電磁流量計(jì)在水煤漿測(cè)量中的應(yīng)用和實(shí)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(jì)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(jìn)行計(jì)量和檢測(cè)。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(jì) 以其測(cè)量管內(nèi)無阻流部件，測(cè)量不受密度、粘度 影響等特點(diǎn)，成為首選（其它種類的流量計(jì)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(jì)意義和戰(zhàn)略意義。
　　本文通過國內(nèi)應(yīng)用實(shí)例和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，分析了電磁流量計(jì)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(jì)做為計(jì)量和檢測(cè)儀表，在測(cè)量控制 過程當(dāng)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(duì)措施和解決方案。
　　關(guān)鍵詞：煤改油   水煤漿   電磁流量計(jì)   水煤漿測(cè)量和控制
　　一、水煤漿和應(yīng)用水煤漿的現(xiàn)實(shí)意義
　　水煤漿是由60%～70%的煤粉+39%～29%的水+1%的化學(xué)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(dòng)性和穩(wěn)定性，具有象燃料油一樣的泵送、運(yùn)輸儲(chǔ)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(dòng)強(qiáng)度低的優(yōu)點(diǎn)；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(shì)，為稱為液體煤炭產(chǎn)品。可 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(zhǎng)遠(yuǎn)看，水煤漿的發(fā)展 潛力和市場(chǎng)需求量相當(dāng)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(jì)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?jǐn)?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(dòng)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(jià)格便宜，水煤漿 的加工方法又簡(jiǎn)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(qiáng)的觸變性，當(dāng)其受到強(qiáng)烈的剪切作用時(shí)，內(nèi)部結(jié) 構(gòu)遭到破壞，粘度降低，輸送阻力減小；而當(dāng)其處于原始狀態(tài)時(shí)，粘度較大， 輸送阻力亦較大。故水煤漿在管內(nèi)存放一段時(shí)間后再啟動(dòng)時(shí)，其啟動(dòng)壓力較 大，經(jīng)過一段時(shí)間輸送后壓力減小，并逐步趨于某一穩(wěn)定數(shù)值，這個(gè)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(jí)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(dāng)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(xué)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(dòng)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(yùn)輸工具的長(zhǎng) 途運(yùn)輸。
　　三、電磁流量計(jì)
　　電磁流量計(jì)是一種應(yīng)用法拉第電磁感應(yīng)定律的流量計(jì)，菲格瑞思 產(chǎn)品系 引進(jìn)國外電磁流量計(jì)最新技術(shù)制造。
　　1、工作原理（圖 1）
　　電磁流量計(jì)測(cè)量原理乃基于法拉第電磁 感應(yīng)定律。流量計(jì)的測(cè)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(cè)量管上，其電極頭與襯里內(nèi)表面基本齊平。勵(lì)磁線圈 向方波脈沖勵(lì)磁時(shí)，將在與測(cè)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(chǎng)。此時(shí)，如果具有一定電導(dǎo)率的流體流經(jīng)測(cè)量管，將切割磁力線感應(yīng) 出電動(dòng)勢(shì) E。電動(dòng)勢(shì) E 正比于磁通量密度 B、測(cè)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(dòng)勢(shì) E（流量信號(hào)）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(hào)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(hào)，用于流量的控制或調(diào)節(jié)。

圖1

　　2、產(chǎn)品特點(diǎn)
　　1）測(cè)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(cè)量管內(nèi)無阻礙流動(dòng)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(cè)量；
　　4）轉(zhuǎn)換器彩用新穎勵(lì)磁方式，功耗低、零點(diǎn)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(jì)為雙向測(cè)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(chǎng)所。
　　3、電磁流量計(jì)以其高精度、無壓損的特點(diǎn)深受市場(chǎng)的歡迎，電子技術(shù)的 發(fā)展和應(yīng)用使電磁流量計(jì)采用了高性能的 CPU  微處理器為核心進(jìn)行流量信號(hào) 的采樣處理，轉(zhuǎn)換器采用新穎的勵(lì)磁方式，功耗底，零點(diǎn)穩(wěn)定，測(cè)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(jìn)國外公司的 先進(jìn)流量計(jì)技術(shù)，在我公司進(jìn)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(jì)累計(jì)已達(dá)數(shù)萬臺(tái) 套，產(chǎn)生了很好的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。
