漿液型電磁流量計在煤化工行業中的應用經驗分析

引言 
隨著煤化工項目在國內的不斷開展，德士古氣化爐煤漿流量計的應用越來越廣泛。作為本文應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、產能200000t。但自投產以來，原進口流量計運行效果一直不能令人滿意，時常出現大幅度波動，豎管流量計波動更為頻繁，有時橫管流量計也一起波動。這容易導致誤跳車，給企業帶來很大的損失，也大幅度增加了相關部門的勞動強度。 
針對因煤漿流量計波動而導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而引起的跳車事故，取得了預期的應用效果。 
1 波動原因分析 
根據電磁流量計的原理和相關文獻以及長期應用經驗可知，流場波動的根本原因取決于電磁流量計測量管內流體的流場和流態［1］。DN150測量管的流量與流速對應關系如表1所示。正常生產時，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處于不穩態，且豎管和橫管的不穩態是不同的［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，所以附著在內管壁的煤漿處于不穩定的狀態，管道內會時不時地發生類似雪崩的現象，而且這種雪崩現象不一定只有一處。煤漿流動狀態示意圖如圖1所示。如果這種雪崩現象發生在流量計的測量管內，就會引起轉換器輸出的波動。由“雪崩”導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作用。

圖1 煤漿流動狀態示意圖

在生產過程中，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。要把這種現象解釋清楚，就需要引進權重函數的概念［3－6］。粗略地說，權重函數給出了不同位置的流體切割磁力線所產生的感應電動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

理想流場分布應該呈軸對稱，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，權重函數高的地方流速快，而權重函數低的地方流速慢，這時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，這時轉換器輸出減小，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，轉換器輸出就會變大；如果淤積面超過了電極，轉換器輸出就會減小。由于這種淤積是不穩定的，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，橫管表現比較好，經過一段時間后，橫管才會波動。 
2 解決方案 
在此之前，多數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致的跳車問題。 
經過上面的分析，我們認為引起流量計輸出波動的根本原因在于流場流態，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，就需要從傳感器結構設計著手。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。應用經驗表明，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，這樣設計的傳感器起到了關鍵性的作用。 
為了解決流量計的異常波動，僅靠改變傳感器的結構是不夠的。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。縮徑后，如果采用方波勵磁轉換器，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致跳車。 
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。據專業人士測算，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（防止誤跳車），而且反應速度快（一旦斷漿，快速激活安全聯鎖，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，所以應選用交流勵磁的轉換器。上海威爾泰生產的新一代交流勵磁轉換器，由于采用了高階帶通濾波器，能夠實現流量測量輸出既穩又快。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計并應用到橫管上，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計了導流板。轉換器仍采用第二代交流勵磁技術。 
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。首先，該方案被應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。某企業因原進口流量計波動頻繁而引發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性遠優于其他同類產品，自投運以來，該企業從未因流量計波動而引起誤跳車。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，當位于橫管的進口流量計出現大幅度波動時，豎管威爾泰流量計輸出仍然保持平穩。同時，工藝人員利用爐溫等其他參數進行綜合判斷，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，將煤漿泵突然關閉，隔一段時間再開啟，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間總計約6s，由下降過程可以估算出濾波時間常數不到2s，完全滿足安全聯鎖要求；而另一臺進口流量計反應時間超過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可靠運行了三年多，在使用壽命上也不輸于進口產品。 
橫管解決方案是在豎管成功應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左右即達到穩定狀態，剛開始流量輸出非常平穩，經過8h左右，波動變得稍大一點，但沒有大幅度異常波動。經過半年多的使用，目前，該橫管解決方案已經通過驗收，效果優于原進口流量計。但該流量計導向板的安裝比較復雜，威爾泰已經改進了設計，新方案即將投入試用。 
4 誤區澄清 
在實際應用中，有關電磁流量計在德士古工藝水煤漿中的應用，相關技術人員在選型和應用通常存在一些認識上的誤區［7－8］。現將其歸納如下。 
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的耐磨性優于PTFE的佐證。上海威爾泰所生產的傳感器，采用硬橡膠襯里，在現場有效使用三年來，沒有發現有明顯的磨損。 
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。由于原進口流量計的電極在某煤化工企業有結垢現象，經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），有效地解決了結垢問題。實際應用表明，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，但也沒有出現過異常波動。所以，我們認為，在解決煤槳流量輸出異常波動方面，低噪聲電極并非關鍵技術。 
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，現階段的煤漿流量計，基本沒有投閉環控制的，對于精度的要求不是很高，關鍵是保證安全連鎖處于有效狀態，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作用。實際應用經驗表明，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“原進口流量計因為業績多，所以風險小”的觀點不準確。業績多和業績好是兩個概念，二者沒有因果聯系。由于歷史的原因，原進口流量計市場占有率比較高，好的業績雖然多，但差的業績也有。一旦波動引起誤跳車，損失是很大的。據不完全統計，因為煤漿流量計波動引起誤跳車，200000t甲醇生產線一次損失約為300000元；600000t甲醇生產線，誤跳車一次的損失約為800000元。這也是質量好的煤漿流量計價格居高不下的原因之一。我們曾經使用兩種品牌的進口流量計，八個月就壞的情況也出現過，一年壞三套的情況也發生過。上海威爾泰提供的解決方案，針對德士古氣化爐現場特殊的工況，進行了多項有針對性的設計，目前已經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，由于流場流態所涉及的流體參數比較復雜，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用效果差異也比較大。同一種流量計，在有些場合容易發生波動，但在另外一些場合的應用效果較好，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，并確保安全連鎖處于有效狀態，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足工藝的基本要求。 
5 結束語 
由于水煤漿流量測量是德士古工藝煤化工領域的一個難點，該領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用背景，其煤漿流量計示值的波動幅度較大，導致氧煤比和煤漿流量這兩個重要聯鎖無法有效投入，從而成為煤化工生產的最大安全隱患。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域的認識誤區，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。