1 前 言
福建青州造紙廠年產1.5×105t本色商品木漿工程,由瑞典卡米爾AB公司全套引進,其制漿生產線現場流量測量儀表多數采用電磁流量計。
經過四年的生產運行,在連蒸系統中,監測連續蒸煮轉送循環流量的進口電磁流量計,因工作環境條件惡劣(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,導致整條生產線停機。本文結合我廠儀表國產化的建設,談談國產小口徑電磁流量計在分流支管中的應用。
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境的檢測工作而損壞的。為了盡快解決生產上的難題,我們采用了小口徑電磁流量計測量分流支管流量的辦法,解決了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;
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,然后轉換成統一輸出信號。
已知正常運行時,原轉送循環的設定流量范圍為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)運算后,顯示在操作監視器上為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管路的主管上,但可參考并聯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、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,但管路系統的可控比將大大降低,泄漏量增大;另外,實際系統總是同時存在串聯管路阻力的影響,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,當后期工程上去后,管內流速就處于較高狀態,只要在現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,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生故障時切斷旁路,便于檢修,保證工藝過程繼續進行)。管道中輸送的蒸煮液(大部分為循環利用的稀黑液),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Re即可查出λ,但查λ時又要有v的數值,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,然后從摩擦系數與Re數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與當量長度數據表中查得:
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 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,對工藝參數的影響也可以忽略。又由于我廠采用清潔生產工藝,冷卻水可循環回收利用,故此項日常降溫費用極少。而支管中流體溫度降低20～30℃,這對電磁流量計來說,其工作環境大大改善。故我們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,因此我廠從漿板系統建成投產后,就積極尋找進口設備、表計的國內替代產品,走國產化的道路。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下,還可大大降低儀表的投資費用(如本次改造資金投入僅為原計劃的1/8)。
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