電磁流量計在水煤漿測量中的應用和實踐

前言：水煤漿 是一種新型清潔的能源 。開發(fā)生產(chǎn)和應用這種新型能源，符合我國的國情，具有十分重要的經(jīng)濟意義和戰(zhàn)略意義。在水煤漿的生產(chǎn)和 管道輸送過程中，必須進行計量和檢測。由于水煤漿是固液兩相流，存在沉 淀和磨蝕問題，電磁流量計 以其測量管內(nèi)無阻流部件，測量不受密度、粘度 影響等特點，成為首選（其它種類的流量計很難勝任）。
　　摘要：水煤漿是一種新型的潔凈能源，是在煤的基礎上，與水和水煤漿的添加劑經(jīng)過技術(shù)深加工而成的產(chǎn)品，水煤漿產(chǎn)品是象油一樣的液體，又能 像油一樣的燃燒，在燃燒值相同的情況下，兩噸的水煤漿可替代一噸燃油， 可廣泛的應用于各種工業(yè)鍋爐和燃油鍋爐以及煤化工行業(yè)，是燃油的理想替 代產(chǎn)品，在能源緊張的今天，具有十分重要的經(jīng)濟意義和戰(zhàn)略意義。
　　本文通過國內(nèi)應用實例和實踐經(jīng)驗，分析了電磁流量計在新型能源一一 水煤漿的生產(chǎn)和使用過程中，電磁流量計做為計量和檢測儀表，在測量控制 過程當中所起的重要作用，以及在應用中出現(xiàn)問題的一些應對措施和解決方案。
　　關(guān)鍵詞：煤改油   水煤漿   電磁流量計   水煤漿測量和控制
　　一、水煤漿和應用水煤漿的現(xiàn)實意義
　　水煤漿是由60%～70%的煤粉+39%～29%的水+1%的化學添加劑，經(jīng)過一定的工藝流程加工而成的。它具有較好的流動性和穩(wěn)定性，具有象燃料油一樣的泵送、運輸儲存和霧化燃燒，是一種替代燃料油的新型低污染的燃料，它 與直接用煤燃燒相比，具有污染小，安全和勞動強度低的優(yōu)點；與直接用燃 油和直接用天然氣燃燒相比控制工程網(wǎng)版權(quán)所有 ，具有成本低的優(yōu)勢，為稱為液體煤炭產(chǎn)品。可 廣泛的應用在工業(yè)鍋爐和電力行業(yè)以及煤化工行業(yè)，已逐步跨入替代燃油、 天然氣、煤氣、煤粉等能源產(chǎn)品領域的新型燃料。從長遠看，水煤漿的發(fā)展 潛力和市場需求量相當巨大。
　　5、水煤漿氣化原理 水煤漿氣化原理是部分氧化反應原理 主要反應過程是經(jīng)過計量的水煤漿和氧氣，在氣化爐中高溫（1300～1400℃高壓（2.8～28.7MPa）條件下部分氧化，生成H2、CO、C2O和水，除去灰渣， 得到合成氣。這種合成氣是化肥、甲醇等產(chǎn)品的原料，H2可用來加氫，直接或 間接制油，而H2和CO可作城市煤氣，或作燃料氣，用于聯(lián)合循環(huán)發(fā)電。
　　6、水煤漿應用示意圖：

　　二、水煤漿
　　1、水煤漿是由質(zhì)量分數(shù)為 60%～70%的干煤粉、20%～39%的水和 1%添加劑 組成，它即保持了煤炭原有的物理特性，又具有像石油一樣的流動性和穩(wěn)定 性，被稱為液態(tài)煤炭產(chǎn)品。近年來，由于煤炭資源豐富，價格便宜，水煤漿 的加工方法又簡單，與煤炭的氣化、液化技術(shù)相比投資少，成本低，作為代 油燃料受到世界各國的普遍重視。
