漿液型電磁流量計在煤化工行業(yè)中的應(yīng)用經(jīng)驗分析

引言 
隨著煤化工項目在國內(nèi)的不斷開展，德士古氣化爐煤漿流量計的應(yīng)用越來越廣泛。作為本文應(yīng)用背景的兩個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，原進口流量計運行效果一直不能令人滿意，時常出現(xiàn)大幅度波動，豎管流量計波動更為頻繁，有時橫管流量計也一起波動。這容易導(dǎo)致誤跳車，給企業(yè)帶來很大的損失，也大幅度增加了相關(guān)部門的勞動強度。 
針對因煤漿流量計波動而導(dǎo)致跳車事故這一問題，對煤漿流量計的波動原因進行了分析，采用上海威爾泰生產(chǎn)的特殊結(jié)構(gòu)傳感器和新一代交流勵磁轉(zhuǎn)換器，有效地預(yù)防了因波動而引起的跳車事故，取得了預(yù)期的應(yīng)用效果。 
1 波動原因分析 
根據(jù)電磁流量計的原理和相關(guān)文獻以及長期應(yīng)用經(jīng)驗可知，流場波動的根本原因取決于電磁流量計測量管內(nèi)流體的流場和流態(tài)［1］。DN150測量管的流量與流速對應(yīng)關(guān)系如表1所示。正常生產(chǎn)時，流量一般為25m3/h左右，對應(yīng)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(dǎo)致管道中的流場處于不穩(wěn)態(tài)，且豎管和橫管的不穩(wěn)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，這使管壁表面附著一層流動很慢的煤漿。如果這個附著層慢到幾乎不動，而且比較厚，就蓋住了電極，轉(zhuǎn)換器的流量輸出就會下降，甚至下降到零。由于煤漿泵的工作方式是脈動的，煤漿管線也有振動，再加上豎管很高，所以附著在內(nèi)管壁的煤漿處于不穩(wěn)定的狀態(tài)，管道內(nèi)會時不時地發(fā)生類似雪崩的現(xiàn)象，而且這種雪崩現(xiàn)象不一定只有一處。煤漿流動狀態(tài)示意圖如圖1所示。如果這種雪崩現(xiàn)象發(fā)生在流量計的測量管內(nèi)，就會引起轉(zhuǎn)換器輸出的波動。由“雪崩”導(dǎo)致的輸出波動周期比較快，阻尼時間加大，可以起到一定的平穩(wěn)作用。

圖1 煤漿流動狀態(tài)示意圖

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

圖2 權(quán)重函數(shù)示意圖

圖2以中心點權(quán)重為1，給出了電極平面的權(quán)重函數(shù)分布。由圖2可知，越接近電極，權(quán)重最大；反之，沿導(dǎo)管轉(zhuǎn)90°，權(quán)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(quán)重函數(shù)的分布與圖2相同。

