引言

        在我廠年產15萬t本色商品木漿工程中,制漿生產線的流量儀表多為電磁流量計。經過4年生產運行,在連蒸系統中,監測連續蒸煮轉送循環流量的進口電磁流量計,因環境條件惡劣(壓力1200KPa、溫度160℃、有介質腐蝕等),引起流量傳感器聚四氟乙烯襯里的損壞,以致無法運行。當流量低于定值時,容易引起轉送管道的堵塞,導致整條生產線停運。本文結合我廠儀表國產化的建設,介紹國產小口徑電磁流量計在分流支管中的應用。

 

1、解決思路

1、1現狀

        由于進口電磁流量計價格昂貴,到貨周期長,而國內同口徑(大口徑)電磁流量計的技術指標達不到特定工作環境高溫、高壓、耐腐蝕的要求,我們采用小口徑電磁流量計,通過測量分流支管中的流量,替代進口大口徑電磁流量計測量大流量,從而解決了目前國內電磁流量計無法同時滿足高溫、高壓、耐腐蝕、大通徑的技術問題。

 

1、2、電磁流量計工作原理

        電磁流量計的測量原理基于法拉第電磁感應定律,亦即導電液體在磁場中作切割磁力線運動時,導體中將產生感應電壓,其為

        式中:K為儀表常數;B為磁感應強度;v為測量管截面內的平均流速;d為測量管的內徑。

 

        由圖1可知,流體流過垂直于流動方向的磁場,導電性液體的流動感應出一個與平均流速(亦即體積流量)成正比的電壓(因此要求被測的流動液體具有最低限度的電導率),該信號通過2個與液體直接接觸的電極檢出,并傳送至放大器,然后轉換成統一輸出信號。

1.3、控制要求

        已知正常運行時，原轉送循環的設定流量范圍為0 - qT/L·s- 1(以下標1表示主管，下標2表示支管，下標T表示總管)，這時對應輸出的信號為4 - 2OmA, d.c.，該4一2OmA, d. c.信號經送往DCS運算后，顯示在操作監視器上為0 ～ qT/L·s- 1的流量。若設計的分流支管中的最大流量q2和主管的流量q1之和為轉送循環總管最大流量qT，那么可以通過設定支管電磁流量計的量程為0～q2/L·S-1，則其對應的輸出信號也為4～20mA,d.c，經DCS運算后，顯示在操作監視器上的流量范圍還是0～qT/L·S-1，不影響工藝人員的正常操作(見圖2)。

2、管路設計及儀表選型

2.1、工作流量特性

        雖然流量控制閥不是安裝在并聯管路的主管上，但可參考并聯管路中的工作流量特性:

                                  χ=q全開/qmax

        式中:q全開為主管控制閥全開時的流量;qmax為流過工藝總管的流體最大流量。

 

        假設主管上裝有一個常全開的流量控制閥。系數χ值主要反映理想流量特性畸變的嚴重程度。理想流量特性主要是指閥的前、后壓差恒定時，流體通過閥門的流量與開度之間的關系，理想流量特性主要取決于閥芯的形狀，分為線性、對數、快開、拋物線4種。目前，該工藝總管所用流量控制閥的理想流量特性是對數型，因為這與轉換器輸出信號欲與被控變量(流量)q成正比及負荷(產量)變化有關。當χ=1時，即旁路閥全關，控制閥的工作流量特性與理想流量特性相同。隨X值的減小，雖然控制閥本身的流量特性曲線沒有

變化，但管路系統的可控比將大大降低，泄漏量增大，另外，實際系統總是同時存在串聯管路阻力的影響，其閥上壓差隨流量的增加而降低，使得系統的可控比進一步下降，導致控制閥實際可調的變化流量范圍更小，甚至不起控制作用。所以，控制閥并聯于管路這種工作方式不好(注意:這里僅是假設，實際的流量控制閥安裝在工藝總管上)。設計中，一般要求X值不應低于0.8，即旁路流量最多只能占總流量的百分之十幾。

 

2.2、管路計算及儀表選型

        已知工藝總管內徑dT為300mm，正常運行時，轉送循環設定的最大流量qT為260L/s，則正常流速。T為

        考慮到目前工藝生產能力才達到80%左右，還有預期擴大生產等因素，故假設今后正常運行時，分流支管最大流量q2為5L/S，流速v2為3m/s，那么支管管路設計尺寸為：

 

        選用∮58×4.Omm的無縫鋼管作為支管管路。參考有關儀表選型資料，選用上海橫河電機有限公司生產的AE200D系列分離型電磁流量計，傳感器型號為AE205DG-CS2-ESJ/ECG(DN50 PN25 tmax=180℃，陶瓷襯里)，采用如圖3所示的分流支管測量流量。

3、核定流程

3.1流動阻力

        由于電磁流量轉換器的量程適應范圍廣，新工程剛上馬，流速處于較低的狀態，當后期工程上去后，管內流速就處于較高狀態，只要在現場更改儀表的滿量程就能適應，不需要更換儀表。因此，要設定支管電磁流量計的量程，必須知道經過支管的流速v2，而v2為未知，但我們知道，并聯管路除遵循質量守衡、能量守衡的原則外，還受各支管的流動阻力(內摩擦力)必相等這一條件的約束，即

