浆液型电磁流量计在煤化工行业中的应用经验分析

引言 
随着煤化工项目在国内的不断开展，德士古气化炉煤浆流量计的应用越来越广泛。作为本文应用背景的两个甲醇项目都采纳德士古气化炉工艺，煤浆浓度在62%（wt/wt）左右、平均粒度约31μm、管道为DN150、压力等级600lbs、产能200000t。但自投产以来，原进口流量计运行效果一直不能令人满意，时常出现大幅度波动，竖管流量计波动更为频繁，有时横管流量计也一起波动。这容易导致误跳车，给企业带来很大的损失，也大幅度增加了相关部门的劳动强度。 
针对因煤浆流量计波动而导致跳车事故这一问题，对煤浆流量计的波动原因进行了分析，采用上海威尔泰生产的特殊结构传感器和新一代交流励磁转换器，有效地预防了因波动而引起的跳车事故，取得了预期的应用效果。 
1 波动原因分析 
根据电磁流量计的原理和相关文献以及长期应用经验可知，流场波动的根本原因取决于电磁流量计测量管内流体的流场和流态［1］。DN150测量管的流量与流速对应关系如表1所示。正常生产时，流量一般为25m3/h左右，对应的流速只有0.4m/s。流体流速低，而煤浆浓度高达60%以上，这容易导致管道中的流场处于不稳态，且竖管和横管的不稳态是不同的［2］。

在竖管中，中心的流速比较快，四周的流速比较慢，这使管壁表面附着一层流动很慢的煤浆。如果这个附着层慢到几乎不动，而且比较厚，就盖住了电极，转换器的流量输出就会下降，甚至下降到零。由于煤浆泵的工作方式是脉动的，煤浆管线也有振动，再加上竖管很高，所以附着在内管壁的煤浆处于不稳定的状态，管道内会时不时地发生类似雪崩的现象，而且这种雪崩现象不一定只有一处。煤浆流动状态示意图如图1所示。如果这种雪崩现象发生在流量计的测量管内，就会引起转换器输出的波动。由“雪崩”导致的输出波动周期比较快，阻尼时间加大，可以起到一定的平稳作用。

图1 煤浆流动状态示意图

在生产过程中，最难处理的是另外一种波动。该波动周期很慢，但幅度很大，大到足以引起跳车。要把这种现象解释清楚，就需要引进权重函数的概念［3－6］。粗略地说，权重函数给出了不同位置的流体切割磁力线所产生的感应电动势对电极信号的贡献率。权重函数示意图如图2所示。

图2 权重函数示意图

图2以中心点权重为1，给出了电极平面的权重函数分布。由图2可知，越接近电极，权重最大；反之，沿导管转90°，权重最小。 
电极平面煤浆流速的两种分布情况如图3所示，其权重函数的分布与图2相同。

