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        防腐型電磁流量計的結(jié)構(gòu)原理及在濕法磷酸裝置中的應(yīng)用實例

        發(fā)布時間:2024-09-19
        摘要:濕法磷酸生產(chǎn)過程中產(chǎn)生大量的高腐蝕性、成分復(fù)雜的酸液,對流量計的耐腐蝕性要求較高。防腐型電磁流量計具有耐腐蝕、精度高、易于維護、節(jié)約成本等優(yōu)點,已在磷酸生產(chǎn)中大規(guī)模使用。以某濕法磷酸裝置為例,介紹了防腐型電磁流量計的測量原理,電極、測量管內(nèi)襯材質(zhì)及接地方式的選擇。
        1 概述
        隨著幾十年的工業(yè)發(fā)展,我國磷化工行業(yè)日趨壯大,目前磷酸產(chǎn)量位列一。國內(nèi)磷酸生產(chǎn)工藝絕大部分以濕法磷酸為主。濕法磷酸生產(chǎn)過程中除了含有磷酸外,還混有一定的硫酸、氫氟酸、氟硅酸等強腐蝕性介質(zhì)。測量這些酸液的流量儀表需要具有很好的耐腐蝕性。選擇合適的材質(zhì)、增加儀表的壽命、提高信號傳輸?shù)姆€(wěn)定性是濕法磷酸工藝中流量測量的關(guān)鍵之處。適用范圍廣、精度高、耐腐蝕、易于維護、成本較低,適用于磷化工生產(chǎn)中的流體計量。國內(nèi)某 300 kt/a 磷酸裝置中大規(guī)模使用防腐型電磁流量計,并取得了良好的工作效果。
        2 防腐型電磁流量計簡介
        2.1 工作原理
        防腐型電磁流量計的測量原理如圖 1 所示。根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律,導(dǎo)電液體在磁場中流動會產(chǎn)生電動勢 e,它與磁感應(yīng)強度 b、導(dǎo)電液體平均流速 v 成一定比例關(guān)系:
        e=kbdv
        式中:e---導(dǎo)電流體在磁場中產(chǎn)生的電動勢,v;
        k---比例系數(shù),在管道內(nèi)徑 d 和磁感應(yīng)強度
        b 不變的情況下,k 為常數(shù),1;
        b---磁感應(yīng)強度,t;
        d---測量管內(nèi)徑,m;
        v---導(dǎo)電液體平均流速,m/s。
        防腐型電磁流量計利用上述函數(shù)關(guān)系推導(dǎo)出 v = e/(kbd),實際測得的是液體流速 v,再通過被測介質(zhì)的體積流量 q v = πd 2 v/4,計算導(dǎo)電流體介質(zhì)的流量。
        2.2 計量系統(tǒng)組成
        防腐型電磁流量計主要由兩部分組成:流量傳感器和信號變送器,如圖 2 所示。傳感器上的勵磁線圈接受變送器傳輸來的勵磁電流產(chǎn)生磁場,輸出感應(yīng)電動勢信號;信號變送器則將感應(yīng)電動勢信號轉(zhuǎn)換為流量信號或模擬量信號送至控制系統(tǒng)。防腐型電磁流量計按組成方式分為一體式和分體式。防腐型電磁流量計穩(wěn)定工作另外一個重要條件是接地。當(dāng)流體流動穿過磁場時,以導(dǎo)電流體本身作為參考電位,在測量管一側(cè)電極產(chǎn)生正電勢,另一側(cè)產(chǎn)生負(fù)電勢,形成電勢差。但此電動勢信號一般只有幾毫伏,易受外界干擾。為防止干擾,將參考電位接入大地作為零電位,保證傳感器輸出精確穩(wěn)定的信號。傳感器和轉(zhuǎn)換器的接地端必須與被測介質(zhì)同電位,才能構(gòu)成對稱的輸入輸出回路。
