電磁流量計在水煤漿測量中的應用和實踐

前言：水煤漿 是一種新型清潔的能源 。開發生產和應用這種新型能源，符合我國的國情，具有十分重要的經濟意義和戰略意義。在水煤漿的生產和 管道輸送過程中，必須進行計量和檢測。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 以其測量管內無阻流部件，測量不受密度、粘度 影響等特點，成為首選（其它種類的流量計很難勝任）。
　　摘要：水煤漿是一種新型的潔凈能源，是在煤的基礎上，與水和水煤漿的添加劑經過技術深加工而成的產品，水煤漿產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， 可廣泛的應用于各種工業鍋爐和燃油鍋爐以及煤化工行業，是燃油的理想替 代產品，在能源緊張的今天，具有十分重要的經濟意義和戰略意義。
　　本文通過國內應用實例和實踐經驗，分析了電磁流量計在新型能源一一 水煤漿的生產和使用過程中，電磁流量計做為計量和檢測儀表，在測量控制 過程當中所起的重要作用，以及在應用中出現問題的一些應對措施和解決方案。
　　關鍵詞：煤改油   水煤漿   電磁流量計   水煤漿測量和控制
　　一、水煤漿和應用水煤漿的現實意義
　　水煤漿是由60%～70%的煤粉+39%～29%的水+1%的化學添加劑，經過一定的工藝流程加工而成的。它具有較好的流動性和穩定性，具有象燃料油一樣的泵送、運輸儲存和霧化燃燒，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，安全和勞動強度低的優點；與直接用燃 油和直接用天然氣燃燒相比控制工程網版權所有 ，具有成本低的優勢，為稱為液體煤炭產品。可 廣泛的應用在工業鍋爐和電力行業以及煤化工行業，已逐步跨入替代燃油、 天然氣、煤氣、煤粉等能源產品領域的新型燃料。從長遠看，水煤漿的發展 潛力和市場需求量相當巨大。
　　5、水煤漿氣化原理 水煤漿氣化原理是部分氧化反應原理 主要反應過程是經過計量的水煤漿和氧氣，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，用于聯合循環發電。
　　6、水煤漿應用示意圖：

　　二、水煤漿
　　1、水煤漿是由質量分數為 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性和穩定 性，被稱為液態煤炭產品。近年來，由于煤炭資源豐富，價格便宜，水煤漿 的加工方法又簡單，與煤炭的氣化、液化技術相比投資少，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的觸變性，當其受到強烈的剪切作用時，內部結 構遭到破壞，粘度降低，輸送阻力減小；而當其處于原始狀態時，粘度較大， 輸送阻力亦較大。故水煤漿在管內存放一段時間后再啟動時，其啟動壓力較 大，經過一段時間輸送后壓力減小，并逐步趨于某一穩定數值，這個穩定數 值即穩定輸送阻力。
　　3、水煤漿中煤的粒度 水煤漿中煤的粒度大小和級配關系到煤漿的粘度，直接影響煤漿的觸變
　　性、穩定性和霧化燃燒效果，合格的水煤漿平均粒度應為 50～55μm，最大粒 度控制在 300μm 以內，且最大粒度不應超過總量的 2%，75%的粒度應當小于
　　74μm、10μm 的粒度含量應為 20%左右。
　　4、水煤漿添加劑是一類表面活性物質，能夠使煤粒子在水中穩定、均勻 的分散，是制備水煤漿不可缺少的化學助劑。
　　水煤漿添加劑是水煤漿的核心技術之一，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性和穩定性。能使水煤漿不僅適合管道輸送，而且還能適合不同運輸工具的長 途運輸。
　　三、電磁流量計
　　電磁流量計是一種應用法拉第電磁感應定律的流量計，菲格瑞思 產品系 引進國外電磁流量計最新技術制造。
　　1、工作原理（圖 1）
　　電磁流量計測量原理乃基于法拉第電磁 感應定律。流量計的測量管是一內襯絕緣材料的非導磁合金短管。兩只電極沿管徑方向穿通管壁固定的在測量管上，其電極頭與襯里內表面基本齊平。勵磁線圈 向方波脈沖勵磁時，將在與測量管軸線垂直的方向上產生一磁通量密度為 B 的工作磁場。此時，如果具有一定電導率的流體流經測量管，將切割磁力線感應 出電動勢 E。電動勢 E 正比于磁通量密度 B、測量管內徑 d 與平均流速 V 的乘積控制工程網版權所有 ，電動勢 E（流量信號）由電極檢出并通過電纜送至轉換器。轉換器將流量信號放大處理后，可顯示流量、總量，并能輸出脈沖、模擬電流等信號，用于流量的控制或調節。

