漿液型電磁流量計在煤化工行業(yè)中的應用經(jīng)驗分析

漿液型電磁流量計在煤化工行業(yè)中的應用經(jīng)驗分析

引言 
隨著(zhù)煤化工項目在國內的不斷開(kāi)展，德士古氣化爐煤漿流量計的應用越來(lái)越廣泛。作為本文應用背景的兩個(gè)甲醇項目都采納德士古氣化爐工藝，煤漿濃度在62%（wt/wt）左右、平均粒度約31μm、管道為DN150、壓力等級600lbs、產(chǎn)能200000t。但自投產(chǎn)以來(lái)，原進(jìn)口流量計運行效果一直不能令人滿(mǎn)意，時(shí)常出現大幅度波動(dòng)，豎管流量計波動(dòng)更為頻繁，有時(shí)橫管流量計也一起波動(dòng)。這容易導致誤跳車(chē)，給企業(yè)帶來(lái)很大的損失，也大幅度增加了相關(guān)部門(mén)的勞動(dòng)強度。 
針對因煤漿流量計波動(dòng)而導致跳車(chē)事故這一問(wèn)題，對煤漿流量計的波動(dòng)原因進(jìn)行了分析，采用上海威爾泰生產(chǎn)的特殊結構傳感器和新一代交流勵磁轉換器，有效地預防了因波動(dòng)而引起的跳車(chē)事故，取得了預期的應用效果。 
1 波動(dòng)原因分析 
根據電磁流量計的原理和相關(guān)文獻以及長(cháng)期應用經(jīng)驗可知，流場(chǎng)波動(dòng)的根本原因取決于電磁流量計測量管內流體的流場(chǎng)和流態(tài)［1］。DN150測量管的流量與流速對應關(guān)系如表1所示。正常生產(chǎn)時(shí)，流量一般為25m3/h左右，對應的流速只有0.4m/s。流體流速低，而煤漿濃度高達60%以上，這容易導致管道中的流場(chǎng)處于不穩態(tài)，且豎管和橫管的不穩態(tài)是不同的［2］。

在豎管中，中心的流速比較快，四周的流速比較慢，這使管壁表面附著(zhù)一層流動(dòng)很慢的煤漿。如果這個(gè)附著(zhù)層慢到幾乎不動(dòng)，而且比較厚，就蓋住了電極，轉換器的流量輸出就會(huì )下降，甚至下降到零。由于煤漿泵的工作方式是脈動(dòng)的，煤漿管線(xiàn)也有振動(dòng)，再加上豎管很高，所以附著(zhù)在內管壁的煤漿處于不穩定的狀態(tài)，管道內會(huì )時(shí)不時(shí)地發(fā)生類(lèi)似雪崩的現象，而且這種雪崩現象不一定只有一處。煤漿流動(dòng)狀態(tài)示意圖如圖1所示。如果這種雪崩現象發(fā)生在流量計的測量管內，就會(huì )引起轉換器輸出的波動(dòng)。由“雪崩”導致的輸出波動(dòng)周期比較快，阻尼時(shí)間加大，可以起到一定的平穩作用。

圖1 煤漿流動(dòng)狀態(tài)示意圖

在生產(chǎn)過(guò)程中，最難處理的是另外一種波動(dòng)。該波動(dòng)周期很慢，但幅度很大，大到足以引起跳車(chē)。要把這種現象解釋清楚，就需要引進(jìn)權重函數的概念［3－6］。粗略地說(shuō)，權重函數給出了不同位置的流體切割磁力線(xiàn)所產(chǎn)生的感應電動(dòng)勢對電極信號的貢獻率。權重函數示意圖如圖2所示。

圖2 權重函數示意圖

圖2以中心點(diǎn)權重為1，給出了電極平面的權重函數分布。由圖2可知，越接近電極，權重最大；反之，沿導管轉90°，權重最小。 
電極平面煤漿流速的兩種分布情況如圖3所示，其權重函數的分布與圖2相同。

