1　前　言
　　某造紙廠年產(chǎn)1.5×105t本色商品木漿工程,其制漿生產(chǎn)線(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)流量測(cè)量?jī)x表多數(shù)采用電磁流量計(jì)。
　　經(jīng)過(guò)四年的運(yùn)行,在連蒸系統(tǒng)中,監(jiān)測(cè)連續(xù)蒸煮轉(zhuǎn)送循環(huán)流量的電磁流量計(jì),因工作環(huán)境條件惡劣(壓力1200kPa、溫度160℃、介質(zhì)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(zhuǎn)送循環(huán)儀表無(wú)法運(yùn)行,工藝人員只能憑經(jīng)驗(yàn)操作。當(dāng)流量低于一定值時(shí),容易引起轉(zhuǎn)送管道的堵塞,導(dǎo)致整條設(shè)備線(xiàn)停機(jī)。
2　解決思路
　　由于進(jìn)口電磁流量計(jì)價(jià)格昂貴,到貨周期長(zhǎng),而國(guó)內(nèi)同口徑的電磁流量計(jì)的技術(shù)指標(biāo)達(dá)不到特定工作環(huán)境的要求;據(jù)故障技術(shù)分析,原先的進(jìn)口電磁流量計(jì)(正常運(yùn)行時(shí)間累計(jì)不滿(mǎn)兩年)也是因無(wú)法適應(yīng)特定環(huán)境的檢測(cè)工作而損壞的。為了盡快解決生產(chǎn)上的難題,采用了小口徑電磁流量計(jì)測(cè)量分流支管流量的辦法,目前國(guó)內(nèi)電磁流量計(jì)無(wú)法同時(shí)滿(mǎn)足高溫、高壓、耐腐蝕、大通徑的技術(shù)要求。
　　電磁流量計(jì)的測(cè)量原理是基于法拉第電磁感應(yīng)定律。即:導(dǎo)電液體在磁場(chǎng)中作切割磁力線(xiàn)運(yùn)動(dòng)時(shí),導(dǎo)體中產(chǎn)生感應(yīng)電壓,其感應(yīng)電壓為:
U=kB`nD
式中:
k———儀表常數(shù);
B———磁感應(yīng)強(qiáng)度;
`n———測(cè)量管截面內(nèi)的平均流速;
D———測(cè)量管的內(nèi)直徑。
　　測(cè)量流量時(shí)(圖1),流體流過(guò)垂直于流動(dòng)方向的磁場(chǎng),導(dǎo)電性流體的流動(dòng)感應(yīng)出一個(gè)與平均流速(亦即體積流量)成正比的電壓(因此要求被測(cè)的流動(dòng)液體具有最低限度的電導(dǎo)率),其感應(yīng)電壓信號(hào)通過(guò)二個(gè)與液體直接接觸的電極檢出,并通過(guò)電纜傳送至放大器,然后轉(zhuǎn)換成統(tǒng)一輸出信號(hào)。

　　已知正常運(yùn)行時(shí),原轉(zhuǎn)送循環(huán)的設(shè)定流量范圍為0～QTL/s(下標(biāo)1表示主管,下標(biāo)2表示支管,下標(biāo)T表示總管),這時(shí)對(duì)應(yīng)輸出的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)為4～20mADC,該信號(hào)經(jīng)送往DCS(集散控制系統(tǒng))運(yùn)算后,顯示在操作監(jiān)視器上為0～QTL/s的流量。若設(shè)計(jì)的分流支管中的最大流量Q2和主管的流量Q1之和為轉(zhuǎn)送循環(huán)總管最大流量QTL/s,那么可以通過(guò)設(shè)定支管電磁流量計(jì)的量程為0～QTL/s,則其對(duì)應(yīng)的輸出標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)也為4～20mADC,經(jīng)DCS運(yùn)算后,顯示在操作監(jiān)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(shè)計(jì)及儀表選型

　　雖然流量控制閥不是安裝在并聯(lián)管路的主管上,但可參考并聯(lián)管路中的工作流量特性:
X=Q全開(kāi)/Qmax
式中:
Q全開(kāi)———主管控制閥全開(kāi)時(shí)通過(guò)的流量;
Qmax———工藝總管流體通過(guò)的最大流量。
　　假設(shè)主管上裝有一個(gè)常全開(kāi)的流量控制閥。系數(shù)X值主要反映理想流量特性畸變的嚴(yán)重程度。理想流量特性主要是指閥的前、后壓差恒定時(shí),流體通過(guò)閥門(mén)的流量與開(kāi)度之間的關(guān)系,理想流量特性主要取決于閥芯的形狀,分為線(xiàn)性、對(duì)數(shù)、快開(kāi)、拋物線(xiàn)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(duì)數(shù)型,因?yàn)檫@與轉(zhuǎn)換器輸出信號(hào)欲與被控變量(流量)Q成正比及負(fù)荷(產(chǎn)量)變化有關(guān)。當(dāng)X=1時(shí),即旁路閥全關(guān),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(xiàn)沒(méi)有變化,但管路系統(tǒng)的可控比將大大降低,泄漏量增大;另外,實(shí)際系統(tǒng)總是同時(shí)存在串聯(lián)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(tǒng)的可控比進(jìn)一步下降。導(dǎo)致控制閥實(shí)際可調(diào)的變化流量范圍更小,甚至不起控制作用。所以,控制閥并聯(lián)于管路這種工作方式不好(注意:我這里僅是假設(shè),實(shí)際的流量控制閥安裝在工藝總管上)。設(shè)計(jì)中,一般要求X值不應(yīng)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(nèi)徑dT為300mm,正常運(yùn)行時(shí),轉(zhuǎn)送循環(huán)設(shè)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(chǎn)能力才達(dá)到80%左右,還有預(yù)期擴(kuò)大生產(chǎn)等因素,故假設(shè)今后正常運(yùn)行時(shí),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(shè)計(jì)尺寸為:

　　選用直徑為58×4.0mm的無(wú)縫鋼管作為支管管路。參考有關(guān)電磁流量計(jì)選型設(shè)計(jì)資料,最后選用分體式電磁流量計(jì),傳感器型號(hào)為AE205G-CS2-ESJ/ECG(DN50PN25Tmax=180℃陶瓷襯里),采用如圖3的分流支管測(cè)量流量。
4　核定量程
　　由于電磁流量轉(zhuǎn)換器的量程適應(yīng)范圍廣,新工程剛上馬,流速處于較低的狀態(tài),當(dāng)后期工程上去后,管內(nèi)流速就處于較高狀態(tài),只要在現(xiàn)場(chǎng)更改儀表的滿(mǎn)量程就能適應(yīng),不需要更換儀表。因此,要設(shè)定支管電磁流量計(jì)的量程,必須知道經(jīng)過(guò)支管的流速V2,而V2為未知,但我們知道,并聯(lián)管路除遵循質(zhì)量守衡、能量守衡的原則外,還受各支管的流動(dòng)阻力(內(nèi)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(guī)律,即:
∑hf1=∑hf2或

式中:
hf———1kg流體流動(dòng)時(shí)為克服摩擦阻力而損失的能量,J/kg;
L、Le———直管的長(zhǎng)度及管件的當(dāng)量長(zhǎng)度,m;
V———速度,m/s;
d———圓管內(nèi)徑,m;
λ———摩擦系數(shù),無(wú)因次。
　　已知主管內(nèi)徑d1為300mm的鋼管輸送156℃的蒸煮液,在3000mm長(zhǎng)的一段主管路上并聯(lián)了一根內(nèi)徑d2為50mm的鋼管,其上裝有電磁流量計(jì),45°彎頭2個(gè)(選用45°彎頭的目的是避免主管流速太高時(shí),支管產(chǎn)生逆向環(huán)流;或主管流速太低時(shí),支管可能沒(méi)有流量),切斷閥2個(gè)(設(shè)置手動(dòng)旁路切斷閥的主要目的在于當(dāng)電磁流量計(jì)發(fā)生故障時(shí)切斷旁路,便于檢修,保證工藝過(guò)程繼續(xù)進(jìn)行)。管道中輸送的蒸煮液(大部分為循環(huán)利用的稀黑液),經(jīng)化驗(yàn)得知,其密度ρ為1088kg/m3,粘度μ為0.003Pa·s。
根據(jù)質(zhì)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(nèi)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(duì)粗糙度ε/d及雷諾準(zhǔn)數(shù)Re即可查出λ,但查λ時(shí)又要有v的數(shù)值,故無(wú)法查λ值,此時(shí)可以采用試差計(jì)算法:根據(jù)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn),在管道常用的速度范圍,假設(shè)一個(gè)合適的流速,從而可以算出Re值,然后從摩擦系數(shù)與Re數(shù)及相對(duì)粗糙度間的關(guān)系圖中查出λ,用式(2)計(jì)算∑hf,先算出∑hf2作為參照值,最后根據(jù)式(3)及式(2)求算∑hf1,若算出∑hf1=∑hf2,則說(shuō)明所設(shè)的v值合適,否則再另設(shè)v值,重復(fù)上述計(jì)算,直至算出的∑hf1=∑hf2為止。
假設(shè)v2=0.32m/s,由式(3)算出
v1=(132.48-v2)/36=3.67(m/s)
根據(jù)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(duì)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(jì)算閥門(mén)、管件的當(dāng)量長(zhǎng)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(mén)的阻力系數(shù)與當(dāng)量長(zhǎng)度數(shù)據(jù)表中查得:
45°彎頭　　0.85m
全開(kāi)截止閥　15m
總當(dāng)量長(zhǎng)度　∑Lei=0.85×2+15×2=31.7(m)
直管長(zhǎng)度　3m
傳感器測(cè)量管阻力系數(shù)　ξ2=0.02(廠家提供),因此:

=1.39(J/kg)
　　由計(jì)算結(jié)果知,∑hf1≈∑hf2,所以選用支管流速v2=0.32m/s是合適的。
根據(jù)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(yīng)設(shè)為0～0.628L/s。
　　最后,通過(guò)對(duì)不同產(chǎn)量下流量控制的比對(duì),監(jiān)視器顯示的流量與實(shí)際流量變化趨勢(shì)一致,這說(shuō)明了對(duì)支管流量量程的核定是比較理想的。
5　保護(hù)措施
　　為了延長(zhǎng)電磁流量計(jì)的使用壽命,把分流支管中流體的溫度降低20～30℃,這雖然會(huì)引起流體粘度和密度的一定變化,對(duì)流速產(chǎn)生影響,但這個(gè)影響很小,在實(shí)際流量測(cè)量中可以忽略。降溫后的流體匯入總管時(shí),對(duì)工藝參數(shù)的影響也可以忽略。支管中流體溫度降低20～30℃,這對(duì)電磁流量計(jì)來(lái)說(shuō),其工作環(huán)境大大改善。在安裝電磁流量計(jì)時(shí),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(jì)的使用壽命得到延長(zhǎng)。
6　結(jié)束語(yǔ)
　　由于進(jìn)口設(shè)備、表計(jì)價(jià)格昂貴,到貨周期長(zhǎng)。從價(jià)格上考慮對(duì)于大口徑電磁流量計(jì),口徑越大,價(jià)格越高。而采用小口徑、陶瓷襯里的電磁流量計(jì),不僅可以使儀表運(yùn)行在較好的工作狀態(tài)下,還可降低儀表的投資費(fèi)用。

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