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电磁流量计

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电磁流量计的安装以及在煤化工应用中常见的问题

来源:作者:发表时间:2018-08-18 10:32:23

 [摘 要] 电磁流量计是一种根据法拉第电磁感应定律来测量管内导电介质体积流量的感应式仪表,已在化工中得到广泛应用,在运行中的故障判别方法受到了国内外使用者的关注,特别是对电磁流量计的安装,直接决定着电磁流量计的能否正常运行和大大减少日后的维护。

 
1  测量原理
根据法拉第电磁感应定律,当一导体在磁场中运动切割磁力线时,在导体的两端即产生感应电势 e,其方向由右手定则确定,其大小与磁场的磁感应强度 B,导体在磁场内的长度 L 及导体的运动速度 u 成正比,如果 B,L,u 三者互相垂直,则:
e=Blu (1)
 
与此相仿,在磁感应强度为 B 的均匀磁场中,垂直于磁场方向放一个内径为 D 的不导磁管道,当导电液体在管道中以流速 u流动时,导电流体就切割磁力线。
电磁流量计原理图
如果在管道截面上垂直于磁场的直径两端安装一对电极(图1)则可以证明,只要管道内流速分布为轴对称分布,两电极之间也特产生感生电动势:
e=BDū (2)
式中,ū 为管道截面上的平均流速。由此可得管道的体积流量为:
20180818103348.jpg
 
由上式可见,体积流量 Q 与感应电动势 e 和测量管内径 D 成线性关系,与磁场的磁感应强度 B 成反比,与其它物理参数无关
 
2 电磁流量计的安装
电磁流量计的正确安装对电磁流量计的正常运行极为重要,也大大减少日后的维护工作量;电磁流量计的安装要注意以下几个问题:
(1) 安装场所。测量混合相流体时,应选择不会引起相分离的场所;避免安装在电动机、变压器等强电设备附近,以免引起电磁场干扰;选择测量管内不会出现负压的场所;避免安装在周围有强腐蚀性气体的场所;环境温度一般应在 -25~60  ℃范围内,尽可能避免阳光直射;安装在无振动或振动小的场所。如果振动过大,则应在传感器前后的管道加固定支撑;避免安装在能被雨水直淋或被水浸没的场所。
 
(2) 直管段长度。电磁流量计对表前直管段长度的要求比较低。一般,对于 90° 弯头、 T 形三通、异径管、全开阀门等流动阻力件,离传感器电极轴中心线 ( 不是传感器进口端面 ) 应有 3~5 D 的直管段长度;对于不同开度的阀门,则要求有 10 D 的直管段长度;传感器后一般应有 2 D 的直管段长度。当阀门不能全开时,如果使阀门截流方向与传感器电极轴成 45° 安装,可大大减小附加误差。
 
(3) 安装位置和流动方向。电磁流量计可以水平、垂直或倾斜安装。水平安装时,电磁流量计电极轴必须水平放置。这样可以防止由于流体所夹带的气泡而产生的电极短时间绝缘;也可防止电极被流体中沉积物覆盖。不应将电磁流量计安装在最高点,以免有气体积聚,安装在管系最高处,为不良的安装位置,应予以避免。垂直安装时,应使流动方向向上,这样可使无流量或流量很小时,流体中所夹带的较重的固体颗粒下沉,而较轻的脂肪类物质上升离开传感器电极区。测量泥浆、矿浆等液固二相流时,垂直安装可以避免固相觉沉淀和电磁流量计衬里不均匀磨损。传感器安装处应具有一定背压,电磁流量计出口直接排空易造成测量管内液体非满管,为不良的安装位置,应予以避免。为了防止传感器内产生负压,电磁流量计应安装在泵的后面,而不应安装在泵的前面。
 
(4) 安装旁路管。为了便于液流静止时检查和调整零点,中小管径应尽可能安装旁路管。在测量含有沉淀物流体时,应考虑便于清洗电磁流量计的安装方式。如图 2 。
 电磁流量计旁路安装
采用图 2 安装,即便是在生产中也可以切出来,进行维护和处理。
 
(5) 接地。
由于电磁流量计的工作原理和特性,接地屏蔽外界电磁干扰特别重要;同时为了使测量准确和电极不会发生电流腐蚀,电磁流量计必须单独接地,并使传感器和流体大约处于相同电位。分离型电磁流量计,原则上接地应在流量计侧,转换器接地应在同一接地点,在大多数情况下,流量计的内装参比电极或金属管能确保所许的电位平衡。因此,可以通过内装的参比电极和金属管将管中流体接地,将流量计的接地片与接地线相连。如果传感器安装于带阴极腐蚀保护管道上,除了流量计和接地环一起接地外,还要用粗铜线绕过流量计跨接在管道的两法兰上,使阴极保护电流与流量计之间隔离。对于金属非接地管道,应用粗铜线连接,保证法兰至法兰和法兰到流量计是连通的。对于非导电的塑料管或衬里管,如果没有参比电极或由于电位平衡电流的存在,需将流体通过接地环接地。
 
3  电磁流量计在煤化工生产中的常见问题
电磁流量计作为当前流程工业广泛使用的流量计,在应用过程中依据其故障与成因分为五类,下面就电磁流量计的这些常见故障的成因、检测判别方法以及对故障的处理方式简要阐述。
 
