德国CABloc流量计在壳牌气化炉应用

郭培军

（河南能源化工集团 鹤壁煤化工有限公司，河南 鹤壁 458030）

0 引言

壳牌气化炉煤线采用煤粉浓相气力输送，作为煤气化的关键技术之一，可实现对煤粉输送速度、密度和流量的实时准确和稳定测量，并根据这些测量值及输送管线的规格尺寸及材料相关的校准因子计算出质量流量。测量煤粉速度准确性难度较大，受到干扰较多，在测量煤粉速度上受煤种的影响较大，特别是对煤种的湿度、粒度、挥发份等指标，当煤粉指标参数变化时，会造成煤粉速度计指示波动，无法实时准确测量煤粉速度。煤粉速度测量偏差可能相当大，偏差如果在长时间内未被检测，使得煤线串级控制无法投入，可能导致气化炉炉内出现严重问题，对于气化炉安全生产至关重要。速度计是否长周期稳定运行，直接关联煤粉气化效率、稳定等方面。

1 CABloc Flow Meters煤粉流量计

1.1 特点

从投资成本、测量原理上考虑大幅降低成本，原来每套仪表各由1台放射性密度计、1台速度计组成，还包括煤粉管线测量温度仪表、压力仪表，其测量结果参与补偿计算。从维护成本上考虑，可以有效减少放射源的购买、维护，减少放射性特种作业持证人员数量。而CABloc煤粉质量流量计需要的速度测量、质量测量、温度测量、补偿计算均是通过自身的一套设备独立完成直接测量和相关计算。通过内部函数计算，计算出煤粉流体的质量流量。CABloc 65型Flow Meters煤粉流量计在PCI技术上提供了一种从技术上降低成本的方案，CABloc煤粉流量计中有多个测量电路系统实时对煤粉进行测量工作，可以根据煤粉介质指标的不同进行预先调整，使测量系统适应不同的煤粉特性。CABloc 65型Flow Meters煤粉流量计通过CAN-bus总线与PC机相连进行校准和配置，可以集中管理多达255个Cabloc流量计。流量计产品出厂时未进行校准设定流速，可以将煤管线相等的工况分配到多条线上，而不需要额外的校准，也可以根据具体工况分别调整煤粉流量测量值，针对不同的煤粉至少进行一次校准。

1.2 设计

采用新型速度计在一次元件[1]设计、安装上的好处，如内衬起皮，采取了特别的设计方式和具体措施。由于管线和速度计法兰口不平衡，速度计进口大，该法兰的进口面采用带锥度的形式，在保证和工艺管道同样大小的情况下，稍带一定的锥度，在一定程度上减少对内衬的冲刷，避免在输送煤粉时对测量部件内衬的损坏，避免煤粉不稳定湍流的形成，有效确保煤粉静电荷波形，便于信号的处理。由于该速度计是为了特殊用途而设计的，在任何情况下都要遵守行业标准规范和确保工作人员的安全。在设计之初就要求设备不得在最大允许的负载值以上运行，例如温度、压力、介质或未进一步定义的内容。

1.3 安装注意事项

速度计安装时不能承受任何其它的重量，例如连接的管道、混合器等。速度计未曾设计和构造相关的重量，应该根据压力管道或容器的规定进行反复琢磨，进一步确认，确保工艺管道、法兰、速度计传感器保持在同一中心线上，同时兼顾到负载特性的静态、动态[2]。该速度计测量本体为特殊设计，安装时本体部位不得产生应变，避免本体在安装时被抬起而受力。

1.3.1 安装中存在的潜在风险

安装过程中存在的潜在风险，例如：

①管道温度过高，造成未隔离部分组件受损。

②通过介质和其他产生的腐蚀（壁变薄）。

③不应有的外部负载。

④填充或清空工艺过程中的风险。

⑤混合器等产生的额外磨损（壁变薄）。

⑥外部火灾的影响。

⑦安装环境或测量介质潮湿，表体丝堵存水。

图1 法兰Fig.1 Flange

Cabloc速度计不能安装在管道转弯处，速度计上游和下游必须有足够的直管段长度。上游直管段至少要有20倍煤粉管线内径的长度，下游直管段至少有20倍煤粉管线内径的长度。在满足最低要求的速度计前后直管段距离的前提条件下，较长的直管段可以有效保证煤粉浓相流动状态，保证相似波形的稳定[3]。在安装使用过程中，应当采取适当的技术手段或设备设施来消除潜在风险。在消除潜在安装风险后，需要根据规程做进一步的检查。

1.3.2 法兰标准

Cabloc速度计法兰符合DIN/EN 1092-1标准（型号FLEN）型号FLENFE，在入口处为F型凹面法兰，出口处为E型凸面法兰型号FLENF，两侧均采用F型凹面法兰。

为了在流量测量中获得最佳结果，必须使用精确配合的垫圈来安装Cabloc流量计。垫圈必须具有正确的内径和外径，不完全居中的垫圈或内径太大或太小的垫圈会引起湍流，并且会降低仪表的精度。Cabloc流量计与垂直管线一起输送煤粉，输送煤粉过程中，直管段必须成直线并且与仪表内径相同，距离至少为入口前内径20倍和出口后内径10倍，只有这样才能实现设备的最佳性能。为避免由静电放电引起的流量计损坏，不允许有隔离管段（例如衬有陶瓷的管道）。法兰组件的两端法兰接地必须与另外的接地母线连接，整个装置必须接地。所有Cabloc流量计均配有M6螺孔，可在两个法兰上安装M10螺栓的电缆接头，以连接接地电缆。整个装置的正确接地至关重要，能够避免静电电荷损坏Cabloc流量计的电子电路，并不需要单独对Cabloc流量计进行接地。

