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| 電磁流量計在煤化工應用中存在的問題 |
| 電磁流量計在煤化工應用中存在的問題 | | 發(fā)布時間：2017/3/7 10:45:08 |
摘要：電磁流量計是一種根據(jù)法拉第電磁感應定律來測量管內導電介質體積流量的感應式儀表，已在化工中得到廣泛應用，在運行中的故障判別方法受到了國內外使用者的關注，特別是對電磁流量計的安裝，直接決定著電磁流量計的能否正常運行和大大減少日后的維護。
關鍵字： 法拉第電磁感應 勵磁方式 電磁流量計的安裝 直管段
1 測量原理
根據(jù)法拉第電磁感應定律，當一導體在磁場中運動切割磁力線時，在導體的兩端即產生感應電勢e，其方向由右手定則確定，其大小與磁場的磁感應強度B，導體在磁場內的長度L及導體的運動速度u成正比，如果B，L，u三者互相垂直，則：
（1）
與此相仿，在磁感應強度為B的均勻磁場中，垂直于磁場方向放一個內徑為D的不導磁管道，當導電液體在管道中以流速u流動時，導電流體就切割磁力線。
圖1 電磁流量計原理
如果在管道截面上垂直于磁場的直徑兩端安裝一對電極（圖1）則可以證明，只要管道內流速分布為軸對稱分布，兩電極之間也特產生感生電動勢：
式中，ū為管道截面上的平均流速。由此可得管道的體積流量為：
由上式可見，體積流量Q與感應電動勢e和測量管內徑D成線性關系，與磁場的磁感應強度B成反比，與其它物理參數(shù)無關。
2 電磁流量計的安裝
電磁流量計的正確安裝對電磁流量計的正常運行極為重要，也大大減少日后的維護工作量；電磁流量計的安裝要注意以下幾個問題
（1）安裝場所。
測量混合相流體時，應選擇不會引起相分離的場所；避免安裝在電動機、變壓器等強電設備附近，以免引起電磁場干擾；選擇測量管內不會出現(xiàn)負壓的場所；避免安裝在周圍有強腐蝕性氣體的場所；環(huán)境溫度一般應在-25~60℃范圍內，盡可能避免陽光直射；安裝在無振動或振動小的場所。如果振動過大，則應在傳感器 前后的管道加固定支撐；避免安裝在能被雨水直淋或被水浸沒的場所。
（2）直管段長度。
電磁流量計對表前直管段長度的要求比較低。一般，對于90°彎頭、T形三通、異徑管、全開閥門等流動阻力件，離傳感器電極軸中心線（不是傳感器進口端面）應有3~5D的直管段長度；對于不同開度的閥門，則要求有10D的直管段長度；傳感器后一般應有2D的直管段長度。當閥門不能全開時，如果使閥門截流方向與傳感器電極軸成45°安裝，可大大減小附加誤差。
（3）安裝位置和流動方向。
電磁流量計可以水平、垂直或傾斜安裝。水平安裝時，電磁流量計電極軸必須水平放置。這樣可以防止由于流體所夾帶的氣泡而產生的電極短時間絕緣；也可防止電極被流體中沉積物覆蓋。不應將電磁流量計安裝在最高點，以免有氣體積聚，安裝在管系最高處，為不良的安裝位置，應予以避免。
垂直安裝時，應使流動方向向上，這樣可使無流量或流量很小時，流體中所夾帶的較重的固體顆粒下沉，而較輕的脂肪類物質上升離開傳感器電極區(qū)。測量泥漿、礦漿等液固二相流時，垂直安裝可以避免固相覺沉淀和電磁流量計襯里不均勻磨損。傳感器安裝處應具有一定背壓，電磁流量計出口直接排空易造成測量管內液體非滿管，為不良的安裝位置，應予以避免。為了防止傳感器內產生負壓，電磁流量計應安裝在泵的后面，而不應安裝在泵的前面。
（4）安裝旁路管。
為了便于液流靜止時檢查和調整零點，中小管徑應盡可能安裝旁路管。在測量含有沉淀物流體時，應考慮便于清洗電磁流量計的安裝方式。如圖2。
圖2 電磁流量計旁路安裝
采用圖2安裝，即便是在生產中也可以切出來，進行維護和處理。
（5）接地。
