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電磁流量計在造紙行業中的常規以及特殊工況的應用

來源:作者:發表時間:2021-11-29 09:03:41

 摘要:隨著社會經濟以及工業自動化的迅速發展,電磁流量計在造紙行業中的應用越來越廣泛。為了使其更好地服務造紙行業,需要對紙漿造紙過程中的計量進行深入的分析與研究,并通過科學的分析方法解決其計量過于復雜的難點性問題。本文通過對電磁流量計原理的分析,介紹了電磁流量計主要的優點和不足,并結合造紙行業的特殊工況和面臨的問題,闡述電磁流量計在造紙行業的應用選型以及注意事項。本文總結出一些應用經驗,可為造紙行業的發展與完善提供些許參考與建議。

 
1、前言
       在紙漿造紙生產過程中,紙漿流量的測量起著非常重要的作用。高濃度的紙漿在封閉的管道內連續運行,使測量過程中的干擾大大增加。因此,造紙行業對流量測量儀表也提出了更高的要求。
 
       制漿造紙生產中所用的大量液體,其電導率都大于20μS/cm,這種情況就符合電磁流量計的基本測量要求。電磁流量計沒有使管道公稱直徑縮小或者可能被纖維所堵塞的部件,這一特點在測量紙漿流量時顯得極為重要。因此,近年來利用電磁流量計測量紙漿流量的方法得到廣泛的應用。
 
2、電磁流量計的測量原理
       電磁流量計是測量各類具有一定電導率的液體、漿液流量的流量計。法拉第電磁感應定律是電磁流量計的基礎,當導體作切割磁力線運動時,導體中就會產生感應電動勢。本原理適用于導電流體流過垂直于磁場方向的測量管,如圖1所示[1]。
電磁流量計原理
信號電壓 UE的計算公式為
UE=BDv1
式中:信號電壓UE正比于磁感應強度B、電極間距D和平均流速v。
 
       由于磁感應強度B和電極間距D是常數,則信號電壓UE與平均流速v之間呈正比關系。計算體積流量公式是UE~qv。信號電壓UE與流量呈線性正比關系。如圖1所示,流體中的感應電動勢由位于徑向彼此相對的2個電極測出。
 
       由式(1)可知,被測流體介質的溫度、密度、壓力、電導率、液固兩相流體介質的液固成分比等參數不會影響測量結果。被測介質只要符合軸對稱流動(如層流或者紊流)就不會影響測量結果。
 
       因此,電磁流量計是一種真正的體積流量計。電磁流量計只要用普通的水實際標定后就可以測量其他任何導電流體介質的體積流量,而不需要任何修正。
 
3、電磁流量計的特點[2]
(1)測量管為光滑直管段,無可動及阻流部件,壓力損失小,對于大口徑管道來說,節能效果顯著;
(2)流量計輸出與流量呈線性關系,測量口徑范圍廣,可包含DN3~DN3400;
(3)測量范圍寬,選擇不同的襯里可以測量各類高溫、腐蝕性介質;
(4)安裝要求低,根據使用經驗,前置直管段為5D,后置直管段為3D(D為管道公稱直徑)就可滿足精度要求;
(5)測量精度高,常規可達0.3%~0.5%;(6)對于被測介質必須是導電性液體,導電率一般≥20μS/cm。被測介質中不能含有大量鐵磁性物質或氣泡,不能用于氣體、蒸汽或非導電介質的測量。
 
4、造紙行業背景
       造紙業作為重要的基礎原材料產業,在國民經濟中占據重要地位。造紙業關系到國家的經濟、文化、生產、國防各個方面,其產品用于文化、教育、科技和國民經濟的眾多領域。
 
       我國是傳統造紙大國,改革開放以來,伴隨國民經濟的持續快速發展,中國造紙行業也逐步經歷著從早期的產能分散、工藝粗放式生產向集約型發展模式的過渡。通過引進技術裝備與國內自主創新相結合,中國造紙行業部分優秀企業已完成由傳統造紙業向現代造紙業的轉變,步入世界先進造紙企業行列。同時,中國也成為全球紙品產銷大國,造紙總產量和消費量已經躍居世界首位。
 
