稱重傳感器在煤粉儲倉中的應用

田志偉，陳松華

(1. 呼倫貝爾金新化工有限公司，內蒙古 呼倫貝爾 021506；2. 中國五環工程有限公司，湖北 武漢 430223)

殼牌煤氣化裝置中，煤粉中間儲倉有1套稱重系統，用于檢測所使用的煤量。在生產過程中，煤流量直接影響氧/煤比的計算及氣化爐反應窗口的控制[1]，甚至影響裝置的安全穩定運行。目前還沒有能直接測量煤流量的儀表，只能通過速度計和密度計間接計算得到。在開車初期，需要用校準后的煤質量作為參考來標定4條煤線上的速度計及密度計。因此，稱重儀表的準確與否至關重要，必須從選型、安裝、標定等方面進行嚴格把控。

1 稱重傳感器的選型

1.1 傳感器量程選擇的計算

傳感器量程的選擇可根據設備的最大稱量值、選用傳感器的數量、設備的自身質量和發生的最大偏載及動載等要素歸納評估來判定[2]。一般來說，傳感器的量程越接近分配到每個傳感器的載荷，其稱量的準確度就越高。但在實際運用時，加在傳感器上的載荷除被稱物體外，還存在設備自身質量、包裝質量、偏載及振動沖擊等載荷，因而選用傳感器量程時，要考慮諸多方面的要素，確保傳感器的安全和壽命[3-4]。

傳感器的選型計算如式(1)所示：

(1)

式中：c——單個傳感器的額定量程；m——秤體質量；mmax——被稱物體總質量的最大值；N——秤體所選用支撐點的數量；k0——保險系數，一般取1.5；k1——沖擊系數，；k2——秤體的重心偏移系數；k3——風壓系數。

某煤氣化項目采用殼牌Hybrid下行水激冷粉煤氣化工藝，生產6×104m3/h有效氣CO和H2。其中煤粉儲倉自身質量約28.5 t，最大荷載75 t，該設備基礎支撐點采用4個，通過查詢稱重傳感器的選型手冊，k1=0.35，k2=0.85，k3=2.5。

通過計算得知，c=28.86m2,其中m2為液壓千斤頂的設計量程。為了確保稱重傳感器的運用安全和壽命，并考慮傳感器可以抵抗熱脹冷縮對設備造成的位移[5]、抗側向力、耐低溫-50～80 ℃、蠕變系數、重復性、靈敏度等方面的因素，該項目選擇了進口雙球頭自復位柱式結構傳感器[6]，傳感器的精度為±0.5%， 煤粉儲倉測量范圍選擇0～150 t。

1.2 稱重傳感器工作原理及結構

稱重儀表按工作原理分為機械式、液動式、氣動式和電子式， 電子式根據檢測原理的不同又分電阻應變式、磁彈性式、電容式、電壓式、電感式、壓電式和振弦式等[7]。

該項目中所使用的是電阻應變式稱重傳感器，該傳感器由金屬應變彈性本體、套筒和與其相連的電阻應變片構成，結構如圖1所示。

圖1 電阻應變式稱重傳感器結構示意

每個稱重傳感器由4片電阻應變片組成一個惠斯通電橋。被測物的重量F使彈性元件產生形變，該形變引起電阻應變片的延伸及彈性形變系數ε的變化。如圖1所示，A， B 為電阻應變片，粘貼在圓筒的外壁，組成電橋的4個臂。根據虎克定律，彈性形變與外力成正比：ε∝F；根據電阻應變效應理論： 電阻應變片的相對變化ΔR/R與ε成正比，即ΔR/R∝Kε=F，K為電阻應變片靈敏系數。

由于4片電阻應變片在靜態平衡時，阻值完全相等， 所構成的電橋處于平衡狀態，信號正負線間電位相等；當圓筒受壓時，4個電阻應變片兩兩變化相同，根據ΔR/R∝F，惠斯通電橋產生不平衡， 輸出1個電壓信號，經過信號放大、A/D模數轉換、濾波、數字化處理后，將稱重結果輸出到顯示面板，并以4～20 mA信號遠傳[8]，電阻應變式稱重傳感器電路如圖2所示。

