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  電磁流量計測量原理與工程設(shè)計中應(yīng)用
  發(fā)布時間:2018-06-28

摘要:電磁流量計具有無壓損、口徑大、量程比寬、耐腐蝕、適用于高黏度介質(zhì)、性價比高等特點。探討了電磁流量計的測量原理、特點、適用場合等工程要素,詳細(xì)介紹了電磁流量計的性能特點。介紹了電磁流量計的幾個典型應(yīng)用案例,提供了疑難流量測量的參考方案。
  在石化、化工、電力、冶金、市政、制藥等行業(yè),流量測量的技術(shù)難度和復(fù)雜程度都相當(dāng)高,研究流量測量對于提高產(chǎn)品質(zhì)量、降低企業(yè)的經(jīng)營成本、解決節(jié)能環(huán)保起到重要作用。電磁流量計具有無阻力,無壓損的優(yōu)點,可以充分減小管道內(nèi)的阻力,符合節(jié)能降耗的要求,因而電磁流量計在業(yè)界得到廣泛的重視。介紹了電磁流量計的測量原理、特點和適用場合,提出了在工程設(shè)計中選用電磁流量計需考慮的因素及電磁流量計的安裝要求。
1 測量原理
  電磁流量計的測量原理是根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律測量流速,再測量流通截面液位高度得流通面積,兩者相乘得到所測流量[1],電磁流量計測量原理如圖1所示,電磁流量計實際測量介質(zhì)流速,是一種速度式流量計。電磁流量計的測量原理依據(jù)以下公式表述:
Ue=kB L V(1)
電磁流量計測量原理圖
  式中:Ue—感應(yīng)電動勢,即流量信號,V;B—磁感應(yīng)強度,T;L—電極間距,即測量管內(nèi)徑,m;V—液體平均流速,m/S;qV—液體體積流量,m3/S。
2 適用范圍和優(yōu)點
  電磁流量計廣泛用于導(dǎo)電液體或液固兩相介質(zhì)的體積流量測量,如其他儀表不能測量的各種酸、堿、鹽等高腐蝕性、易結(jié)晶的溶液的流量,泥漿、礦漿、水煤漿、紙漿、漿料等液固介質(zhì)和純水、污水等相對簡單的導(dǎo)電介質(zhì)的流量。電磁流量計要求被測介質(zhì)電導(dǎo)率一般應(yīng)大于5μS/Cm。電磁流量計由流量傳感器和轉(zhuǎn)換器兩部分組成,與其他類型的流量計相比,其優(yōu)點如下:
1)傳感器測量管是一段無阻流檢測件的直管,因而檢測流量時不會造成壓力損失,節(jié)能效果好。
2)適用于測量含有固體顆;蚶w維的液固兩相流體,如紙漿、煤粉漿、礦漿、污水及酸、堿、鹽溶液等具有一定電導(dǎo)率的液體,所測體積流量不受流體密度、黏度、溫度、壓力和電導(dǎo)率的影響。
3)測量范圍大,量程比一般大于10∶1,最高可達(dá)100∶1。流速范圍一般為1~6m/S,也可擴(kuò)展到0.5~10.0m/S。測量管徑范圍為2mm~3m[2]。
4)Ue與qV成線性關(guān)系,故儀表具有均勻刻度,且所測得流體的體積流量與介質(zhì)的物性(如溫度、壓力、密度、黏度)無關(guān),所以電磁流量計只需用水標(biāo)定后,即可用來測量其他導(dǎo)電介質(zhì)的體積流量,無需修正[2]。
5)測量口徑大,適用于大管徑液體流量的測量。6)與其他大部分流量儀表相比,所要求的前置直管段較低。
3 工程設(shè)計中需考慮的因素
3.1 工藝過程條件
選用電磁流量計通常需要考慮的工藝條件如下:
1)被測介質(zhì)電導(dǎo)率。電磁流量計測量的流體必須是導(dǎo)電的,一般只要電導(dǎo)率超過閾值,即使變化也不影響測量值,但低于閾值將會增大測量誤差;通常要求液體電導(dǎo)率不小于5μS/Cm,去離子水電導(dǎo)率不小于20μS/Cm。
2)被測介質(zhì)溫度。根據(jù)被測工藝介質(zhì)的溫度范圍,選擇測量管內(nèi)襯材料及傳感器線圈的漆包線的耐溫等級,即襯里材料應(yīng)與介質(zhì)溫度相適應(yīng),常用測量管襯里材料建議根據(jù)表1選擇。

3)被測介質(zhì)壓力。根據(jù)被測工藝介質(zhì)的壓力,結(jié)合介質(zhì)的設(shè)計溫度來確定電磁流量計傳感器的過程連接法蘭壓力等級,常用標(biāo)準(zhǔn)壓力等級有PN40,PN16,PN10,PN6;美國標(biāo)準(zhǔn)ASMEB1 6.5CLASS 150,CLASS 300。選用電磁流量計時還需注意壓力等級與流量計口徑有關(guān)。
4)工藝介質(zhì)流量范圍及工藝管道的管徑。根據(jù)管道口徑和介質(zhì)流速確定電磁流量計傳感器的標(biāo)稱口徑。通常選用與管道相同或略小的口徑,管道內(nèi)平均流速根據(jù)情況而定,一般工業(yè)輸水管道為經(jīng)濟(jì)流速1.5~3m/S,易黏附沉積結(jié)垢物質(zhì)流速宜為3~4m/S,礦漿等磨蝕性強的介質(zhì)流速宜為2~3m/S,電磁流量計液體流速可在1~10m/S選用[1]。
5)介質(zhì)狀態(tài)。介質(zhì)含有固體顆粒對傳感器內(nèi)襯及電極有磨蝕作用,如果被測介質(zhì)含有固體顆粒,襯里需選用高耐磨性材料,如陶瓷或聚氨酯橡膠[1]。
6)介質(zhì)的腐蝕性。由于電極和襯里與介質(zhì)直接接觸,電極和襯里的耐腐蝕特性應(yīng)與介質(zhì)的腐蝕性相匹配。
7)工藝管道材質(zhì)。根據(jù)安裝電磁流量計所在的管道材質(zhì)是金屬還是絕緣材料,確定是否采用接地法蘭。
3.2 環(huán)境條件
1)根據(jù)安裝區(qū)域是否屬于爆炸危險區(qū)域,確定是否選擇防爆型電磁流量計,并按照爆炸危險區(qū)域劃分等級選擇滿足儀表所在區(qū)域防爆要求的電磁流量計。
2)根據(jù)電磁流量計的實際安裝地理位置,并按照GB 4208—2008《外殼防護(hù)等級(IP代碼)》或IEC529—2001 DeGreSS 0f Pr0teCtI0n Pr0VIDeD byenCL0SUreS(IP C0De),確定電磁流量計的類型及防護(hù)等級。若儀表安裝在地面以下,易被水淹沒,宜選用分體型電磁流量計,且傳感器防護(hù)等級應(yīng)選用IP68的儀表;若儀表安裝在地面以上,防護(hù)等級可選用IP65到IP67;同時,對分體型電磁流量計所提供電纜長度應(yīng)根據(jù)實際安裝位置確定。
3.3 材料
1)測量管材料。測量管材料應(yīng)為非磁性材料,通常為1.4301不銹鋼或1.4306/30 4L不銹鋼。
2)法蘭。過程連接法蘭材料通常為A105,F(xiàn)316L(1.4571/316L)。
3)電極材料。電極材料應(yīng)根據(jù)被測介質(zhì)的成分及金屬的耐腐蝕性選用。
4)襯里材料。襯里材料應(yīng)根據(jù)被測介質(zhì)的腐蝕性、磨損性及介質(zhì)的最高溫度來選擇。