3.1  液体中含有气泡和非满管的现象
液体中含有气泡的现场导致测量不准或测量值波动 ( 输出波动 ) ,液体中泡状气体的形成有从外界吸入和液体中溶解气体 ( 空气 ) 转变成游离状气泡两种途径。若液体中含有较大气泡,则因擦过电极时能遮盖整个电极,使流量信号输入回路瞬时开路,导致输出信号出现波动。非满管现象可以看作液体中含有气泡的一种极端情况。液体未充满管道可分为液面高度高于测量电极水平面
或低于水平面两种情况。当管内液面高于电极水平面时,若管系的前后直管段比较理想时,电磁流量计的测量大多能够稳定,但流量计所计量的液体体积包含了管内的气体体积,故这种测量存在着很大的测量误差。当管内液面高度低于电极表面时,此时电极裸露在空气中,测量回路实际处于开路状态。电磁流量计的测量值和输出处于一种随机的状态,不停地波动或是满度。这也是在非工作状态即管道无液体介质时,电磁流量计指示随机值,工艺人员有时会认为流量计出故障。
 
最简单的判别方法是当遇到波动时,切断磁场的励磁回路电流,如果此时仪表依然有显示且不稳定时,说明大多是由于气泡或非充满管的影响造成。如果此时以万用表测量电极电阻,可测量到电极的回路电阻要比正常时高;引起这方面的现象的多数还是在安装方面的原因,电磁流量计的安装合适与否直接影响到测量效果,同时对于被测介质中含有空气的情况,如果判断是由安装位置引起的,如因电磁流量计装在管道的高点而滞留气体或外界吸入空气造成流量计波动的话,更换安装位置是最彻底的解决方法,在管线最低点或采用 U 型管安装。但很多应用情况是口径较大或者安装的位置不易改换,建议在流量计上游安装集气包和排气阀,在安装了排气装置后,测量即恢复正常。在流量计安装时尽量避免出现非满管的情况,如前面提及的在管线最低端安装或有意将流量计安装在 U 型管道和垂直管道上。典型故障:煤气化 33 单元 P-3301AB 出口流量,由于安装在泵的出口高处水平管道上,造成工艺水没充满电磁流量计,造成指示波动大,即测量值和输出处于一种随机的状态,不停地波动或是满量程;工艺无法参考,把电磁流量计改装到垂直管道或合适的水平管线上,才能彻底解决问题;存在同样问题的还有 33FT-0002 、 36FT-0001 、36FT-0002 ,都是由于安装位置不合适造成指示波动大。
 
3.2  电极腐蚀
在排除气泡的因素后有因电极腐蚀而造成测量值晃动的情况,且都以传感器失效而告终。
 
由于电极材料的选择不当造成电极为被测液体所腐蚀,从而导致流量计输出波动。电极一旦被腐蚀后,所造成的结果对此的解决方法,只有更换新的电极。
 
3.3  电极结垢及电极短路
电极短路的判别比较简单,若被测介质中含有金属物质时,电极短路较易诊断,此时测量值明显偏小或趋于零。但这种现象在日常运行中并不多见。因电磁流量计经常应用于原水和污水等计量环境,电极结垢的发生几率较高。当电极结垢时,表现为信号逐渐减小,直至绝缘而使得信号回路开路,此时流量信号被隔绝。
 
当被测介质的粘度较高时,易在管壁附着和沉淀,若附着的介质是比被测液体电导率高的导电物质,则信号电势被分流而不能工作,即电极短路,若是非导电层,就是我们日常所说的电极结垢,则使电极开路而不能工作。结合工艺工况拆下清洗电磁流量计是一个比较彻底的方法。
 
典型案例:煤气化 14 单元,渣池循环水泵 P-1402AB 出口去V-1402 的渣池水的电磁流量计 14FT-0003 ,由于渣池水含细渣和污垢,加上是水平安装,更容易造成衬里和电极结垢,从而造成流量计的指示逐渐减小。解决方案,是管路进行改造,增加旁路,便于生产期间可以交出,清洗电磁流量计。
 
3.4  衬里变形
测量不准确或电磁流量计损坏。衬里变形,大多发生在氟塑料的衬里,氟塑料衬里特别是聚四氟乙烯 (PTFE) 衬里本身的工艺结构,因为聚四氟乙烯与管壁间仅靠压贴,无粘结力,故不能用于负压管道。聚四氟乙烯 (PTFE) 实用温度不能大于 150° ,因此,聚四氟乙烯 (PTFE) 衬里的电磁流量计不能应用于高温场合管道,若在高温下瞬时形成负压后则会引起衬里变形。
衬里变形后的电磁流量计
典型案例:壳牌煤化工装置中,泵 P-1601 打到 J-1602 的电磁流量计 16FT-0012 ,在生产工作过程中,指示逐渐变小,停车拆开检查,检查发现四氟衬里变形,向内鼓泡,如图 3 :后分析原因发现管道介质温度工况在 150° 以上,因电磁流量计是四氟衬里,使用温度不应超过 150° ,另外工艺停泵 P-1601 ,没有打开排放,电磁流量计安装位置又高,温度冷却冷凝后形成负压,造成衬里变形。
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