張光瑞 袁振濤 呂德鵬

(陜西神木化學(xué)工業(yè)有限公司1，陜西 榆林 719000;黑龍江北大荒股份有限公司浩良河化肥分公司2，黑龍江 伊春 153100)

0 引言

隨著煤化工項(xiàng)目在國(guó)內(nèi)的不斷開展，德士古氣化爐煤漿流量計(jì)的應(yīng)用越來(lái)越廣泛。作為本文應(yīng)用背景的兩個(gè)甲醇項(xiàng)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 31 μm、管道為DN150、壓力等級(jí)600 lbs、產(chǎn)能200000 t。但自投產(chǎn)以來(lái)，原進(jìn)口流量計(jì)運(yùn)行效果一直不能令人滿意，時(shí)常出現(xiàn)大幅度波動(dòng)，豎管流量計(jì)波動(dòng)更為頻繁，有時(shí)橫管流量計(jì)也一起波動(dòng)。這容易導(dǎo)致誤跳車，給企業(yè)帶來(lái)很大的損失，也大幅度增加了相關(guān)部門的勞動(dòng)強(qiáng)度。

針對(duì)因煤漿流量計(jì)波動(dòng)而導(dǎo)致跳車事故這一問(wèn)題，對(duì)煤漿流量計(jì)的波動(dòng)原因進(jìn)行了分析，采用上海威爾泰生產(chǎn)的特殊結(jié)構(gòu)傳感器和新一代交流勵(lì)磁轉(zhuǎn)換器，有效地預(yù)防了因波動(dòng)而引起的跳車事故，取得了預(yù)期的應(yīng)用效果。

1 波動(dòng)原因分析

根據(jù)電磁流量計(jì)的原理和相關(guān)文獻(xiàn)以及長(zhǎng)期應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)可知，流場(chǎng)波動(dòng)的根本原因取決于電磁流量計(jì)測(cè)量管內(nèi)流體的流場(chǎng)和流態(tài)［1］。DN150測(cè)量管的流量與流速對(duì)應(yīng)關(guān)系如表1所示。正常生產(chǎn)時(shí)，流量一般為25 m3/h左右，對(duì)應(yīng)的流速只有0.4 m/s。流體流速低，而煤漿濃度高達(dá)60%以上，這容易導(dǎo)致管道中的流場(chǎng)處于不穩(wěn)態(tài)，且豎管和橫管的不穩(wěn)態(tài)是不同的［2］。

表1 流量與流速對(duì)應(yīng)關(guān)系表Tab.1 The relationship between flow rate and flow velocity

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(dòng)很慢的煤漿。如果這個(gè)附著層慢到幾乎不動(dòng)，而且比較厚，就蓋住了電極，轉(zhuǎn)換器的流量輸出就會(huì)下降，甚至下降到零。由于煤漿泵的工作方式是脈動(dòng)的，煤漿管線也有振動(dòng)，再加上豎管很高，所以附著在內(nèi)管壁的煤漿處于不穩(wěn)定的狀態(tài)，管道內(nèi)會(huì)時(shí)不時(shí)地發(fā)生類似雪崩的現(xiàn)象，而且這種雪崩現(xiàn)象不一定只有一處。煤漿流動(dòng)狀態(tài)示意圖如圖1所示。如果這種雪崩現(xiàn)象發(fā)生在流量計(jì)的測(cè)量管內(nèi)，就會(huì)引起轉(zhuǎn)換器輸出的波動(dòng)。由“雪崩”導(dǎo)致的輸出波動(dòng)周期比較快，阻尼時(shí)間加大，可以起到一定的平穩(wěn)作用。

圖1 煤漿流動(dòng)狀態(tài)示意圖Fig.1 Schematic of the flowing state of coal slurry

在生產(chǎn)過(guò)程中，最難處理的是另外一種波動(dòng)。該波動(dòng)周期很慢，但幅度很大，大到足以引起跳車。要把這種現(xiàn)象解釋清楚，就需要引進(jìn)權(quán)重函數(shù)的概念［3－6］。粗略地說(shuō)，權(quán)重函數(shù)給出了不同位置的流體切割磁力線所產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)對(duì)電極信號(hào)的貢獻(xiàn)率。權(quán)重函數(shù)示意圖如圖2所示。

