一、引言
氯碱烧碱生产过程中的液体介质多为腐蚀性较强电解质,如盐水、盐酸、烧碱、次氯酸钠等;这种强腐蚀性生产工艺环境及电磁流量计抗腐蚀方面的优点,决定了电磁流量计在氯碱烧碱工序中正被**地应用。为实现流量的准确、可靠测量,节约投资成本,电磁流量计的正确选型显得尤为重要。下面,作者就氯碱烧碱生产过程中电磁流量计设计选型及应用方面的体会和经验作些总结。
二、电磁流量计的工作原理
电磁流量计的测量原理是基于法拉第电磁感应定律:即导体介质在磁场介质中切割磁力线运动时在其两端产生感应电动势。如图1所示,导电介质在垂直于磁场的非磁性测量管内流动,与流动方向垂直的方向上产生与流量成比例的感应电势,电动势的方向按“弗来明右手规则”,其感应电势E为:E=KBVD
式中:E一一感应电动势(与流速成正比);K一一比例常数;B一一磁场强度(线圈电感);V一一测量管内介质的平均流;D一一电极间距(测量管的内径);测量流量时,其感应电势通过二个与介质直接接触的测量电极检测出来,并通过电缆送至转换器进行智能化处理,然后在LCD上显示或转换成标准信号4~20mA和0~1kHz输出。图一电磁流量计工作原理图
三、流量计口径的确定
电磁流量计能够测量较宽流量(流速)范围的流体,通常为流速0.3~10.0m/s;流量计的口径一般等于工艺管道口径,亦可小于或大于工艺管道口径。流量计口径的确定主要是根据工艺上的体积流量,结合工艺管道的尺寸,兼顾测量准确性、经济性和耐用性方面考虑,选择合适的流量计口径,使通过传感器的流体平均流速在合适的范围内,推荐使用的流速范围一般为1.0~5.0m/s。在这个范围内,流量计测量精度高、线性好、压损小,介质对流量计衬里和电极的磨损也相对较小些。此外,对于含有固体悬浮颗粒的流体介质,推荐使用的流速范围为1.0~3.0m/s,这样有助于避免流速过高造成固体悬浮颗粒对流量计衬里和电极的过快磨损,延长使用寿命,如盐泥流量;而对于易结晶、黏度稍大或有沉积物的流体介质,可适当地提高流速,推荐使用的流速范围为3.0~5.0m/s,这样有助于测量电极的自清洁、防止电极粘附,如50%烧碱流量。
流速、流量与口径三者关系如下式:V=354Q/D2式中:V一**速,m/s;Q一**量,m³/h;D一一口径,mm。
例如,在烧碱电解工序中,进电解槽的盐水流量计量程为0~50m³/h,工艺管道口径为DN100;当电磁流量计的口径分别选择DN100和DN80时,根据上述公式计算,盐水的流速分別为1.77m/s和2.76m/s;计算结果均在推荐使用的流速范围,但从经济性方面考虑,选择DN80口径的流量计要比选择DN100口径的流量计可节约14~1/5的投资成本,此时,应该选用DN80口径的流量计。
四、流量计测量电极、衬里材料的选型及应用
1.测量电极材料的选型及应用
电磁流量计的测量电极是与工艺介质直接接触的**金属材料,其作用是与导线连接将测量管中产生的微弱感应电动势传输到转换器中的检测单元。由于电磁流量计的电极部分处于工作磁场中,为防止磁力线在电极上集中,电极材料必须使用非导磁的金属材料;并根据工况介质对金属材料的腐蚀速率(mm/a),即每年被腐蚀掉的金属厚度)来确定不同的工况介质选择不同的金属材料。下面通过图表一的方式介绍在氯碱烧碱工序中常用的几种电极材料及其使用范围。
2.测量管衬里材料的选型及应用
电磁流量计正常工作的基本条件之一,是测量管内壁除电极处外,其它地方的法向电流为零。为满足这一条件,zui简单的方法是将导电的金属测量管内壁和法兰端面衬以绝缘衬里。通俗地讲,用绝缘衬里的目的是防止感应信号电压被金属管短路,可见绝缘衬里在电磁流量计应用中的作用十分重要。由于被测測导电介质的流体种类繁多,它们的物理化学特性也不尽相同,不可能用一种绝缘材料的衬里来满足所有应用电磁流量计的测量流体介质的物理化学特性要求;因此,在衬里材料的选型上,应重点考虑测量介质对衬里的耐温度、热冲击、高压、负压、磨损、腐蚀、粘结、附着等方面的要求。下面通过图表二的方式介绍常见的电磁流量计测量管衬里材料的主要性能特点及适用范围。
