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水煤浆气化炉煤浆電磁流量計测量问题解决方案

來源:作者:发表时间:2018-09-19 08:59:03

 摘要:介紹了水煤漿氣化爐工藝特點、水煤漿的特性、煤漿流量計的測量原理,流量計的結構以及電磁流量計的优缺点。针对煤浆流量计在实际应用中出现的测量值波动大、测量值不准确、响应滞后等问题,从安装、调试、煤浆质量等方面进行了研究。分析了流量计安装不符合要求、电磁干扰、高压煤浆泵工作不稳定、煤浆质量不高、电极极化、电极结垢、转换器故障、内部参数设定不科学等方面的问题。依据分析结果,结合三畅電磁流量計测量原理、相关标准规范的要求以及仪表运行维护经验,针对性地提出了确保煤浆流量计指示准确、工作稳定、快速响应的解决方案。该方案实现了煤浆流量的可靠测量,保证了气化炉的安全平稳运行,对解决同类装置煤浆流量测量中出现的偏差大、稳定性差、滞后严重等问题具有指导意义。

 
引言
測量煤漿的流量計(煤漿流量計)是水煤漿氣化爐的重要操作參數。煤漿流量與氧氣流量共同參與氣化爐的氧煤比控制(氧煤比是指氧氣的體積流量與煤漿的體積流量之比)。氧煤比的結果直接影響氣化爐運行的經濟性和可靠性。合適的氧煤比可以提高碳的轉化率,而過量的氧煤比則會導致氣化爐過氧,引發氣化爐爆炸事故。因此,氣化爐的氧氣流量計和煤漿流量計都是非常重要的儀表設備。本文主要研究了實際應用過程中煤漿流量計存在的問題及相應的解決方案。
 
1工藝簡介及流量計的作用
1.1氣化裝置工藝簡介
某煤制烯烴工廠氣化裝置采用美國GE公司水煤漿加壓氣化技術,以煤和氧氣爲主要原料,生産粗合成氣送至下遊淨化裝置。具體工藝是:原料煤經制漿單元加工成一定粒度分布、適宜pH值、較高濃度、穩定期和流變性較好的水煤漿;水煤漿經高壓煤漿泵加壓後和純氧經燒嘴進入氣化爐,在壓力6.5MPa、溫度爲1350℃左右的條件下進行氣化反應,生成以CO、H2、CO2爲主要成分的粗煤氣;將系統中産生的黑水送入閃蒸、沈降系統處理,以達到回收熱量、灰水再生、循環使用的目的[1]。
 
1.2煤漿流量的測量方式及主要作用
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,目前電磁流量計是可选的测量方式[2]。
 
煤漿流量計是氣化裝置重要的儀表設備。爲確保准確、可靠測量煤漿流量,在煤漿管線上共安裝有三台煤漿流量計。煤漿流量計取三者的中間值參與氣化爐的氧煤比控制,同時還通過三取二邏輯參與氣化爐的聯鎖控制。
 
2電磁流量計测量原理及主要特点
2.1測量原理及結構
2.1.1測量原理
電磁流量計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,三畅電磁流量計是一种速度式流量计。
 
2.1.2電磁流量計的结构组成
電磁流量計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。
 
轉換器由電源電路、前置、主機電路、輸入/輸出電路、通信接口電路、顯示電路和勵磁電流電路等七部分電路組成。電源、前置電路、主機和輸入/輸出電路用于接收傳感器檢測到的毫伏級的感應電勢信號,把幾毫伏的流量信號轉換成儀表4~20mA的標准信號;顯示電路用于內部參數的設定和各種數據、參數的顯示;勵磁電流電路用于爲傳感器提供産生磁場的勵磁電流。
 
2.2主要特點
现场应用过程中使用了科隆和横河两种電磁流量計。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)流量計優點。
①傳感器測量管是無阻尼結構,用于煤漿流量測量時壓損小,有利于節能。
②電磁流量計属于速度式流量计,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輸出信號與被測煤漿的體積流量成線性關系。
④測量範圍大,量程比寬(1∶100),不需要進行線性修正,流速測量範圍大(0.3~12m/s)。
⑤對前後直管段要求低,要求前5D、後2D。
⑥合理選擇傳感器襯裏和電極材料,即具有良好的耐蝕性和耐磨性。
⑦傳感器采用低頻恒流勵磁技術,既克服了交流勵磁的幹擾影響,又消除了極化現象,增強了流量計抗幹擾性能,提高了儀表的穩定性。
 
(2)流量計缺點。
①被測介質電導率下限值是1μs/cm。如果煤漿電導率過低,在下限值附近波動甚至低于下限值時,不能保證測量的准確性。
②傳感器電極檢測的信號是幾個毫伏的微弱信號,易受周圍電磁幹擾。
③煤漿流速不能太低,一般應大于0.5m/s,流速太低則無法保證測量精度。
 
3漿流量計在實際應用中存在的問題
3.1測量值不准
煤漿流量計在實際使用過程中,經常會出現測量值不准的情況,具體表現爲零點不穩、實測值與實際值偏差大、穩定性差等現象。煤漿流量測量值不准對氣化爐的正常生産操作有很大的影響,尤其是流量計穩定性差、波動大的問題,曾引發氣化爐誤停車的事故。
 