圖3 流速分布不均示意圖

理想流場(chǎng)分布應該呈軸對稱(chēng)，中心稍大、四周稍慢，這時(shí)采用電磁流量計所測量的流量準確且穩定（漿料噪聲的影響除外）。如果流場(chǎng)不夠理想，則測量管橫截面流速分布不均，可能引起流量測量輸出波動(dòng)。 
由圖3（a）可知，權重函數高的地方流速快，而權重函數低的地方流速慢，這時(shí)轉換器流量輸出增大；由圖3（b）可知，權重函數低的地方流速快，而權重高的地方流速慢，甚至電極被覆蓋，這時(shí)轉換器輸出減小，甚至接近于零。 
橫管的波動(dòng)原因與上述分析有所不同，其波動(dòng)主要是由于淤積造成的。如果淤積面沒(méi)有超過(guò)電極，則由于測量管橫截面減小、流速提高，轉換器輸出就會(huì )變大；如果淤積面超過(guò)了電極，轉換器輸出就會(huì )減小。由于這種淤積是不穩定的，淤積面時(shí)漲時(shí)消，所以引起流量輸出周期較長(cháng)的波動(dòng)。一般而言，在投料初期，橫管表現比較好，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間后，橫管才會(huì )波動(dòng)。 
2 解決方案 
在此之前，多數人認為流量計波動(dòng)的原因在于漿料噪聲，甚至是電極噪聲。由于漿料噪聲和電極噪聲的周期比較短，所以處理波動(dòng)方法不外乎是加大阻尼時(shí)間。事實(shí)證明，這種方法不能從根本上解決流量計輸出波動(dòng)所導致的跳車(chē)問(wèn)題。 
經(jīng)過(guò)上面的分析，我們認為引起流量計輸出波動(dòng)的根本原因在于流場(chǎng)流態(tài)，其特點(diǎn)是波動(dòng)周期比較長(cháng)，周期為幾秒甚至幾十秒。要改善流場(chǎng)流態(tài)，就需要從傳感器結構設計著(zhù)手。因此，采用了類(lèi)文丘里管形狀的傳感器，這樣不但提高了流速，而且能起到一定程度的整流作用。應用經(jīng)驗表明，當流速為1m/s左右時(shí)，流場(chǎng)比較好，對于消除大幅度長(cháng)周期的異常波動(dòng)，這樣設計的傳感器起到了關(guān)鍵性的作用。 
為了解決流量計的異常波動(dòng)，僅靠改變傳感器的結構是不夠的。由于原進(jìn)口電磁流量計是方波勵磁，所以采用所謂的低噪聲電極和價(jià)格較高的ETFE襯里，不能有效解決轉換器克服漿料噪聲先天不足問(wèn)題。另外，漿料噪聲隨著(zhù)流速的提高而增大?？s徑后，如果采用方波勵磁轉換器，雖然能夠避免大幅度長(cháng)周期的波動(dòng)，但仍然無(wú)法解決快周期的波動(dòng)問(wèn)題。更為嚴重的是，這種波動(dòng)也有可能導致跳車(chē)。 
為使轉換器輸出平穩，采用方波勵磁轉換器只能加大阻尼時(shí)間。然而，德士古氣化爐的安全連鎖方案對流量計阻尼時(shí)間有嚴格的限制。據專(zhuān)業(yè)人士測算，如果煤漿管線(xiàn)被堵住，則切斷氧氣的時(shí)間只有8～10s。如果流量計阻尼時(shí)間過(guò)大，就會(huì )發(fā)生過(guò)氧爆炸的危險。 
由上述分析可知，德士古工藝要求煤漿流量計不僅輸出平穩（防止誤跳車(chē)），而且反應速度快（一旦斷漿，快速激活安全聯(lián)鎖，切斷氧氣，防止爐磚燒損或過(guò)氧爆炸）。由于方波勵磁電磁流量計在測量漿料方面本身就存在缺陷，所以應選用交流勵磁的轉換器。上海威爾泰生產(chǎn)的新一代交流勵磁轉換器，由于采用了高階帶通濾波器，能夠實(shí)現流量測量輸出既穩又快。在我們的實(shí)際項目中，曾使用0.2s的阻尼時(shí)間安全可靠運行了兩年多。
由于橫管波動(dòng)的原因與豎管不同，所以處理方法也不同。國內曾有電磁流量計廠(chǎng)家仿照威爾泰的豎管流量計進(jìn)行了縮徑設計并應用到橫管上，實(shí)際使用的效果卻不夠理想。威爾泰提供的橫管解決方案如圖4所示。