圖2 權(quán)重函數(shù)示意圖Fig.2 Weighting function

圖2以中心點(diǎn)權(quán)重為1，給出了電極平面的權(quán)重函數(shù)分布。由圖2可知，越接近電極，權(quán)重最大;反之，沿導(dǎo)管轉(zhuǎn)90°，權(quán)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(quán)重函數(shù)的分布與圖2相同。

圖3 流速分布不均示意圖Fig.3 Uneven distribution of flow velocity

理想流場(chǎng)分布應(yīng)該呈軸對(duì)稱，中心稍大、四周稍慢，這時(shí)采用電磁流量計(jì)所測(cè)量的流量準(zhǔn)確且穩(wěn)定(漿料噪聲的影響除外)。如果流場(chǎng)不夠理想，則測(cè)量管橫截面流速分布不均，可能引起流量測(cè)量輸出波動(dòng)。

由圖3(a)可知，權(quán)重函數(shù)高的地方流速快，而權(quán)重函數(shù)低的地方流速慢，這時(shí)轉(zhuǎn)換器流量輸出增大;由圖3(b)可知，權(quán)重函數(shù)低的地方流速快，而權(quán)重高的地方流速慢，甚至電極被覆蓋，這時(shí)轉(zhuǎn)換器輸出減小，甚至接近于零。

橫管的波動(dòng)原因與上述分析有所不同，其波動(dòng)主要是由于淤積造成的。如果淤積面沒有超過(guò)電極，則由于測(cè)量管橫截面減小、流速提高，轉(zhuǎn)換器輸出就會(huì)變大;如果淤積面超過(guò)了電極，轉(zhuǎn)換器輸出就會(huì)減小。由于這種淤積是不穩(wěn)定的，淤積面時(shí)漲時(shí)消，所以引起流量輸出周期較長(zhǎng)的波動(dòng)。一般而言，在投料初期，橫管表現(xiàn)比較好，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間后，橫管才會(huì)波動(dòng)。

2 解決方案

在此之前，多數(shù)人認(rèn)為流量計(jì)波動(dòng)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(dòng)方法不外乎是加大阻尼時(shí)間。事實(shí)證明，這種方法不能從根本上解決流量計(jì)輸出波動(dòng)所導(dǎo)致的跳車問(wèn)題。

經(jīng)過(guò)上面的分析，我們認(rèn)為引起流量計(jì)輸出波動(dòng)的根本原因在于流場(chǎng)流態(tài)，其特點(diǎn)是波動(dòng)周期比較長(zhǎng)，周期為幾秒甚至幾十秒。要改善流場(chǎng)流態(tài)，就需要從傳感器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(yīng)用經(jīng)驗(yàn)表明，當(dāng)流速為1 m/s左右時(shí)，流場(chǎng)比較好，對(duì)于消除大幅度長(zhǎng)周期的異常波動(dòng)，這樣設(shè)計(jì)的傳感器起到了關(guān)鍵性的作用。

為了解決流量計(jì)的異常波動(dòng)，僅靠改變傳感器的結(jié)構(gòu)是不夠的。由于原進(jìn)口電磁流量計(jì)是方波勵(lì)磁，所以采用所謂的低噪聲電極和價(jià)格較高的ETFE襯里，不能有效解決轉(zhuǎn)換器克服漿料噪聲先天不足問(wèn)題。另外，漿料噪聲隨著流速的提高而增大?？s徑后，如果采用方波勵(lì)磁轉(zhuǎn)換器，雖然能夠避免大幅度長(zhǎng)周期的波動(dòng)，但仍然無(wú)法解決快周期的波動(dòng)問(wèn)題。更為嚴(yán)重的是，這種波動(dòng)也有可能導(dǎo)致跳車。

