1 引言
濮阳龙宇化工有限责任公司（简称濮阳龙化）年产20万吨甲醇装置是国内首套粉煤加压气化装置航天第一炉的发源地，由北京航天设计院设计实施的HT-L粉煤加压气化技术充分吸收了当今世界先进煤气化技术的优点，是在引进、消化吸收国外壳牌公司的Shell粉煤加压技术和GE公司的德士古水煤浆加压气化技术基础上的再创新。该技术在备煤、输煤、燃烧调节系统、气化炉辐射段均采用先进的粉煤气流床气化技术；灰渣水系统、洗涤、净化则采用气体急冷流程技术。日前，该技术已经落户濮阳两年多，经过近两年的试车运行，于2009年12月23日通过专家组达标达产的审核验收。
航天炉又名HT-L粉煤加压气化炉。长期以来，国内煤化工之所以不能大规模地发展，就是因为国内缺乏自主的粉煤加压气化技术。而进口的技术也不能完全满足国内煤化工的需求如果选用德士古煤气化技术，无法实现原料煤的本地化；选用壳牌煤气化技术的投资又太大。所以，开发具有自主知识产权的高效、洁净、煤种适应性广的国内煤气化技术，一直是业界的梦想。
气化炉的核心部件是气化炉燃烧喷嘴，该喷嘴必须具有超强的耐高温特性，这个特性要实现起来难度较大。而与此类似，火箭上天时喷嘴所经受的温度也很高，而且比气化炉燃烧喷嘴要经受的温度高得多。如果把航天技术嫁接到煤化工产业，技术难度上没有问题。
航天炉的主要特点是具有较高的热效率（可达95%）和碳转化率（可达99%）；气化炉为水冷壁结构，能承受1500°C至1700°C的高温；对煤种要求低，可实现原料的本地化；拥有完全自主知识产权，专利费用低；关键设备已经全部国产化，投资少，生产成本低。据专家测算，应用航天炉建设年处理原煤25万吨的气化工业装置，一次性投资可比壳牌气化炉少3亿元，比德士古气化炉少5440万元；每年的运行和维修费用比壳牌气化炉少2500万元，比德士古气化炉少500万元。
它与壳牌、德士古等国际同类装置相比，有三大优势：一是投资少，比同等规模投资节省三分之一；二是工期短，比壳牌炉建设时间缩短三分之一；三是操作程序简便，适应中国煤化工产业的实际，易于大面积推广。
对于采用高浓相输送技术的煤粉输送，煤粉流量的精确计量在气量的消耗、系统的顺畅运行及设备、管道等的维护以及验证整个系统的浓相输送等相关指标、调控输送量等工艺参数具有重要的作用和意义。在粉煤加压气化装置的流程控制中，煤粉密度、流速的测量是整个输煤系统的重中之重，我国近年来引进的荷兰壳牌公司的Shell粉煤加压气化技术中，粉煤质量流量的计量一直采用美国热电提供的核密度计与速度计来进行质量计量和控制，通过考察国内同类设备的使用厂家情况，其测量的准确性需要靠经验数据来调整，采集经验数据最少需要2~3个月时间，煤粉标定时间周期长，而且其速度表响应时间较慢，在濮阳气化炉的试车过程中，这种现象已得到验证。而采用德国斯威尔的微波技术的流量计调校比较简单，调试时间大约一周，测量能满足工艺要求。在航天炉项目的建设中，我单位气化装置的每根煤粉管线上采用了两套美国热电流量计和一套SWR流量计同时测量，在极大地满足了工艺要求的同时，也验证了在同样工况下，两个厂家的流量计在煤粉流量计量上的准确度和可靠性。而稍晚于濮阳建设的安徽临泉在航天炉装置的每条煤粉管线上采用了两套SWR流量计，在煤粉的计量和控制中得到了很好的应用。
2 SWR（斯威尔）流量计测量原理简介
SWR生产的DensFlow流量计是专门针对气固两相流而开发的测量仪器，该测量仪适用于浓相或超浓相输送工艺，通过在测量管中产生一个高频、交流、均匀的电磁场来测量固体物料通过管道截面的平均流速和浓度，从而计算出固体物料在管道中的流速（m/s）、浓度（kg/m3）、质量流量（kg/h或t/h），并且输出对应上述测量值的三路独立的4~20mA电流信号。
