摘要:着重介绍了电磁流量计的原理、分类、特点及其安装维护,并将其在化工领域的发展做了相应的分析,同时重点探讨了在实际石油化工工程项目中电磁流量计的典型应用案例。以MTO装置(甲醇制烯烃装置)碱液、氨液、浆液管道和共用工程管道为工程背景,为电磁流量计的正确配置、选型提供了可行的参考方案。
在石油化工生产过程中,至关重要的环节就是流体流量参数的检测与控制,关系到整个生产过程的安全与质量。所以针对流量测量,如果能做到更为高效、快速、及时、正确,就可以较为显著地提高产品的品质、降低企业的成本、提升企业安全生产和节能环保的能力。
电磁流量计传感器没有活动部件,具有无阻力,无压损的优点,用于流量测量,可以尽可能减小工艺管道内的阻力,且测量范围大,测量精度高,符合现代工艺所倡导的绿色、节能、降耗的特点,因而电磁流量计在石油化工行业内得到较为广泛的认可,成了业内用量较大的流量仪表。但是电磁流量计也有着自身的使用、安装局限,所以以MTO装置碱液、氨液、浆液管道和共用工程管道为工程背景,对电磁流量计的选型和应用进行了探讨。
1测量原理
电磁流量计的工作原理简单来讲就是基于电磁感应定律。工艺管道中的导电液体流过电磁流量计的磁感线时,由于导电液体切割磁感线,导电液体中会产生感应电动势,流量计中的传感器会把电动势测出,由转换器转换计算出相应的流量,达到测量目的。感应电动势的方向、磁场的方向、导电液体的流动方向这三者是互相垂直的,如图1所示。
感应电动势U的计算公式如下:
U=kBDv
式中:U为感应电动势(V);h为系数;B为磁感应强度(T);D为测量管内径(m);υ为导电液体在磁场中运动的平均速度(m/s)。
2分类
(1)电磁流量计按励磁方式进行分类,有直流、交流、矩形.波励磁等。20世纪80年代以后,石油化工行业比较常用的是低频矩形波励磁,它具有功耗小，稳定性高，可抗工频干扰,性价比高等特点。但是未来的电磁流量计的发展方向会是双频矩形波励磁,这种励磁方式横河公司已率先应用于流量计,它在低频的基础上叠加了高频矩形波,这种形式使得流量计的快速响应性得到了进一步提升,稳定性和精度上也更优。
(2)按组装形式进行分类,有分体型和一体型。目前石油化工行业更为常用的是一体型,但是当现场环境比较恶劣例如井下.有强力振动的管道,或者转换器需要安装在巡检人员更易接近的场合就更需要分体型电磁流量计。
(3)按与管道的连接方式分类,有法兰型、插人型、夹持型.等。法兰连接是传统的连接方式同时也是石油化工行业最为常用的连接方式。但是在一些管道相对较粗,或者安装条件严苛的情况下,插人式流量计体积更小更有利于维护则更适用。
(4)按电极与被测液体是否接触分类,有接触型和非接触型。目前石油化工行业常用的还是接触型的电磁流量计。但是这种传统的电磁流量计对所测的液体有电导率的最低要求，且对一些黏度较大，易沉积的流体测量较为困难,未来需要打破这种局限,非接触型电磁流量计将会是发展趋势,所以电容式电磁流量计也就应运而生了。在国外,一些大的流量计公司可提供此类产品如Fisher.横河、Krohne等。但是其结构的设计、信号的检测仍是当今的研究热点和关键,且有待进一步优化。也正是因为这些成本、技术上的难点,电容式流量计距离大规模的商业化生产还有一定的距离。
3适用范围和主要特点
电磁流量计广泛用于导电液体的测量,可以测量像其他仪表不容易测量的一些酸、碱、盐等易结晶腐蚀的溶液,也可以测量浆液等对流量计磨损性大的液固介质。当然也可以测量相对简单的纯水、污水等液体。其主要特点如下:
(1)常用的法兰式电磁流量计的测量管是一段无阻流检测件的直管,因而基本不会造成压损,节能效果相对好。特别是在工艺管道压力不高或工艺对仪表压损有限制时采用更有利。
(2)传感器结构可靠。因无阻流检测件,也不会堵塞。石油化工行业中液体中经常会含有催化剂、结晶物等固体颗粒，所以电磁流量计在测量液固两相流体的情况下也是有利的。
(3)测量范围大。电磁流量计的量程比常规大于10:1,最高可达100:1,优势明显,且可任意改变量程。流速范围一般为1~6m/s,也可扩展到0.5~10.0m/s。
(4)电磁流量计所测体积流量与流体的自身特性无关，也就是说流体的温度、压力、密度、黏度等不影响其测量结果。设液体体积流量为Qv,Qv=πD²υ/4,根据U=hBDυ,可以确定U=4kBQυ/πD。由此得出,U与Q、呈线性关系,流体的体积流量与介质的物性无关。所以电磁流量计在测量导电介质的体积流量之前只要用最简单的液体水标定即可,无需修正。当然,这是在比较理想的状态下的结论,工程上一般可以采用近似的方法进行计算,对于实际存在的偏差,可以通过仪表的标定来进行弥补。.