圖4 橫管波動(dòng)解決方案示意圖

從圖4可知，流量計的測量管呈半月形，上半部是堵住的，這主要是為了防止下邊截流引起管線(xiàn)堵塞。為了改善流場(chǎng)，在流量計的上游和下游還設計了導流板。轉換器仍采用第二代交流勵磁技術(shù)。 
3 應用效果 
本文所提的解決方案先后成功應用于國內兩家煤化工企業(yè)。首先，該方案被應用于波動(dòng)相對頻繁的豎管，橫管仍然采用原來(lái)的進(jìn)口流量計。某企業(yè)因原進(jìn)口流量計波動(dòng)頻繁而引發(fā)跳車(chē)事故一年多達幾十次。由于威爾泰所提供的煤漿流量計平穩性遠優(yōu)于其他同類(lèi)產(chǎn)品，自投運以來(lái)，該企業(yè)從未因流量計波動(dòng)而引起誤跳車(chē)。圖5所示為監控系統工作站屏幕截圖所得的流量輸出平穩性對比圖。由圖5可以看出，當位于橫管的進(jìn)口流量計出現大幅度波動(dòng)時(shí)，豎管威爾泰流量計輸出仍然保持平穩。同時(shí)，工藝人員利用爐溫等其他參數進(jìn)行綜合判斷，同樣證明了該豎管流量計輸出的穩定性。

圖5 流量輸出平穩性對比圖

為了準確對比不同電磁流量計的輸出快速性，將兩臺電磁流量計安裝于同一管道進(jìn)行測試，橫管是進(jìn)口流量計，豎管是威爾泰流量計。測試時(shí)，將煤漿泵突然關(guān)閉，隔一段時(shí)間再開(kāi)啟，并逐步提高煤漿泵轉速。圖6所示為DI-730型數據采集器截圖所得的、同時(shí)記錄的兩臺電磁流量計的電流輸出結果，圖6中橫坐標每格為3s。由圖6可以看出，威爾泰流量計從斷漿到流量輸出為零的時(shí)間總計約6s，由下降過(guò)程可以估算出濾波時(shí)間常數不到2s，完全滿(mǎn)足安全聯(lián)鎖要求；而另一臺進(jìn)口流量計反應時(shí)間超過(guò)30s。

