1 前(qian) 言
某造紙(zhi)廠年産1.5×105t本(ben)色商品木(mu)漿工程,其(qi)制漿生産(chan)線現✌️場流(liu)量測量儀(yi)表多數采(cai)用電磁流(liu)量計。
經過(guo)四年的運(yun)行,在連蒸(zheng)系統中,監(jian)測連續蒸(zheng)煮轉送循(xun)環流🏃♀️量的(de)電磁流量(liang)計,因工作(zuo)環境條件(jian)惡劣(壓力(li)1200kPa、溫度160℃、介質(zhi)腐蝕等),引(yin)起電磁流(liu)量傳感器(qi)襯裏聚四(si)氟乙烯的(de)損壞,緻使(shi)轉送循♌環(huan)儀表無⭐法(fa)運行,工❤️藝(yi)人員隻能(neng)憑經驗操(cao)作👄。當流量(liang)低于一定(ding)值時,容易(yi)引起轉送(song)管道的堵(du)塞,導緻整(zheng)條設備線(xian)停機。
2 解決(jue)思路
由于(yu)進口電磁(ci)流量計價(jia)格昂貴,到(dao)貨周期長(zhang),而國内同(tong)口徑⭐的電(dian)磁流量計(ji)的技術指(zhi)标達不到(dao)特定工作(zuo)🌍環境♋的要(yao)求;據故障(zhang)技術分析(xi),原先的進(jin)口電磁流(liu)量計(正常(chang)運行時🌈間(jian)累計不滿(man)兩年)也是(shi)因無法适(shi)應特定環(huan)境的檢測(ce)工作而損(sun)壞的。爲了(le)盡快解決(jue)生産上的(de)難題,采用(yong)了小口徑(jing)電磁流量(liang)計測量分(fen)流支管流(liu)🔅量的辦法(fa),目前國内(nei)電磁流量(liang)計無法同(tong)時滿足高(gao)溫✨、高壓、耐(nai)腐蝕、大通(tong)徑的技術(shu)要求。
電磁(ci)流量計的(de)測量原理(li)是基于法(fa)拉第電磁(ci)感應定律(lü)。即:導電液(ye)體在磁場(chang)中作切割(ge)磁力線運(yun)動時👣,導體(ti)中産生感(gan)應電壓,其(qi)感應電壓(ya)爲:
U=kB`nD
式中:
k———儀(yi)表常數;
B———磁(ci)感應強度(du);
`n———測量管截(jie)面内的平(ping)均流速;
D———測(ce)量管的内(nei)直徑。
測量(liang)流量時(圖(tu)1),流體流過(guo)垂直于流(liu)動方向的(de)磁場,導電(dian)🏃性流體💯的(de)流動感應(ying)出一個與(yu)平均流速(su)(亦即體積(ji)流量)成正(zheng)比的電壓(ya)(因此要求(qiu)被測的流(liu)動液體具(ju)有最低限(xian)💜度的電🚶導(dao)率),其感應(ying)電壓信号(hao)通過二個(ge)與液體直(zhi)接接觸的(de)電極檢出(chu),并通❄️過電(dian)纜傳送至(zhi)放大器,然(ran)後轉換成(cheng)統一輸出(chu)信🚶号。
已知正常(chang)運行時,原(yuan)轉送循環(huan)的設定流(liu)量範圍爲(wei)0～QTL/s(下标1表示(shi)主管,下标(biao)2表示支管(guan),下标T表示(shi)總管),這時(shi)✔️對應輸出(chu)的标準信(xin)号爲4～20mADC,該信(xin)号經送往(wang)DCS(集散控制(zhi)系統)運算(suan)後,顯示在(zai)操作監視(shi)器上爲0～QTL/s的(de)流量。若設(she)計的分流(liu)支管中的(de)最大流量(liang)Q2和主管的(de)流量Q1之和(he)爲轉送循(xun)環總管最(zui)大流量QTL/s,那(na)麽可以通(tong)過設定支(zhi)管電磁流(liu)量🈲計的量(liang)程爲0～QTL/s,則其(qi)對應的輸(shu)出标👌準信(xin)号也爲4～20mADC,經(jing)DCS運算後,顯(xian)示在操作(zuo)監視器上(shang)的流量範(fan)圍還是0～QTL/s,不(bu)影響工藝(yi)人員的正(zheng)常操作(圖(tu)2)。