        2.3 系統(tǒng)特性
        防腐型電磁流量計的主要特點如下:①不同于差壓式、容積式流量計,防腐型電磁流量計測量管內(nèi)無阻流部件,壓損很小,適用于大口徑管道;②不受測量介質(zhì)的溫度、壓力、密度、黏度參數(shù)變化影響,不需要進(jìn)行修正和補償,僅僅要求測量介質(zhì)的電導(dǎo)率 σ>5 μs/cm;③量程比寬,輸出信號和流量成線性關(guān)系;④測量精度高,可達(dá)到±(0.1% ~0.5%);⑤安裝要求低,前后直管段要求低,一般滿足前直管段管徑 d 前 ≥5d,后直管段管徑 d 后 ≥2d 即可;⑥性價比較高,使用范圍廣,合理選用襯里材料和電極材質(zhì)可以測量各種腐蝕性介質(zhì)的流量。
        需要注意的是,防腐型電磁流量計不能測量非導(dǎo)電介質(zhì)的流量,也不適用于測量含有氣體的介質(zhì),這樣會引起測量數(shù)據(jù)的大幅波動。
        3 在濕法磷酸裝置中的應(yīng)用實例
        國內(nèi)某 300 kt/a 磷酸裝置中,含有不同溫度、不同壓力、不同濃度的多種酸液,包括:稀磷酸、濃硫酸、磷酸料漿、絮凝劑、p 2 o 5 溶液、h 2 sif 6 溶液、渣酸、洗滌水、酸性循環(huán)水、工藝水等。如此復(fù)雜的工藝介質(zhì)對流量計的選型要求很高,酸液的配比、濃度、溫度、雜質(zhì)、溶解氣體以及流速等都會影響接液材質(zhì)的耐腐蝕性。
        防腐型電磁流量計主要的接液部分是電極和測量管襯里,要根據(jù)每一種腐蝕介質(zhì)的特性以及現(xiàn)場實際工況選擇合適的電極和襯里材質(zhì),必要時可對擬選材料進(jìn)行耐腐蝕試驗,從而延長流量計的壽命,加強測量的可靠性。
        3.1 電極材質(zhì)的選擇
        防腐型電磁流量計電極的選擇至關(guān)重要。電極應(yīng)滿足被測介質(zhì)腐蝕特性,同時不能產(chǎn)生電化學(xué)反應(yīng)干擾。常用電極材質(zhì)主要有:不銹鋼 316l、哈氏合金 c、鈦、鉭、鉑、鉑-銥合金等。本裝置中防腐型電磁流量計電極材質(zhì)的選擇見表 1。
        從表 1 可以總結(jié)出:對于有襯里管道,電極材質(zhì)一般選擇鉑-銥合金,該材料耐用于大部分腐蝕性酸液;對于金屬管道,電極一般選擇比管道高一等級的材料,以 316l 和哈氏合金為主。特殊情況下,若測量易結(jié)晶、結(jié)疤、易沾污電極的介質(zhì),還可選擇刮刀式電極,防止長時間流體沖刷,在電極上產(chǎn)生污垢。
        3.2 測量管襯里材質(zhì)的選擇
        防腐型電磁流量計要根據(jù)被測流體的溫度、壓力、速度以及含固顆粒的硬度、含量和粒徑大小來決定測量管內(nèi)襯的材質(zhì)。該濕法磷酸裝置中,防腐型電磁流量計測量管襯里材質(zhì)的種類見表 2。
        從表 2 中可以看出,本項目中測量磷酸、硫酸、含氟酸和含酸洗滌水等流量時,防腐型電磁流量計采用pfa 內(nèi)襯,這種氟內(nèi)襯幾乎耐用于各種強腐蝕性介質(zhì),同時測量管內(nèi)附有不銹鋼絲網(wǎng),增強了襯里和金屬管道的結(jié)合,具有耐負(fù)壓性;ptfe 與 pfa 性能相差無幾,但摩擦系數(shù)較低,對于絮凝劑這種具有一定的吸附性的介質(zhì)優(yōu)先選用 ptfe 內(nèi)襯;磷酸料漿含有一些懸浮顆粒物,長時間流體會破環(huán)樹脂或者塑料類的襯里,此處選用陶瓷內(nèi)襯,延長流量計工作壽命。普通工藝用水等介質(zhì)選用經(jīng)濟實用橡膠類襯里即可。