微波与无线电波、红外线、可见光一样都是电磁波，它的频率300MHz~300kMHz，它的传播速度不受温度、压力、密度的影响。现在要考虑的是：管道内的温度和压力到一定程度时，CO2的密度对测量是否有影响？针对这一问题，与厂家技术交流，根据流量公式Q（流量）=密度流速截面积，表明流量与外界条件没有影响。他们在压力为64MPa时，在温度为-20~120°C之间对煤粉的测量进行标定，所示结果呈线性，说明CO2的变化对测量结果没有影响。而实际的计量中，当用二氧化碳高压输送煤粉时，也确实证实了这一点。由于流量、密度、流速的测量为一体化仪表，大大提高了测量的精度。
DensFlow测量固体物料流速的准确度是±0.5%（绝对值），这个值是准确、真实、可靠的，而且不需要、也不可能修正，在德国加工出厂之前已经标定校准。
DensFlow固体物料密度值的测量是需要校准和标定的，因为该仪器可以测量浓相、超浓相输送的所有固体颗粒或粉状物料，而不同物料的堆积密度是不同的，所以必须实际标定输送物料的浓度值。正常的准确度是在±1%~±3%，系统均匀稳定的喷吹状态下可以达到小于±1%的测量及控制准确度。
在现有浓相、超浓相输送技术条件下，有以下几种标定方法可以使用：
使用SWR的专用测试棒标定，也可订购SWR流量在线标定系统来进行标定。
用户在安装仪器前，在车间将固体流量计垂直放置在敞开容器后通电预热，15min后将被测固体物料放入测量管内进行标定。
用户在安装仪器后，通电预热15min并将流量计内置累积器清零后开始正常的物料输送，通过仪器累计的物料质量流量值与现有仪器的显示值比较，然后将修正系数输入仪器。
用户在安装仪器后，通电预热15min并将流量计内置累积器清零后开始正常输送物料，通过仪器累计的物料质量流量值与每天/每周/每月的物料消耗量比较，然后将修正系数输入仪器。
我单位在煤粉密度的标定中采用的是第三种方案，通过DensFlow测量的固体物料的流速、浓度值、质量流量，可以很清楚、直观、准确地得到系统在输送煤粉时的各方面参数，对系统的运行、调试和均匀控制具有重要的作用和意义。
3 SWR（斯威尔）流量计在标定过程中的修正方案
基于现场的观察和记录，影响流量计测量结果的因素为：压力、悬浮密度、温度，其中压力的影响因素很稳定，经过现场的观察和计算，压力的影响为0~5MPa，影响零点0.4%~0.5%；浓度的影响只与传感器特性有关。
温度的影响，安徽临泉和濮阳由于安装位置的不同，产生的影响大小有所不同，但是观察在温度变化不大的环境下，对流量计检测的影响很小。针对这三个影响因素的修正方案如下。
（1）浓度修正方案。
总结出浓度特征点密度以及修正系数见表1，修正曲线如图1所示。
表1 浓度特征点密度以及修正系数
DCS计算方程如下：
图1 修正曲线示意图
（2）压力修正：
压力的影响直接反映为：影响实际显示浓度值，随着压力的增加影响值逐渐减少。
对应着0~5MPa的压力变化，零点漂移为0.4%~0.5%。1#、2#、3#管道的压力修正公式为：
式中：p流量计附近压力取样点压力，MPa；P实测的管道压力。
（3）温度修正：
温度对于传感器的影响直接反映到传感器的轴向应力上，对比同期装置的临泉和我们的传感器参数设置基本一致，只是K系数的差别。对于临泉和濮阳现场出现的温度影响不一致的原因，经分析和现场的安装位置有关。当温度变化不是很大的情况下，基本可以忽略此参数的影响。
（4）综述：
DCS最后修正方程为：
A=[原始密度-f2（P）+f3（T）]