圖2 電阻應變式稱重傳感器電路示意

該項目每套稱重裝置采用了4個電阻應變式稱重傳感器，每個傳感器的輸出信號經過中間接線盒后，4路信號合為1路信號，再輸入至稱重模塊中進行信號的處理計算。

2 影響稱重的因素及預防措施

2.1 傳感器本體安裝精度要求

傳感器的安裝是稱重儀表能否正常投用的重要因素，由于傳感器正常工作時的形變量很小，一般在1 mm左右。因此，安裝稱重傳感器的基礎必須堅固結實，布置要對準鋼結構的中心部位，保證在承受最大荷載時不變形和下沉，安裝傳感器支撐點頂部要用筋板局部加強，以防撕裂變形，安裝傳感器的位置必須預埋底板， 還應安裝設備限位器，防止設備晃動過大對稱重的影響。水平度也要求在2.5‰以內，安裝時需使用水平儀檢測。在安裝傳感器時各個傳感器的高低可用調整墊片來解決，使稱重傳感器輸出信號值基本保證一致，以確保每點都均勻受力。該項目記錄了每個傳感器的測量值，為了減少誤差，在實測中每一個傳感器測量10次取平均值，稱重傳感器輸出電壓平均值見表1所列。HBM傳感器說明書中要求的電壓輸出值范圍為2.5～3.0 mV。

表1 稱重傳感器輸出電壓數據 mV

2.2 秤體設備的安裝

2.2.1秤體懸空安裝

煤粉儲倉壁面與樓板之間以及煤粉儲倉與安裝支架之間都應留有合理間隙，不得有任何接觸或卡死現象，以免稱重系統不能工作。

2.2.2秤體與其他設備之間的連接

一般來說，需要作為稱重計量的煤粉儲倉，除了稱重支點受力外，不允許其他外力作用在罐體上，最大限度減小管道應力對稱重的影響，但該情況也只能是理想狀態，實際生產中不可能滿足該條件，必定會與其他設備相連接。為減小這些連接對稱重的影響，該項目中采用在連接管道上加裝膨脹節、軟管等的軟連接方式。在校秤及正常投用前，膨脹節上的保護限位螺栓必須處于釋放位置，否則將影響稱重。

2.2.3秤體伴熱管的連接

煤粉儲倉為伴熱設備，與設備之間有伴熱管線，在該情況下，為了減小伴熱管由于熱脹冷縮以及管道安裝所產生的應力，因而在伴熱管的出入口處采用了π形彎。

要保證稱重的準確性，必須考慮要從設備的安裝、傳感器的找平、管道的連接等諸多因素，盡量減少外界因素對稱重的影響。

3 標定方法對稱重傳感器的準確度影響

除了設備的現場安裝需要重點把控外，秤的標定也是重要的一環，為了保證校秤的準確性，結合現場實際情況，該項目采用液壓千斤頂加壓方式進行標定，該標定方法為滿量程標定，代替砝碼，并使用該標定裝置對免砝碼標定、4 t砝碼標定的小量程標定及滿量程標定三種模式進行標定測試。

3.1 液壓校秤系統及校秤準備

液壓標定裝置是由4臺液壓千斤頂、1只油箱、1臺油泵、1臺多通路換向閥以及連接各設備的油管組成，在換向閥上安裝1臺壓力變送器，用于檢測千斤頂對秤體所施加的壓力。換向閥是1個四路出油，另外四路回油的裝置，以保證加載在4個稱重傳感器上的壓力一致[9]。

在標定前還需要在每個傳感器安裝的位置處制作一個專門的加載機構： 龍門架，將液壓千斤頂按相關要求放置，然后通過液壓泵給秤體加壓，進行稱重標定。

根據廠家提供的液壓校秤裝置的參數得知： 千斤頂設計加載油壓為63.7 MPa時，對應輸出力為106N。其質量與壓力轉換計算公式如下：

(2)