　　2、由于水煤漿具有較強的觸變性，當其受到強烈的剪切作用時，內(nèi)部結(jié) 構(gòu)遭到破壞，粘度降低，輸送阻力減小；而當其處于原始狀態(tài)時，粘度較大， 輸送阻力亦較大。故水煤漿在管內(nèi)存放一段時間后再啟動時，其啟動壓力較 大，經(jīng)過一段時間輸送后壓力減小，并逐步趨于某一穩(wěn)定數(shù)值，這個穩(wěn)定數(shù) 值即穩(wěn)定輸送阻力。
　　3、水煤漿中煤的粒度 水煤漿中煤的粒度大小和級配關(guān)系到煤漿的粘度，直接影響煤漿的觸變
　　性、穩(wěn)定性和霧化燃燒效果，合格的水煤漿平均粒度應為 50～55μm，最大粒 度控制在 300μm 以內(nèi)，且最大粒度不應超過總量的 2%，75%的粒度應當小于
　　74μm、10μm 的粒度含量應為 20%左右。
　　4、水煤漿添加劑是一類表面活性物質(zhì)，能夠使煤粒子在水中穩(wěn)定、均勻 的分散，是制備水煤漿不可缺少的化學助劑。
　　水煤漿添加劑是水煤漿的核心技術(shù)之一，可提高煤漿的成漿濃度，減少水的用量，良好的分散性能，能使不同粒徑的煤粉均勻地分布地水中，形成高度分散的煤水混合物，具有剪切變稀的流變性能，能象油一樣具有流動性和穩(wěn)定性。能使水煤漿不僅適合管道輸送，而且還能適合不同運輸工具的長 途運輸。
　　三、電磁流量計
　　電磁流量計是一種應用法拉第電磁感應定律的流量計，菲格瑞思 產(chǎn)品系 引進國外電磁流量計最新技術(shù)制造。
　　1、工作原理（圖 1）
　　電磁流量計測量原理乃基于法拉第電磁 感應定律。流量計的測量管是一內(nèi)襯絕緣材料的非導磁合金短管。兩只電極沿管徑方向穿通管壁固定的在測量管上，其電極頭與襯里內(nèi)表面基本齊平。勵磁線圈 向方波脈沖勵磁時，將在與測量管軸線垂直的方向上產(chǎn)生一磁通量密度為 B 的工作磁場。此時，如果具有一定電導率的流體流經(jīng)測量管，將切割磁力線感應 出電動勢 E。電動勢 E 正比于磁通量密度 B、測量管內(nèi)徑 d 與平均流速 V 的乘積控制工程網(wǎng)版權(quán)所有 ，電動勢 E（流量信號）由電極檢出并通過電纜送至轉(zhuǎn)換器。轉(zhuǎn)換器將流量信號放大處理后，可顯示流量、總量，并能輸出脈沖、模擬電流等信號，用于流量的控制或調(diào)節(jié)。

圖1

　　2、產(chǎn)品特點
　　1）測量不受流體密度、粘度、溫度、壓力和電導率變化的影響；
　　2）測量管內(nèi)無阻礙流動部件，無壓損，直管段要求較低；
　　3）傳感器襯里和電極材料有多種選擇，適合多種液體和漿液測量；
　　4）轉(zhuǎn)換器彩用新穎勵磁方式，功耗低、零點穩(wěn)定、精確度高。轉(zhuǎn)換器可與傳感器組成一體型或分離型；
　　5）轉(zhuǎn)換器采用高性能微處理器，參數(shù)設定方便，編程可靠；
　　6）流量計為雙向測量系統(tǒng)，可顯示正、反流量，具有多種輸出：電流、脈沖、數(shù)字通訊、HART；
　　7）轉(zhuǎn)換器采用表面安裝技術(shù)（SMT），具有自檢和自診斷功能；