DCS显示密度=f1（A）•A•K2•K3原始密度
式中：K2——管道系数；K3——煤种系数。针对每根管道单独进行标定，将来换煤种之后只是需要标定K3系数就可以达到标定的目的；f1（A）——传感器的特征方程。
经过标定，SWR流量计在实际工况中的历史曲线如图2所示。
图2 运行历史趋势记录
4 存在的问题及改进
现场传感器的线路板安装方式采用接插件的形式，而且配线硬度较大，仪表在工作过程中由于煤粉管线的震动易使线路板接插件松动，会造成接触不良，导致煤粉流量无显示。此问题已经提交SWR总部，可更换线路板的安装方式为螺丝固定式，减少此类故障的发生。
SWR流量计抗干扰能力较弱，中央处理器面对磁场的干扰表现为速度的波动，进而影响流量计量。所以二次表中央处理单元的安装应远离磁场，避免干扰信号的发生，有条件的话中央处理单元最好安装在离传感器距离300m的装置现场。
5 美国热电流量计的测量原理简介
放射性同位素产生的射线具有穿透物质的能力，对于一束准直的γ射线，在穿过管径为d，密度为ρ的被测介质后，入射到γ探测器上的射线强度I与ρ=0时的射线强度Io之间成指数关系，通过测量射线强弱的变化，可知道介质密度的大小。
将放射源和射线探测器（闪烁探测器或电离室探测器）分别安装在被测管两侧，用计算机处理放射线探测器的输出信号，就可显示出被测介质的密度或浓度。如将管道流量信号送入变送器，经计算机处理后，可显示被测介质的质量流量和计算值。
DensityPRO密度计包括两个主要部分：一是放射源及铅罐；二是一体化变送器/探测器。密度计所用放射源一般情况下使用Cs137，特殊情况下使用Co60，无论是Cs137还是Co60放射源均为密封型的放射源，使用它们不会造成环境污染。
放射源固定在一个容器内，这个容器由铅层和钢外壳及源开关装置组成，源容器内有一个射线通道（专用术语：准直孔），当源开关装置处于关闭状态时，从准直孔出来的γ射线被屏蔽，而当源开关处于开时，射线通过准直孔穿过被测管道射到探测器上，源罐的铅层厚度保证了从源罐泄露出的射线剂量不超过安全防护标准。
5.1 标定
标定过程在一个标准配置下通过测量放射线建立密度计的一个参考点。在标定周期，密度计对探测器信号进行平均处理。标定的缺省周期时间为17min。平均的探测器信号提供在标准配置下的一个重复性非常好的信号测量值。
一旦完成标准测量，就可以对类似由于介质沉积在管壁造成的不断增加的衰减等任何变化重复进行补偿。然后，密度计就可以基于新的标定值调整校准值。由于校准值是按照相对于标定值的一个比例系数存储的，所以不需要进行重新校准。无论什么时候计算出新的标定值，都自动对校准值进行调整。
完成标定周期的步骤为：
（1）将密度计源罐和管道按照下列方式之一进行准备，并确保每次标定使用完全相同的标准配置；
（2）管道充满载体（溶剂，液体1，参考液体）：对于悬浮液，管道充满干净的载体；对于溶液，管道充满干净的溶剂；对于乳液，管道充满干净的液体1。对于单成分介质，可能必须使用与单成分介质完全不同的参考液体；
（3）空管道：在小尺寸到中等尺寸管道上使用闪烁探测器时的某些应用，以及有时在小尺寸管道上使用电离室探测器时，对于某些应用，在空管道时标定是合适的；
（4）充满的管道附带参考片：标定过程中，有时将参考片挡住射线束。如果密度计提供了参考片，就按照要求将参考片和充满参考液体（如干净液体）的管道放在一起；
（5）空管道附带参考片：与“充满的管道附带参考片”类似。如果密度计提供了参考片，就按照要求将参考片和空管道放在一起使用；
（6）打开源的闸门；
（7）确认“标定时的管道状态”菜单的设置正确：管道充满载体，空管道等；