為使轉(zhuǎn)換器輸出平穩(wěn)，采用方波勵(lì)磁轉(zhuǎn)換器只能加大阻尼時(shí)間。然而，德士古氣化爐的安全連鎖方案對(duì)流量計(jì)阻尼時(shí)間有嚴(yán)格的限制。據(jù)專業(yè)人士測(cè)算，如果煤漿管線被堵住，則切斷氧氣的時(shí)間只有8～10 s。如果流量計(jì)阻尼時(shí)間過(guò)大，就會(huì)發(fā)生過(guò)氧爆炸的危險(xiǎn)。

由上述分析可知，德士古工藝要求煤漿流量計(jì)不僅輸出平穩(wěn)(防止誤跳車)，而且反應(yīng)速度快(一旦斷漿，快速激活安全聯(lián)鎖，切斷氧氣，防止?fàn)t磚燒損或過(guò)氧爆炸)。由于方波勵(lì)磁電磁流量計(jì)在測(cè)量漿料方面本身就存在缺陷，所以應(yīng)選用交流勵(lì)磁的轉(zhuǎn)換器。上海威爾泰生產(chǎn)的新一代交流勵(lì)磁轉(zhuǎn)換器，由于采用了高階帶通濾波器，能夠?qū)崿F(xiàn)流量測(cè)量輸出既穩(wěn)又快。在我們的實(shí)際項(xiàng)目中，曾使用0.2 s的阻尼時(shí)間安全可靠運(yùn)行了兩年多。

由于橫管波動(dòng)的原因與豎管不同，所以處理方法也不同。國(guó)內(nèi)曾有電磁流量計(jì)廠家仿照威爾泰的豎管流量計(jì)進(jìn)行了縮徑設(shè)計(jì)并應(yīng)用到橫管上，實(shí)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(dòng)解決方案示意圖Fig.4 Schematic of the solution for horizontal pipe fluctuation

從圖4可知，流量計(jì)的測(cè)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(chǎng)，在流量計(jì)的上游和下游還設(shè)計(jì)了導(dǎo)流板。轉(zhuǎn)換器仍采用第二代交流勵(lì)磁技術(shù)。

3 應(yīng)用效果

本文所提的解決方案先后成功應(yīng)用于國(guó)內(nèi)兩家煤化工企業(yè)。首先，該方案被應(yīng)用于波動(dòng)相對(duì)頻繁的豎管，橫管仍然采用原來(lái)的進(jìn)口流量計(jì)。某企業(yè)因原進(jìn)口流量計(jì)波動(dòng)頻繁而引發(fā)跳車事故一年多達(dá)幾十次。由于威爾泰所提供的煤漿流量計(jì)平穩(wěn)性遠(yuǎn)優(yōu)于其他同類產(chǎn)品，自投運(yùn)以來(lái)，該企業(yè)從未因流量計(jì)波動(dòng)而引起誤跳車。圖5所示為監(jiān)控系統(tǒng)工作站屏幕截圖所得的流量輸出平穩(wěn)性對(duì)比圖。由圖5可以看出，當(dāng)位于橫管的進(jìn)口流量計(jì)出現(xiàn)大幅度波動(dòng)時(shí)，豎管威爾泰流量計(jì)輸出仍然保持平穩(wěn)。同時(shí)，工藝人員利用爐溫等其他參數(shù)進(jìn)行綜合判斷，同樣證明了該豎管流量計(jì)輸出的穩(wěn)定性。

圖5 流量輸出平穩(wěn)性對(duì)比圖Fig.5 Inter-comparison of the stationary of flow output

為了準(zhǔn)確對(duì)比不同電磁流量計(jì)的輸出快速性，將兩臺(tái)電磁流量計(jì)安裝于同一管道進(jìn)行測(cè)試，橫管是進(jìn)口流量計(jì)，豎管是威爾泰流量計(jì)。測(cè)試時(shí)，將煤漿泵突然關(guān)閉，隔一段時(shí)間再開啟，并逐步提高煤漿泵轉(zhuǎn)速。圖6所示為DI-730型數(shù)據(jù)采集器截圖所得的、同時(shí)記錄的兩臺(tái)電磁流量計(jì)的電流輸出結(jié)果，圖6中橫坐標(biāo)每格為3 s。由圖6可以看出，威爾泰流量計(jì)從斷漿到流量輸出為零的時(shí)間總計(jì)約6 s，由下降過(guò)程可以估算出濾波時(shí)間常數(shù)不到2 s，完全滿足安全聯(lián)鎖要求;而另一臺(tái)進(jìn)口流量計(jì)反應(yīng)時(shí)間超過(guò)30 s。