　　8）防爆型儀表可用于相應的防爆場所。
　　3、電磁流量計以其高精度、無壓損的特點深受市場的歡迎，電子技術(shù)的 發(fā)展和應用使電磁流量計采用了高性能的 CPU  微處理器為核心進行流量信號 的采樣處理，轉(zhuǎn)換器采用新穎的勵磁方式，功耗底，零點穩(wěn)定，測量精確度 高，且具有智能化的自檢和自診斷功能。我公司采用引進國外公司的 先進流量計技術(shù)，在我公司進行大批量生產(chǎn)，廣泛應用于國內(nèi)的 冶金、化工和供排水系統(tǒng)以及其它領域的我公司電磁流量計累計已達數(shù)萬臺 套，產(chǎn)生了很好的社會效益和經(jīng)濟效益。
　　4、保證電磁流量計測量精度的必需條件
　　1）被測流體必須具有導電性；流體電導率不低于 5μs/cm；
　　2）被測流體介質(zhì)必須充滿管道；
　　3）被測流體介質(zhì)必須均勻；
　　4）電磁流量計測量系統(tǒng)必須良好接地；
　　5）流量計入口直管段至少 5 倍的測量管內(nèi)徑長，出口直管段至少 2 倍；
　　5）在流量計附近，應避免強電磁場干擾。
　　四、水煤漿的測量和控制
　　1、測量原理由于水煤漿特殊的物理特性，使其流量測量難度很大，它含有 60%以上的
　　煤漿顆粒以及 1%的添加劑，其動力粘度仍在 500-3000MPa·S 之間，工業(yè)用水煤漿常用動力粘度一般控制為 800-1500MPa·S，而且它是非牛頓流體，設計管道流速較低，一般低于 1m/s 流速，根據(jù)國內(nèi)外水煤漿測量的經(jīng)驗，采用漿液型電磁計測量水煤漿的流量是目前廣泛采用的成熟方法。
　　2、電磁流量計在水煤漿氣化爐裝置的應用
　　1）用電磁流量計測量水煤漿流量時，對水煤漿的導電性能和流體流場的穩(wěn)定性有一定要求，導率必須＞5μs/cm，因為水煤漿是氣化裝置的主要原料， 進料流量參與氣化爐安全聯(lián)鎖，控制氣化爐氧氣進氣比例，故其作用是非常重要。
　　2）德士古氣化爐 德士古氣化爐是美國德士古公司開發(fā)的一種氣化煤的一種工業(yè)爐型，適
　　用煤的原料范圍寬，可用各種煤為原料，氣化效率高，適合生產(chǎn)合成氣，制 取合成氨、甲醇、發(fā)電和其它煤化工領域。我國引進的化工裝置基本上采用 美國德士古氣化爐工藝。在國內(nèi)山東兗礦集團魯南化肥廠，國泰、國宏化工 集團，山東德州華魯恒升集團，南京金陵石化、南化集團、浙江衢化集團、 安徽淮北集團等國內(nèi)大型企業(yè)均有運用，本文的現(xiàn)場儀表的設置和經(jīng)驗來自上述企業(yè)的工作實踐。
　　3、煤漿泵的脈動流量對測量的影響
　　1）煤漿泵是一種活塞式的漿液泵，靠改變泵的行程而改變泵流量大小的 變化，輸送的流量為脈動流量，脈動大，穩(wěn)定性差。這是與我們常見的離心泵相比，流體的流場非常不穩(wěn)定，對電磁流量計的在線測量產(chǎn)生較大的影響。 由于流體內(nèi)脈動流，流場變化大且不穩(wěn)定，使電磁流量計測量信號不穩(wěn)定， 電磁流量轉(zhuǎn)換器輸出的電流控制信號變化大，對整個水煤漿氣化爐系統(tǒng)的控 制造成很大的影響。