式中：m1——實際計算質量，t；m2——液壓千斤頂的設計量程，0～100 t；p——液壓千斤頂的設計油壓63.7 MPa；p0——液壓千斤頂的實際加載油壓，MPa；N——千斤頂個數，N=4。

通過式(2)，可以計算出加載油壓與質量之間的關系，m1=6.28p0,加載油壓與質量關系對照見表2所列。

表2 加載油壓與質量關系對照

3.2 免砝碼標定

根據廠家提供的資料，該項目中所使用的秤在無砝碼的情況下標定，即mV值標定方式。標定步驟如下：

1) 空倉狀態下輸入空倉狀態的傳感器mV值，一般使用稱重儀表上默認的數值即可進行零點標定。

2) 根據傳感器規格、靈敏度、數量、秤的實際量程計算出滿量程時的mV值。計算公式為

右岸趾板邊坡較陡，采用4～6m寬的窄趾板加內趾板的結構形式，內趾板為掛網噴混凝土，厚20 cm，寬20m。

(3)

式中：m3——秤量程，0～150 t；m0——單個傳感器量程，0～40 t；μ——傳感器平均靈敏度，取2 mV[1]。

將式(3)中的各變量代入數值計算得：U=1.875 mV，并將該值輸入到免砝碼標定參數內，完成標定。

標定完成后，使用液壓校秤系統，檢驗秤的標定數值，系統穩定15 min后記錄液壓值及稱重值，見表3所列。

表3 免砝碼標定測量數據

通過表3數據得知，免砝碼標定測量偏差大，超出傳感器測量精度±0.5%(±0.75 t)的要求。

3.3 小量程標定

由于無砝碼標定不能滿足要求，該項目尋求另外一種校驗方案： 4 t砝碼標定。

4 t砝碼標定為小量程范圍的標定，也是在沒有液壓標定工具的情況下，實現標定的一種方法，標定步驟如下：

1) 空倉狀態下進行零點標定。

同樣，該項目完成4 t砝碼標定后，取下砝碼，裝上液壓校秤裝置，對秤的準確度進行了檢驗，系統穩定了15 min后再記錄每組數據，見表4所列。

表4 4 t砝碼標定測量數據

通過表4數據可以看出，4 t砝碼標定測量偏差也是較大，不能滿足工藝使用要求。

3.4 滿量程標定

通過以上兩種方式的校驗后，稱重都不能達到設計及工藝控制的要求。因此，必須尋求新的標定方式。經過分析，任何儀表的標定，越接近最大測量范圍的標定就越準確。于是，該項目采用了滿量程標定，步驟如下：

1) 空倉狀態下，系統穩定15 min后標定零點。

2) 將液壓千斤頂進行升壓，加載油壓升壓到23.89 MPa，系統穩定15 min后輸入150 t，標定滿量程。

3) 取值，系統穩定15 min后隨機記錄相應的數據，測量數據見表5所列。

從表5數據可以看出，滿量程標定雖然仍存在一定偏差，但最大偏差也只有0.39 t，完全滿足了傳感器的測量精度±0.5 %(±0.75 t)要求。

通過以上3種不同的校秤方式，以及對所記錄數據的分析，不難看出采用滿量程標定是準確、有效的一種方式。

表5 滿量程標定測量數據

為了驗證滿量程標定的準確性，該項目使用了200個20 kg砝碼，合計4 t的標準砝碼加在秤體上進行檢驗，并對數據進行了記錄，見表6所列?？梢钥闯觯拥臏蚀_度較高，完全符合設計及工藝要求。

表6 4 t砝碼檢驗記錄 t

4 結束語

煤粉儲倉稱重傳感器在殼牌煤氣化裝置的穩定運行至關重要，影響稱重準確性的因素也較多[6]。本文對煤粉儲倉稱重傳感器從設備選型、安裝、標定與調試過程中的影響因素及控制點進行了分析，并采取了有效的解決方法。保證了稱重儀表的準確性，為后續的速度計和密度計標定的準確性打下了堅實基礎。