五、氯碱烧碱工序中接地环和接地电极的选型及应用
1.接地环和接地电极的作用
电磁流量计在工作过程中检测到的流量信号电势极小,通常只有几个毫伏的电势信号;而导电流体在任何管道(绝缘或非绝缘)中流动时也会产生电势,这个电势不是流量信号本身,它是“干扰信号”;尤其是在导电性能优良的流体中,如盐水、酸碱溶液等,其流动过程中产生的干扰信号大小甚至会超过流量信号本身。这个“干扰信号”在流经电磁流量计测量管时会叠加在流量信号电势上,从而造成转换器测量到的流量信号失真。由于电磁流量计转换器的输入放大器通常为差动输入设计,那么,其中一个“等电位的公共参考地”是需的,这个“公共参考地”是测量的基础。对于电磁流量计的测量原理来说,接地环与接地电极是流量计接地的两种形式,其作用是一样的,即通过接地环或接地电极与测量介质直接接触、经表売与转换器的输入放大器的“工作地”相连,使得放大器的“工作地”与信号源的“地”连接在一起,共同形成一个等电位的“公共参考地”;以此消除“干扰信号”对流量测量的影响,确保测量结果的准确性。
2.接地环和接地电极的选型与应用
2.1材料的选型
接地环或接地电极的材料选择,原则上应选择与测量电极相同材料。在选择接地环形式接地时,从节约投资成本考虑,接地环的材料亦可选择价格相对较低、耐腐蚀性稍弱的材料;如在测量盐水流量中,电磁流量计测量电极的材料应选择钽材Ta,但接地环可以选择价格相对便宜的钛材i。需要特别说明的是,在选择不可维修更换的接地电极形式接地时,降低接地电极材料的耐腐蚀性会降低流量计测量管的整体使用寿命。
2.2接地形式的选型及应用
作为电磁流量计接地的两种不同形式,接地环和接地电极都可以实现等电位的“公共参考地”、消除干扰的目的,但两种接地形式在使用过程中又有其各自的优缺点。选用接地环形式可以保护衬里的翻边不受损伤,但比较耗材,尤其是在测量盐水、盐酸、高温烧碱等强腐蚀性介质时,对材质的要求很高,多为一些如Ta、Ti、Hc-276等贵金属,使用接地环形式“接地”会大大增加投资成本。生产实践中,在介质输送管道为导电的金属管道且流量计衬里不需要特别保护的情况,可在靠近电磁流量计体两侧的金属管道或与管道焊接的配对法兰上焊接“接地支耳”,以此实现可靠接地。相反,选用接地电极形式比较省材投资成本相对较低,尤其是在氯碱烧碱工序中,多数强腐蚀性介质的输送管道为非导电性的衬塑管或绝缘塑料管,不可能通过焊接“接地支耳”的方式实现可靠接地,而只能选择接地环或接地电极的形式接地,在此情形下,一般应选用接地电极的形式接地;但由于接地电极一般都安装固定在电磁流量计测量管的zui低点,在输送管道容易结垢的工况条件下,接地电极会因结垢被覆盖而失去“接地”的作用,特别是流量计水平安装时,选用接地电极应予以慎重考虑。鉴于电解盐水工艺的特殊性,二次盐水精制中的电磁流量计,特别是zui靠近电解槽的电磁流量计,如进电解槽的盐水、烧碱和盐酸流量计,不得选用接地电极形式接地。这是因为,电解槽中的电解质通常有3000~14700A的直流电流,通过导电的液体介质容易发生漏电现象,“漏电”到达流量计测量管时,会流经接地电极对地放电,使得金属制作的接地电极发生电化学反应,从而电化学腐蚀接地电极,造成接地电极损坏,致使电磁流量计无法正常工作。
六、结论
综上所述,尽管氯碱烧碱生产过程中的工况条件较为复杂,给电磁流量计的选型和应用带来了诸多困难;尽管如此,由于我们在仪表选型时很好地了解了工况条件并结合了现场的实际情况,以及在运行期间的精心操作与维护,目前,烧碱工序中在线使用的近50台电磁流量计运行状况良好,损坏率不超过1台年,确保了烧碱生产安全稳定运行;并持续改进,尽量降低投资成本
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