圖3 流速分布不均示意圖

理想流場分布應(yīng)該呈軸對稱，中心稍大、四周稍慢，這時采用電磁流量計所測量的流量準確且穩(wěn)定（漿料噪聲的影響除外）。如果流場不夠理想，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。 
由圖3（a）可知，權(quán)重函數(shù)高的地方流速快，而權(quán)重函數(shù)低的地方流速慢，這時轉(zhuǎn)換器流量輸出增大；由圖3（b）可知，權(quán)重函數(shù)低的地方流速快，而權(quán)重高的地方流速慢，甚至電極被覆蓋，這時轉(zhuǎn)換器輸出減小，甚至接近于零。 
橫管的波動原因與上述分析有所不同，其波動主要是由于淤積造成的。如果淤積面沒有超過電極，則由于測量管橫截面減小、流速提高，轉(zhuǎn)換器輸出就會變大；如果淤積面超過了電極，轉(zhuǎn)換器輸出就會減小。由于這種淤積是不穩(wěn)定的，淤積面時漲時消，所以引起流量輸出周期較長的波動。一般而言，在投料初期，橫管表現(xiàn)比較好，經(jīng)過一段時間后，橫管才會波動。 
2 解決方案 
在此之前，多數(shù)人認為流量計波動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，所以處理波動方法不外乎是加大阻尼時間。事實證明，這種方法不能從根本上解決流量計輸出波動所導(dǎo)致的跳車問題。 
經(jīng)過上面的分析，我們認為引起流量計輸出波動的根本原因在于流場流態(tài)，其特點是波動周期比較長，周期為幾秒甚至幾十秒。要改善流場流態(tài)，就需要從傳感器結(jié)構(gòu)設(shè)計著手。因此，采用了類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(yīng)用經(jīng)驗表明，當流速為1m/s左右時，流場比較好，對于消除大幅度長周期的異常波動，這樣設(shè)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，僅靠改變傳感器的結(jié)構(gòu)是不夠的。由于原進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格較高的ETFE襯里，不能有效解決轉(zhuǎn)換器克服漿料噪聲先天不足問題。另外，漿料噪聲隨著流速的提高而增大?？s徑后，如果采用方波勵磁轉(zhuǎn)換器，雖然能夠避免大幅度長周期的波動，但仍然無法解決快周期的波動問題。更為嚴重的是，這種波動也有可能導(dǎo)致跳車。 
為使轉(zhuǎn)換器輸出平穩(wěn)，采用方波勵磁轉(zhuǎn)換器只能加大阻尼時間。然而，德士古氣化爐的安全連鎖方案對流量計阻尼時間有嚴格的限制。據(jù)專業(yè)人士測算，如果煤漿管線被堵住，則切斷氧氣的時間只有8～10s。如果流量計阻尼時間過大，就會發(fā)生過氧爆炸的危險。 
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(wěn)（防止誤跳車），而且反應(yīng)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(yīng)選用交流勵磁的轉(zhuǎn)換器。上海威爾泰生產(chǎn)的新一代交流勵磁轉(zhuǎn)換器，由于采用了高階帶通濾波器，能夠?qū)崿F(xiàn)流量測量輸出既穩(wěn)又快。在我們的實際項目中，曾使用0.2s的阻尼時間安全可靠運行了兩年多。
由于橫管波動的原因與豎管不同，所以處理方法也不同。國內(nèi)曾有電磁流量計廠家仿照威爾泰的豎管流量計進行了縮徑設(shè)計并應(yīng)用到橫管上，實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堵塞。為了改善流場，在流量計的上游和下游還設(shè)計了導(dǎo)流板。轉(zhuǎn)換器仍采用第二代交流勵磁技術(shù)。 
3 應(yīng)用效果 
本文所提的解決方案先后成功應(yīng)用于國內(nèi)兩家煤化工企業(yè)。首先，該方案被應(yīng)用于波動相對頻繁的豎管，橫管仍然采用原來的進口流量計。某企業(yè)因原進口流量計波動頻繁而引發(fā)跳車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(wěn)性遠優(yōu)于其他同類產(chǎn)品，自投運以來，該企業(yè)從未因流量計波動而引起誤跳車。圖5所示為監(jiān)控系統(tǒng)工作站屏幕截圖所得的流量輸出平穩(wěn)性對比圖。由圖5可以看出，當位于橫管的進口流量計出現(xiàn)大幅度波動時，豎管威爾泰流量計輸出仍然保持平穩(wěn)。同時，工藝人員利用爐溫等其他參數(shù)進行綜合判斷，同樣證明了該豎管流量計輸出的穩(wěn)定性。

