乙醇管道流量計的結構原理及在濕法磷酸裝置中的應用實(shí)例

摘要：濕法磷酸生產(chǎn)過(guò)程中產(chǎn)生大量的高腐蝕性、成分復雜的酸液，對流量計的耐腐蝕性要求較高。乙醇管道流量計具有耐腐蝕、精度高、易于維護、節約成本等優(yōu)點(diǎn)，已在磷酸生產(chǎn)中大規模使用。以某濕法磷酸裝置為例，介紹了乙醇管道流量計的測量原理，電極、測量管內襯材質(zhì)及接地方式的選擇。
1 概述
隨著(zhù)幾十年的工業(yè)發(fā)展，我國磷化工行業(yè)日趨壯大，目前磷酸產(chǎn)量位列世界第一。國內磷酸生產(chǎn)工藝絕大部分以濕法磷酸為主。濕法磷酸生產(chǎn)過(guò)程中除了含有磷酸外，還混有一定的硫酸、氫氟酸、氟硅酸等強腐蝕性介質(zhì)。測量這些酸液的流量?jì)x表需要具有很好的耐腐蝕性。選擇合適的材質(zhì)、增加儀表的壽命、提高信號傳輸的穩定性是濕法磷酸工藝中流量測量的關(guān)鍵之處。乙醇管道流量計適用范圍廣、精度高、耐腐蝕、易于維護、成本較低，適用于磷化工生產(chǎn)中的流體計量。國內某 300 kt/a 磷酸裝置中大規模使用乙醇管道流量計，并取得了良好的工作效果。
2 乙醇管道流量計簡(jiǎn)介
2．1 工作原理
乙醇管道流量計的測量原理如圖 1 所示。根據法拉第電磁感應定律，導電液體在磁場(chǎng)中流動(dòng)會(huì )產(chǎn)生電動(dòng)勢 E，它與磁感應強度 B、導電液體平均流速 v 成一定比例關(guān)系:

E=KBDv
式中:E---導電流體在磁場(chǎng)中產(chǎn)生的電動(dòng)勢，V;
K---比例系數，在管道內徑 D 和磁感應強度
B 不變的情況下，K 為常數，1;
B---磁感應強度，T;
D---測量管內徑，m;
v---導電液體平均流速，m/s。
乙醇管道流量計利用上述函數關(guān)系推導出 v = E/(KBD)，實(shí)際測得的是液體流速 v，再通過(guò)被測介質(zhì)的體積流量 Q V = πD 2 v/4，計算導電流體介質(zhì)的流量。
2．2 計量系統組成
乙醇管道流量計主要由兩部分組成:流量傳感器和信號變送器，如圖 2 所示。傳感器上的勵磁線(xiàn)圈接受變送器傳輸來(lái)的勵磁電流產(chǎn)生磁場(chǎng)，輸出感應電動(dòng)勢信號;信號變送器則將感應電動(dòng)勢信號轉換為流量信號或模擬量信號送至控制系統。乙醇管道流量計按組成方式分為一體式和分體式。乙醇管道流量計穩定工作另外一個(gè)重要條件是接地。當流體流動(dòng)穿過(guò)磁場(chǎng)時(shí)，以導電流體本身作為參考電位，在測量管一側電極產(chǎn)生正電勢，另一側產(chǎn)生負電勢，形成電勢差。但此電動(dòng)勢信號一般只有幾毫伏，易受外界干擾。為防止干擾，將參考電位接入大地作為零電位，保證傳感器輸出精確穩定的信號。傳感器和轉換器的接地端必須與被測介質(zhì)同電位，才能構成對稱(chēng)的輸入輸出回路。