圖6 流量輸出快速性對比圖

威爾泰煤漿流量計目前已經(jīng)可靠運行了三年多，在使用壽命上也不輸于進(jìn)口產(chǎn)品。 
橫管解決方案是在豎管成功應用之后開(kāi)始研究和試用的。安裝在橫管上的原進(jìn)口流量計一般投用一周左右開(kāi)始大幅度波動(dòng)。威爾泰流量計投用8h左右即達到穩定狀態(tài)，剛開(kāi)始流量輸出非常平穩，經(jīng)過(guò)8h左右，波動(dòng)變得稍大一點(diǎn)，但沒(méi)有大幅度異常波動(dòng)。經(jīng)過(guò)半年多的使用，目前，該橫管解決方案已經(jīng)通過(guò)驗收，效果優(yōu)于原進(jìn)口流量計。但該流量計導向板的安裝比較復雜，威爾泰已經(jīng)改進(jìn)了設計，新方案即將投入試用。 
4 誤區澄清 
在實(shí)際應用中，有關(guān)電磁流量計在德士古工藝水煤漿中的應用，相關(guān)技術(shù)人員在選型和應用通常存在一些認識上的誤區［7－8］?，F將其歸納如下。 
①“煤漿的磨損大，所以采用耐磨的ETFE襯里”的觀(guān)點(diǎn)不準確，ETFE主要解決了與金屬的附著(zhù)問(wèn)題。雖然ETFE的原料便宜，但其目前的處理工藝復雜，用它來(lái)制作襯里，成本比PFA還高，且沒(méi)有表征ETFE的耐磨性?xún)?yōu)于PTFE的佐證。上海威爾泰所生產(chǎn)的傳感器，采用硬橡膠襯里，在現場(chǎng)有效使用三年來(lái)，沒(méi)有發(fā)現有明顯的磨損。 
②“采用低噪聲電極，所以波動(dòng)小”的觀(guān)點(diǎn)不準確。電極的形狀的確與噪聲大小相關(guān)。由于原進(jìn)口流量計的電極在某煤化工企業(yè)有結垢現象，經(jīng)常需要把流量計拆下來(lái)用晶相砂紙打磨電極，而上海威爾泰采用自清潔電極（即尖狀電極），有效地解決了結垢問(wèn)題。實(shí)際應用表明，雖然采用自清潔電極流量計的平穩性比采用球面電極的平穩性稍差，但也沒(méi)有出現過(guò)異常波動(dòng)。所以，我們認為，在解決煤槳流量輸出異常波動(dòng)方面，低噪聲電極并非關(guān)鍵技術(shù)。 
③“原進(jìn)口流量計安裝要求低，‘前5D后2D’就行”的觀(guān)點(diǎn)不準確。在實(shí)驗室標定時(shí)，要求直管段比較長(cháng)（達到10D）；在應用中，一般“前5D后3D”就足夠了，這并非僅僅適用于進(jìn)口流量計。如果縮徑，直管段要求還可以進(jìn)一步減小。另外，現階段的煤漿流量計，基本沒(méi)有投閉環(huán)控制的，對于精度的要求不是很高，關(guān)鍵是保證安全連鎖處于有效狀態(tài)，以避免異常波動(dòng)引起誤跳車(chē)。 
④“原進(jìn)口流量計流速大小對流量的影響很小，適用0.3m/s的流速”的觀(guān)點(diǎn)不準確。這種說(shuō)法有很大的誤導作用。實(shí)際應用經(jīng)驗表明，當流速較低時(shí)，尤其是當流速低于0.5m/s時(shí)，煤漿流量計容易波動(dòng)。因此，這種觀(guān)點(diǎn)不準確。 
⑤“單純縮徑”的觀(guān)點(diǎn)不準確。我們曾經(jīng)仿照上海威爾泰的縮徑方案把管道縮徑，安裝較小口徑的流量計，實(shí)際使用效果卻不如采用本文所提的方案。一方面，由于涉及管道改造、高壓法蘭以及壓力容器級別的焊接，綜合成本也不低；另一方面在管道上縮徑，小口徑長(cháng)度會(huì )遠大于在流量計上縮徑，導致壓損增大，再加上轉換器未替換，很多結果不可預知。 
⑥“原進(jìn)口流量計因為業(yè)績(jì)多，所以風(fēng)險小”的觀(guān)點(diǎn)不準確。業(yè)績(jì)多和業(yè)績(jì)好是兩個(gè)概念，二者沒(méi)有因果聯(lián)系。由于歷史的原因，原進(jìn)口流量計市場(chǎng)占有率比較高，好的業(yè)績(jì)雖然多，但差的業(yè)績(jì)也有。一旦波動(dòng)引起誤跳車(chē)，損失是很大的。據不完全統計，因為煤漿流量計波動(dòng)引起誤跳車(chē)，200000t甲醇生產(chǎn)線(xiàn)一次損失約為300000元；600000t甲醇生產(chǎn)線(xiàn)，誤跳車(chē)一次的損失約為800000元。這也是質(zhì)量好的煤漿流量計價(jià)格居高不下的原因之一。我們曾經(jīng)使用兩種品牌的進(jìn)口流量計，八個(gè)月就壞的情況也出現過(guò)，一年壞三套的情況也發(fā)生過(guò)。上海威爾泰提供的解決方案，針對德士古氣化爐現場(chǎng)特殊的工況，進(jìn)行了多項有針對性的設計，目前已經(jīng)安全可靠使用三年多。 
綜上所述，我們認為合適的選擇才是實(shí)際應用最好的選擇。在德士古氣化爐煤漿流量的測量應用中，由于流場(chǎng)流態(tài)所涉及的流體參數比較復雜，煤的來(lái)源和煤漿的配方也不盡相同。因此，不同煤漿流量計的應用效果差異也比較大。同一種流量計，在有些場(chǎng)合容易發(fā)生波動(dòng)，但在另外一些場(chǎng)合的應用效果較好，這是由所選煤漿流量計穩定工作范圍不夠寬造成的。 
為盡量減少或避免誤跳車(chē)，并確保安全連鎖處于有效狀態(tài)，應該選擇穩定工作范圍更寬的煤漿流量計，而選擇既穩又快的煤漿流量計是滿(mǎn)足工藝的基本要求。 
5 結束語(yǔ) 
由于水煤漿流量測量是德士古工藝煤化工領(lǐng)域的一個(gè)難點(diǎn)，該領(lǐng)域同行為此作了大量的工作和努力，積極尋求有效的解決方案。 
本文以?xún)杉业率抗艢饣癄t工藝為應用背景，其煤漿流量計示值的波動(dòng)幅度較大，導致氧煤比和煤漿流量這兩個(gè)重要聯(lián)鎖無(wú)法有效投入，從而成為煤化工生產(chǎn)的最大安全隱患。為解決該難題，筆者較細致地分析了目前煤漿流量計應用領(lǐng)域的認識誤區，提出了自己獨特的見(jiàn)解和看法，進(jìn)一步完善了德士古工藝煤化工領(lǐng)域的水煤漿流量測量方法［9－11］。 
本文得到了張振山博士的指導和幫助，在此深表謝意。