5、造紙流程中的工藝特性及問題
5.1造紙過程工藝
       現代造紙工藝主要由2個工藝環節組成:制漿段和造紙段。
 
       制漿是由植物纖維原料分離出纖維制得紙漿的過程。制漿方法主要分為機械法、化學法和化學機械法,分別制得機械紙漿、化學紙漿和化學機械紙漿。
造紙段主要是將各種漿料按比例混合后經網部脫水,壓榨成形并烘干后成為原紙,經后段涂布、壓光后出成紙。
 
5.2、測量面臨的問題
(1)高溫高壓
一般經過機械打漿后的漿料溫度高達80℃以上。黑液的提取與循環過程,也是一個高溫高壓的環境。
(2)內襯磨損
高濃度紙漿、廢紙液、蒸煮噴漿線會對電磁流量計的內襯產生嚴重的磨損。
(3)漿液噪聲干擾
高濃度紙漿、纖維在流過電磁流量計的時候,容易與電磁流量計的電極產生摩擦,從而產生尖峰噪聲干擾。
(4)電極結垢
在測量燃料、化學藥劑、易結晶液體時,電磁流量計的電極會被絕緣附著物覆蓋,從而影響測量。
 
6、電磁流量計在造紙行業的應用選型
       針對造紙過程的特殊性以及面臨的問題,對于電磁流量計在造紙行業的應用選型做如下分析。
 
6.1、襯里的選擇
       造紙過程中的被測介質具有高溫高壓的特點,且有大量的化學藥品,具有腐蝕性。因此,電磁流量計都采用耐高溫的PTFE襯里,且整機采用分體形式。PTFE襯里雖然耐高溫但是不耐負壓,在某些特殊環境下,如中濃立管出口,不但介質濃度高、溫度高且不定時會出現真空現象,在這種情況下就需要選擇具有不銹鋼襯網的PFA襯里,以防止PT?FE發生鼓包現象。
 
       經過多年實踐,電磁流量計襯里在造紙領域普遍選用PTFE、PFA或F46。此外,電磁流量計在安裝時加裝帶頸接地環,可大大提高襯里的耐磨損性。
 
6.2、電極的選擇
       造紙行業的電磁流量計電極的選擇主要考慮2方面:一是耐腐蝕;二是防結垢。
 
       造紙過程會加入大量的化學藥品,如NaOH、Na2SiO3、濃H2SO4、H2O2等。對于不同的化學藥品需要選擇不同的電極,如強酸性介質電極需選用鉭電極,對于堿性介質一般選用鈦電極,而對于常規水的測量則316L不銹鋼電極即可。電極的選型不當會造成電極腐蝕,從而導致電極進水。在電極防結垢的設計上,對于結垢程度一般,以纖維狀物質為主的介質可選擇球面電極。球面電極與被測介質接觸面積大,且不易被纖維狀物質覆蓋,如圖2所示[1]。
球面電極
       如果被測介質黏性高,易結垢程度嚴重則需選擇尖頭電極,如圖3所示。尖頭電極在介質接觸部位的中心位置具有同一軸線的凸起部,此凸起部為導電體。被測介質經過電極時會被凸起部分割,使得介質與電極接觸部位以及凸起部不易結垢[1,6]。
尖頭電極
6.3、勵磁方式的選擇
6.3.1勵磁方式介紹
       電磁流量計能否具有良好的抗干擾能力與較好的零點穩定性,很大程度上由勵磁方式的類型決定。勵磁技術的不斷改進推動著電磁流量計的發展,主要形成了直流勵磁(含永磁勵磁)、交流勵磁、低頻矩形波勵磁、低頻三值矩形波勵磁、高頻矩形波勵磁和可編程脈寬矩形波勵磁、雙頻矩形波勵磁6類[4]。
 