2．3 系統特性
乙醇管道流量計的主要特點(diǎn)如下:①不同于差壓式、容積式流量計，乙醇管道流量計測量管內無(wú)阻流部件，壓損很小，適用于大口徑管道;②不受測量介質(zhì)的溫度、壓力、密度、黏度參數變化影響，不需要進(jìn)行修正和補償，僅僅要求測量介質(zhì)的電導率 σ＞5 μS/cm;③量程比寬，輸出信號和流量成線(xiàn)性關(guān)系;④測量精度高，可達到±(0．1% ～0．5%);⑤安裝要求低，前后直管段要求低，一般滿(mǎn)足前直管段管徑 D 前 ≥5D，后直管段管徑 D 后 ≥2D 即可;⑥性?xún)r(jià)比較高，使用范圍廣，合理選用襯里材料和電極材質(zhì)可以測量各種腐蝕性介質(zhì)的流量。
需要注意的是，乙醇管道流量計不能測量非導電介質(zhì)的流量，也不適用于測量含有氣體的介質(zhì)，這樣會(huì )引起測量數據的大幅波動(dòng)。
3 在濕法磷酸裝置中的應用實(shí)例
國內某 300 kt/a 磷酸裝置中，含有不同溫度、不同壓力、不同濃度的多種酸液，包括:稀磷酸、濃硫酸、磷酸料漿、絮凝劑、P 2 O 5 溶液、H 2 SiF 6 溶液、渣酸、洗滌水、酸性循環(huán)水、工藝水等。如此復雜的工藝介質(zhì)對流量計的選型要求很高，酸液的配比、濃度、溫度、雜質(zhì)、溶解氣體以及流速等都會(huì )影響接液材質(zhì)的耐腐蝕性。
乙醇管道流量計主要的接液部分是電極和測量管襯里，要根據每一種腐蝕介質(zhì)的特性以及現場(chǎng)實(shí)際工況選擇合適的電極和襯里材質(zhì)，必要時(shí)可對擬選材料進(jìn)行耐腐蝕試驗，從而延長(cháng)流量計的壽命，加強測量的可靠性。
3．1 電極材質(zhì)的選擇
乙醇管道流量計電極的選擇至關(guān)重要。電極應滿(mǎn)足被測介質(zhì)腐蝕特性，同時(shí)不能產(chǎn)生電化學(xué)反應干擾。常用電極材質(zhì)主要有:不銹鋼 316L、哈氏合金 C、鈦、鉭、鉑、鉑-銥合金等。本裝置中乙醇管道流量計電極材質(zhì)的選擇見(jiàn)表 1。

從表 1 可以總結出:對于有襯里管道，電極材質(zhì)一般選擇鉑-銥合金，該材料耐用于大部分腐蝕性酸液;對于金屬管道，電極一般選擇比管道高一等級的材料，以 316L 和哈氏合金為主。特殊情況下，若測量易結晶、結疤、易沾污電極的介質(zhì)，還可選擇刮刀式電極，防止長(cháng)時(shí)間流體沖刷，在電極上產(chǎn)生污垢。
3．2 測量管襯里材質(zhì)的選擇
乙醇管道流量計要根據被測流體的溫度、壓力、速度以及含固顆粒的硬度、含量和粒徑大小來(lái)決定測量管內襯的材質(zhì)。該濕法磷酸裝置中，乙醇管道流量計測量管襯里材質(zhì)的種類(lèi)見(jiàn)表 2。

從表 2 中可以看出，本項目中測量磷酸、硫酸、含氟酸和含酸洗滌水等流量時(shí)，乙醇管道流量計采用PFA 內襯，這種氟內襯幾乎耐用于各種強腐蝕性介質(zhì)，同時(shí)測量管內附有不銹鋼絲網(wǎng)，增強了襯里和金屬管道的結合，具有耐負壓性;PTFE 與 PFA 性能相差無(wú)幾，但摩擦系數較低，對于絮凝劑這種具有一定的吸附性的介質(zhì)優(yōu)先選用 PTFE 內襯;磷酸料漿含有一些懸浮顆粒物，長(cháng)時(shí)間流體會(huì )破環(huán)樹(shù)脂或者塑料類(lèi)的襯里，此處選用陶瓷內襯，延長(cháng)流量計工作壽命。普通工藝用水等介質(zhì)選用經(jīng)濟實(shí)用橡膠類(lèi)襯里即可。
3．3 接地方式
根據上述乙醇管道流量計的安裝要求知，乙醇管道流量計需進(jìn)行液體接地才能正常工作。流量計可通過(guò)使用無(wú)內襯導電的管道法蘭、接地環(huán)或接地電極實(shí)現接地。本磷酸裝置中，輸送腐蝕性介質(zhì)流體多以碳鋼襯里管道為主，少數輕度酸性液體管道采用不銹鋼或碳鋼管道。對于不同材質(zhì)的管道，乙醇管道流量計的接地方式也不一樣。
3．3．1 安裝在金屬管道上
乙醇管道流量計安裝在金屬管道上，安裝時(shí)將金屬管道與乙醇管道流量計相連接，接地線(xiàn)再接入接地網(wǎng)，如圖 3 所示。

