1 前 言
某造紙廠年產1.5×105t本色商品木漿工程,其制漿生產線現(xiàn)場流量測量儀表多數(shù)采用電磁流量計。
經過四年的運行,在連蒸系統(tǒng)中,監(jiān)測連續(xù)蒸煮轉送循環(huán)流量的電磁流量計,因工作環(huán)境條件惡劣(壓力1200kPa、溫度160℃、介質腐蝕等),引起電磁流量傳感器襯里聚四氟乙烯的損壞,致使轉送循環(huán)儀表無法運行,工藝人員只能憑經驗操作。當流量低于一定值時,容易引起轉送管道的堵塞,導致整條設備線停機。
2 解決思路
由于進口電磁流量計價格昂貴,到貨周期長,而國內同口徑的電磁流量計的技術指標達不到特定工作環(huán)境的要求;據故障技術分析,原先的進口電磁流量計(正常運行時間累計不滿兩年)也是因無法適應特定環(huán)境的檢測工作而損壞的。為了盡快解決生產上的難題,采用了小口徑電磁流量計測量分流支管流量的辦法,目前國內電磁流量計無法同時滿足高溫、高壓、耐腐蝕、大通徑的技術要求。
電磁流量計的測量原理是基于法拉第電磁感應定律。即:導電液體在磁場中作切割磁力線運動時,導體中產生感應電壓,其感應電壓為:
U=kB`nD
式中:
k———儀表常數(shù);
B———磁感應強度;
`n———測量管截面內的平均流速;
D———測量管的內直徑。
測量流量時(圖1),流體流過垂直于流動方向的磁場,導電性流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),其感應電壓信號通過二個與液體直接接觸的電極檢出,并通過電纜傳送至放大器,然后轉換成統(tǒng)一輸出信號。
已知正常運行時,原轉送循環(huán)的設定流量范圍為0～QTL/s(下標1表示主管,下標2表示支管,下標T表示總管),這時對應輸出的標準信號為4～20mADC,該信號經送往DCS(集散控制系統(tǒng))運算后,顯示在操作監(jiān)視器上為0～QTL/s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(huán)總管最大流量QTL/s,那么可以通過設定支管電磁流量計的量程為0～QTL/s,則其對應的輸出標準信號也為4～20mADC,經DCS運算后,顯示在操作監(jiān)視器上的流量范圍還是0～QTL/s,不影響工藝人員的正常操作(圖2)。
3 管路設計及儀表選型
雖然流量控制閥不是安裝在并聯(lián)管路的主管上,但可參考并聯(lián)管路中的工作流量特性:
X=Q全開/Qmax
式中:
Q全開———主管控制閥全開時通過的流量;
Qmax———工藝總管流體通過的最大流量。
假設主管上裝有一個常全開的流量控制閥。系數(shù)X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(shù)、快開、拋物線四種。目前,該工藝總管所用流量控制閥的理想流量特性是對數(shù)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X=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(tǒng)的可控比將大大降低,泄漏量增大;另外,實際系統(tǒng)總是同時存在串聯(lián)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(tǒng)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(lián)于管路這種工作方式不好(注意:我這里僅是假設,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。
已知工藝總管內徑dT為300mm,正常運行時,轉送循環(huán)設定的最大流量QT為260L/s,可求得正常流速VT。
總管流速:
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:
選用直徑為58×4.0mm的無縫鋼管作為支管管路。參考有關電磁流量計選型設計資料,最后選用分體式電磁流量計,傳感器型號為AE205G-CS2-ESJ/ECG(DN50PN25Tmax=180℃陶瓷襯里),采用如圖3的分流支管測量流量。
4 核定量程
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(tài),當后期工程上去后,管內流速就處于較高狀態(tài),只要在現(xiàn)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(lián)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:
∑hf1=∑hf2=…=∑hfn=∑hf (1)
因此,主管及支管中的摩擦阻力必須服從式(1)的規(guī)律,即:
∑hf1=∑hf2或
式中:
hf———1kg流體流動時為克服摩擦阻力而損失的能量,J/kg;
L、Le———直管的長度及管件的當量長度,m;
V———速度,m/s;
d———圓管內徑,m;
λ———摩擦系數(shù),無因次。
已知主管內徑d1為300mm的鋼管輸送156℃的蒸煮液,在3000mm長的一段主管路上并聯(lián)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(huán)流;或主管流速太低時,支管可能沒有流量),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(fā)生故障時切斷旁路,便于檢修,保證工藝過程繼續(xù)進行)。管道中輸送的蒸煮液(大部分為循環(huán)利用的稀黑液),經化驗得知,其密度ρ為1088kg/m3,粘度μ為0.003Pa·s。
根據質量守衡定律QT=Q1+Q2,則
總流量:QT=(π/4)d12v1+(π/4)d22v2
260×10-3=(3.14/4)×0.32v1+(3.14/4)×0.052v
支管內流速:v2=132.48-36v1(3)
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(shù)Re即可查出λ,但查λ時又要有v的數(shù)值,故無法查λ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,從而可以算出Re值,然后從摩擦系數(shù)與Re數(shù)及相對粗糙度間的關系圖中查出λ,用式(2)計算∑hf,先算出∑hf2作為參照值,最后根據式(3)及式(2)求算∑hf1,若算出∑hf1=∑hf2,則說明所設的v值合適,否則再另設v值,重復上述計算,直至算出的∑hf1=∑hf2為止。
假設v2=0.32m/s,由式(3)算出
v1=(132.48-v2)/36=3.67(m/s)
根據Re=dvρ/μ,求得:
Re1=(0.3×3.67×1088)÷0.003=399296
Re2=(0.05×0.32×1088)÷0.003=5803
主管、支管的相對粗糙度為:
ε1/d1=0.3/300=0.001
ε2/d2=0.1/50=0.002
由此,查得λ1=0.0206,λ2=0.0386。
下步計算閥門、管件的當量長度。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(shù)與當量長度數(shù)據表中查得:
45°彎頭 0.85m
全開截止閥 15m
總當量長度 ∑Lei=0.85×2+15×2=31.7(m)
直管長度 3m
傳感器測量管阻力系數(shù) ξ2=0.02(廠家提供),因此:
=1.39(J/kg)
由計算結果知,∑hf1≈∑hf2,所以選用支管流速v2=0.32m/s是合適的。
根據Q=(π÷4)d2v,求得:支管流量:
Q2=(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(jiān)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。
5 保護措施
為了延長電磁流量計的使用壽命,把分流支管中流體的溫度降低20～30℃,這雖然會引起流體粘度和密度的一定變化,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。降溫后的流體匯入總管時,對工藝參數(shù)的影響也可以忽略。支管中流體溫度降低20～30℃,這對電磁流量計來說,其工作環(huán)境大大改善。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(圖3),使電磁流量計的使用壽命得到延長。
6 結束語
由于進口設備、表計價格昂貴,到貨周期長。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,不僅可以使儀表運行在較好的工作狀態(tài)下,還可降低儀表的投資費用。
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