        3.3 接地方式
        根據(jù)上述防腐型電磁流量計的安裝要求知,防腐型電磁流量計需進(jìn)行液體接地才能正常工作。流量計可通過使用無內(nèi)襯導(dǎo)電的管道法蘭、接地環(huán)或接地電極實現(xiàn)接地。本磷酸裝置中,輸送腐蝕性介質(zhì)流體多以碳鋼襯里管道為主,少數(shù)輕度酸性液體管道采用不銹鋼或碳鋼管道。對于不同材質(zhì)的管道,防腐型電磁流量計的接地方式也不一樣。
        3.3.1 安裝在金屬管道上
        防腐型電磁流量計安裝在金屬管道上,安裝時將金屬管道與防腐型電磁流量計相連接,接地線再接入接地網(wǎng),如圖 3 所示。
        3.3.2 安裝在非金屬管道上
        襯里管道的接地方式主要有以下三種。
        1.采用接地環(huán)
        在有襯里的測量管兩端法蘭上,加裝接地環(huán)(或稱“接液環(huán)”),如圖 4 所示。裝接地環(huán)是為了可靠地、穩(wěn)定地將導(dǎo)電液體作為差動電勢信號的基準(zhǔn)點與轉(zhuǎn)換器的信號連接起來,與液體之間形成相近或大致相等的電位。接地環(huán)材質(zhì)一般和電極材質(zhì)一致或相仿,保證耐腐蝕性。
        接地環(huán)形式多樣,主要類型有三種,如圖 5 所示,普通接地環(huán)類似一個帶柄的孔板;保護型接地環(huán)固定在法蘭上,保護法蘭面襯里不受損傷;若介質(zhì)磨損性較強,應(yīng)選用帶頸保護環(huán)保護襯里。
        2.采用接地電極(三電極)
        從表 2 中可以看出,本裝置中防腐型電磁流量計的電極材質(zhì)主要使用鉑 - 銥合金,若在其他場合或被測流體介質(zhì)下,電極材質(zhì)還可以選擇鉭、鈦、鉑金等貴重金屬。若使用接地環(huán)方式接地,由于一般要求接地環(huán)材質(zhì)和電極的相同,因此從成本上來說很不經(jīng)濟。為了節(jié)省費用,本項目中濕法磷酸裝置中防腐型電磁流量計接地采用三電極方式,即在傳感器測量管與測量電極成垂直的點,另外加一個電極(和測量電極材質(zhì)、大小均相同),以起到接地效果。
        3.虛擬接地
        隨著技術(shù)的發(fā)展,近些年一種新的接地技術(shù)---虛擬接地被應(yīng)用到防腐型電磁流量計上。通過提供流量轉(zhuǎn)換器輸入放大器和電路中的光電耦合器的隔離,使測量電路在液體的電勢浮動,只有當(dāng)流經(jīng)流量傳感器時,導(dǎo)電液體的流速產(chǎn)生感應(yīng)電壓。這種轉(zhuǎn)換器信號的特殊處理允許流量計傳感器接地即可滿足其正常工作,減少了安裝,也免去了額外增加接地環(huán)或第三電極的成本。
        4 結(jié)束語
        只要選擇合適的電極材質(zhì)和測量管襯里材質(zhì),防腐型電磁流量計就可以適應(yīng)各種腐蝕性介質(zhì)。磷化工生產(chǎn)中大部分是能導(dǎo)電的酸性介質(zhì),使用防腐型電磁流量計進(jìn)行流量測量是計量儀的。目前各防腐型電磁流量計廠商都會提供自家產(chǎn)品對應(yīng)的耐腐蝕材質(zhì)選擇表,在設(shè)計選型中,除了根據(jù)介質(zhì)特性先行選擇對應(yīng)的電極和襯里材質(zhì)外,也需要根據(jù)各家防腐型電磁流量計的特點確定其方案。同時安裝時要根據(jù)實際情況采取不同的接地方式,以保證防腐型電磁流量計穩(wěn)定地工作。
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