3．3．2 安裝在非金屬管道上
襯里管道的接地方式主要有以下三種。
1．采用接地環(huán)
在有襯里的測量管兩端法蘭上，加裝接地環(huán)(或稱(chēng)“接液環(huán)”)，如圖 4 所示。裝接地環(huán)是為了可靠地、穩定地將導電液體作為差動(dòng)電勢信號的基準點(diǎn)與轉換器的信號連接起來(lái)，與液體之間形成相近或大致相等的電位。接地環(huán)材質(zhì)一般和電極材質(zhì)一致或相仿，保證耐腐蝕性。

接地環(huán)形式多樣，主要類(lèi)型有三種，如圖 5 所示，普通接地環(huán)類(lèi)似一個(gè)帶柄的孔板;保護型接地環(huán)固定在法蘭上，保護法蘭面襯里不受損傷;若介質(zhì)磨損性較強，應選用帶頸保護環(huán)保護襯里。
2．采用接地電極(三電極)
從表 2 中可以看出，本裝置中乙醇管道流量計的電極材質(zhì)主要使用鉑 － 銥合金，若在其他場(chǎng)合或被測流體介質(zhì)下，電極材質(zhì)還可以選擇鉭、鈦、鉑金等貴重金屬。若使用接地環(huán)方式接地，由于一般要求接地環(huán)材質(zhì)和電極的相同，因此從成本上來(lái)說(shuō)很不經(jīng)濟。為了節省費用，本項目中濕法磷酸裝置中乙醇管道流量計接地采用三電極方式，即在傳感器測量管與測量電極成垂直的最低點(diǎn)，另外加一個(gè)電極(和測量電極材質(zhì)、大小均相同)，以起到接地效果。
3．虛擬接地
隨著(zhù)技術(shù)的發(fā)展，近些年一種新的接地技術(shù)---虛擬接地被應用到乙醇管道流量計上。通過(guò)提供流量轉換器輸入放大器和電路中的光電耦合器的隔離，使測量電路在液體的電勢浮動(dòng)，只有當流經(jīng)流量傳感器時(shí)，導電液體的流速產(chǎn)生感應電壓。這種轉換器信號的特殊處理允許流量計傳感器接地即可滿(mǎn)足其正常工作，減少了安裝，也免去了額外增加接地環(huán)或第三電極的成本。
4 結束語(yǔ)
只要選擇合適的電極材質(zhì)和測量管襯里材質(zhì)，乙醇管道流量計就可以適應各種腐蝕性介質(zhì)。磷化工生產(chǎn)中大部分是能導電的酸性介質(zhì)，使用乙醇管道流量計進(jìn)行流量測量是計量?jì)x的首選。目前各乙醇管道流量計廠(chǎng)商都會(huì )提供自家產(chǎn)品對應的耐腐蝕材質(zhì)選擇表，在設計選型中，除了根據介質(zhì)特性先行選擇對應的電極和襯里材質(zhì)外，也需要根據各家乙醇管道流量計的特點(diǎn)確定其方案。同時(shí)安裝時(shí)要根據實(shí)際情況采取不同的接地方式，以保證乙醇管道流量計穩定地工作。

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