图3 流速分布不均示意图

理想流场分布应该呈轴对称，中心稍大、四周稍慢，这时采用电磁流量计所测量的流量准确且稳定（浆料噪声的影响除外）。如果流场不够理想，则测量管横截面流速分布不均，可能引起流量测量输出波动。 
由图3（a）可知，权重函数高的地方流速快，而权重函数低的地方流速慢，这时转换器流量输出增大；由图3（b）可知，权重函数低的地方流速快，而权重高的地方流速慢，甚至电极被覆盖，这时转换器输出减小，甚至接近于零。 
横管的波动原因与上述分析有所不同，其波动主要是由于淤积造成的。如果淤积面没有超过电极，则由于测量管横截面减小、流速提高，转换器输出就会变大；如果淤积面超过了电极，转换器输出就会减小。由于这种淤积是不稳定的，淤积面时涨时消，所以引起流量输出周期较长的波动。一般而言，在投料初期，横管表现比较好，经过一段时间后，横管才会波动。 
2 解决方案 
在此之前，多数人认为流量计波动的原因在于浆料噪声，甚至是电极噪声。由于浆料噪声和电极噪声的周期比较短，所以处理波动方法不外乎是加大阻尼时间。事实证明，这种方法不能从根本上解决流量计输出波动所导致的跳车问题。 
经过上面的分析，我们认为引起流量计输出波动的根本原因在于流场流态，其特点是波动周期比较长，周期为几秒甚至几十秒。要改善流场流态，就需要从传感器结构设计着手。因此，采用了类文丘里管形状的传感器，这样不但提高了流速，而且能起到一定程度的整流作用。应用经验表明，当流速为1m/s左右时，流场比较好，对于消除大幅度长周期的异常波动，这样设计的传感器起到了关键性的作用。 
为了解决流量计的异常波动，仅靠改变传感器的结构是不够的。由于原进口电磁流量计是方波励磁，所以采用所谓的低噪声电极和价格较高的ETFE衬里，不能有效解决转换器克服浆料噪声先天不足问题。另外，浆料噪声随着流速的提高而增大。缩径后，如果采用方波励磁转换器，虽然能够避免大幅度长周期的波动，但仍然无法解决快周期的波动问题。更为严重的是，这种波动也有可能导致跳车。 
为使转换器输出平稳，采用方波励磁转换器只能加大阻尼时间。然而，德士古气化炉的安全连锁方案对流量计阻尼时间有严格的限制。据专业人士测算，如果煤浆管线被堵住，则切断氧气的时间只有8～10s。如果流量计阻尼时间过大，就会发生过氧爆炸的危险。 
由上述分析可知，德士古工艺要求煤浆流量计不仅输出平稳（防止误跳车），而且反应速度快（一旦断浆，快速激活安全联锁，切断氧气，防止炉砖烧损或过氧爆炸）。由于方波励磁电磁流量计在测量浆料方面本身就存在缺陷，所以应选用交流励磁的转换器。上海威尔泰生产的新一代交流励磁转换器，由于采用了高阶带通滤波器，能够实现流量测量输出既稳又快。在我们的实际项目中，曾使用0.2s的阻尼时间安全可靠运行了两年多。
由于横管波动的原因与竖管不同，所以处理方法也不同。国内曾有电磁流量计厂家仿照威尔泰的竖管流量计进行了缩径设计并应用到横管上，实际使用的效果却不够理想。威尔泰提供的横管解决方案如图4所示。

图4 横管波动解决方案示意图

从图4可知，流量计的测量管呈半月形，上半部是堵住的，这主要是为了防止下边截流引起管线堵塞。为了改善流场，在流量计的上游和下游还设计了导流板。转换器仍采用第二代交流励磁技术。 
3 应用效果 
本文所提的解决方案先后成功应用于国内两家煤化工企业。首先，该方案被应用于波动相对频繁的竖管，横管仍然采用原来的进口流量计。某企业因原进口流量计波动频繁而引发跳车事故一年多达几十次。由于威尔泰所提供的煤浆流量计平稳性远优于其他同类产品，自投运以来，该企业从未因流量计波动而引起误跳车。图5所示为监控系统工作站屏幕截图所得的流量输出平稳性对比图。由图5可以看出，当位于横管的进口流量计出现大幅度波动时，竖管威尔泰流量计输出仍然保持平稳。同时，工艺人员利用炉温等其他参数进行综合判断，同样证明了该竖管流量计输出的稳定性。

图5 流量输出平稳性对比图

为了准确对比不同电磁流量计的输出快速性，将两台电磁流量计安装于同一管道进行测试，横管是进口流量计，竖管是威尔泰流量计。测试时，将煤浆泵突然关闭，隔一段时间再开启，并逐步提高煤浆泵转速。图6所示为DI-730型数据采集器截图所得的、同时记录的两台电磁流量计的电流输出结果，图6中横坐标每格为3s。由图6可以看出，威尔泰流量计从断浆到流量输出为零的时间总计约6s，由下降过程可以估算出滤波时间常数不到2s，完全满足安全联锁要求；而另一台进口流量计反应时间超过30s。

