014010；2.岳阳建华工程有限公司包头分公司，内蒙古 包头 014010)

0 引言

测量煤浆的流量计(煤浆流量计)是水煤浆气化炉的重要操作参数。煤浆流量与氧气流量共同参与气化炉的氧煤比控制(氧煤比是指氧气的体积流量与煤浆的体积流量之比)。氧煤比的结果直接影响气化炉运行的经济性和可靠性。

合适的氧煤比可以提高碳的转化率，而过量的氧煤比则会导致气化炉过氧，引发气化炉爆炸事故。因此，气化炉的氧气流量计和煤浆流量计都是非常重要的仪表设备。本文主要研究了实际应用过程中煤浆流量计存在的问题及相应的解决方案。

1 工艺简介及流量计的作用

1.1 气化装置工艺简介

某煤制烯烃工厂气化装置采用美国GE 公司水煤浆加压气化技术，以煤和氧气为主要原料，生产粗合成气送至下游净化装置。具体工艺是：原料煤经制浆单元加工成一定粒度分布、适宜pH值、较高浓度、稳定期和流变性较好的水煤浆；水煤浆经高压煤浆泵加压后和纯氧经烧嘴进入气化炉，在压力6.5 MPa、温度为1 350 ℃左右的条件下进行气化反应，生成以CO、H2、CO2为主要成分的粗煤气；将系统中产生的黑水送入闪蒸、沉降系统处理，以达到回收热量、灰水再生、循环使用的目的[1]。

1.2 煤浆流量的测量方式及主要作用

气化炉的水煤浆是非牛顿流体，成分复杂、测量难度大。依据同行业煤浆流量测量经验，目前电磁流量计是可选的测量方式[2]。

煤浆流量计是气化装置重要的仪表设备。为确保准确、可靠测量煤浆流量，在煤浆管线上共安装有三台煤浆流量计。煤浆流量计取三者的中间值参与气化炉的氧煤比控制，同时还通过三取二逻辑参与气化炉的联锁控制。

2 电磁流量计测量原理及主要特点

2.1 测量原理及结构

2.1.1 测量原理

电磁流量计测量的基本原理是法拉第电磁感应定律[3]，即导电性流体-煤浆在磁场中切割磁力线运动时，其两端产生感应电动势。感应电势的大小与煤浆在磁场中的平均速度成正比。所以，电磁流量计是一种速度式流量计。

2.1.2 电磁流量计的结构组成

电磁流量计由传感器和转换器两部分组成。

传感器安装在煤浆管道上，由导管、线圈、电极、衬里、外壳和法兰组成。导管是非导磁材料，且能承受水煤浆的额定工作压力。线圈用于产生磁场。电极用于检测与煤浆流量成正比关系的感应电势信号。因为直接与煤浆接触，电板耐磨性和耐蚀性应与介质相匹配、要具备一定的耐温性、耐磨性和耐蚀性。外壳用于屏蔽外界磁场、保护线圈和电极。法兰用于连接煤浆管道，要符合相关标准要求。

转换器由电源电路、前置、主机电路、输入/输出电路、通信接口电路、显示电路和励磁电流电路等七部分电路组成。电源、前置电路、主机和输入/输出电路用于接收传感器检测到的毫伏级的感应电势信号，把几毫伏的流量信号转换成仪表4～20 mA的标准信号；显示电路用于内部参数的设定和各种数据、参数的显示；励磁电流电路用于为传感器提供产生磁场的励磁电流。