一般解決辦法是將電磁流量傳感器遠離煤漿泵安裝。現(xiàn) 場實踐經(jīng)驗證明：一般傳感器與煤漿泵的距離為 30m 以上，最好達到 50-60m， 靠管道的長度對水煤漿的脈動狀態(tài)進行整流，使流場平穩(wěn)，滿足電磁流量計 測量的基本要求。山東德州華魯恒升集團大氮肥項目 A、B、C、D、E 5 個德 士古工藝水煤漿氣化爐就是采用此種方式，相同的應用國內(nèi)有南京金陵石化www.cechina.cn ，南化集團、山東兗礦集團國泰、國宏和魯南化肥廠等國內(nèi)企業(yè)。
　　2）提高管內(nèi)水煤漿的流動速度也是解決流體脈動影響的辦法，對電磁流 量計和管線進行縮徑設計，提高管道內(nèi)的水煤漿流速至 0.8m-1.2m/s 以上。 另外，提高煤漿泵的轉(zhuǎn)速，使煤漿泵輸出的脈動減小，使流體流場平穩(wěn)，電 磁流量計的測量穩(wěn)定性和測量精度提高。山東德州華魯恒升集團采用華東理工大學創(chuàng)新設計的對置式四噴嘴新型氣化爐“。繞開了美國德士古公司單噴 嘴氣化爐的專利，在不用給外國公司交專利費的同時，技術(shù)上有所創(chuàng)新進步， 即采用了菲格瑞思 DN80 的 8 臺漿液型高壓電磁流量計，每條管道各兩臺電磁流量計，流速在 0.8m/s-1m/s 之間，電磁流量計工作可靠穩(wěn)定。
　　4、煤漿顆粒大小和漿液噪聲對測量的影響
　　漿液噪聲是液固兩相流導電液體測量時，固體顆粒（或液體中氣泡）摩 擦電極表面，電極表面接觸電化學電勢突然變化，輸出流量信號出現(xiàn)尖峰脈 沖狀噪聲。如果兩個電極材質(zhì)、結(jié)構(gòu)表面狀態(tài)存在差異，所產(chǎn)生的共模干擾 變?yōu)椴钅８蓴_。流量信號送到轉(zhuǎn)換器差分放大器輸入端放大，于是出現(xiàn)了流 量計輸出信號的大幅波動。盡量控制煤漿顆粒在 50μm  -55μm，減小顆粒噪 聲對測量穩(wěn)定性的影響。同時在工藝上控制水煤漿的濃度比例使其穩(wěn)定。
　　5、傳感器電極的極化電壓對測量的影響
　　水煤漿的測量電極一般選用不銹鋼涂覆碳化鎢電極，它的特點是電極前端涂覆碳化鎢，耐磨好性，使用時間長，同時由于電極是由兩種不同的金屬 材料組成，電極間將會產(chǎn)生直流電壓，這個電壓稱為極化電壓。極化電壓的 大小決定于電極材料的“極化電位”，不同的液體和金屬電極之間也會產(chǎn)生極 生電壓，一般在幾毫伏至幾百毫伏之間，在水煤漿測量中，水煤漿的電導率一般為 20μs/cm，且不穩(wěn)定，已接近電磁流量計測量介質(zhì)的電導率下限，所以會造成電磁流量計出現(xiàn)信號較大波動，嚴重時造成系統(tǒng)跳車停產(chǎn)事故。解 決的辦法，為在傳感器生產(chǎn)過程中對不銹鋼碳化鎢電極進行預處理，減輕或 消除極化電壓，改用其它適合水煤漿測量的金屬電極，如果是管道內(nèi)測量介 質(zhì)的原因污染電極，則必須清理電磁傳感器管壁和電極表面垢狀物體和鐵磁 性物質(zhì)，避免其對水煤漿測量產(chǎn)生的影響。這一點非常重要，必須切記。大 量的工作實踐證明了這一點.