　　4、保證電磁流量計(jì)測(cè)量精度的必需條件
　　1）被測(cè)流體必須具有導(dǎo)電性；流體電導(dǎo)率不低于 5μs/cm；
　　2）被測(cè)流體介質(zhì)必須充滿管道；
　　3）被測(cè)流體介質(zhì)必須均勻；
　　4）電磁流量計(jì)測(cè)量系統(tǒng)必須良好接地；
　　5）流量計(jì)入口直管段至少 5 倍的測(cè)量管內(nèi)徑長(zhǎng)，出口直管段至少 2 倍；
　　5）在流量計(jì)附近，應(yīng)避免強(qiáng)電磁場(chǎng)干擾。
　　四、水煤漿的測(cè)量和控制
　　1、測(cè)量原理由于水煤漿特殊的物理特性，使其流量測(cè)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(dòng)力粘度仍在 500-3000MPa·S 之間，工業(yè)用水煤漿常用動(dòng)力粘度一般控制為 800-1500MPa·S，而且它是非牛頓流體，設(shè)計(jì)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(cè)量的經(jīng)驗(yàn)，采用漿液型電磁計(jì)測(cè)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(jì)在水煤漿氣化爐裝置的應(yīng)用
　　1）用電磁流量計(jì)測(cè)量水煤漿流量時(shí)，對(duì)水煤漿的導(dǎo)電性能和流體流場(chǎng)的穩(wěn)定性有一定要求，導(dǎo)率必須＞5μs/cm，因?yàn)樗簼{是氣化裝置的主要原料， 進(jìn)料流量參與氣化爐安全聯(lián)鎖，控制氣化爐氧氣進(jìn)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(jìn)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(tuán)魯南化肥廠，國泰、國宏化工 集團(tuán)，山東德州華魯恒升集團(tuán)，南京金陵石化、南化集團(tuán)、浙江衢化集團(tuán)、 安徽淮北集團(tuán)等國內(nèi)大型企業(yè)均有運(yùn)用，本文的現(xiàn)場(chǎng)儀表的設(shè)置和經(jīng)驗(yàn)來自上述企業(yè)的工作實(shí)踐。
　　3、煤漿泵的脈動(dòng)流量對(duì)測(cè)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(dòng)流量，脈動(dòng)大，穩(wěn)定性差。這是與我們常見的離心泵相比，流體的流場(chǎng)非常不穩(wěn)定，對(duì)電磁流量計(jì)的在線測(cè)量產(chǎn)生較大的影響。 由于流體內(nèi)脈動(dòng)流，流場(chǎng)變化大且不穩(wěn)定，使電磁流量計(jì)測(cè)量信號(hào)不穩(wěn)定， 電磁流量轉(zhuǎn)換器輸出的電流控制信號(hào)變化大，對(duì)整個(gè)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(yuǎn)離煤漿泵安裝。現(xiàn) 場(chǎng)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)證明：一般傳感器與煤漿泵的距離為 30m 以上，最好達(dá)到 50-60m， 靠管道的長(zhǎng)度對(duì)水煤漿的脈動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行整流，使流場(chǎng)平穩(wěn)，滿足電磁流量計(jì) 測(cè)量的基本要求。山東德州華魯恒升集團(tuán)大氮肥項(xiàng)目 A、B、C、D、E 5 個(gè)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(tuán)、山東兗礦集團(tuán)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(dòng)速度也是解決流體脈動(dòng)影響的辦法，對(duì)電磁流 量計(jì)和管線進(jìn)行縮徑設(shè)計(jì)，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(dòng)減小，使流體流場(chǎng)平穩(wěn)，電 磁流量計(jì)的測(cè)量穩(wěn)定性和測(cè)量精度提高。山東德州華魯恒升集團(tuán)采用華東理工大學(xué)創(chuàng)新設(shè)計(jì)的對(duì)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(fèi)的同時(shí)，技術(shù)上有所創(chuàng)新進(jìn)步， 即采用了菲格瑞思 DN80 的 8 臺(tái)漿液型高壓電磁流量計(jì)，每條管道各兩臺(tái)電磁流量計(jì)，流速在 0.8m/s-1m/s 之間，電磁流量計(jì)工作可靠穩(wěn)定。
　　4、煤漿顆粒大小和漿液噪聲對(duì)測(cè)量的影響
　　漿液噪聲是液固兩相流導(dǎo)電液體測(cè)量時(shí)，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(xué)電勢(shì)突然變化，輸出流量信號(hào)出現(xiàn)尖峰脈 沖狀噪聲。如果兩個(gè)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(hào)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(jì)輸出信號(hào)的大幅波動(dòng)。盡量控制煤漿顆粒在 50μm  -55μm，減小顆粒噪 聲對(duì)測(cè)量穩(wěn)定性的影響。同時(shí)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(duì)測(cè)量的影響
　　水煤漿的測(cè)量電極一般選用不銹鋼涂覆碳化鎢電極，它的特點(diǎn)是電極前端涂覆碳化鎢，耐磨好性，使用時(shí)間長(zhǎng)，同時(shí)由于電極是由兩種不同的金屬 材料組成，電極間將會(huì)產(chǎn)生直流電壓，這個(gè)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(huì)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(cè)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(jì)測(cè)量介質(zhì)的電導(dǎo)率下限，所以會(huì)造成電磁流量計(jì)出現(xiàn)信號(hào)較大波動(dòng)，嚴(yán)重時(shí)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(duì)不銹鋼碳化鎢電極進(jìn)行預(yù)處理，減輕或 消除極化電壓，改用其它適合水煤漿測(cè)量的金屬電極，如果是管道內(nèi)測(cè)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(duì)水煤漿測(cè)量產(chǎn)生的影響。這一點(diǎn)非常重要，必須切記。大 量的工作實(shí)踐證明了這一點(diǎn).