由于電磁流量計的工作原理和特性，接地屏蔽外界電磁干擾特別重要；同時為了使測量準確和電極不會發(fā)生電流腐蝕，電磁流量計必須單獨接地，并使傳感器和流體大約處于相同電位。分離型電磁流量計，原則上接地應在流量計側，轉換器接地應在同一接地點，在大多數(shù)情況下，流量計的內裝參比電極或金屬管能確保所許的電位平衡。因此，可以通過內裝的參比電極和金屬管將管中流體接地，將流量計的接地片與接地線相連。如果傳感器安裝于帶陰極腐蝕保護管道上，除了流量計和接地環(huán)一起接地外，還要用粗銅線繞過流量計跨接在管道的兩法蘭上，使陰極保護電流與流量計之間隔離。對于金屬非接地管道，應用粗銅線連接，保證法蘭至法蘭和法蘭到流量計是連通的。對于非導電的塑料管或襯里管，如果沒有參比電極或由于電位平衡電流的存在，需將流體通過接地環(huán)接地。
3 電磁流量計在煤化工生產中的常見問題
電磁流量計作為當前流程工業(yè)廣泛使用的流量計，在應用過程中依據(jù)其故障與成因分為五類，下面就電磁流量計的這些常見故障的成因、檢測判別方法以及對故障的處理方式簡要闡述。
3.1 液體中含有氣泡和非滿管的現(xiàn)象
液體中含有氣泡的現(xiàn)場導致測量不準或測量值波動（輸出波動），液體中泡狀氣體的形成有從外界吸入和液體中溶解氣體（空氣）轉變成游離狀氣泡兩種途徑。若液體中含有較大氣泡，則因擦過電極時能遮蓋整個電極，使流量信號輸入回路瞬時開路，導致輸出信號出現(xiàn)波動。非滿管現(xiàn)象可以看作液體中含有氣泡的一種極端情況。液體未充滿管道可分為液面高度高于測量電極水平面或低于水平面兩種情況。當管內液面高于電極水平面時，若管系的前后直管段比較理想時，電磁流量計的測量大多能夠穩(wěn)定，但流量計所計量的液體體積包含了管內的氣體體積，故這種測量存在著很大的測量誤差。當管內液面高度低于電極表面時，此時電極裸露在空氣中，測量回路實際處于開路狀態(tài)。電磁流量計的測量值和輸出處于一種隨機的狀態(tài)，不停地波動或是滿度。這也是在非工作狀態(tài)即管道無液體介質時，電磁流量計指示隨機值，工藝人員有時會認為流量計出故障。
最簡單的判別方法是當遇到波動時，切斷磁場的勵磁回路電流，如果此時儀表依然有顯示且不穩(wěn)定時，說明大多是由于氣泡或非充滿管的影響造成。如果此時以萬用表測量電極電阻，可測量到電極的回路電阻要比正常時高；引起這方面的現(xiàn)象的多數(shù)還是在安裝方面的原因，電磁流量計的安裝合適與否直接影響到測量效果，同時對于被測介質中含有空氣的情況，如果判斷是由安裝位置引起的，如因電磁流量計裝在管道的高點而滯留氣體或外界吸入空氣造成流量計波動的話，更換安裝位置是最徹底的解決方法，在管線最低點或采用U型管安裝。但很多應用情況是口徑較大或者安裝的位置不易改換，建議在流量計上游安裝集氣包和排氣閥，在安裝了排氣裝置后，測量即恢復正常。在流量計安裝時盡量避免出現(xiàn)非滿管的情況，如前面提及的在管線最低端安裝或有意將流量計安裝在U型管道和垂直管道上。典型故障：煤氣化33單元P-3301AB出口流量，由于安裝在泵的出口高處水平管道上，造成工藝水沒充滿電磁流量計，造成指示波動大，即測量值和輸出處于一種隨機的狀態(tài)，不停地波動或是滿量程；工藝無法參考，把電磁流量計改裝到垂直管道或合適的水平管線上，才能徹底解決問題；存在同樣問題的還有33FT-0002、36FT-0001、36FT-0002，都是由于安裝位置不合適造成指示波動大。
3.2 電極腐蝕
在排除氣泡的因素后有因電極腐蝕而造成測量值晃動的情況，且都以傳感器失效而告終。
由于電極材料的選擇不當造成電極為被測液體所腐蝕，從而導致流量計輸出波動。電極一旦被腐蝕后，所造成的結果對此的解決方法，只有更換新的電極。
3.3 電極結垢及電極短路
