電磁流量計(jì)在化工工程中的選擇及應(yīng)用

 

電磁流量計(jì)傳感器沒(méi)有活動(dòng)部件，具有無(wú)阻力，無(wú)壓損的優(yōu)點(diǎn)，用于流量測(cè)量，可以盡可能減小工藝管道內(nèi)的阻力，且測(cè)量范圍大，測(cè)量精度高，符合現(xiàn)代工藝所倡導(dǎo)的綠色、節(jié)能、降耗的特點(diǎn)，因而電磁流量計(jì)在石油化工行業(yè)內(nèi)得到較為廣泛的認(rèn)可，成了業(yè)內(nèi)用量較大的流量?jī)x表。但是電磁流量計(jì)也有著自身的使用、安裝局限，所以筆者以 MTO 裝置堿液、氨液、漿液管道和共用工程管道為工程背景，對(duì)電磁流量計(jì)的選型和應(yīng)用進(jìn)行了探討。

 

1、測(cè)量原理

電磁流量計(jì)的工作原理簡(jiǎn)單來(lái)講就是基于電磁感應(yīng)定律。工藝管道中的導(dǎo)電液體流過(guò)電磁流量計(jì)的磁感線(xiàn)時(shí)，由于導(dǎo)電液體切割磁感線(xiàn)，導(dǎo)電液體中會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，流量計(jì)中的傳感器會(huì)把電動(dòng)勢(shì)測(cè)出，由轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換計(jì)算出相應(yīng)的流量，達(dá)到測(cè)量目的。感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的方向、磁場(chǎng)的方向、導(dǎo)電液體的流動(dòng)方向這三者是互相垂直的，如圖 1 所示。

感應(yīng)電動(dòng)勢(shì) U 的計(jì)算公式如下:

U=kBDv

式中: U 為感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)( V) ; k 為系數(shù); B 為磁感應(yīng)強(qiáng)度( T) ; D 為測(cè)量管內(nèi)徑( m) ; v 為導(dǎo)電液體在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)的平均速度( m/s) 。

2、分類(lèi)

( 1) 電磁流量計(jì)按勵(lì)磁方式進(jìn)行分類(lèi)，有直流、交流、矩形波勵(lì)磁等。20 世紀(jì) 80 年代以后，石油化工行業(yè)比較常用的是低頻矩形波勵(lì)磁，它具有功耗小，穩(wěn)定性高，可抗工頻干擾，性?xún)r(jià)比高等特點(diǎn)。但是未來(lái)的電磁流量計(jì)的發(fā)展方向會(huì)是雙頻矩形波勵(lì)磁，這種勵(lì)磁方式橫河公司已應(yīng)用于流量計(jì)，它在低頻的基礎(chǔ)上疊加了高頻矩形波，這種形式使得流量計(jì)的快速響應(yīng)性得到了進(jìn)一步提升，穩(wěn)定性和精度上也更優(yōu)。

( 2) 按組裝形式進(jìn)行分類(lèi)，有分體型和一體型。目前石油化工行業(yè)更為常用的是一體型，但是當(dāng)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境比較惡劣例如井下、有強(qiáng)力振動(dòng)的管道，或者轉(zhuǎn)換器需要安裝在巡檢人員更易接近的場(chǎng)合就更需要分體型電磁流量計(jì)。

( 3) 按與管道的連接方式分類(lèi)，有法蘭型、插入型、夾持型等。法蘭連接是傳統(tǒng)的連接方式同時(shí)也是石油化工行業(yè)#為常用的連接方式。但是在一些管道相對(duì)較粗，或者安裝條件嚴(yán)苛的情況下，插入式流量計(jì)體積更小更有利于維護(hù)則更適用。