2.2 主要特点

现场应用过程中使用了科隆和横河两种电磁流量计。由于使用的科隆流量计数量较多，本文以科隆流量计为例，说明该流量计的主要优缺点。

(1)流量计优点。

①传感器测量管是无阻尼结构，用于煤浆流量测量时压损小，有利于节能。

②电磁流量计属于速度式流量计，测量不受被测煤浆的温度、压力、密度、黏度、雷诺数、电导率(必须大于一定值)等参数的影响[4]。

③输出信号与被测煤浆的体积流量成线性关系。

④测量范围大，量程比宽(1∶100)，不需要进行线性修正，流速测量范围大(0.3～12 m/s)。

⑤对前后直管段要求低，要求前5D、后2D。

⑥合理选择传感器衬里和电极材料，即具有良好的耐蚀性和耐磨性。

⑦传感器采用低频恒流励磁技术，既克服了交流励磁的干扰影响，又消除了极化现象，增强了流量计抗干扰性能，提高了仪表的稳定性。

(2)流量计缺点。

①被测介质电导率下限值是1 μs/cm。如果煤浆电导率过低，在下限值附近波动甚至低于下限值时，不能保证测量的准确性。

②传感器电极检测的信号是几个毫伏的微弱信号，易受周围电磁干扰。

③煤浆流速不能太低，一般应大于0.5 m/s，流速太低则无法保证测量精度。

3 浆流量计在实际应用中存在的问题

3.1 测量值不准

煤浆流量计在实际使用过程中，经常会出现测量值不准的情况，具体表现为零点不稳、实测值与实际值偏差大、稳定性差等现象。煤浆流量测量值不准对气化炉的正常生产操作有很大的影响，尤其是流量计稳定性差、波动大的问题，曾引发气化炉误停车的事故。

3.2 响应速度慢

通过实际测量，煤浆流量计响应时间比煤浆管线内部煤浆的实际变化平均滞后约25 s。当气化炉实际煤浆流量因某种原因迅速降低时，流量计阻尼时间过大，指示值没有快速反映煤浆的实际变化值。气化炉在固定氧煤比控制方式下，会造成气化炉过氧爆炸[5]。同类企业曾经出现过因气化炉过氧导致爆炸的恶性事故。

4 主要原因分析及解决方案

在实际使用过程中，电磁流量计出现测量值不准、响应速度慢的原因很多，具体包括安装不符合要求、高压煤浆泵工作异常、煤浆质量异常、流量计故障和流量计内部参数设定不科学等。

4.1 安装问题

4.1.1 保证科学合理安装

电磁流量计既可以垂直安装，又可以水平安装。垂直安装时，要保证煤浆是从下往上流动；水平安装时，要保证煤浆处于满管测量状态，流量计的传感器上的箭头方向与实际煤浆流向相同，前后直管段必须满足电磁流量计安装的最低要求[6]。

4.1.2 抗电磁干扰

电磁流量计传感器两个电极测得的与煤浆流量成比例关系的电信号很微弱，一般只有2.5～8 mV[7]。而传感器周围环境的电磁干扰对电极测得的信号影响很大，因此必须进行可靠的工作接地。

电磁流量计应该进行现场接地，接地电阻不大于10 Ω，且不得与电机等设备共用接地端、不得把焊机的地线接到流量计的地线上。要确保电磁流量计的信号线、电源线单独穿管并分开敷设，信号线远离大电机和动力电缆，且保证接线牢固可靠。

4.2 高压煤浆泵问题

高压煤浆泵是负责把煤浆输送到气化炉的重要设备，它的稳定运行有利于煤浆流量的准确测量。当煤浆泵出现异常时，煤浆的脉动性变大，煤浆流量测量值会出现大幅波动，所以要及时检查泵的运行状态，从而发现问题并及时处理。

4.3 煤浆质量问题

煤浆质量对煤浆流量的测量影响非常大，煤浆的电导率、pH值、气泡大小及含量、铁磁性物质含量、颗粒密度、颗粒粒径、易结垢程度、易沉积程度等因素变化，都会使电磁流量计测量值出现无输出、偏差大、稳定性差以及煤浆流量计响应速度慢等问题，严重时会引发气化炉停炉的事故。

煤浆质量变化对煤浆流量测量的影响，实际上就是工艺操作变化对流量测量的影响。具体表现在以下几个方面。

①气化炉掺烧渣油，使混合后煤浆的导电率大幅下降，逼近电磁流量计要求的下限值，造成煤浆流量测量值大幅波动。

②气化炉掺烧污水装置的污泥，混合后煤浆的pH值偏酸性，电磁流量计的电极被腐蚀后造成煤浆流量测量值受到很大的影响。

③煤浆中含有的气泡球径较大时，气泡经过电极就会完全挡住电极，使煤浆流量的测量产生波动。波动幅度与气泡的大小有关，波动频次与气泡的多少有关[7-8]。

④煤浆中的颗粒撞击电极会使煤浆流量的测量产生波动。波动幅度与颗粒大小有关，波动频次与颗粒撞击测量电极的频次有关。

⑤流量计传感器内部结垢或有沉积物时对测量结果影响很大，会造成测量值降低甚至无测量值输出。相应的解决方案是加强对煤浆质量的监控。当发现水煤浆的电导率、pH值、粒度、浓度、黏度等指标发生较大变化时，应及时分析原因，并立即采取相应的措施调整操作工艺，改善煤浆质量。