　　6.電磁傳感器的安裝位置和接地要求
　　1)電磁流量計(jì)傳感器安裝位置應(yīng)遠(yuǎn)離煤漿泵，減小煤漿泵脈動(dòng)輸出的影響，垂直管道安裝的電磁流量計(jì)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(jì)的接地要求非常嚴(yán)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(jì)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(jì)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(shí)的固體成分高， 粘度大，流動(dòng)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(jì)測(cè)量電導(dǎo)率的下限，測(cè)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(jì)在線測(cè)量時(shí)流量信號(hào) 控制的大幅波動(dòng)，造成轉(zhuǎn)換器顯示和輸出電流信號(hào)大幅跳變，嚴(yán)重時(shí)電磁轉(zhuǎn)換器信號(hào)回零的情況，引起裝置 DCS控制的互動(dòng)聯(lián)鎖機(jī)構(gòu)誤認(rèn)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(hù)措施，一般來說，提高聯(lián)鎖保護(hù)的可靠性。一臺(tái)水煤漿氣化爐的每一條水煤漿測(cè)量 管道上安裝三臺(tái)電磁流量計(jì)www.cechina.cn ，或在一條測(cè)量管道上安裝二臺(tái)電磁流量計(jì)外加 一臺(tái)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(hù)方式。 即：一臺(tái)電磁流量計(jì)波動(dòng)超過設(shè)定的流量值不跳車保護(hù)，而二臺(tái)電磁流量計(jì)（或煤漿泵流量）同時(shí)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(dòng)聯(lián)鎖機(jī)構(gòu)動(dòng)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(jì)的工作原理為法拉第電磁感應(yīng)原理，用于測(cè)量密閉管道內(nèi)的
　　導(dǎo)電液體。所以測(cè)量介質(zhì)的導(dǎo)電率高低是一項(xiàng)最重要的指標(biāo)， 測(cè)量靈敏度高。它的漿液型轉(zhuǎn)換器獨(dú)具特點(diǎn)，采用新穎多頻勵(lì)磁方式，勵(lì)磁 頻率根據(jù)傳感器口徑可以調(diào)整，使測(cè)量時(shí)的電磁流量計(jì)零點(diǎn)穩(wěn)定，測(cè)量準(zhǔn)確，反映速度快的優(yōu)點(diǎn)。電磁傳感器采用開儀公司獨(dú)特的不銹鋼涂覆碳化鎢電極結(jié)構(gòu)，導(dǎo)管內(nèi)襯改進(jìn)的聚氨脂襯里材料，耐磨性能更好，工作壓力≤6.3MPa 時(shí)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(shí)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(jì)內(nèi)置漿液測(cè)量 專用軟件，在 漿液測(cè)量時(shí)程序?qū){液測(cè)量進(jìn)行運(yùn)算和補(bǔ)償。
　　8.水煤漿測(cè)量時(shí)漿液型電磁流量計(jì)轉(zhuǎn)換器的設(shè)置用帶有串行接口的個(gè)人計(jì)算機(jī)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(jìn)行通訊，對(duì)轉(zhuǎn)換器的工作參數(shù)進(jìn)行編程。
　　1、運(yùn)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(cè)量工作程序。程序在漿液測(cè)量過程中進(jìn)行運(yùn)算和補(bǔ)償，提高了漿液測(cè)量可靠性和穩(wěn)定性。
　　3、按水煤漿的測(cè)量?jī)?yōu)化設(shè)置流量菜單“時(shí)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(jì)測(cè)正向流量時(shí)，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?yàn)殡姶帕髁坑?jì)是一個(gè)雙向測(cè)量?jī)x表，而電磁流量計(jì)輸出的電流不分測(cè)量方向，是一個(gè)方向 的信號(hào)輸出。所以設(shè)置禁止“模擬輸出反向”輸出后，當(dāng)反向流量時(shí)電流輸 出只有零點(diǎn) 4mA 輸出。
　　5、按水煤漿液體電導(dǎo)率的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)值優(yōu)化設(shè)置空管檢測(cè)菜單的“空管閥 值”項(xiàng)的參數(shù)，提高測(cè)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(cè)量狀態(tài)更加穩(wěn)定。