3.2響應速度慢
通過實際測量,煤漿流量計響應時間比煤漿管線內部煤漿的實際變化平均滯後約25s。當氣化爐實際煤漿流量因某種原因迅速降低時,流量計阻尼時間過大,指示值沒有快速反映煤漿的實際變化值。氣化爐在固定氧煤比控制方式下,會造成氣化爐過氧爆炸[5]。同類企業曾經出現過因氣化爐過氧導致爆炸的惡性事故。
 
4主要原因分析及解決方案
在实际使用过程中,三畅電磁流量計出现测量值不准、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安裝問題
4.1.1保證科學合理安裝
電磁流量計既可以垂直安装,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電磁流量計安装的**低要求[6]。
 
4.1.2抗電磁幹擾
電磁流量計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2.5~8mV[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。三畅電磁流量計应该进行现场接地,接地电阻不大于10Ω,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。要确保電磁流量計的信号线、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高壓煤漿泵問題
高壓煤漿泵是負責把煤漿輸送到氣化爐的重要設備,它的穩定運行有利于煤漿流量的准確測量。當煤漿泵出現異常時,煤漿的脈動性變大,煤漿流量測量值會出現大幅波動,所以要及時檢查泵的運行狀態,從而發現問題並及時處理。
 
4.3煤漿質量問題
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,都会使三畅電磁流量計测量值出现无输出、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。
 
煤漿質量變化對煤漿流量測量的影響,實際上就是工藝操作變化對流量測量的影響。具體表現在以下幾個方面。
 
①气化炉掺烧渣油,使混合后煤浆的导电率大幅下降,逼近電磁流量計要求的下限值,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,三畅電磁流量計的电极被腐蚀后造成煤浆流量测量值受到很大的影响。
③煤漿中含有的氣泡球徑較大時,氣泡經過電極就會完全擋住電極,使煤漿流量的測量産生波動。波動幅度與氣泡的大小有關,波動頻次與氣泡的多少有關[7-8]。
④煤漿中的顆粒撞擊電極會使煤漿流量的測量産生波動。波動幅度與顆粒大小有關,波動頻次與顆粒撞擊測量電極的頻次有關。
 
⑤流量計傳感器內部結垢或有沈積物時對測量結果影響很大,會造成測量值降低甚至無測量值輸出。
 
相應的解決方案是加強對煤漿質量的監控。當發現水煤漿的電導率、pH值、粒度、濃度、黏度等指標發生較大變化時,應及時分析原因,並立即采取相應的措施調整操作工藝,改善煤漿質量。
 
4.4流量計問題
4.4.1電極極化
電極極化是指固液兩相的煤漿測量中,當煤漿中的固體顆粒撞擊或擦過電極表面,電極表面接觸電化學電勢突然變化,使測得的流量出現尖峰脈沖狀的噪聲[9]。其解決方案如下。
①選用表面積較小的電極,可以有效減少煤漿內部顆粒單位時間內撞擊或擦過測量電極表面的次數。
②選用表面相對光滑的電極,使電極表面薄層氧化膜不容易受顆粒沖撞或産生劃痕。
③采用低噪聲型電極。該型電極在實際安裝中低于傳感器內部襯裏,電極表面與煤漿之間是一層絕緣襯裏。在電極表面的面積範圍內,通過在絕緣襯裏設置的若幹個小孔與被測煤漿連通,小孔內充滿被測流體,可以避免電極表面受到煤漿內部顆粒的直接沖撞,從而減少噪聲的影響。實踐證明,采用低噪聲型電極抑制電極極化的效果較好。
 
4.4.2電極絕緣性沈積結垢
若绝缘性沉积结垢覆盖电极表面,则测量信号会被断路[10]。其解决方案是在電磁流量計具备下线检查条件时,检查清理电极表面。
 
4.4.3轉換器故障
當流量計本身的各個電路或接線出現故障時,流量計會出現無輸出、測量值偏離實際值、測量值突變、滿量程等異常情況。實際應用中,根據流量計的故障現象,分析故障原因,及時排除故障點。
 
4.5流量計內部參數設定問題
電磁流量計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流量計模擬量輸出設定
模擬量輸出設定內容有5項,分別是測量、單位、範圍、小信號切除和時間常數,應注意**後一項內容的設定。時間常數用于流量計主電流輸出的設定。流量計的響應時間也稱爲阻尼時間,可設定的範圍是0.0~100s。考慮到既要減少測量值的波動,又要保證流量計的響應速度,將時間常數設定爲1s。
 
4.5.2過程輸入設定
過程輸入設定內容非常多,重點介紹對流量計測量值有較大影響的勵磁頻率和濾波等參數的設定情況。
(1)勵磁頻率
因漿液噪聲具有20180919090704.jpg特性,干扰强度随着频率的增加而减弱,所以可以通过增加传感器的励磁频率来降低浆液噪声对流量计的干扰[11]。考虑到太高的励磁频率不利于三畅電磁流量計的零点稳定性,目前煤浆流量计的励磁频率由原来的QQ截图20180919090711.jpg修改爲20180919090716.jpg,有效地降低了漿液噪聲的幹擾,同時也保證了零點穩定性。
 
(2)濾波。
科學、合理地設定流量計的濾波功能,可以抑制漿液噪聲對測量值的影響。濾波時間常數、脈動濾波、噪聲濾波等多項參數可以設定。
①考慮到濾波時間常數設定偏小會使測量數據波動變大,所以根據實際調試經驗,將濾波時間常數設定爲5s。
②脈動濾波用來抑制由煤漿內的固體顆粒、氣泡、及變化的pH值産生的噪聲。根據流量計調試經驗,脈動寬度和脈動限制值分別設定爲5s和0.03m/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。