( 4) 按電極與被測(cè)液體是否接觸分類(lèi)，有接觸型和非接觸型。目前石油化工行業(yè)常用的還是接觸型的電磁流量計(jì)。但是這種傳統(tǒng)的電磁流量計(jì)對(duì)所測(cè)的液體有電導(dǎo)率的#低要求，且對(duì)一些黏度較大，易沉積的流體測(cè)量較為困難，未來(lái)需要打破這種局限，非接觸型電磁流量計(jì)將會(huì)是發(fā)展趨勢(shì)，所以電容式電磁流量計(jì)也就應(yīng)運(yùn)而生了。在國(guó)外，一些大的流量計(jì)公司可提供此類(lèi)產(chǎn)品如 Fisher、橫河、Krohne 等。但是其結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)、信號(hào)的檢測(cè)仍是當(dāng)今的研究熱點(diǎn)和關(guān)鍵，且有待進(jìn)一步優(yōu)化。也正是因?yàn)檫@些成本、技術(shù)上的難點(diǎn)，電容式流量計(jì)距離大規(guī)模的商業(yè)化生產(chǎn)還有一定的距離。

 

3 適用范圍和主要特點(diǎn)

電磁流量計(jì)廣泛用于導(dǎo)電液體的測(cè)量，可以測(cè)量像其他儀表不容易測(cè)量的一些酸、堿、鹽等易結(jié)晶腐蝕的溶液，也可以測(cè)量漿液等對(duì)流量計(jì)磨損性大的液固介質(zhì)。當(dāng)然也可以測(cè)量相對(duì)簡(jiǎn)單的純水、污水等液體。其主要特點(diǎn)如下:

( 1) 常用的法蘭式電磁流量計(jì)的測(cè)量管是一段無(wú)阻流檢測(cè)件的直管，因而基本不會(huì)造成壓損，節(jié)能效果相對(duì)好。特別是在工藝管道壓力不高或工藝對(duì)儀表壓損有限制時(shí)采用更有利。

( 2) 傳感器結(jié)構(gòu)可靠。因無(wú)阻流檢測(cè)件，也不會(huì)堵塞。石油化工行業(yè)中液體中經(jīng)常會(huì)含有催化劑、結(jié)晶物等固體顆粒，所以電磁流量計(jì)在測(cè)量液固兩相流體的情況下也是有利的。

( 3) 測(cè)量范圍大。電磁流量計(jì)的量程比常規(guī)大于 10 ∶ 1，#高可達(dá) 100 ∶ 1，優(yōu)勢(shì)明顯，且可任意改變量程。流速范圍一般為 1～6 m/s，也可擴(kuò)展到 0．5～10．0 m/s ［2］ 。

( 4) 電磁流量計(jì)所測(cè)體積流量與流體的自身特性無(wú)關(guān)，也就是說(shuō)流體的溫度、壓力、密度、黏度等不影響其測(cè)量結(jié)果。設(shè)液體體積流量為 Q v ，Q v = πD 2 v/4，根據(jù) U=kBDv，可以確定 U=4kBQv/πD。由此得出，U 與 Q v 呈線(xiàn)性關(guān)系，流體的體積流量與介質(zhì)的物性無(wú)關(guān)。所以電磁流量計(jì)在測(cè)量導(dǎo)電介質(zhì)的體積流量之前只要用#簡(jiǎn)單的液體水標(biāo)定即可，wuxu修正。當(dāng)然，這是在比較理想的狀態(tài)下的結(jié)論，工程上一般可以采用近似的方法進(jìn)行計(jì)算，對(duì)于實(shí)際存在的偏差，可以通過(guò)儀表的標(biāo)定來(lái)進(jìn)行彌補(bǔ)。

 

4 安裝及維護(hù)

4．1 接地

由于電磁流量計(jì)測(cè)量的電勢(shì)相對(duì)比較微弱，有一點(diǎn)干擾可能會(huì)影響測(cè)量結(jié)果，所以要良好的接地以保障其穩(wěn)定工作。通常接地是通過(guò)接地環(huán)或用金屬導(dǎo)線(xiàn)連通來(lái)實(shí)現(xiàn)。

( 1) 接地環(huán)安裝于流量計(jì)的法蘭面上，其內(nèi)孔和導(dǎo)電液體接觸，環(huán)的邊緣用導(dǎo)電材質(zhì)接出并與轉(zhuǎn)換器信號(hào)連通。接地環(huán)的材料也要能耐流體的磨損與腐蝕，通常與電極材質(zhì)一致。

( 2) 安裝在金屬管道中的電磁流量計(jì)，在傳感器法蘭和用戶(hù)法蘭之間采用金屬導(dǎo)線(xiàn)連通，作為接地的安裝方式。

 