图6 流量输出快速性对比图

威尔泰煤浆流量计目前已经可靠运行了三年多，在使用寿命上也不输于进口产品。 
横管解决方案是在竖管成功应用之后开始研究和试用的。安装在横管上的原进口流量计一般投用一周左右开始大幅度波动。威尔泰流量计投用8h左右即达到稳定状态，刚开始流量输出非常平稳，经过8h左右，波动变得稍大一点，但没有大幅度异常波动。经过半年多的使用，目前，该横管解决方案已经通过验收，效果优于原进口流量计。但该流量计导向板的安装比较复杂，威尔泰已经改进了设计，新方案即将投入试用。 
4 误区澄清 
在实际应用中，有关电磁流量计在德士古工艺水煤浆中的应用，相关技术人员在选型和应用通常存在一些认识上的误区［7－8］。现将其归纳如下。 
①“煤浆的磨损大，所以采用耐磨的ETFE衬里”的观点不准确，ETFE主要解决了与金属的附着问题。虽然ETFE的原料便宜，但其目前的处理工艺复杂，用它来制作衬里，成本比PFA还高，且没有表征ETFE的耐磨性优于PTFE的佐证。上海威尔泰所生产的传感器，采用硬橡胶衬里，在现场有效使用三年来，没有发现有明显的磨损。 
②“采用低噪声电极，所以波动小”的观点不准确。电极的形状的确与噪声大小相关。由于原进口流量计的电极在某煤化工企业有结垢现象，经常需要把流量计拆下来用晶相砂纸打磨电极，而上海威尔泰采用自清洁电极（即尖状电极），有效地解决了结垢问题。实际应用表明，虽然采用自清洁电极流量计的平稳性比采用球面电极的平稳性稍差，但也没有出现过异常波动。所以，我们认为，在解决煤桨流量输出异常波动方面，低噪声电极并非关键技术。 
③“原进口流量计安装要求低，‘前5D后2D’就行”的观点不准确。在实验室标定时，要求直管段比较长（达到10D）；在应用中，一般“前5D后3D”就足够了，这并非仅仅适用于进口流量计。如果缩径，直管段要求还可以进一步减小。另外，现阶段的煤浆流量计，基本没有投闭环控制的，对于精度的要求不是很高，关键是保证安全连锁处于有效状态，以避免异常波动引起误跳车。 
④“原进口流量计流速大小对流量的影响很小，适用0.3m/s的流速”的观点不准确。这种说法有很大的误导作用。实际应用经验表明，当流速较低时，尤其是当流速低于0.5m/s时，煤浆流量计容易波动。因此，这种观点不准确。 
⑤“单纯缩径”的观点不准确。我们曾经仿照上海威尔泰的缩径方案把管道缩径，安装较小口径的流量计，实际使用效果却不如采用本文所提的方案。一方面，由于涉及管道改造、高压法兰以及压力容器级别的焊接，综合成本也不低；另一方面在管道上缩径，小口径长度会远大于在流量计上缩径，导致压损增大，再加上转换器未替换，很多结果不可预知。 
⑥“原进口流量计因为业绩多，所以风险小”的观点不准确。业绩多和业绩好是两个概念，二者没有因果联系。由于历史的原因，原进口流量计市场占有率比较高，好的业绩虽然多，但差的业绩也有。一旦波动引起误跳车，损失是很大的。据不完全统计，因为煤浆流量计波动引起误跳车，200000t甲醇生产线一次损失约为300000元；600000t甲醇生产线，误跳车一次的损失约为800000元。这也是质量好的煤浆流量计价格居高不下的原因之一。我们曾经使用两种品牌的进口流量计，八个月就坏的情况也出现过，一年坏三套的情况也发生过。上海威尔泰提供的解决方案，针对德士古气化炉现场特殊的工况，进行了多项有针对性的设计，目前已经安全可靠使用三年多。 
综上所述，我们认为合适的选择才是实际应用最好的选择。在德士古气化炉煤浆流量的测量应用中，由于流场流态所涉及的流体参数比较复杂，煤的来源和煤浆的配方也不尽相同。因此，不同煤浆流量计的应用效果差异也比较大。同一种流量计，在有些场合容易发生波动，但在另外一些场合的应用效果较好，这是由所选煤浆流量计稳定工作范围不够宽造成的。 
为尽量减少或避免误跳车，并确保安全连锁处于有效状态，应该选择稳定工作范围更宽的煤浆流量计，而选择既稳又快的煤浆流量计是满足工艺的基本要求。 
5 结束语 
由于水煤浆流量测量是德士古工艺煤化工领域的一个难点，该领域同行为此作了大量的工作和努力，积极寻求有效的解决方案。 
本文以两家德士古气化炉工艺为应用背景，其煤浆流量计示值的波动幅度较大，导致氧煤比和煤浆流量这两个重要联锁无法有效投入，从而成为煤化工生产的最大安全隐患。为解决该难题，笔者较细致地分析了目前煤浆流量计应用领域的认识误区，提出了自己独特的见解和看法，进一步完善了德士古工艺煤化工领域的水煤浆流量测量方法［9－11］。 
本文得到了张振山博士的指导和帮助，在此深表谢意。