4.4 流量计问题

4.4.1 电极极化

电极极化是指固液两相的煤浆测量中，当煤浆中的固体颗粒撞击或擦过电极表面，电极表面接触电化学电势突然变化，使测得的流量出现尖峰脉冲状的噪声[9]。其解决方案如下。

①选用表面积较小的电极，可以有效减少煤浆内部颗粒单位时间内撞击或擦过测量电极表面的次数。

②选用表面相对光滑的电极，使电极表面薄层氧化膜不容易受颗粒冲撞或产生划痕。

③采用低噪声型电极。该型电极在实际安装中低于传感器内部衬里，电极表面与煤浆之间是一层绝缘衬里。在电极表面的面积范围内，通过在绝缘衬里设置的若干个小孔与被测煤浆连通，小孔内充满被测流体，可以避免电极表面受到煤浆内部颗粒的直接冲撞，从而减少噪声的影响。实践证明，采用低噪声型电极抑制电极极化的效果较好。

4.4.2 电极绝缘性沉积结垢

若绝缘性沉积结垢覆盖电极表面，则测量信号会被断路[10]。其解决方案是在电磁流量计具备下线检查条件时，检查清理电极表面。

4.4.3 转换器故障

当流量计本身的各个电路或接线出现故障时，流量计会出现无输出、测量值偏离实际值、测量值突变、满量程等异常情况。实际应用中，根据流量计的故障现象，分析故障原因，及时排除故障点。

4.5 流量计内部参数设定问题

电磁流量计的内部参数设定功能很强大，内部参数设定不科学会使流量计在实际使用过程中出现零点不稳、偏差、波动大、响应速度慢等问题。科学、合理的内部参数设定，会减小甚至消除各种问题。本文以科隆流量计为例，说明一些重要参数的内部参数设定情况。

4.5.1 流量计模拟量输出设定

模拟量输出设定内容有5项，分别是测量、单位、范围、小信号切除和时间常数，应注意最后一项内容的设定。时间常数用于流量计主电流输出的设定。流量计的响应时间也称为阻尼时间，可设定的范围是0.0～100 s。考虑到既要减少测量值的波动，又要保证流量计的响应速度，将时间常数设定为1 s。

4.5.2 过程输入设定

过程输入设定内容非常多，重点介绍对流量计测量值有较大影响的励磁频率和滤波等参数的设定情况。

(1)励磁频率。

(2)滤波。

科学、合理地设定流量计的滤波功能，可以抑制浆液噪声对测量值的影响。滤波时间常数、脉动滤波、噪声滤波等多项参数可以设定。

①考虑到滤波时间常数设定偏小会使测量数据波动变大，所以根据实际调试经验，将滤波时间常数设定为5 s。

②脉动滤波用来抑制由煤浆内的固体颗粒、气泡、及变化的pH值产生的噪声。根据流量计调试经验，脉动宽度和脉动限制值分别设定为5 s和0.03 m/s。

③噪声滤波用于抑制低电导率、高固体含量、多气泡、化学介质不均匀引起的噪声。根据流量计调试经验，噪声限制值设定为0.03 m/s，噪声抑制系数设定为3。

④小信号切除是指切除传感器检测的小流速对应流量。根据实际运行情况，将其设定为0.02 m/s。

5 结束语

通过分析水煤浆气化炉煤浆流量计[9-11]在实际使用过程中存在问题，从安装、问题分析处理以及流量计内部参数设定等方面，针对性地提出了切实可行的解决方案。该方案实现了煤浆流量计的稳定、可靠运行，保证了气化炉运行的经济性和安全性，同时也为其他同类工艺装置煤浆流量的稳定、可靠测量提供了良好的解决方案。