5)接地環(huán)(或接地電極)。接地環(huán)或接地電極的材質(zhì)應(yīng)根據(jù)介質(zhì)的成分及金屬耐腐蝕性選擇,常用的接地環(huán)或接地電極材料:316L不銹鋼、哈氏合金、鉭。通常接地電極的材質(zhì)與測量電極相同。
4 安裝
  在工程實際應(yīng)用中,為了確保電磁流量計的正常運行及測量精度,接地極的正確安裝是極為重要的一個環(huán)節(jié)。
4.1 接地
  由于電磁流量計測量的是微弱電勢,需排除一切外界干擾才能準(zhǔn)確測量,因而良好的接地是保障電磁流量計穩(wěn)定工作的必要條件。通常接地是通過接地環(huán)或傳感器內(nèi)的參考電極和管路系統(tǒng)的接地連接來實現(xiàn)。
1)當(dāng)電磁流量計安裝在已接地的金屬管道上,通過電磁流量計變送器上的接地端子實現(xiàn)系統(tǒng)電勢平衡,即通過截面積不小于6mm2的銅芯電線連接至接地端子上。
2)當(dāng)電磁流量計安裝在未接地的金屬管道上,2個法蘭均通過截面積至少為6mm2的銅芯電線與管道法蘭相連接,并接地;將變送器或傳感器接線盒連接至接地端子上,實現(xiàn)系統(tǒng)電勢平衡。
3)當(dāng)電磁流量計安裝在塑料管道或帶絕緣內(nèi)襯的管道上,通過附加接地環(huán)實現(xiàn)系統(tǒng)電勢平衡,接地環(huán)通過截面積至少為6mm2的銅芯電線連接至接地端子上。
4.2 直管段要求
  為了保證電磁流量計的正常運行,減少測量誤差,電磁流量計前后應(yīng)符合一定的直管段要求。根據(jù)JJG 1033—2007《電磁流量計核定規(guī)程》測試標(biāo)準(zhǔn)要求,通常前直管段應(yīng)達(dá)到10D,后直管段應(yīng)為5D;根據(jù)實際經(jīng)驗,在大部分應(yīng)用場合,流量計前直管段最少不小于5D,后直管段最少不小于3D。
4.3 安裝位置
通常,電磁流量計設(shè)計時需特別注意以下幾點:
1)變送器要選擇在任何時候測量導(dǎo)管內(nèi)都能充滿液體的位置進(jìn)行安裝,以防止由于測量導(dǎo)管內(nèi)沒有液體而產(chǎn)生指針不在零點引起的錯覺。最好是垂直安裝,減少由于液體流過在電極上產(chǎn)生氣泡而造成的誤差。
2)電磁流量計測量管中出現(xiàn)氣體積聚或有氣泡現(xiàn)象時,會增大測量誤差,所以要避免將電磁流量計傳感器安裝在管道的最高點。
3)電磁流量計傳感器不應(yīng)安裝在泵的入口側(cè),避免抽液時形成負(fù)壓損壞測量管內(nèi)襯。
4)盡量避免安裝在有振動的地方,若不可避免,應(yīng)加固管路系統(tǒng)和傳感器,當(dāng)振動十分劇烈時,宜選用分體式電磁流量計,將變送器和傳感器分開安裝。在高空管道上,也要盡量選用分體式電磁流量計,將傳感器安裝在高空管道上,將變送器安裝在地面上的易觀察處,方便巡查和維修。
5)電磁流量計信號微弱,在滿量程時只有2.5~8.0mV,流量很小時,輸出只有幾微伏。要避免將電磁流量計安裝在有電磁場和電磁場變化劇烈的地方,如大型變壓器、電機等強電磁設(shè)備附近。
6)變送器和二次儀表必須使用電源中的同一根相線,否則會由于檢測信號和反饋信號相位差120°,導(dǎo)致儀表不能正常工作[3]。
7)對于含固顆粒的液體流量測量,電磁流量檢測器宜垂直安裝,并且流體的流向應(yīng)自下而上。
4.4 選型中需要注意的問題