電極短路的判別比較簡單，若被測介質中含有金屬物質時，電極短路較易診斷，此時測量值明顯偏小或趨于零。但這種現(xiàn)象在日常運行中并不多見。因電磁流量計經常應用于原水和污水等計量環(huán)境，電極結垢的發(fā)生幾率較高。當電極結垢時，表現(xiàn)為信號逐漸減小，直至絕緣而使得信號回路開路，此時流量信號被隔絕。
當被測介質的粘度較高時，易在管壁附著和沉淀，若附著的介質是比被測液體電導率高的導電物質，則信號電勢被分流而不能工作，即電極短路，若是非導電層，就是我們日常所說的電極結垢，則使電極開路而不能工作。結合工藝工況拆下清洗電磁流量計是一個比較徹底的方法。
典型案例：煤氣化14單元，渣池循環(huán)水泵P-1402AB出口去V-1402的渣池水的電磁流量計14FT-0003，由于渣池水含細渣和污垢，加上是水平安裝，更容易造成襯里和電極結垢，從而造成流量計的指示逐漸減小。解決方案，是管路進行改造，增加旁路，便于生產期間可以交出，清洗電磁流量計。
3.4 襯里變形
測量不準確或電磁流量計損壞。襯里變形，大多發(fā)生在氟塑料的襯里，氟塑料襯里特別是聚四氟乙烯（PTFE）襯里本身的工藝結構，因為聚四氟乙烯與管壁間僅靠壓貼，無粘結力，故不能用于負壓管道。聚四氟乙烯（PTFE）實用溫度不能大于150°，因此，聚四氟乙烯（PTFE）襯里的電磁流量計不能應用于高溫場合管道，若在高溫下瞬時形成負壓后則會引起襯里變形。
圖3 襯里變形后的電磁流量計
典型案例：殼牌煤化工裝置中，泵P-1601打到J-1602的電磁流量計16FT-0012，在生產工作過程中，指示逐漸變小，停車拆開檢查，檢查發(fā)現(xiàn)四氟襯里變形，向內鼓泡，如圖3：后分析原因發(fā)現(xiàn)管道介質溫度工況在150°以上，因電磁流量計是四氟襯里，使用溫度不應超過150°，另外工藝停泵P-1601，沒有打開排放，電磁流量計安裝位置又高，溫度冷卻冷凝后形成負壓，造成襯里變形。 |
摘要：電磁流量計是一種根據(jù)法拉第電磁感應定律來測量管內導電介質體積流量的感應式儀表，已在化工中得到廣泛應用，在運行中的故障判別方法受到了國內外使用者的關注，特別是對電磁流量計的安裝，直接決定著電磁流量計的能否正常運行和大大減少日后的維護。
關鍵字： 法拉第電磁感應 勵磁方式 電磁流量計的安裝 直管段
1 測量原理
根據(jù)法拉第電磁感應定律，當一導體在磁場中運動切割磁力線時，在導體的兩端即產生感應電勢e，其方向由右手定則確定，其大小與磁場的磁感應強度B，導體在磁場內的長度L及導體的運動速度u成正比，如果B，L，u三者互相垂直，則：
（1）
與此相仿，在磁感應強度為B的均勻磁場中，垂直于磁場方向放一個內徑為D的不導磁管道，當導電液體在管道中以流速u流動時，導電流體就切割磁力線。
圖1 電磁流量計原理
如果在管道截面上垂直于磁場的直徑兩端安裝一對電極（圖1）則可以證明，只要管道內流速分布為軸對稱分布，兩電極之間也特產生感生電動勢：
式中，ū為管道截面上的平均流速。由此可得管道的體積流量為：
由上式可見，體積流量Q與感應電動勢e和測量管內徑D成線性關系，與磁場的磁感應強度B成反比，與其它物理參數(shù)無關。
2 電磁流量計的安裝
電磁流量計的正確安裝對電磁流量計的正常運行極為重要，也大大減少日后的維護工作量；電磁流量計的安裝要注意以下幾個問題
（1）安裝場所。
測量混合相流體時，應選擇不會引起相分離的場所；避免安裝在電動機、變壓器等強電設備附近，以免引起電磁場干擾；選擇測量管內不會出現(xiàn)負壓的場所；避免安裝在周圍有強腐蝕性氣體的場所；環(huán)境溫度一般應在-25~60℃范圍內，盡可能避免陽光直射；安裝在無振動或振動小的場所。如果振動過大，則應在傳感器 前后的管道加固定支撐；避免安裝在能被雨水直淋或被水浸沒的場所。
