1　前　言(yán)
　　某造紙(zhǐ)廠年産(chǎn)1.5×105t本色商品木漿工程(chéng),其制(zhì)漿生(shēng)産線現場流量(liàng)測量儀表(biǎo)多數(shù)采用電磁(cí)流量計。
　　經過四年的(de)運行(háng),在連蒸系(xì)統中(zhōng),監測連續(xù)蒸煮(zhǔ)轉送循環(huán)流量(liàng)的(de)電磁流(liú)量計,因(yīn)工作(zuò)環(huán)境條(tiáo)件惡劣(壓(yā)力1200kpa、溫度(dù)160℃、介(jiè)質腐蝕等),引(yǐn)起電磁(cí)流量傳感器襯(chèn)裏聚四(sì)氟乙烯(xī)的損壞(huài),緻(zhì)使轉送循環儀表無(wú)法運(yùn)行(háng),工藝人員隻能憑經驗(yàn)操作。當流量低(dī)于一(yī)定值時,容易引起轉送管道的(de)堵塞,導緻(zhì)整條(tiáo)設備線停(tíng)機。
2　解決(jué)思(sī)路
　　由(yóu)于進口(kǒu)電(diàn)磁流量計價(jià)格昂貴(guì),到貨(huò)周期長,而(ér)國内同口徑的(de)電磁流量計(jì)的技術指(zhǐ)标達不(bú)到特定(dìng)工作環(huán)境的(de)要求;據故(gù)障技術分析,原(yuán)先的(de)進口電磁(cí)流量(liàng)計(jì)(正(zhèng)常運行時間(jiān)累計不(bú)滿兩(liǎng)年(nián))也(yě)是因無法(fǎ)适應(yīng)特定(dìng)環境(jìng)的檢測(cè)工(gōng)作而(ér)損壞(huài)的。爲(wèi)了盡(jìn)快(kuài)解決生(shēng)産上(shàng)的難題,采(cǎi)用了小口徑電(diàn)磁流量(liàng)計測量(liàng)分流(liú)支管(guǎn)流量的辦法(fǎ),目前國(guó)内電(diàn)磁流量計(jì)無法同時滿足(zú)高溫、高壓、耐腐(fǔ)蝕、大通徑的技(jì)術要求(qiú)。
　　電磁流量計的測量原(yuán)理是基于法拉(lā)第電磁感(gǎn)應定(dìng)律。即:導電液體(tǐ)在磁(cí)場(chǎng)中作切(qiē)割磁力(lì)線運動(dòng)時,導(dǎo)體(tǐ)中産生(shēng)感應(yīng)電壓,其感應電壓爲(wèi):
u=kb`nd
式中:
k———儀表(biǎo)常數(shù);
b———磁感(gǎn)應強(qiáng)度;
`n———測量管(guǎn)截面内的(de)平均(jun1)流速;
d———測量管的(de)内直徑(jìng)。
　　測量流(liú)量時(圖1),流體流(liú)過垂直于流動(dòng)方向的磁場,導(dǎo)電性流體的流(liú)動感應出一個(gè)與平均流速(亦(yì)即體積(jī)流量)成(chéng)正(zhèng)比的電壓(因(yīn)此要求被測的(de)流動液體具有最低限(xiàn)度的電(diàn)導率),其(qí)感(gǎn)應電(diàn)壓信(xìn)号通(tōng)過二(èr)個與液(yè)體直接接觸的電極檢(jiǎn)出,并通過(guò)電纜(lǎn)傳送(sòng)至放大器,然後轉換(huàn)成統(tǒng)一輸出(chū)信号。

　　已知正(zhèng)常運(yùn)行(háng)時,原轉(zhuǎn)送循(xún)環的設定(dìng)流量範圍爲0～qtl/s(下(xià)标1表(biǎo)示主(zhǔ)管,下(xià)标2表示(shì)支(zhī)管,下标t表(biǎo)示(shì)總(zǒng)管),這(zhè)時對應輸(shū)出的(de)标準(zhǔn)信号爲4～20madc,該信号(hào)經(jīng)送(sòng)往dcs(集(jí)散控(kòng)制(zhì)系統)運(yùn)算後,顯示(shì)在操(cāo)作監視器上爲(wèi)0～qtl/s的流量。若(ruò)設計的分流支(zhī)管中的最大(dà)流量q2和(hé)主管的流量q1之(zhī)和爲轉(zhuǎn)送循環(huán)總管(guǎn)最大流量(liàng)qtl/s,那麽可以通過(guò)設定支管電磁(cí)流量計(jì)的(de)量程(chéng)爲0～qtl/s,則其對應的(de)輸出标準(zhǔn)信号(hào)也爲4～20madc,經dcs運(yùn)算後,顯示在(zài)操(cāo)作監(jiān)視器上的流量(liàng)範圍(wéi)還是0～qtl/s,不影(yǐng)響工(gōng)藝人員的(de)正常(cháng)操作(圖2)。
3　管(guǎn)路設(shè)計及儀表(biǎo)選型(xíng)