4．2 直管段要求

在實(shí)際應(yīng)用中，電磁流量計(jì)前后直管段都有一定的要求來(lái)減少誤差。根據(jù)石油化工行業(yè)的經(jīng)驗(yàn)，大部分場(chǎng)合，前直管段大于等于 5D，后直管段大于等于 3D 即可。但是在某些安裝條件嚴(yán)苛，空間常常無(wú)法滿(mǎn)足的情況下，后直管段大于 2D 也能滿(mǎn)足測(cè)量要求。

4．3 安裝位置

( 1) 電磁流量計(jì)不能用于低導(dǎo)電率液體測(cè)量( 電導(dǎo)率不低于 5×10－6S/cm 的流體［4］ ) ，例如石油化工行業(yè)中的石油制品、除鹽水、有機(jī)溶劑等。也不能測(cè)量氣體、蒸汽以及黏度特別大的液體。

( 2) 由于電磁流量計(jì)一般不用于較高、較低溫度工況。如不可避免，可參考表 1～2 對(duì)電極和襯里的材料做相應(yīng)的選擇。

( 3) 電磁流量計(jì)安裝的管道應(yīng)是介質(zhì)充滿(mǎn)的管道，保證電極浸入。

( 4) 電磁流量計(jì)的測(cè)量管中如果出現(xiàn)氣體聚集或有氣泡現(xiàn)象時(shí)，此時(shí)測(cè)量誤差會(huì)增大，所以要盡量將流量計(jì)安裝于低位，盡量避開(kāi)安裝在管道的#高點(diǎn)。

( 5) 盡量避免安裝在有振動(dòng)的地方，如果不可避免，可選擇加固管道和傳感器，以減輕振動(dòng)帶來(lái)的影響。

( 6) 盡量避免安裝在電磁場(chǎng)或者電磁場(chǎng)變化劇烈的地方，如大型變壓器、電機(jī)等強(qiáng)電磁設(shè)備附近 。

( 7) 當(dāng)選擇插入電磁流量計(jì)且管道是水平或傾斜時(shí)，探頭插入的位置應(yīng)在管道中心線(xiàn)平面上下 45°的范圍內(nèi)，且探頭的中心線(xiàn)應(yīng)與管道中心線(xiàn)垂直。

5 應(yīng)用案例分析

5．1 在 MTO 裝置中的應(yīng)用

筆者以甲醇制烯烴裝置( MTO 裝置) 為例，介紹在實(shí)際石油化工行業(yè)中智能電磁流量計(jì)的若干應(yīng)用。在設(shè)計(jì)中分別在自烯烴分離裝置流入的 20%堿液管道、氨水管道、至廢液處理單元循環(huán)漿液管道上設(shè)置電磁流量計(jì)。這些管道中介質(zhì)的特點(diǎn)是:臟、污流體，且具有一定的腐蝕性、磨損性，并且均為導(dǎo)電流體。同時(shí)，工藝管道壓力普遍不高，壓力損失盡量小，且要求儀表測(cè)量精度又相對(duì)較高。鑒于上述工況特點(diǎn)及要求，選用了智能電磁流量計(jì)來(lái)滿(mǎn)足工藝測(cè)量。由于電磁流量計(jì)電極和襯里與介質(zhì)直接接觸，根據(jù)項(xiàng)目實(shí)際情況，尤其是介質(zhì)的特性，選擇合適的電極材料和襯里材料尤為關(guān)鍵。

5．1．1 根據(jù)被測(cè)介質(zhì)的腐蝕性特性選擇電極材料

電磁流量計(jì)中的電極起著重要的傳輸電信號(hào)的作用。電信號(hào)的傳遞是否準(zhǔn)確，關(guān)系到整個(gè)電磁流量計(jì)精度、準(zhǔn)確度，是至關(guān)重要的一個(gè)環(huán)節(jié)。而信號(hào)傳遞的準(zhǔn)確性主要的影響因素是電極表面質(zhì)量及材料性能，所以不同的介質(zhì)流量應(yīng)選擇與之相適應(yīng)的電極材料，這樣才能盡可能保證測(cè)量的準(zhǔn)確性，同時(shí)延長(zhǎng)整個(gè)流量計(jì)的使用壽命。表 1 是石油化工行業(yè)常見(jiàn)電極材料的耐腐蝕性能，針對(duì)上述裝置，20%堿液和氨液屬于強(qiáng)腐蝕介質(zhì)，選用哈氏合金作為電極材料。循環(huán)漿液的腐蝕性不高，則選用 304L 不銹鋼作為電極材料，這樣選擇滿(mǎn)足測(cè)量要求準(zhǔn)確性和經(jīng)濟(jì)性要求，儀表運(yùn)行至今效果良好。