2 CABloc Flow Meters煤粉流量计测量原理

2.1 测量原理

流量计传感器内部沿着管道内部流向的方向，安装有两个固定距离的测量线圈，煤粉颗粒在输送过程中产生相互碰撞、摩擦，进而产生静电，静电荷在通过两个测量线圈时产生非常相似的波形信号。该信号传送到传感器电子元器件，通过计算两个测量线圈的距离除以两个信号的时间差，即可得出煤粉颗粒的速度[4]。

图2 Cabloc实时数据Fig.2 Cabloc Real-time data

图3 Cabloc实时数据参数设定Fig.3 Cabloc Real-time data parameter setting

速度是直接测量的，在检波信号处理上采用独有算法，流量信号很小时，能准确检出信号；在流量信号很大时，对波形的准确识别不会引起电路板的故障。从计量准确性上讲，做煤粉循环或更换煤种时，利用V1201罐体计量设备的计量结果来修正速度计的输出数值，可以在一定程度上克服煤种的湿度、粒度、灰分等指标的变化对速度计的影响。

2.2 CABloc Flow Meters煤粉流量计输出

流量计测量的参数，即温度、流量、浓度均以（4mA～20mA）形式输出，通过上位机组态软件修改参数量程的值。在该上位机CABloc软件上，可以实时查看该速度计4个参数的曲线，从曲线上分析速度计运行状况，为煤线长期稳定运行提供了技术保障。

电源、电流回路和报警触点各自是独立的电路。在具有多个电流回路的设备中，电流回路共用同一个接地。CABloc型煤粉流量计通过4mA～20mA电流信号，输出煤粉的流量、流速、密度和温度数据；通过CAN-Bus（双绞线电缆）进行参数设置和测量值的额外输出；使用Cabloc/Graph（PC软件）对数据进行图形评估。

2.3 CABloc Flow Meters煤粉流量计设定

仪表参数的设定十分重要，壳牌煤气化工艺一般为0m/s～15m/s，阻尼时间设定要与相应的速度、密度测量相同步，使阻尼时间不能影响速度、密度的快速响应；浓度测量门卡电压要更加符合工况，切合实际设定，确保测量需要的波形能被准确识别，以便减少采样频繁而引起的干扰波动；修正系数或放大系数a1-Kal、a2-Kal、a3-Kal非常重要，是保证测量准确的依据。V1201每小时的称重量在计量准确的情况下，可以计算出理论流量和速度。在设定比例调整后，可正确计算校正因子，实现输出速度的修正，确保测量的稳定性、准确性[5]。

CAN-Bus总线采用屏蔽/屏蔽双绞线电缆对于具有多个电流回路的仪表，当使用报警触点时，将使用相应的多对电缆。当使用与推荐电缆不同的电缆时，请注意入口的最大合适直径，避免电缆混用出现信号干扰问题。推荐使用J-Y（ST）Y2×2mm×0.8mm通信电缆。两对并联连接可产生100mm的有效横截面，最大距离可达1000m。CAN-Bus总线地址可在流量计的铭牌上找到，通过该地址实现对对流量计的配置及监控运行。

供电电压指示灯可以为Cabloc流量计配有电源电压指示器。电压指示器提供了一种检测欠压或过压的简便方法。如果流量计指示欠压或过压，则应断开电源，并在解决问题后重新连接。长时间欠压或过压运行，可能会导致流量计损坏。Cabloc流量计的保险丝可防止电源极性错误或电压过高，第2个保险丝可防止保护电源输出过载。Cabloc流量计配有蓝色LED作为操作指示灯，该LED位于印刷电路板最上面。当仪表内的计算机处于正常运行状态时，此LED将每秒闪烁一次。电流回路红色LED指示电流回路是断开或因电阻过高而终止。对于具有多个电流回路的设备，对应电流回路的编号印在LED附近的电路板上，通过保险丝保护电流回路免受电压冲击。如果保险丝熔断，则必须拆除错误连接，并用相同类型的新保险丝更换。

3 CABloc Flow Meters煤粉流量计总结

速度和密度测量集于一体，煤粉浓相气力输送的速度和密度均是直接测量出来的。原来每套仪表各由一台放射性密度计、一台速度计组成，还包括煤粉管线测量温度仪表、压力仪表，其测量结果参与补偿计算。而Cabloc煤粉质量流量计需要的速度测量、质量测量、温度测量、补偿计算均是通过自身一套设备独立完成直接测量和相关计算，通过内部函数计算，得出煤粉流体的质量流量。此种测量方式能省掉很多独立的仪表设备，比如单独的密度测量仪表、温度测量仪表，也能避免放射源维护、更换等工作。

Cabloc煤粉质量流量计本体对伴热要求也较高，应尽量减少管道内外的温度差，防止管道内部煤粉的挂料、结垢等造成煤粉速度测量精度的降低。Cabloc煤粉质量流量计的抗干扰在设计上做了一定的优化，现场总计有3块电路板，最底层电路板是直接采样电极测量信号，中间一块电路板对采样信号进行计算及处理，最上层的电路板则是把相应的速度、密度、流量、温度信号进行变送输出，在输出通道上采用单独隔离输出，在信号屏蔽处理上较好，总体上在壳牌气化炉中的应用效果良好。