電磁流量計在化工工程中的選擇及應(yīng)用

 

電磁流量計傳感器沒有活動部件，具有無阻力，無壓損的優(yōu)點(diǎn)，用于流量測量，可以盡可能減小工藝管道內(nèi)的阻力，且測量范圍大，測量精度高，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)用量較大的流量儀表。但是電磁流量計也有著自身的使用、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，對電磁流量計的選型和應(yīng)用進(jìn)行了探討。

 

1、測量原理

電磁流量計的工作原理簡單來講就是基于電磁感應(yīng)定律。工藝管道中的導(dǎo)電液體流過電磁流量計的磁感線時，由于導(dǎo)電液體切割磁感線，導(dǎo)電液體中會產(chǎn)生感應(yīng)電動勢，流量計中的傳感器會把電動勢測出，由轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換計算出相應(yīng)的流量，達(dá)到測量目的。感應(yīng)電動勢的方向、磁場的方向、導(dǎo)電液體的流動方向這三者是互相垂直的，如圖 1 所示。

感應(yīng)電動勢 U 的計算公式如下:

U=kBDv

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

2、分類

( 1) 電磁流量計按勵磁方式進(jìn)行分類，有直流、交流、矩形波勵磁等。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磁，它具有功耗小，穩(wěn)定性高，可抗工頻干擾，性價比高等特點(diǎn)。但是未來的電磁流量計的發(fā)展方向會是雙頻矩形波勵磁，這種勵磁方式橫河公司已應(yīng)用于流量計，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，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)場環(huán)境比較惡劣例如井下、有強(qiáng)力振動的管道，或者轉(zhuǎn)換器需要安裝在巡檢人員更易接近的場合就更需要分體型電磁流量計。

( 3) 按與管道的連接方式分類，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較粗，或者安裝條件嚴(yán)苛的情況下，插入式流量計體積更小更有利于維護(hù)則更適用。

( 4) 按電極與被測液體是否接觸分類，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。但是這種傳統(tǒng)的電磁流量計對所測的液體有電導(dǎo)率的#低要求，且對一些黏度較大，易沉積的流體測量較為困難，未來需要打破這種局限，非接觸型電磁流量計將會是發(fā)展趨勢，所以電容式電磁流量計也就應(yīng)運(yùn)而生了。在國外，一些大的流量計公司可提供此類產(chǎn)品如 Fisher、橫河、Krohne 等。但是其結(jié)構(gòu)的設(shè)計、信號的檢測仍是當(dāng)今的研究熱點(diǎn)和關(guān)鍵，且有待進(jìn)一步優(yōu)化。也正是因為這些成本、技術(shù)上的難點(diǎn)，電容式流量計距離大規(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)

電磁流量計廣泛用于導(dǎo)電液體的測量，可以測量像其他儀表不容易測量的一些酸、堿、鹽等易結(jié)晶腐蝕的溶液，也可以測量漿液等對流量計磨損性大的液固介質(zhì)。當(dāng)然也可以測量相對簡單的純水、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的測量管是一段無阻流檢測件的直管，因而基本不會造成壓損，節(jié)能效果相對好。特別是在工藝管道壓力不高或工藝對儀表壓損有限制時采用更有利。

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

( 3) 測量范圍大。電磁流量計的量程比常規(guī)大于 10 ∶ 1，#高可達(dá) 100 ∶ 1，優(yōu)勢明顯，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) 電磁流量計所測體積流量與流體的自身特性無關(guān)，也就是說流體的溫度、壓力、密度、黏度等不影響其測量結(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 呈線性關(guān)系，流體的體積流量與介質(zhì)的物性無關(guān)。所以電磁流量計在測量導(dǎo)電介質(zhì)的體積流量之前只要用#簡單的液體水標(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)行計算，對于實(shí)際存在的偏差，可以通過儀表的標(biāo)定來進(jìn)行彌補(bǔ)。

 

4 安裝及維護(hù)

4．1 接地

由于電磁流量計測量的電勢相對比較微弱，有一點(diǎn)干擾可能會影響測量結(jié)果，所以要良好的接地以保障其穩(wěn)定工作。通常接地是通過接地環(huán)或用金屬導(dǎo)線連通來實(shí)現(xiàn)。

( 1) 接地環(huán)安裝于流量計的法蘭面上，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，在傳感器法蘭和用戶法蘭之間采用金屬導(dǎo)線連通，作為接地的安裝方式。

 

4．2 直管段要求

在實(shí)際應(yīng)用中，電磁流量計前后直管段都有一定的要求來減少誤差。根據(jù)石油化工行業(yè)的經(jīng)驗，大部分場合，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，空間常常無法滿足的情況下，后直管段大于 2D 也能滿足測量要求。

4．3 安裝位置

( 1) 電磁流量計不能用于低導(dǎo)電率液體測量( 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。也不能測量氣體、蒸汽以及黏度特別大的液體。

( 2) 由于電磁流量計一般不用于較高、較低溫度工況。如不可避免，可參考表 1～2 對電極和襯里的材料做相應(yīng)的選擇。

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

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

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

( 6) 盡量避免安裝在電磁場或者電磁場變化劇烈的地方，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且管道是水平或傾斜時，探頭插入的位置應(yīng)在管道中心線平面上下 45°的范圍內(nèi)，且探頭的中心線應(yīng)與管道中心線垂直。

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)中智能電磁流量計的若干應(yīng)用。在設(shè)計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。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，工藝管道壓力普遍不高，壓力損失盡量小，且要求儀表測量精度又相對較高。鑒于上述工況特點(diǎn)及要求，選用了智能電磁流量計來滿足工藝測量。由于電磁流量計電極和襯里與介質(zhì)直接接觸，根據(jù)項目實(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)被測介質(zhì)的腐蝕性特性選擇電極材料

電磁流量計中的電極起著重要的傳輸電信號的作用。電信號的傳遞是否準(zhǔn)確，關(guān)系到整個電磁流量計精度、準(zhǔn)確度，是至關(guān)重要的一個環(huán)節(jié)。而信號傳遞的準(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量的準(zhǔn)確性，同時延長整個流量計的使用壽命。表 1 是石油化工行業(yè)常見電極材料的耐腐蝕性能，針對上述裝置，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，這樣選擇滿足測量要求準(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)被測介質(zhì)的磨損性及溫度來選擇襯里材料

襯里敷設(shè)于流量計測量管內(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)漿液因為介質(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來測量流量。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。這就要求流量計安裝方便，電磁流量計可水平、垂直或傾斜任意角度安裝。但是在這種場合選用電磁流量計需注意:

( 1) 需維護(hù)方便，電磁流量計應(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，也可院秒相對惡劣的現(xiàn)場環(huán)境，電子部件的檢查、調(diào)整和設(shè)定比較方便。但是在安裝過程中，對敷線的要求就比較嚴(yán)格，否則易引入干擾信號。

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

 

6 結(jié)束語

電磁流量計具有精度高、可測范圍大、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。但同時也因為其本身的一些局限性，要求用戶在正確地選擇和應(yīng)用電磁流量計之前應(yīng)充分掌握測量工況的各項條件及其流量計本身的各項要求。只有這樣才能正確地選擇、應(yīng)用電磁流量計，保證測量精度，為安全生產(chǎn)打下堅實(shí)的基礎(chǔ)。