煤浆流量计在德士古气化炉中的应用问题探讨

引言

随着煤化工项目在国内的不断开展，德士古气化炉煤浆流量计的应用越来越广泛。作为本文应用背景的两个甲醇项目都采纳德士古气化炉工艺，煤浆浓度在62%（wt/wt）左右、平均粒度约31μm、管道为DN150、压力等级600lbs、产能200000t。但自投产以来，原进口流量计运行效果一直不能令人满意，时常出现大幅度波动，竖管流量计波动更为频繁，有时横管流量计也一起波动。这容易导致误跳车，给企业带来很大的损失，也大幅度增加了相关部门的劳动强度。

针对因煤浆流量计波动而导致跳车事故这一问题，对煤浆流量计的波动原因进行了分析，采用上海威尔泰生产的特殊结构传感器和新一代交流励磁转换器，有效地预防了因波动而引起的跳车事故，取得了预期的应用效果。

1 波动原因分析

根据电磁流量计的原理和相关文献以及长期应用经验可知，流场波动的根本原因取决于电磁流量计测量管内流体的流场和流态［1］。DN150测量管的流量与流速对应关系如表1所示。正常生产时，流量一般为25m3/h左右，对应的流速只有0.4m/s。流体流速低，而煤浆浓度高达60%以上，这容易导致管道中的流场处于不稳态，且竖管和横管的不稳态是不同的［2］。

在竖管中，中心的流速比较快，四周的流速比较慢，这使管壁表面附着一层流动很慢的煤浆。如果这个附着层慢到几乎不动，而且比较厚，就盖住了电极，转换器的流量输出就会下降，甚至下降到零。由于煤浆泵的工作方式是脉动的，煤浆管线也有振动，再加上竖管很高，所以附着在内管壁的煤浆处于不稳定的状态，管道内会时不时地发生类似雪崩的现象，而且这种雪崩现象不一定只有一处。煤浆流动状态示意图如图1所示。如果这种雪崩现象发生在流量计的测量管内，就会引起转换器输出的波动。由“雪崩”导致的输出波动周期比较快，阻尼时间加大，可以起到一定的平稳作用。

图1 煤浆流动状态示意图

在生产过程中，最难处理的是另外一种波动。该波动周期很慢，但幅度很大，大到足以引起跳车。要把这种现象解释清楚，就需要引进权重函数的概念［3－6］。粗略地说，权重函数给出了不同位置的流体切割磁力线所产生的感应电动势对电极信号的贡献率。权重函数示意图如图2所示。

图2 权重函数示意图

图2以中心点权重为1，给出了电极平面的权重函数分布。由图2可知，越接近电极，权重最大；反之，沿导管转90°，权重最小。

电极平面煤浆流速的两种分布情况如图3所示，其权重函数的分布与图2相同。

图3 流速分布不均示意图

理想流场分布应该呈轴对称，中心稍大、四周稍慢，这时采用电磁流量计所测量的流量准确且稳定（浆料噪声的影响除外）。如果流场不够理想，则测量管横截面流速分布不均，可能引起流量测量输出波动。

由图3（a）可知，权重函数高的地方流速快，而权重函数低的地方流速慢，这时转换器流量输出增大；由图3（b）可知，权重函数低的地方流速快，而权重高的地方流速慢，甚至电极被覆盖，这时转换器输出减小，甚至接近于零。

横管的波动原因与上述分析有所不同，其波动主要是由于淤积造成的。如果淤积面没有超过电极，则由于测量管横截面减小、流速提高，转换器输出就会变大；如果淤积面超过了电极，转换器输出就会减小。由于这种淤积是不稳定的，淤积面时涨时消，所以引起流量输出周期较长的波动。一般而言，在投料初期，横管表现比较好，经过一段时间后，横管才会波动。

2 解决方案

在此之前，多数人认为流量计波动的原因在于浆料噪声，甚至是电极噪声。由于浆料噪声和电极噪声的周期比较短，所以处理波动方法不外乎是加大阻尼时间。事实证明，这种方法不能从根本上解决流量计输出波动所导致的跳车问题。

经过上面的分析，我们认为引起流量计输出波动的根本原因在于流场流态，其特点是波动周期比较长，周期为几秒甚至几十秒。要改善流场流态，就需要从传感器结构设计着手。因此，采用了类文丘里管形状的传感器，这样不但提高了流速，而且能起到一定程度的整流作用。应用经验表明，当流速为1m/s左右时，流场比较好，对于消除大幅度长周期的异常波动，这样设计的传感器起到了关键性的作用。

为了解决流量计的异常波动，仅靠改变传感器的结构是不够的。由于原进口电磁流量计是方波励磁，所以采用所谓的低噪声电极和价格较高的ETFE衬里，不能有效解决转换器克服浆料噪声先天不足问题。另外，浆料噪声随着流速的提高而增大。缩径后，如果采用方波励磁转换器，虽然能够避免大幅度长周期的波动，但仍然无法解决快周期的波动问题。更为严重的是，这种波动也有可能导致跳车。

为使转换器输出平稳，采用方波励磁转换器只能加大阻尼时间。然而，德士古气化炉的安全连锁方案对流量计阻尼时间有严格的限制。据专业人士测算，如果煤浆管线被堵住，则切断氧气的时间只有8～10s。如果流量计阻尼时间过大，就会发生过氧爆炸的危险。

由上述分析可知，德士古工艺要求煤浆流量计不仅输出平稳（防止误跳车），而且反应速度快（一旦断浆，快速激活安全联锁，切断氧气，防止炉砖烧损或过氧爆炸）。由于方波励磁电磁流量计在测量浆料方面本身就存在缺陷，所以应选用交流励磁的转换器。上海威尔泰生产的新一代交流励磁转换器，由于采用了高阶带通滤波器，能够实现流量测量输出既稳又快。在我们的实际项目中，曾使用0.2s的阻尼时间安全可靠运行了两年多。

由于横管波动的原因与竖管不同，所以处理方法也不同。国内曾有电磁流量计厂家仿照威尔泰的竖管流量计进行了缩径设计并应用到横管上，实际使用的效果却不够理想。威尔泰提供的横管解决方案如图4所示。