       目前在造紙行業使用較多的是低頻矩形波勵磁、高頻矩形波勵磁和可編程脈寬矩形波勵磁、雙頻矩形波勵磁。
(1)低頻矩形波勵磁
       這種勵磁方式是目前電磁流量計的主流勵磁方式。該勵磁方式不會產生交流勵磁中的渦流效應,也不會產生直流勵磁中的極化現象。因此,應用也最寬泛,如圖4所示。
低頻矩形波勵磁
(2)高頻矩形波勵磁和可編程脈寬矩形波勵磁[3]
       依托微電子技術的不斷發展,勵磁技術也在不斷進步,利用單片機的可編程特性、存儲和運算功能,勵磁方式可以做到脈沖寬度可編程。高頻勵磁是相對于低頻而言的,高頻一般在25~100Hz,這2種勵磁方式的優點是能夠對漿液狀流體進行流量測量,具有快速響應性。缺點是高頻矩形波勵磁方式對磁性材料要求高,增加了工藝上的難度。
(3)雙頻矩形波勵磁
       傳感器采用雙頻勵磁,在電磁流量計測量管道內形成一個具有高頻和低頻2個頻率分量的電磁場。高頻頻率選用75Hz,能有效抑制介質噪聲,大幅度降低了液體對檢測電極的極化作用;低頻頻率選用6.25Hz,有利于抑制零點的漂移。采用雙頻勵磁方式的電磁流量計能夠在工況惡劣的條件下工作,具有良好的零點穩定性,同時還具有較強的漿液噪聲抑制的能力,如圖5所示。
雙頻矩形波勵磁
6.3.2不同勵磁方式在實際應用中的選擇
       在造紙行業中,電磁流量計勵磁方式的選擇主要根據漿液濃度來選擇。對于常規1%~3%或以下的漿料,一般的低頻勵磁方式就可測量,如12.5Hz或6.25Hz低頻勵磁。
 
       當紙漿濃度為3%~15%時,漿料中液體的不均勻以及漿料摩擦電極引起的高頻噪聲,容易使得電磁流量計波動,因此,需選擇勵磁頻率≥25Hz的高頻勵磁。根據我公司高頻電磁流量計的使用經驗,高頻勵磁可降低40%~50%的流量波動幅度,如圖6所示。
不同電磁流量計在 15% 濃度漿料測量時電極信號
       當紙漿濃度大于15%時,推薦使用雙頻勵磁電磁流量計。雙頻勵磁電磁流量計在具有較強的漿液噪聲抑制能力的同時,還可有效抑制零點漂移。
 
7、電磁流量計使用注意事項
電磁流量計在造紙行業液體測量中占據著主導地位。在實際使用中應注意以下問題:
(1)電磁流量計安裝時需滿足前置直管段為5D,后置直管段為3D(D為管道公稱直徑);
(2)電磁流量計安裝時必須保證滿管,避免將其安裝在管道的最高處;
(3)如電磁流量計安裝在絕緣管道上,必須配接地環或接地電極;
(4)當測量2種電導率不同的介質,電磁流量計應安裝在介質的上游或者介質充分混合均勻的位置;
(5)測量易黏附、沉積、結垢的流體,電磁流量計實際流速應不低于2m/s,很好3~4m/s或以上;
(6)測量磨損性強的流體,電磁流量計常用流速應低于2~3m/s;
(7)安裝位置避免附近有變頻、大功率電機、大變壓器、動力電纜等設備。
 
8、應用案例
       造紙行中,需要流量測量的介質主要分為漿液(紙漿、竹漿)和黑液。廣西某著名造紙廠在2016年聯系到我公司,希望對于他們公司黑液的測量提供解決方案。其公司的黑液主要包括2個工藝段:一是蒸發工藝段的黑液,介質溫度120℃,介質濃度<3%;二是蒸煮工藝段的黑液,介質溫度170℃,介質濃度<3%。用戶要求流量測量穩定準確,與液位計量吻合,測量值顯示波動<2%,且使用壽命>3a。對于蒸發工藝段的黑液,我公司推薦XE系列電磁流量計,分體形式,PTFE襯里,316L不銹鋼電極。對于蒸煮工藝段的黑液,針對其高溫的特性,我公司為其定制加厚PTFE襯里,且對傳感器內部的勵磁線圈以及磁路系統做隔熱、散熱處理;電極方面,采用球面形式的316L電極,為了防止襯里受熱膨脹后引起的電極絕緣不佳,采用特制的電極鎖緊結構。用戶在聽取我公司方案后隨即采購,目前運行時間已超過4a,其運行穩定,計量準確?,F場應用環境如圖7、圖8和圖9所示。
蒸煮工藝段儀表 1蒸煮工藝段儀表 2蒸發工藝段儀表 3
9、結語
       造紙漿料的測量是對所有流量計的挑戰。整個過程中的被測介質包括高密度流體、紙漿纖維甚至黏土、淤泥、沙子、礫石等,這些都對測量帶來了巨大的難度。電磁流量計由于結構上全通徑、無可動部件的優勢,以及日益完善的抗干擾、耐磨損技術,相信會在造紙行業得到越來越廣泛的應用。
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