圖6 流量輸出快速性對(duì)比圖Fig.6 Intercomparison of the rapidity of flow output

威爾泰煤漿流量計(jì)目前已經(jīng)可靠運(yùn)行了三年多，在使用壽命上也不輸于進(jìn)口產(chǎn)品。

橫管解決方案是在豎管成功應(yīng)用之后開始研究和試用的。安裝在橫管上的原進(jìn)口流量計(jì)一般投用一周左右開始大幅度波動(dòng)。威爾泰流量計(jì)投用8 h左右即達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，剛開始流量輸出非常平穩(wěn)，經(jīng)過(guò)8 h左右，波動(dòng)變得稍大一點(diǎn)，但沒有大幅度異常波動(dòng)。經(jīng)過(guò)半年多的使用，目前，該橫管解決方案已經(jīng)通過(guò)驗(yàn)收，效果優(yōu)于原進(jìn)口流量計(jì)。但該流量計(jì)導(dǎo)向板的安裝比較復(fù)雜，威爾泰已經(jīng)改進(jìn)了設(shè)計(jì)，新方案即將投入試用。

4 誤區(qū)澄清

在實(shí)際應(yīng)用中，有關(guān)電磁流量計(jì)在德士古工藝水煤漿中的應(yīng)用，相關(guān)技術(shù)人員在選型和應(yīng)用通常存在一些認(rèn)識(shí)上的誤區(qū)［7－8］?，F(xiàn)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(diǎn)不準(zhǔn)確，ETFE主要解決了與金屬的附著問(wèn)題。雖然ETFE的原料便宜，但其目前的處理工藝復(fù)雜，用它來(lái)制作襯里，成本比PFA還高，且沒有表征ETFE的耐磨性優(yōu)于PTFE的佐證。上海威爾泰所生產(chǎn)的傳感器，采用硬橡膠襯里，在現(xiàn)場(chǎng)有效使用三年來(lái)，沒有發(fā)現(xiàn)有明顯的磨損。

②“采用低噪聲電極，所以波動(dòng)小”的觀點(diǎn)不準(zhǔn)確。電極的形狀的確與噪聲大小相關(guān)。由于原進(jìn)口流量計(jì)的電極在某煤化工企業(yè)有結(jié)垢現(xiàn)象，經(jīng)常需要把流量計(jì)拆下來(lái)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(jié)垢問(wèn)題。實(shí)際應(yīng)用表明，雖然采用自清潔電極流量計(jì)的平穩(wěn)性比采用球面電極的平穩(wěn)性稍差，但也沒有出現(xiàn)過(guò)異常波動(dòng)。所以，我們認(rèn)為，在解決煤槳流量輸出異常波動(dòng)方面，低噪聲電極并非關(guān)鍵技術(shù)。

③“原進(jìn)口流量計(jì)安裝要求低，‘前5D后2D’就行”的觀點(diǎn)不準(zhǔn)確。在實(shí)驗(yàn)室標(biāo)定時(shí)，要求直管段比較長(zhǎng)(達(dá)到10D);在應(yīng)用中，一般“前5D后3D”就足夠了，這并非僅僅適用于進(jìn)口流量計(jì)。如果縮徑，直管段要求還可以進(jìn)一步減小。另外，現(xiàn)階段的煤漿流量計(jì)，基本沒有投閉環(huán)控制的，對(duì)于精度的要求不是很高，關(guān)鍵是保證安全連鎖處于有效狀態(tài)，以避免異常波動(dòng)引起誤跳車。