（2）直管段長度。
電磁流量計對表前直管段長度的要求比較低。一般，對于90°彎頭、T形三通、異徑管、全開閥門等流動阻力件，離傳感器電極軸中心線（不是傳感器進口端面）應有3~5D的直管段長度；對于不同開度的閥門，則要求有10D的直管段長度；傳感器后一般應有2D的直管段長度。當閥門不能全開時，如果使閥門截流方向與傳感器電極軸成45°安裝，可大大減小附加誤差。
（3）安裝位置和流動方向。
電磁流量計可以水平、垂直或傾斜安裝。水平安裝時，電磁流量計電極軸必須水平放置。這樣可以防止由于流體所夾帶的氣泡而產生的電極短時間絕緣；也可防止電極被流體中沉積物覆蓋。不應將電磁流量計安裝在最高點，以免有氣體積聚，安裝在管系最高處，為不良的安裝位置，應予以避免。
垂直安裝時，應使流動方向向上，這樣可使無流量或流量很小時，流體中所夾帶的較重的固體顆粒下沉，而較輕的脂肪類物質上升離開傳感器電極區(qū)。測量泥漿、礦漿等液固二相流時，垂直安裝可以避免固相覺沉淀和電磁流量計襯里不均勻磨損。傳感器安裝處應具有一定背壓，電磁流量計出口直接排空易造成測量管內液體非滿管，為不良的安裝位置，應予以避免。為了防止傳感器內產生負壓，電磁流量計應安裝在泵的后面，而不應安裝在泵的前面。
（4）安裝旁路管。
為了便于液流靜止時檢查和調整零點，中小管徑應盡可能安裝旁路管。在測量含有沉淀物流體時，應考慮便于清洗電磁流量計的安裝方式。如圖2。
圖2 電磁流量計旁路安裝
采用圖2安裝，即便是在生產中也可以切出來，進行維護和處理。
（5）接地。
由于電磁流量計的工作原理和特性，接地屏蔽外界電磁干擾特別重要；同時為了使測量準確和電極不會發(fā)生電流腐蝕，電磁流量計必須單獨接地，并使傳感器和流體大約處于相同電位。分離型電磁流量計，原則上接地應在流量計側，轉換器接地應在同一接地點，在大多數(shù)情況下，流量計的內裝參比電極或金屬管能確保所許的電位平衡。因此，可以通過內裝的參比電極和金屬管將管中流體接地，將流量計的接地片與接地線相連。如果傳感器安裝于帶陰極腐蝕保護管道上，除了流量計和接地環(huán)一起接地外，還要用粗銅線繞過流量計跨接在管道的兩法蘭上，使陰極保護電流與流量計之間隔離。對于金屬非接地管道，應用粗銅線連接，保證法蘭至法蘭和法蘭到流量計是連通的。對于非導電的塑料管或襯里管，如果沒有參比電極或由于電位平衡電流的存在，需將流體通過接地環(huán)接地。
3 電磁流量計在煤化工生產中的常見問題
電磁流量計作為當前流程工業(yè)廣泛使用的流量計，在應用過程中依據(jù)其故障與成因分為五類，下面就電磁流量計的這些常見故障的成因、檢測判別方法以及對故障的處理方式簡要闡述。
3.1 液體中含有氣泡和非滿管的現(xiàn)象
液體中含有氣泡的現(xiàn)場導致測量不準或測量值波動（輸出波動），液體中泡狀氣體的形成有從外界吸入和液體中溶解氣體（空氣）轉變成游離狀氣泡兩種途徑。若液體中含有較大氣泡，則因擦過電極時能遮蓋整個電極，使流量信號輸入回路瞬時開路，導致輸出信號出現(xiàn)波動。非滿管現(xiàn)象可以看作液體中含有氣泡的一種極端情況。液體未充滿管道可分為液面高度高于測量電極水平面或低于水平面兩種情況。當管內液面高于電極水平面時，若管系的前后直管段比較理想時，電磁流量計的測量大多能夠穩(wěn)定，但流量計所計量的液體體積包含了管內的氣體體積，故這種測量存在著很大的測量誤差。當管內液面高度低于電極表面時，此時電極裸露在空氣中，測量回路實際處于開路狀態(tài)。電磁流量計的測量值和輸出處于一種隨機的狀態(tài)，不停地波動或是滿度。這也是在非工作狀態(tài)即管道無液體介質時，電磁流量計指示隨機值，工藝人員有時會認為流量計出故障。