　　6.電磁傳感器的安裝位置和接地要求
　　1)電磁流量計傳感器安裝位置應遠離煤漿泵，減小煤漿泵脈動輸出的影響，垂直管道安裝的電磁流量計盡量提高安裝位置，一般提高到垂直管道的 最高層安裝。
　　2)漿液型電磁流量計的接地要求非常嚴格，一定要把系統(tǒng)的地線接到傳 感器法蘭兩端和電磁轉(zhuǎn)換器外殼接地端，保持良好的接地，提高電磁流量計抗電磁干擾的能力。系統(tǒng)的接地電阻要求小于 10 歐姆。
　　7.漿液型電磁流量計的設置
　　由于水煤漿的特性可知它是一種固液二相液流。液體時的固體成分高， 粘度大，流動性較差，關(guān)鍵是它的電導率為約 20μs/cm，且不穩(wěn)定。接近電 磁流量計測量電導率的下限，測量過程中，水煤漿在瞬間的不均勻性，造成 煤漿濃度過高，介質(zhì)電導率下降，就可能使電磁流量計在線測量時流量信號 控制的大幅波動，造成轉(zhuǎn)換器顯示和輸出電流信號大幅跳變，嚴重時電磁轉(zhuǎn)換器信號回零的情況，引起裝置 DCS控制的互動聯(lián)鎖機構(gòu)誤認為管道內(nèi)沒有水煤漿而跳車，造成重大的生產(chǎn)事故。這是我們必須避免出現(xiàn)的，保護措施，一般來說，提高聯(lián)鎖保護的可靠性。一臺水煤漿氣化爐的每一條水煤漿測量 管道上安裝三臺電磁流量計www.cechina.cn ，或在一條測量管道上安裝二臺電磁流量計外加 一臺煤漿泵，根據(jù)煤漿泵轉(zhuǎn)速換算出的流量參考值。采用三選二的保護方式。 即：一臺電磁流量計波動超過設定的流量值不跳車保護，而二臺電磁流量計（或煤漿泵流量）同時低于設定的下限值（一般為工藝流量下限的 40%），水 煤漿氣化爐的互動聯(lián)鎖機構(gòu)動作跳車，斷開氧氣噴嘴的氧氣，避免汽化爐爆 炸事故的發(fā)生。電磁流量計的工作原理為法拉第電磁感應原理，用于測量密閉管道內(nèi)的
　　導電液體。所以測量介質(zhì)的導電率高低是一項最重要的指標， 測量靈敏度高。它的漿液型轉(zhuǎn)換器獨具特點，采用新穎多頻勵磁方式，勵磁 頻率根據(jù)傳感器口徑可以調(diào)整，使測量時的電磁流量計零點穩(wěn)定，測量準確，反映速度快的優(yōu)點。電磁傳感器采用開儀公司獨特的不銹鋼涂覆碳化鎢電極結(jié)構(gòu)，導管內(nèi)襯改進的聚氨脂襯里材料，耐磨性能更好，工作壓力≤6.3MPa 時電極采用內(nèi)插 式結(jié)構(gòu)CONTROL ENGINEERING China版權(quán)所有 ，工作壓力＞6.3MPa 時電極采用外插式結(jié)構(gòu)CONTROL ENGINEERING China版權(quán)所有 ，耐磨性和耐壓性更好。漿液型電磁流量計內(nèi)置漿液測量 專用軟件，在 漿液測量時程序?qū){液測量進行運算和補償。
　　8.水煤漿測量時漿液型電磁流量計轉(zhuǎn)換器的設置用帶有串行接口的個人計算機連接 E-magE 型漿液型轉(zhuǎn)換器的 RS232C 串行通訊接口（9 針）插座進行通訊，對轉(zhuǎn)換器的工作參數(shù)進行編程。
　　1、運行菲格瑞思自主研發(fā)軟件。
　　2、打開漿液型電磁轉(zhuǎn)換器漿液測量工作程序。程序在漿液測量過程中進行運算和補償，提高了漿液測量可靠性和穩(wěn)定性。
　　3、按水煤漿的測量優(yōu)化設置流量菜單“時常常數(shù)”（Flow Pesp）的數(shù)值，使顯示和輸出更加穩(wěn)定。
　　4、設置模擬輸出菜單的“模擬輸出反向”為禁止輸出，只允許電磁流量 計測正向流量時，有電流輸出，防止因系統(tǒng)故障造成水煤漿在管道內(nèi)回流，電磁轉(zhuǎn)換器繼續(xù)有電流輸出造成系統(tǒng) DCS  誤判斷而出事故。因為電磁流量計是一個雙向測量儀表，而電磁流量計輸出的電流不分測量方向，是一個方向 的信號輸出。所以設置禁止“模擬輸出反向”輸出后，當反向流量時電流輸 出只有零點 4mA 輸出。
　　5、按水煤漿液體電導率的現(xiàn)場實測值優(yōu)化設置空管檢測菜單的“空管閥 值”項的參數(shù)，提高測量的靈敏度。
　　6、正確按漿液型電磁傳感器的口徑設置傳感器菜單的漿液系數(shù)（snsrFact4）的數(shù)值，使?jié){液測量狀態(tài)更加穩(wěn)定。