（8）转到“设置密度，…”菜单下“开始标定周期”菜单，然后键入→，开始标定。
标定时，一个可以放弃标定测量的菜单取代“开始标定周期”菜单，该菜单指示可以继续进行设置或返回到测量值显示模式，此时，一个倒记时计数器显示标定周期的剩余时间。标定完成后，标定菜单将显示最后一个标定周期使用的配置。
在第一次设定密度计时，不方便，甚至不可能清空管道或将管道充满液体来完成标定周期。此时，可以在“标定时的管道状态菜”单下选择“推迟标定”，然后进入校准过程。
5.2 校准
除非在对于悬浮液类型介质“管道充满载体”（或对于溶液类型介质，“管道充满溶剂”；对于乳液类型介质，“管道充满液体1”）状态下完成了标定，必须用“设置密度，…”菜单组下的“密度计校准”菜单完成校准。如果需要校准测量，显示器显示“U-NItshasnotbeencalibrated（密度计没有校准）”消息。即使不需要校准，基于标定值的缺省校准也不能提供足够的精度。需要校准时，单点校准对于很多应用是合适的。校准测量应该在实际介质上完成，该介质的密度接近正常工作期间预计的正常介质密度。一般来说，校准测量时对介质进行采样以确定介质密度是必须的。单点校准在感兴趣范围的一个密度点提供了一个参考测量值。密度计能够使用源罐（几何条件因子），管道尺寸和介质类型等信息，通过计算与探测器信号变化对应的密度变化，测量其它密度值。需要更精确测量值时，可以进行两点标定。第二个校准值应用“斜率”校正因子去将探测器信号转换为介质密度。应用两点校准时，尽量在靠近工作介质密度范围的一个端点完成第一点校准，然后，在另一端点完成第二点校准。
注意： ①校准溶液类型介质或单成分类型介质时，如果激活温度补偿，就需要在参考温度点测量介质密度。②必须根据主测量项的测量类型和单位输入校准的密度值。例如，如果主测量项是单位为1b/gal的固体浓度，校准的密度实际是单位为1b/gal的固体浓度。
为了在探测器信号的基础上计算密度，密度计必须对介质的每一种成分（例如，对于悬浮液为载体和固体；对于溶液为溶剂和溶解物）假定一个衰减系数值。衰减系数表示一种物质如何阻挡射线的质量。对于典型的悬乳液，使用Cs137源，载体（水）的缺省衰减系数为0.086，固体的缺省衰减系数为0.077（对于很多矿物质足够好），这通常可以提供好的计算结果。可是，如果使用Co60源，必须将载体（水）和固体（矿物质）的缺省衰减系数相应改为0.065和0.058。
6 结束语
近两年的生产实践证明，在同样工况的情况下，通过对美国热电和SWR流量计的应用对比，可以得出对于粉煤加压气化装置中的煤粉输送技术，煤粉流量的计量采用德国SWR（斯威尔）测量技术工程有限公司的DensFlow是有效的，它具有以下优点：
（1）仪表没有任何放射性物质，现场技术人员不用担心遭受核辐射的伤害；
（2）仪表标定、校准简单，可操作性强，减少了仪表人员的维护周期；
（3）采用GFK（增强玻璃纤维）内衬，耐高压、耐磨、防腐，SWR承诺传感器寿命大于三年，并提供相对应的传感器3年质量保证；
（4）速度测量范围可选（0~10m/s或0~20m/s），在浓相和稀相状态下均可准确测量，同时避免了选取静电原理流量计速度测量范围必须大于4m/s的限制；
（5）采用一台仪表就可以完成煤粉的流速（m/s）、浓度（kg/m3）在线测量，通过计算得出质量流量（kg/h或t/h），并且输出对应上述测量值的三路独立的4~20mA电流信号；
（6）DensFlow的测量管没有任何节流部件，无压力损失，免维护；
（7）不存在射源衰减的问题，在仪表使用后期不会影响测量的精度。