最簡單的判別方法是當遇到波動時，切斷磁場的勵磁回路電流，如果此時儀表依然有顯示且不穩(wěn)定時，說明大多是由于氣泡或非充滿管的影響造成。如果此時以萬用表測量電極電阻，可測量到電極的回路電阻要比正常時高；引起這方面的現(xiàn)象的多數(shù)還是在安裝方面的原因，電磁流量計的安裝合適與否直接影響到測量效果，同時對于被測介質中含有空氣的情況，如果判斷是由安裝位置引起的，如因電磁流量計裝在管道的高點而滯留氣體或外界吸入空氣造成流量計波動的話，更換安裝位置是最徹底的解決方法，在管線最低點或采用U型管安裝。但很多應用情況是口徑較大或者安裝的位置不易改換，建議在流量計上游安裝集氣包和排氣閥，在安裝了排氣裝置后，測量即恢復正常。在流量計安裝時盡量避免出現(xiàn)非滿管的情況，如前面提及的在管線最低端安裝或有意將流量計安裝在U型管道和垂直管道上。典型故障：煤氣化33單元P-3301AB出口流量，由于安裝在泵的出口高處水平管道上，造成工藝水沒充滿電磁流量計，造成指示波動大，即測量值和輸出處于一種隨機的狀態(tài)，不停地波動或是滿量程；工藝無法參考，把電磁流量計改裝到垂直管道或合適的水平管線上，才能徹底解決問題；存在同樣問題的還有33FT-0002、36FT-0001、36FT-0002，都是由于安裝位置不合適造成指示波動大。
3.2 電極腐蝕
在排除氣泡的因素后有因電極腐蝕而造成測量值晃動的情況，且都以傳感器失效而告終。
由于電極材料的選擇不當造成電極為被測液體所腐蝕，從而導致流量計輸出波動。電極一旦被腐蝕后，所造成的結果對此的解決方法，只有更換新的電極。
3.3 電極結垢及電極短路
電極短路的判別比較簡單，若被測介質中含有金屬物質時，電極短路較易診斷，此時測量值明顯偏小或趨于零。但這種現(xiàn)象在日常運行中并不多見。因電磁流量計經常應用于原水和污水等計量環(huán)境，電極結垢的發(fā)生幾率較高。當電極結垢時，表現(xiàn)為信號逐漸減小，直至絕緣而使得信號回路開路，此時流量信號被隔絕。
當被測介質的粘度較高時，易在管壁附著和沉淀，若附著的介質是比被測液體電導率高的導電物質，則信號電勢被分流而不能工作，即電極短路，若是非導電層，就是我們日常所說的電極結垢，則使電極開路而不能工作。結合工藝工況拆下清洗電磁流量計是一個比較徹底的方法。
典型案例：煤氣化14單元，渣池循環(huán)水泵P-1402AB出口去V-1402的渣池水的電磁流量計14FT-0003，由于渣池水含細渣和污垢，加上是水平安裝，更容易造成襯里和電極結垢，從而造成流量計的指示逐漸減小。解決方案，是管路進行改造，增加旁路，便于生產期間可以交出，清洗電磁流量計。
3.4 襯里變形
測量不準確或電磁流量計損壞。襯里變形，大多發(fā)生在氟塑料的襯里，氟塑料襯里特別是聚四氟乙烯（PTFE）襯里本身的工藝結構，因為聚四氟乙烯與管壁間僅靠壓貼，無粘結力，故不能用于負壓管道。聚四氟乙烯（PTFE）實用溫度不能大于150°，因此，聚四氟乙烯（PTFE）襯里的電磁流量計不能應用于高溫場合管道，若在高溫下瞬時形成負壓后則會引起襯里變形。
圖3 襯里變形后的電磁流量計
典型案例：殼牌煤化工裝置中，泵P-1601打到J-1602的電磁流量計16FT-0012，在生產工作過程中，指示逐漸變小，停車拆開檢查，檢查發(fā)現(xiàn)四氟襯里變形，向內鼓泡，如圖3：后分析原因發(fā)現(xiàn)管道介質溫度工況在150°以上，因電磁流量計是四氟襯里，使用溫度不應超過150°，另外工藝停泵P-1601，沒有打開排放，電磁流量計安裝位置又高，溫度冷卻冷凝后形成負壓，造成襯里變形。 |
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