  電磁流量計的測量管內(nèi)襯材料有多種,其中耐腐蝕性能好的是聚四氟乙烯,目前的陶瓷內(nèi)膽襯里,此種材料既防腐蝕又耐磨。電極材料的選擇要嚴(yán)格按照選型要求進(jìn)行,應(yīng)以滿足需要為原則,不盲目選擇貴金屬。在化工生產(chǎn)中鉑是一種性能很好的催化劑,某些介質(zhì)在一定的條件下與鉑接觸后易發(fā)生化學(xué)反應(yīng),鉑電極的電磁流量計在測量雙氧水時,會在電極表面生成氣霧,流量為零時,輸出也會波動[4]。
  由于腐蝕性介質(zhì)的種類多種多樣,提供腐蝕性介質(zhì)給制造廠商進(jìn)行研究,由制造廠商提供試用材料,在規(guī)定的條件上掛片試驗樣機。
5 應(yīng)用案例分析
5.1 在循環(huán)冷卻水站及尿素裝置中的應(yīng)用
  某項目的循環(huán)冷卻水站及尿素裝置液體流量測量點的特點:循環(huán)冷卻水站的工藝管徑大、壓力低、水中含有氯化物等腐蝕性介質(zhì),而且工藝管道敷設(shè)在地面以下;尿素裝置流量測量介質(zhì)有熔融尿素、甲氨溶液等,具有腐蝕性強、易結(jié)晶的特點。同時要求儀表測量精度優(yōu)于±0.5%。鑒于上述工況特點及要求,選用電磁流量計,表2為該項目工況條件及電磁流量計的性能指標(biāo)。其中,循環(huán)冷卻水站的電磁流量計選用分體型,檢測器的防護(hù)等級為IP68,信號轉(zhuǎn)換器的防護(hù)等級為IP67;尿素裝置所用電磁流量計的防護(hù)等級為IP67,儀表運行至今效果良好。

5.2 在乙烯堿洗塔系統(tǒng)中的應(yīng)用
  乙烯堿洗塔系統(tǒng)中采用20%質(zhì)量分?jǐn)?shù)的離子堿注入塔內(nèi),與塔內(nèi)的洗滌水液混合形成三段不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的堿液,對裂解氣壓縮機Ⅲ段出來的裂解氣進(jìn)行洗滌,從而脫除乙烯裂解氣中的H2S和C02等雜質(zhì),經(jīng)過三段洗滌后,在最后一段雜質(zhì)生成碳酸氫鈉后排出塔。洗滌后的裂解氣進(jìn)入壓縮機的高壓段繼續(xù)壓縮并進(jìn)入后系統(tǒng)進(jìn)一步分離處理。
  由于離子堿具有較強的腐蝕性,測量難度大。原設(shè)計采用差壓變送器測量方案,在使用過程中因引壓管和三閥組內(nèi)的物料結(jié)晶頻繁,無法正常工作。經(jīng)過多方評估,最后選擇了德國Khr0ne公司的鉑金電極的電磁流量計,該流量計具有強抗腐蝕的鉑金電極和PTFE內(nèi)襯,剛開始儀表指示正常,但不久均失靈,經(jīng)多方面查找原因,系內(nèi)襯損壞導(dǎo)致電極被腐蝕損壞,儀表無法工作。經(jīng)過多方調(diào)研和交流,在再次改造中選擇了橫河電機公司的電容式無電極電磁、配置陶瓷內(nèi)膽的電磁流量計,該流量計以外壁作為測量電極,配以內(nèi)部陶瓷內(nèi)膽,具有極高的耐磨性和防腐蝕性能,徹底改變了原有電磁流量計配備專用電極的局限性,很好地解決了該工況中的測量問題。
6 結(jié)束語
  綜上所述,電磁流量計因其獨特的優(yōu)點,在石化、化工等行業(yè)得到廣泛應(yīng)用。用戶在選用電磁流量計時應(yīng)充分掌握測量工況的各項條件及其安裝要求,了解電磁流量計安裝所處的環(huán)境條件,以確保正確地選用電磁流量計,提高測量儀表的準(zhǔn)確和穩(wěn)定性。

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