3 管路設計(ji)及儀表選(xuan)型
雖然流(liu)量控制閥(fa)不是安裝(zhuang)在并聯管(guan)路的主管(guan)上😍,但可參(can)考并聯管(guan)路中的工(gong)作流量特(te)性:
X=Q全開/Qmax
式(shi)中:
Q全開———主(zhu)管控制閥(fa)全開時通(tong)過的流量(liang);
Qmax———工藝總管(guan)流體通過(guo)的最大流(liu)量。
假設主(zhu)管上裝有(you)一個常全(quan)開的流量(liang)控制閥。系(xi)數X值主要(yao)反映♍理想(xiang)流量特性(xing)畸變的嚴(yan)重程度。理(li)想流量特(te)性主要🍉是(shi)指閥的前(qian)、後壓差恒(heng)定時,流體(ti)通過閥門(men)的流量🎯與(yu)開度之間(jian)的關系,理(li)想流量特(te)性🧡主要取(qu)決于閥芯(xin)的形狀,分(fen)爲🏃♀️線性、對(dui)數、快開、抛(pao)物💃🏻線四種(zhong)。目前,該工(gong)藝總管所(suo)用流量控(kong)制閥的理(li)想流量特(te)性是對數(shu)型,因爲這(zhe)與轉換器(qi)輸出信号(hao)欲與被控(kong)變量(流量(liang))Q成正比及(ji)負荷(産量(liang))變化有關(guan)。當X=1時,即旁(pang)路閥全關(guan),控制閥的(de)工作流量(liang)🈲特⭐性與理(li)想流量特(te)性相同。随(sui)X值的💃減小(xiao),雖然控制(zhi)閥本身🐇的(de)流✂️量特性(xing)曲線沒有(you)變化,但管(guan)路系統的(de)可控比将(jiang)大大降低(di),洩漏量增(zeng)大;另外,實(shi)際系統總(zong)是同時存(cun)在串聯管(guan)路阻力的(de)影響,其閥(fa)上壓差随(sui)流量的增(zeng)加而降低(di),使☔得系統(tong)的可控比(bi)進一步下(xia)降。導緻控(kong)制閥實際(ji)可調的變(bian)化流量範(fan)圍更小,甚(shen)至不起控(kong)制作用。所(suo)以,控制閥(fa)并⚽聯于管(guan)路這種工(gong)作方式不(bu)好♈(注意:我(wo)這裏僅是(shi)假設,實際(ji)的流量控(kong)制閥安裝(zhuang)在🍉工藝總(zong)管上📧)。設計(ji)中,一般👄要(yao)求☎️X值不應(ying)低于0.8,即旁(pang)路流量最(zui)多隻能占(zhan)總流量的(de)百分之十(shi)幾。
已知工(gong)藝總管内(nei)徑dT爲300mm,正常(chang)運行時,轉(zhuan)送循環設(she)定的最大(da)💘流量💯QT爲260L/s,可(ke)求得正常(chang)流速VT。
總管(guan)流速:
考慮(lü)到目前工(gong)藝生産能(neng)力才達到(dao)80%左右,還有(you)預期擴大(da)生産等⛷️因(yin)素,故假設(she)今後正常(chang)運行時,分(fen)流支管最(zui)大流量Q2爲(wei)5L/s,流速V2爲3m/s,那(na)麽支管管(guan)路設計尺(chi)寸爲:
選用(yong)直徑爲58×4.0mm的(de)無縫鋼管(guan)作爲支管(guan)管路。參考(kao)有關🔞電磁(ci)流量計選(xuan)型設計資(zi)料,最後選(xuan)用分體式(shi)電磁流量(liang)計,傳感器(qi)型号爲AE205G-CS2-ESJ/ECG(DN50PN25Tmax=180℃陶(tao)瓷襯裏),采(cai)用如圖3的(de)分流支管(guan)測量流量(liang)。