④“原進(jìn)口流量計(jì)流速大小對(duì)流量的影響很小，適用0.3 m/s的流速”的觀點(diǎn)不準(zhǔn)確。這種說(shuō)法有很大的誤導(dǎo)作用。實(shí)際應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)表明，當(dāng)流速較低時(shí)，尤其是當(dāng)流速低于0.5 m/s時(shí)，煤漿流量計(jì)容易波動(dòng)。因此，這種觀點(diǎn)不準(zhǔn)確。

⑤“單純縮徑”的觀點(diǎn)不準(zhǔn)確。我們?cè)?jīng)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(jì)，實(shí)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(jí)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(zhǎng)度會(huì)遠(yuǎn)大于在流量計(jì)上縮徑，導(dǎo)致壓損增大，再加上轉(zhuǎn)換器未替換，很多結(jié)果不可預(yù)知。

⑥“原進(jìn)口流量計(jì)因?yàn)闃I(yè)績(jī)多，所以風(fēng)險(xiǎn)小”的觀點(diǎn)不準(zhǔn)確。業(yè)績(jī)多和業(yè)績(jī)好是兩個(gè)概念，二者沒有因果聯(lián)系。由于歷史的原因，原進(jìn)口流量計(jì)市場(chǎng)占有率比較高，好的業(yè)績(jī)雖然多，但差的業(yè)績(jī)也有。一旦波動(dòng)引起誤跳車，損失是很大的。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，因?yàn)槊簼{流量計(jì)波動(dòng)引起誤跳車，200000 t甲醇生產(chǎn)線一次損失約為300000元;600000 t甲醇生產(chǎn)線，誤跳車一次的損失約為800000元。這也是質(zhì)量好的煤漿流量計(jì)價(jià)格居高不下的原因之一。我們?cè)?jīng)使用兩種品牌的進(jìn)口流量計(jì)，八個(gè)月就壞的情況也出現(xiàn)過(guò)，一年壞三套的情況也發(fā)生過(guò)。上海威爾泰提供的解決方案，針對(duì)德士古氣化爐現(xiàn)場(chǎng)特殊的工況，進(jìn)行了多項(xiàng)有針對(duì)性的設(shè)計(jì)，目前已經(jīng)安全可靠使用三年多。

綜上所述，我們認(rèn)為合適的選擇才是實(shí)際應(yīng)用最好的選擇。在德士古氣化爐煤漿流量的測(cè)量應(yīng)用中，由于流場(chǎng)流態(tài)所涉及的流體參數(shù)比較復(fù)雜，煤的來(lái)源和煤漿的配方也不盡相同。因此，不同煤漿流量計(jì)的應(yīng)用效果差異也比較大。同一種流量計(jì)，在有些場(chǎng)合容易發(fā)生波動(dòng)，但在另外一些場(chǎng)合的應(yīng)用效果較好，這是由所選煤漿流量計(jì)穩(wěn)定工作范圍不夠?qū)捲斐傻摹?/p>

為盡量減少或避免誤跳車，并確保安全連鎖處于有效狀態(tài)，應(yīng)該選擇穩(wěn)定工作范圍更寬的煤漿流量計(jì)，而選擇既穩(wěn)又快的煤漿流量計(jì)是滿足工藝的基本要求。

5 結(jié)束語(yǔ)

由于水煤漿流量測(cè)量是德士古工藝煤化工領(lǐng)域的一個(gè)難點(diǎn)，該領(lǐng)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(yīng)用背景，其煤漿流量計(jì)示值的波動(dòng)幅度較大，導(dǎo)致氧煤比和煤漿流量這兩個(gè)重要聯(lián)鎖無(wú)法有效投入，從而成為煤化工生產(chǎn)的最大安全隱患。為解決該難題，筆者較細(xì)致地分析了目前煤漿流量計(jì)應(yīng)用領(lǐng)域的認(rèn)識(shí)誤區(qū)，提出了自己獨(dú)特的見解和看法，進(jìn)一步完善了德士古工藝煤化工領(lǐng)域的水煤漿流量測(cè)量方法［9－11］。

本文得到了張振山博士的指導(dǎo)和幫助，在此深表謝意。

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