圖5 流量輸出平穩(wěn)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行測試，橫管是進口流量計，豎管是威爾泰流量計。測試時，將煤漿泵突然關(guān)閉，隔一段時間再開啟，并逐步提高煤漿泵轉(zhuǎn)速。圖6所示為DI-730型數(shù)據(jù)采集器截圖所得的、同時記錄的兩臺電磁流量計的電流輸出結(jié)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間總計約6s，由下降過程可以估算出濾波時間常數(shù)不到2s，完全滿足安全聯(lián)鎖要求；而另一臺進口流量計反應(yīng)時間超過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口產(chǎn)品。 
橫管解決方案是在豎管成功應(yīng)用之后開始研究和試用的。安裝在橫管上的原進口流量計一般投用一周左右開始大幅度波動。威爾泰流量計投用8h左右即達到穩(wěn)定狀態(tài)，剛開始流量輸出非常平穩(wěn)，經(jīng)過8h左右，波動變得稍大一點，但沒有大幅度異常波動。經(jīng)過半年多的使用，目前，該橫管解決方案已經(jīng)通過驗收，效果優(yōu)于原進口流量計。但該流量計導(dǎo)向板的安裝比較復(fù)雜，威爾泰已經(jīng)改進了設(shè)計，新方案即將投入試用。 
4 誤區(qū)澄清 
在實際應(yīng)用中，有關(guān)電磁流量計在德士古工藝水煤漿中的應(yīng)用，相關(guān)技術(shù)人員在選型和應(yīng)用通常存在一些認識上的誤區(qū)［7－8］。現(xiàn)將其歸納如下。 
①“煤漿的磨損大，所以采用耐磨的ETFE襯里”的觀點不準確，ETFE主要解決了與金屬的附著問題。雖然ETFE的原料便宜，但其目前的處理工藝復(fù)雜，用它來制作襯里，成本比PFA還高，且沒有表征ETFE的耐磨性優(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(xiàn)場有效使用三年來，沒有發(fā)現(xiàn)有明顯的磨損。 
②“采用低噪聲電極，所以波動小”的觀點不準確。電極的形狀的確與噪聲大小相關(guān)。由于原進口流量計的電極在某煤化工企業(yè)有結(jié)垢現(xiàn)象，經(jīng)常需要把流量計拆下來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(jié)垢問題。實際應(yīng)用表明，雖然采用自清潔電極流量計的平穩(wěn)性比采用球面電極的平穩(wěn)性稍差，但也沒有出現(xiàn)過異常波動。所以，我們認為，在解決煤槳流量輸出異常波動方面，低噪聲電極并非關(guān)鍵技術(shù)。 
③“原進口流量計安裝要求低，‘前5D后2D’就行”的觀點不準確。在實驗室標定時，要求直管段比較長（達到10D）；在應(yīng)用中，一般“前5D后3D”就足夠了，這并非僅僅適用于進口流量計。如果縮徑，直管段要求還可以進一步減小。另外，現(xiàn)階段的煤漿流量計，基本沒有投閉環(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)，以避免異常波動引起誤跳車。 
④“原進口流量計流速大小對流量的影響很小，適用0.3m/s的流速”的觀點不準確。這種說法有很大的誤導(dǎo)作用。實際應(yīng)用經(jīng)驗表明，當流速較低時，尤其是當流速低于0.5m/s時，煤漿流量計容易波動。因此，這種觀點不準確。 
⑤“單純縮徑”的觀點不準確。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，小口徑長度會遠大于在流量計上縮徑，導(dǎo)致壓損增大，再加上轉(zhuǎn)換器未替換，很多結(jié)果不可預(yù)知。 
⑥“原進口流量計因為業(yè)績多，所以風(fēng)險小”的觀點不準確。業(yè)績多和業(yè)績好是兩個概念，二者沒有因果聯(lián)系。由于歷史的原因，原進口流量計市場占有率比較高，好的業(yè)績雖然多，但差的業(yè)績也有。一旦波動引起誤跳車，損失是很大的。據(jù)不完全統(tǒng)計，因為煤漿流量計波動引起誤跳車，200000t甲醇生產(chǎn)線一次損失約為300000元；600000t甲醇生產(chǎn)線，誤跳車一次的損失約為800000元。這也是質(zhì)量好的煤漿流量計價格居高不下的原因之一。我們曾經(jīng)使用兩種品牌的進口流量計，八個月就壞的情況也出現(xiàn)過，一年壞三套的情況也發(fā)生過。上海威爾泰提供的解決方案，針對德士古氣化爐現(xiàn)場特殊的工況，進行了多項有針對性的設(shè)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際應(yīng)用最好的選擇。在德士古氣化爐煤漿流量的測量應(yīng)用中，由于流場流態(tài)所涉及的流體參數(shù)比較復(fù)雜，煤的來源和煤漿的配方也不盡相同。因此，不同煤漿流量計的應(yīng)用效果差異也比較大。同一種流量計，在有些場合容易發(fā)生波動，但在另外一些場合的應(yīng)用效果較好，這是由所選煤漿流量計穩(wěn)定工作范圍不夠?qū)捲斐傻摹?span id="0y2yucm" class="Apple-converted-space"> 
為盡量減少或避免誤跳車，并確保安全連鎖處于有效狀態(tài)，應(yīng)該選擇穩(wěn)定工作范圍更寬的煤漿流量計，而選擇既穩(wěn)又快的煤漿流量計是滿足工藝的基本要求。 
5 結(jié)束語 
由于水煤漿流量測量是德士古工藝煤化工領(lǐng)域的一個難點，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。 
本文以兩家德士古氣化爐工藝為應(yīng)用背景，其煤漿流量計示值的波動幅度較大，導(dǎo)致氧煤比和煤漿流量這兩個重要聯(lián)鎖無法有效投入，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(yīng)用領(lǐng)域的認識誤區(qū)，提出了自己獨特的見解和看法，進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(dǎo)和幫助，在此深表謝意。