電磁流量計在水煤漿測量中的應(yīng)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(yīng)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(chǔ)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(yīng)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(yīng)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(yīng)用中出現(xiàn)問題的一些應(yīng)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(yīng)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???廣泛的應(yīng)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(lǐng)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(yīng)原理 主要反應(yīng)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(yīng)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??;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(yīng)為 50~55μm,最大粒 度控制在 300μm 以內(nèi),且最大粒度不應(yīng)超過總量的 2%,75%的粒度應(yīng)當小于
74μm、10μm 的粒度含量應(yīng)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(yīng)用法拉第電磁感應(yīng)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(yīng)定律。流量計的測量管是一內(nèi)襯絕緣材料的非導(dǎo)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(dǎo)率的流體流經(jīng)測量管,將切割磁力線感應(yīng) 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(dǎo)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(shè)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(yīng)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(yīng)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(yīng)用于國內(nèi)的 冶金、化工和供排水系統(tǒng)以及其它領(lǐng)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(dǎo)電性;流體電導(dǎo)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(yīng)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(shè)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(yīng)用
1)用電磁流量計測量水煤漿流量時,對水煤漿的導(dǎo)電性能和流體流場的穩(wěn)定性有一定要求,導(dǎo)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(lǐng)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(shè)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(yīng)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(shè)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(shè)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(dǎo)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(dǎo)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(dǎo)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(yù)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(yīng)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(shè)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(dǎo)率為約 20μs/cm,且不穩(wěn)定。接近電 磁流量計測量電導(dǎo)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(dǎo)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(shè)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(shè)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(yīng)原理,用于測量密閉管道內(nèi)的
導(dǎo)電液體。所以測量介質(zhì)的導(dǎo)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(dǎo)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(shè)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(shè)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(shè)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(shè)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(dǎo)率的現(xiàn)場實測值優(yōu)化設(shè)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(shè)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。
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