　　雖然流量控制(zhì)閥不是安(ān)裝在(zài)并(bìng)聯(lián)管路(lù)的主管上,但可(kě)參(cān)考并(bìng)聯管路(lù)中的工作流量特性:
x=q全(quán)開/qmax
式中:
q全開(kāi)———主(zhǔ)管控制(zhì)閥全(quán)開時(shí)通過的流量;
qmax———工藝總(zǒng)管流體(tǐ)通(tōng)過的(de)最大(dà)流量。
　　假設主管上(shàng)裝有一(yī)個常(cháng)全開(kāi)的流量(liàng)控(kòng)制閥(fá)。系數(shù)x值主要(yào)反映理(lǐ)想流量特性畸(jī)變的(de)嚴重程度(dù)。理想(xiǎng)流量特性(xìng)主要是指(zhǐ)閥的(de)前、後壓差(chà)恒定(dìng)時,流體通(tōng)過閥(fá)門的流量與開(kāi)度之間的關系,理想流量特性(xìng)主要取決于閥芯的(de)形狀(zhuàng),分爲線性、對數、快開、抛物線四種。目(mù)前,該(gāi)工(gōng)藝(yì)總管(guǎn)所用流量(liàng)控制閥的理想流量(liàng)特性是(shì)對數型(xíng),因爲(wèi)這與轉換(huàn)器輸出信号欲(yù)與被控變量(流(liú)量)q成正(zhèng)比及負荷(産量)變化有(yǒu)關。當(dāng)x=1時,即旁路(lù)閥全(quán)關,控(kòng)制閥(fá)的工作(zuò)流量特性與(yǔ)理想流量(liàng)特性相同。随x值(zhí)的減(jiǎn)小(xiǎo),雖然控(kòng)制(zhì)閥(fá)本身(shēn)的流(liú)量特性曲線沒(méi)有變(biàn)化,但(dàn)管路(lù)系統的可(kě)控比(bǐ)将大(dà)大(dà)降(jiàng)低,洩漏量增大;另外(wài),實際系(xì)統總是(shì)同時存(cún)在串聯管路阻力(lì)的影響,其(qí)閥上壓差(chà)随流量(liàng)的(de)增加(jiā)而降(jiàng)低,使得系(xì)統的可(kě)控(kòng)比進(jìn)一步下降。導緻(zhì)控制閥實際可(kě)調的變化流量(liàng)範圍更(gèng)小,甚至不起控制作用。所以,控制閥并聯于管路這種(zhǒng)工(gōng)作方式(shì)不好(注意:我這裏僅(jǐn)是假(jiǎ)設,實(shí)際的(de)流量控制閥安(ān)裝在(zài)工藝總管上(shàng))。設計中,一般(bān)要求x值(zhí)不(bú)應低(dī)于0.8,即(jí)旁路流量(liàng)最多(duō)隻能(néng)占總流量的(de)百分之十幾。
　　已知(zhī)工藝(yì)總管内徑dt爲300mm,正(zhèng)常運行時,轉送(sòng)循環(huán)設(shè)定的最大流量qt爲(wèi)260l/s,可求(qiú)得正(zhèng)常(cháng)流速vt。
總(zǒng)管流速:

  考慮到目前(qián)工藝(yì)生産(chǎn)能力(lì)才達到80%左(zuǒ)右,還(hái)有預期擴(kuò)大(dà)生(shēng)産等(děng)因素(sù),故假設(shè)今後正(zhèng)常運行時(shí),分流支管(guǎn)最(zuì)大流量(liàng)q2爲5l/s,流速v2爲3m/s,那麽(me)支管(guǎn)管路設計(jì)尺寸爲:

　　選用(yòng)直(zhí)徑爲58×4.0mm的無縫鋼(gāng)管作爲(wèi)支(zhī)管管(guǎn)路。參考有(yǒu)關電磁流量計選型(xíng)設計資料,最後選用(yòng)分體式電磁流量計,傳感(gǎn)器型号爲ae205g-cs2-esj/ecg(dn50pn25tmax=180℃陶瓷襯裏),采用如圖(tú)3的分流(liú)支管測(cè)量流(liú)量(liàng)。
4　核定量(liàng)程
　　由于(yú)電磁流(liú)量轉換器的量(liàng)程适應範(fàn)圍廣,新工程剛(gāng)上馬,流速處于(yú)較低的狀(zhuàng)态,當後期(qī)工程上(shàng)去(qù)後,管内流(liú)速就(jiù)處于(yú)較高狀态(tài),隻要在現場更改儀(yí)表的滿量程就能适應,不需要(yào)更換儀表。因此(cǐ),要設(shè)定支管電(diàn)磁流量計(jì)的量程,必須(xū)知道經(jīng)過支管的流速(sù)v2,而v2爲未知,但我(wǒ)們知道,并聯(lián)管路除(chú)遵循質量守衡、能量守衡(héng)的原(yuán)則外,還受(shòu)各支(zhī)管的(de)流動(dòng)阻力(内摩擦力(lì))必相等(děng)這(zhè)一條(tiáo)件的(de)約束,即:
∑hf1=∑hf2=…=∑hfn=∑hf (1)
　　因此,主(zhǔ)管及支管(guǎn)中的摩擦阻力(lì)必須服(fú)從式(shì)(1)的(de)規律,即:
∑hf1=∑hf2或

式中(zhōng):
hf———1kg流體流(liú)動時爲(wèi)克服(fú)摩擦阻力(lì)而損失的能量(liàng),j/kg;
l、le———直管的長(zhǎng)度及管件的當(dāng)量長(zhǎng)度,m;
v———速度,m/s;
d———圓(yuán)管内(nèi)徑,m;
λ———摩(mó)擦(cā)系(xì)數,無(wú)因次(cì)。
　　已知主管(guǎn)内徑(jìng)d1爲300mm的(de)鋼管(guǎn)輸送156℃的蒸煮液(yè),在3000mm長(zhǎng)的(de)一段主管路(lù)上并聯了一(yī)根内徑(jìng)d2爲50mm的(de)鋼管,其(qí)上裝有(yǒu)電磁流量(liàng)計,45°彎(wān)頭2個(選(xuǎn)用45°彎頭(tóu)的目的是(shì)避免主管流速(sù)太高(gāo)時,支(zhī)管産生逆(nì)向環流;或主管流速太(tài)低(dī)時,支(zhī)管可(kě)能(néng)沒(méi)有流(liú)量),切斷閥2個(設(shè)置手(shǒu)動旁(páng)路切(qiē)斷閥的主(zhǔ)要目的在于(yú)當電磁(cí)流量計發生故(gù)障時切(qiē)斷旁路(lù),便于檢(jiǎn)修,保證(zhèng)工藝(yì)過程繼續(xù)進行)。管(guǎn)道(dào)中輸送的(de)蒸煮液(大(dà)部(bù)分爲循(xún)環利(lì)用的稀黑液),經(jīng)化驗得知(zhī),其密(mì)度ρ爲(wèi)1088kg/m3,粘(zhān)度μ爲0.003pa·s。
根(gēn)據質量守衡定律qt=q1+q2,則
總流量:qt=(π/4)d12v1+(π/4)d22v2
260×10-3=(3.14/4)×0.32v1+(3.14/4)×0.052v
支(zhī)管内流(liú)速:v2=132.48-36v1(3)