         因此，主管及支管中的摩擦阻力必須服從式(1)的規律.即

        式中:Qf為1kg流體流動時為克服摩擦阻力而損失的能量;L，Le分別為直管的長度及管件的當量長度;，為速度;d為圓管內徑;λ為摩擦系數。

        已知主管內徑d1為300mm的鋼管輸送156℃的蒸煮液，在3 000mm長的一段主管路上并聯了一根內徑d2為50mm的鋼管，其上裝有電磁流量計，45°彎頭2個(選用45°彎頭的目的是避免主管流速太高時，支管產生逆向環流;或總管流速太低時，因主、支管長度不同和阻力的原因，可能導致主、支管中流量比例偏差較大)，切斷閥2個(設置手動旁路切斷閥的主要目的在于當電磁流量計發生故障時切斷旁路，便于檢修，保證工藝過程繼續進行)。管道中輸送的蒸煮液(大部分為循環利用的稀黑液)，其密度ρ為1088kg/?，粘度P為0.003Pa·s。

 

        根據質量守衡定律qT=ql+q2，則

        總流量qT=（π÷4）d?²ν?﹢（π÷4）d?²ν?（3），將已知值帶入（3），支管內流速為：

        ν?=132.48-36ν?

 

        取管壁粗糙度ε1=0.3mm(舊管)，ε2=0.1mm(新管)，故由相對粗糙度ε/d及雷諾準數Re即可查出久，但查A時又要有。的數值，故無法查久值，此時可以采用試差計算法:根據實踐經驗，在管道常用的速度范圍，假設一個合適的流速，從而算出Re值，然后從摩擦系數與Re數及相對粗糙度間的關系圖中查出久，用式(2)先算出∑Qf2外作為參照值，最后根據式(4)及式(2)計算∑Qf1，若算出∑Qf1=∑Qf2，則說明所設的。值合適，否則再另設。值，重復上述計算，直至算出的∑Qf1=∑Qf2為止。

 

3.2、試差計算法

        試差計算法是工程計算中最常用的一種計算手段，當計算技巧熟練時，能夠分析出要假設的數值大致范圍，一般經過兩三次重復計算就可以得到滿意的結果。

 

        假設ν2=0.32m/s，由式(4)可算出

                ν1=(132.48一ν2)÷36=3.67(m/s)

        根據Re二dνρ/μ，求得:

        Re1=(0.3×3 .67×1088)÷0.003=399296

        Re?二(0.05×0.32×1088):0.003=5803

        主管、支管的相對粗糙度為

                  ε/d1=0.3/300=0.001

                  ε?/d? = 0.1/50=0.002

由此，查得λ1=0.0206,λ2=0.03860

        下步結合當量長度法計算流體流經閥門、管件等的阻力。因主管、支管的Re值均大于4000，流型均屬于湍流，可從管件與閥門的阻力系數與當量長度數據表中查得:

        45°彎頭的當量長度為0.85m，全開截止閥的當量長度為15m，則總當量長度為

                ∑Lei=0.85×2+15×2=31 .7(m)已知直管長度為3m，傳感器測量管阻力系數ζ2=0.02(廠家提供)因此，

        由計算結果知，∑Qf1≈∑Qf2，所以選用支管流速ν2=0.32m/s是合適的。根據q=（π÷4）d²ν，求得:

        支管流量q?=(3.14÷4)×0.05²×0.32×1000

                                =0 .628(L /s)

所以，支管流量的量程應設為0～0.628L/s。

        最后，通過對不同產量下流量控制的比對，監視器顯示的流量與實際流量變化趨勢一致，這說明了對支管流量量程的核定是比較理想的。

 

4保護措施

        為了延長電磁流量計的使用壽命，我們考慮到把分流支管中流體的溫度適當地降低20～30℃，這雖然會引起流體粘度和密度的變化，對流速產生影響;但這個影響很小，在實際流量測量中可以忽略。降溫后的流體匯人總管時，對工藝參數的影響也可以忽略。又由于我廠采用清潔生產工藝，冷卻水可循環回收利用，故此項日常降溫費用極少。而支管中流體溫度降低20～30℃，這對電磁流量計來說，其工作環境大大改善。故我們在安裝電磁流量計時，在前直管段上套上一根直徑100mm的管子，制成單程套管式換熱器(見圖3)，使電磁流量計的使用壽命得到延長。

 

5、結束語

        由于進口設備、表計價格昂貴，到貨周期長，因此我廠從漿板系統建成投產后，就積極尋找出口設備、表計的國內替代產品，走國產化的道路。從價格上考慮，對于大口徑電磁流量計，口徑越大，價格越高。而采用小口徑、陶瓷襯里的電磁流量計，不僅可使儀表運行在較好的工作狀態下，還可大大降低儀表的投資費用(如本次改造資金投人僅為原計劃的1/8)。

        這臺SCLDE電磁流量計從2012年1月投人使用至今，運行情況良好，性能穩定可靠。本人認為，我廠利用國產小口徑電磁流量計，通過測量分流支管中的流量，替代進口大口徑電磁流量計測量大流量的應用是成功的。

 

作者：仕樂克智能電磁流量計

版權屬于：青州造紙廠制漿分廠，劉志勇

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