4 核定量程(cheng)
由于電磁(ci)流量轉換(huan)器的量程(cheng)适應範圍(wei)廣,新工程(cheng)剛上馬,流(liu)速處于較(jiao)低的狀态(tai),當後期工(gong)程上去後(hou),管内流速(su)就處于較(jiao)高狀态,隻(zhi)要在現場(chang)更改儀表(biao)的滿量🧑🏽🤝🧑🏻程(cheng)就能适應(ying),不需要更(geng)🏃🏻♂️換儀表🍉。因(yin)此,要設定(ding)支管電磁(ci)流量計的(de)量程,必須(xu)知道經過(guo)支管的流(liu)速V2,而V2爲未(wei)知🏃🏻,但我們(men)知道,并聯(lian)管路除遵(zun)循質量守(shou)衡、能量守(shou)衡的原則(ze)外,還受各(ge)支管的流(liu)動阻🍉力(内(nei)摩擦力)必(bi)相等這一(yi)條件✍️的約(yue)束,即:
∑hf1=∑hf2=…=∑hfn=∑hf (1)
因此(ci),主管及支(zhi)管中的摩(mo)擦阻力必(bi)須服從式(shi)(1)的規律🤞,即(ji):
∑hf1=∑hf2或
式中:
hf———1kg流(liu)體流動時(shi)爲克服摩(mo)擦阻力而(er)損失的能(neng)量,J/kg;
L、Le———直管的(de)長度及管(guan)件的當量(liang)長度,m;
V———速度(du),m/s;
d———圓管内徑(jing),m;
λ———摩擦系數(shu),無因次。
已(yi)知主管内(nei)徑d1爲300mm的鋼(gang)管輸送156℃的(de)蒸煮液,在(zai)3000mm長的一段(duan)🍉主🐅管路✍️上(shang)并聯了一(yi)根内徑d2爲(wei)50mm的鋼管,其(qi)上裝有電(dian)磁流量💚計(ji),45°彎頭2個(選(xuan)用45°彎頭的(de)目的是避(bi)免主管流(liu)速太‼️高時(shi),支✊管産生(sheng)逆向環流(liu);或主♋管流(liu)速太低🆚時(shi),支管可🌈能(neng)沒有流量(liang)),切斷閥2個(ge)(設置手動(dong)旁路切🙇🏻斷(duan)閥的主要(yao)目的在于(yu)當電磁流(liu)量計發生(sheng)故障時切(qie)斷旁路,便(bian)于檢修,保(bao)證工藝過(guo)程繼續進(jin)行)。管道中(zhong)輸送的蒸(zheng)煮液(大部(bu)分爲循環(huan)利用的稀(xi)黑液),經化(hua)㊙️驗得知,其(qi)密度ρ爲1088kg/m3,粘(zhan)度μ爲0.003Pa·s。
根據(ju)質量守衡(heng)定律QT=Q1+Q2,則
總(zong)流量:QT=(π/4)d12v1+(π/4)d22v2
260×10-3=(3.14/4)×0.32v1+(3.14/4)×0.052v
支管(guan)内流速:v2=132.48-36v1(3)
取管(guan)壁粗糙度(du)ε1=0.3mm(舊管),ε2=0.1mm(新管(guan)),故由相對(dui)粗糙度ε/d及(ji)雷諾準數(shu)Re即可查出(chu)λ,但查λ時又(you)要有v的數(shu)值,故無法(fa)查λ值,此時(shi)可以采用(yong)♉試差計算(suan)法:根據實(shi)踐經驗,在(zai)管道常用(yong)的速度範(fan)圍,假設一(yi)個合适的(de)流速,從而(er)可以算出(chu)Re值,然後從(cong)摩擦系數(shu)與Re數及相(xiang)對粗📞糙度(du)間的關系(xi)圖中查出(chu)λ,用式(2)計算(suan)∑hf,先算出∑hf2作(zuo)爲參照值(zhi),最後根據(ju)式(3)及式(2)求(qiu)算∑hf1,若算出(chu)∑hf1=∑hf2,則說明所(suo)設的v值合(he)适,否則再(zai)另設v值,重(zhong)複上述計(ji)👨❤️👨算,直至算(suan)出的∑hf1=∑hf2爲止(zhi)。