4安装及维护
4.1接地
由于电磁流量计测量的电势相对比较微弱,有一点干扰可能会影响测量结果,所以要良好的接地以保障其稳定工作。通常接地是通过接地环或用金属导线连通来实现
(1)接地环安装于流量计的法兰面上,其内孔和导电液体接触,环的边缘用导电材质接出并与转换器信号连通。接地环的材料也要能耐流体的磨损与腐蚀,通常与电极材质一致。
(2)安装在金属管道中的电磁流量计,在传感器法兰和用户法兰之间采用金属导线连通,作为接地的安装方式。
4.2直管段要求
在实际应用中,电磁流量计前后直管段都有一定的要求来减少误差。根据石油化工行业的经验,大部分场合,前直管段大于等于5D,后直管段大于等于3D即可。但是在某些安装条件严苛，空间常常无法满足的情况下,后直管段大于2D也能满足测量要求。
4.3安装位置
(1)电磁流量计不能用于低导电率液体测量(电导率不低于5x10-6S/cm的流体,例如石油化工行业中的石油制品、除盐水、有机溶剂等。也不能测量气体、蒸汽以及黏度特别大的液体。
(2)由于电磁流量计一般不用于较高、较低温度工况。如.不可避免,可参考表1~2对电极和衬里的材料做相应的选择。
(3)电磁流量计安装的管道应是介质完全充满的管道,保证电极浸入。
(4)电磁流量计的测量管中如果出现气体聚集或有气泡现象时,此时测量误差会增大,所以要尽量将流量计安装于低位，尽量避开安装在管道的最高点。
(5)尽量避免安装在有振动的地方,如果不可避免,可选择加固管道和传感器,以减轻振动带来的影响。
(6)尽量避免安装在电磁场或者电磁场变化剧烈的地方，如大型变压器、电机等强电磁设备附近(5)
(7)当选择插入电磁流量计且管道是水平或倾斜时,探头插入的位置应在管道中心线平面上下45°的范围内,且探头的中心线应与管道中心线垂直。
5应用案例分析
5.1在MTO装置中的应用
以甲醇制烯烃装置(MTO装置)为例，介绍在实际石油化工行业中电磁流量计的若干应用。在设计中分别在自烯烃分离装置流人的20%碱液管道、氨水管道、至废液处理单元循环浆液管道上设置电磁流量计。这些管道中介质的特点是:脏、污流体,且具有一定的腐蚀性磨损性,并且均为导电流体。同时,工艺管道压力普遍不高,压力损失尽量小，且要求仪表测量精度又相对较高。鉴于上述工况特点及要求,选用了电磁流量计来满足工艺测量。由于电磁流量计电极和衬里与介质直接接触,根据项目实际情况,尤其是介质的特性,选择合适的电极材料和衬里材料尤为关键。
5.1.1根据被测介质的腐蚀性特性选择电极材料
电磁流量计中的电极起着重要的传输电信号的作用。电信号的传递是否正确,关系到整个电磁流量计精度、精度,是至关重要的一个环节。而信号传递的正确率主要的影响因素是电极表面质量及材料性能,所以不同的介质流量应选择与之相适应的电极材料,这样才能尽可能保证测量的正确率,同时延长整个流量计的使用寿命。表1是石油化工行业常见电极材料的耐腐蚀性能,针对上述装置,20%碱液和氨液属于强腐蚀介质,选用哈氏合金作为电极材料。循环浆液的腐蚀性不高，则选用304L不锈钢作为电极材料,这样选择满足测量要求正确率和经济性要求,仪表运行至今效果良好。
5.1.2根据被测介质的磨损性及温度来选择村里材料
衬里敷设于流量计测量管内侧,衬里必须是电绝缘材料。根据表2石油化工行业常见衬里材料的性能,在20%碱液管道、氨水管道上,电磁流量计选用PTFE作为衬里材料,介质的温度也在PTFE的适用范围之内。PTFE是石油化工行业比较常用的衬里材料。但是循环浆液因为介质可能含有催化剂等杂质,选择聚氨酯橡胶性能尚可,且耐磨性相当于天然橡胶的10倍，但是它的缺点是耐温太低;氯丁橡胶更适合大口径的传感器，所以针对循环浆液就最好选用PFA作为衬里材料,提高其耐磨性。这种选择使得装置运行效果安全且高效。
5.2在公用工程部分的应用
目前正在建设中或已建成的石油化工装置中,公用工程部分循环冷水管道、新鲜水管道通常选用电磁流量计来测量流量。管道的主要特点是:循环冷水管道工艺管径大、压力低、水中含有氯化物等腐蚀性介质;且循环冷水管道和新鲜水管道经常敷设在地面以下。这就要求流量计首先安装方便,电磁流量计可水平.垂直或倾斜任意角度安装。但是在这种场合选用电磁流量计需注意:
(1)需维护方便,电磁流量计应选用分体式,传感器装于工艺管道,转换器可装在传感器附近或仪表室,相距数十到数百米。这样,转换器既可放在地面以上,也可远离相对恶劣的现场环境,电子部件的检查、调整和设定比较方便。但是在安装过程中,对敷线的要求就比较严格,否则易引人干扰信号。
(2)根据国标CB/T4208-20176],关于外壳防护等级的标准为:IP65为防喷水型,IP66为防止猛烈喷水型,IP67为短时间防浸水型,IP68为连续浸水型，能长期在水中工作。循环冷水管道和新鲜水管道常敷设在地面以下,一般会设置仪表井来安装电磁流量计的传感单元,因此此种工况下,电磁流量计的传感器的外壳防护等级应选IP68。
6结束语
电磁流量计具有精度高、可测范围大、压损小、可靠性好、使用方便、维护量小等特点,在石油化工行业得到了广泛的应用。但同时也因为其本身的--些局限性,要求用户在正确地选择和应用电磁流量计之前应充分掌握测量工况的各项条件及其流量计本身的各项要求。只有这样才能正确地选择、应用电磁流.量计,保证测量精度,为安全生产打下坚实的基础。
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