　　取(qǔ)管壁粗糙(cāo)度ε1=0.3mm(舊(jiù)管),ε2=0.1mm(新(xīn)管),故(gù)由相對粗糙度(dù)ε/d及雷(léi)諾準(zhǔn)數re即(jí)可查出(chū)λ,但(dàn)查λ時(shí)又要有v的數值,故無(wú)法查(chá)λ值,此(cǐ)時可以采用試(shì)差計算法(fǎ):根據(jù)實踐經驗,在管道常(cháng)用的速度(dù)範圍,假設一個(gè)合适的流(liú)速,從而可以算(suàn)出re值,然後(hòu)從(cóng)摩擦系(xì)數與re數及相對粗糙(cāo)度間的關(guān)系圖中(zhōng)查出λ,用式(2)計算∑hf,先算出(chū)∑hf2作爲參照(zhào)值,最後根(gēn)據式(3)及式(shì)(2)求(qiú)算(suàn)∑hf1,若(ruò)算(suàn)出∑hf1=∑hf2,則(zé)說明(míng)所設(shè)的(de)v值合适,否則(zé)再另設v值,重(zhòng)複(fú)上述(shù)計算,直至算出的∑hf1=∑hf2爲止。
假(jiǎ)設v2=0.32m/s,由(yóu)式(3)算出
v1=(132.48-v2)/36=3.67(m/s)
根據re=dvρ/μ,求得:
re1=(0.3×3.67×1088)÷0.003=399296
re2=(0.05×0.32×1088)÷0.003=5803
主(zhǔ)管、支管的(de)相對粗(cū)糙度爲:
ε1/d1=0.3/300=0.001
ε2/d2=0.1/50=0.002
由此(cǐ),查得(dé)λ1=0.0206,λ2=0.0386。
　　下步(bù)計(jì)算(suàn)閥門、管件(jiàn)的當(dāng)量長度。因(yīn)主管、支管的re值(zhí)均大于(yú)4000,流型均(jun1)屬于(yú)湍流(liú),可從(cóng)管件與閥門的(de)阻力系數(shù)與當量長度數據表(biǎo)中查得(dé):
45°彎(wān)頭　　0.85m
全(quán)開截(jié)止(zhǐ)閥(fá)　15m
總當(dāng)量長度　∑lei=0.85×2+15×2=31.7(m)
直管長度　3m
傳(chuán)感器(qì)測量(liàng)管阻(zǔ)力系(xì)數　ξ2=0.02(廠家提供),因此:

=1.39(j/kg)
　　由(yóu)計算結(jié)果知,∑hf1≈∑hf2,所(suǒ)以選用支管流(liú)速v2=0.32m/s是合适的。
根據q=(π÷4)d2v,求得:支(zhī)管流量:
q2=(3.14÷4)×0.052×0.32×1000=0.628(l/s)
所以(yǐ),支(zhī)管流(liú)量的(de)量(liàng)程(chéng)應設爲0～0.628l/s。
　　最(zuì)後,通過對不同(tóng)産量下流量控制的(de)比對(duì),監視器顯(xiǎn)示的(de)流量(liàng)與實際流(liú)量變(biàn)化趨勢一(yī)緻,這說明(míng)了(le)對(duì)支管流量量程的核定是比較(jiào)理想(xiǎng)的。
5　保護措施
　　爲(wèi)了延(yán)長電(diàn)磁流量計的使用壽命(mìng),把分流支管(guǎn)中(zhōng)流(liú)體的溫度降低20～30℃,這雖(suī)然會引起流體(tǐ)粘度(dù)和密度的(de)一定變化,對流(liú)速産(chǎn)生影響,但(dàn)這個影響很小(xiǎo),在(zài)實際(jì)流量測(cè)量中可以忽略(luè)。降溫後的(de)流體(tǐ)彙入總管時,對工藝(yì)參數(shù)的影(yǐng)響也(yě)可以忽略(luè)。支管中流體溫度降低20～30℃,這(zhè)對電(diàn)磁流量計來說(shuō),其工(gōng)作環(huán)境大(dà)大改(gǎi)善(shàn)。在(zài)安裝電磁流量計時,在前(qián)直管(guǎn)段上(shàng)套上一根直徑(jìng)100mm的管(guǎn)子,制成單(dān)程套管式換熱(rè)器(圖(tú)3),使電(diàn)磁流(liú)量計的(de)使用壽(shòu)命得到延長。
6　結(jié)束語(yǔ)
　　由于進口(kǒu)設備、表計價格(gé)昂貴,到(dào)貨周(zhōu)期長。從價格上考(kǎo)慮對(duì)于大口徑(jìng)電磁流(liú)量計,口徑越(yuè)大,價格越(yuè)高。而采用小(xiǎo)口(kǒu)徑、陶瓷襯裏的(de)電磁流量(liàng)計,不僅可(kě)以使儀表(biǎo)運行在較(jiào)好的(de)工作狀态下,還可降低儀(yí)表的(de)投資費用。

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