5．1．2 根據(jù)被測(cè)介質(zhì)的磨損性及溫度來(lái)選擇襯里材料

襯里敷設(shè)于流量計(jì)測(cè)量管內(nèi)側(cè)，襯里必須是電絕緣材料。根據(jù)表 2 石油化工行業(yè)常見(jiàn)襯里材料的性能，在 20%堿液管道、氨水管道上，智能電磁流量計(jì)選用 PTFE 作為襯里材料，介質(zhì)的溫度也在 PTFE 的適用范圍之內(nèi)。PTFE 是石油化工行業(yè)比較常用的襯里材料。但是循環(huán)漿液因?yàn)榻橘|(zhì)可能含有催化劑等雜質(zhì)，選擇聚氨酯橡膠性能尚可，且耐磨性相當(dāng)于天然橡膠的 10 倍，但是它的缺點(diǎn)是耐溫太低; 氯丁橡膠更適合大口徑的傳感器，所以針對(duì)循環(huán)漿液就#好選用 PFA 作為襯里材料，提高其耐磨性。這種選擇使得裝置運(yùn)行效果安全且高效。

 

5．2 在公用工程部分的應(yīng)用

目前正在建設(shè)中或已建成的石油化工裝置中，公用工程部分循環(huán)冷水管道、新鮮水管道通常選用電磁流量計(jì)來(lái)測(cè)量流量。管道的主要特點(diǎn)是: 循環(huán)冷水管道工藝管徑大、壓力低、水中含有氯化物等腐蝕性介質(zhì); 且循環(huán)冷水管道和新鮮水管道經(jīng)常敷設(shè)在地面以下。這就要求流量計(jì)安裝方便，電磁流量計(jì)可水平、垂直或傾斜任意角度安裝。但是在這種場(chǎng)合選用電磁流量計(jì)需注意:

( 1) 需維護(hù)方便，電磁流量計(jì)應(yīng)選用分體式，傳感器裝于工藝管道，轉(zhuǎn)換器可裝在傳感器附近或儀表室，相距數(shù)十到數(shù)百米。這樣，轉(zhuǎn)換器既可放在地面以上，也可院秒相對(duì)惡劣的現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境，電子部件的檢查、調(diào)整和設(shè)定比較方便。但是在安裝過(guò)程中，對(duì)敷線(xiàn)的要求就比較嚴(yán)格，否則易引入干擾信號(hào)。

( 2) 根據(jù)國(guó)標(biāo) GB/T 4208—2017 ［6］ ，關(guān)于外殼防護(hù)等級(jí)的標(biāo)準(zhǔn)為: IP65 為防噴水型，IP66 為防止猛烈噴水型，IP67 為短時(shí)間防浸水型，IP68 為連續(xù)浸水型，能長(zhǎng)期在水中工作。循環(huán)冷水管道和新鮮水管道常敷設(shè)在地面以下，一般會(huì)設(shè)置儀表井來(lái)安裝電磁流量計(jì)的傳感單元，因此此種工況下，電磁流量計(jì)的傳感器的外殼防護(hù)等級(jí)應(yīng)選 IP68。

 

6 結(jié)束語(yǔ)

電磁流量計(jì)具有精度高、可測(cè)范圍大、壓損小、可靠性好、使用方便、維護(hù)量小等特點(diǎn)，在石油化工行業(yè)得到了廣泛的應(yīng)用。但同時(shí)也因?yàn)槠浔旧淼囊恍┚窒扌?，要求用?hù)在正確地選擇和應(yīng)用電磁流量計(jì)之前應(yīng)充分掌握測(cè)量工況的各項(xiàng)條件及其流量計(jì)本身的各項(xiàng)要求。只有這樣才能正確地選擇、應(yīng)用電磁流量計(jì)，保證測(cè)量精度，為安全生產(chǎn)打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。