假設v2=0.32m/s,由式(shi)(3)算出
v1=(132.48-v2)/36=3.67(m/s)
根據(ju)Re=dvρ/μ,求得:
Re1=(0.3×3.67×1088)÷0.003=399296
Re2=(0.05×0.32×1088)÷0.003=5803
主管(guan)、支管的相(xiang)對粗糙度(du)爲:
ε1/d1=0.3/300=0.001
ε2/d2=0.1/50=0.002
由此,查(cha)得λ1=0.0206,λ2=0.0386。
下步計(ji)算閥門、管(guan)件的當量(liang)長度。因主(zhu)管、支管的(de)Re值均大于(yu)4000,流型🙇♀️均屬(shu)于湍流,可(ke)從管件與(yu)閥門的阻(zu)力🙇♀️系數與(yu)當🈲量長度(du)數據表㊙️中(zhong)查得:
45°彎頭(tou) 0.85m
全開截止(zhi)閥 15m
總當量(liang)長度 ∑Lei=0.85×2+15×2=31.7(m)
直管(guan)長度 3m
傳感(gan)器測量管(guan)阻力系數(shu) ξ2=0.02(廠家提供(gong)),因此:
=1.39(J/kg)
由計(ji)算結果知(zhi),∑hf1≈∑hf2,所以選用(yong)支管流速(su)v2=0.32m/s是合适的(de)。
根據Q=(π÷4)d2v,求得(de):支管流量(liang):
Q2=(3.14÷4)×0.052×0.32×1000=0.628(L/s)
所以,支管(guan)流量的量(liang)程應設爲(wei)0～0.628L/s。
最後,通過(guo)對不同産(chan)量下流量(liang)控制的比(bi)對,監視器(qi)顯💯示的流(liu)量與實際(ji)流量變化(hua)趨勢一緻(zhi),這說明了(le)對支管流(liu)量量程的(de)核定是比(bi)較理想的(de)。
5 保護措施(shi)
爲了延長(zhang)電磁流量(liang)計的使用(yong)壽命,把分(fen)流支管中(zhong)流體🥰的溫(wen)🧑🏽🤝🧑🏻度降低20～30℃,這(zhe)雖然會引(yin)起流體粘(zhan)度和密度(du)的一定變(bian)化,對流速(su)産生👈影響(xiang),但這個影(ying)響很小,在(zai)實際流量(liang)測量中可(ke)以忽略。降(jiang)溫後的👄流(liu)體彙入總(zong)管時,對工(gong)藝參數的(de)影響也可(ke)以忽略。支(zhi)管中流體(ti)溫度降低(di)20～30℃,這對電磁(ci)流量計來(lai)說,其工作(zuo)環境大大(da)改善。在安(an)裝電⚽磁流(liu)量計時,在(zai)前直管段(duan)上套🔞上一(yi)根直徑100mm的(de)🤟管子,制成(cheng)單程套管(guan)式換熱器(qi)(圖3),使電磁(ci)流量計的(de)使用壽命(ming)得到延長(zhang)。
6 結束語
由(you)于進口設(she)備、表計價(jia)格昂貴,到(dao)貨周期長(zhang)。從價格上(shang)考🚩慮對于(yu)大口徑電(dian)磁流量計(ji),口徑越大(da),價格越高(gao)。而🔞采用小(xiao)口徑、陶瓷(ci)襯☁️裏的電(dian)磁流量計(ji),不僅可以(yi)使儀表運(yun)行在較好(hao)的工作狀(zhuang)态下,還可(ke)降低儀表(biao)的投資費(fei)用。
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