圖1

　　2、產品特點
　　1）測量不受流體密度、粘度、溫度、壓力和電導率變化的影響；
　　2）測量管內無阻礙流動部件，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量；
　　4）轉換器彩用新穎勵磁方式，功耗低、零點穩定、精確度高。轉換器可與傳感器組成一體型或分離型；
　　5）轉換器采用高性能微處理器，參數設定方便，編程可靠；
　　6）流量計為雙向測量系統，可顯示正、反流量，具有多種輸出：電流、脈沖、數字通訊、HART；
　　7）轉換器采用表面安裝技術（SMT），具有自檢和自診斷功能；
　　8）防爆型儀表可用于相應的防爆場所。
　　3、電磁流量計以其高精度、無壓損的特點深受市場的歡迎，電子技術的 發展和應用使電磁流量計采用了高性能的 CPU  微處理器為核心進行流量信號 的采樣處理，轉換器采用新穎的勵磁方式，功耗底，零點穩定，測量精確度 高，且具有智能化的自檢和自診斷功能。我公司采用引進國外公司的 先進流量計技術，在我公司進行大批量生產，廣泛應用于國內的 冶金、化工和供排水系統以及其它領域的我公司電磁流量計累計已達數萬臺 套，產生了很好的社會效益和經濟效益。
　　4、保證電磁流量計測量精度的必需條件
　　1）被測流體必須具有導電性；流體電導率不低于 5μs/cm；
　　2）被測流體介質必須充滿管道；
　　3）被測流體介質必須均勻；
　　4）電磁流量計測量系統必須良好接地；
　　5）流量計入口直管段至少 5 倍的測量管內徑長，出口直管段至少 2 倍；
　　5）在流量計附近，應避免強電磁場干擾。
　　四、水煤漿的測量和控制
　　1、測量原理由于水煤漿特殊的物理特性，使其流量測量難度很大，它含有 60%以上的
　　煤漿顆粒以及 1%的添加劑，其動力粘度仍在 500-3000MPa·S 之間，工業用水煤漿常用動力粘度一般控制為 800-1500MPa·S，而且它是非牛頓流體，設計管道流速較低，一般低于 1m/s 流速，根據國內外水煤漿測量的經驗，采用漿液型電磁計測量水煤漿的流量是目前廣泛采用的成熟方法。
　　2、電磁流量計在水煤漿氣化爐裝置的應用
　　1）用電磁流量計測量水煤漿流量時，對水煤漿的導電性能和流體流場的穩定性有一定要求，導率必須＞5μs/cm，因為水煤漿是氣化裝置的主要原料， 進料流量參與氣化爐安全聯鎖，控制氣化爐氧氣進氣比例，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的一種氣化煤的一種工業爐型，適
　　用煤的原料范圍寬，可用各種煤為原料，氣化效率高，適合生產合成氣，制 取合成氨、甲醇、發電和其它煤化工領域。我國引進的化工裝置基本上采用 美國德士古氣化爐工藝。在國內山東兗礦集團魯南化肥廠，國泰、國宏化工 集團，山東德州華魯恒升集團，南京金陵石化、南化集團、浙江衢化集團、 安徽淮北集團等國內大型企業均有運用，本文的現場儀表的設置和經驗來自上述企業的工作實踐。
　　3、煤漿泵的脈動流量對測量的影響
　　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，輸送的流量為脈動流量，脈動大，穩定性差。這是與我們常見的離心泵相比，流體的流場非常不穩定，對電磁流量計的在線測量產生較大的影響。 由于流體內脈動流，流場變化大且不穩定，使電磁流量計測量信號不穩定， 電磁流量轉換器輸出的電流控制信號變化大，對整個水煤漿氣化爐系統的控 制造成很大的影響。一般解決辦法是將電磁流量傳感器遠離煤漿泵安裝。現 場實踐經驗證明：一般傳感器與煤漿泵的距離為 30m 以上，最好達到 50-60m， 靠管道的長度對水煤漿的脈動狀態進行整流，使流場平穩，滿足電磁流量計 測量的基本要求。山東德州華魯恒升集團大氮肥項目 A、B、C、D、E 5 個德 士古工藝水煤漿氣化爐就是采用此種方式，相同的應用國內有南京金陵石化www.cechina.cn ，南化集團、山東兗礦集團國泰、國宏和魯南化肥廠等國內企業。
　　2）提高管內水煤漿的流動速度也是解決流體脈動影響的辦法，對電磁流 量計和管線進行縮徑設計，提高管道內的水煤漿流速至 0.8m-1.2m/s 以上。 另外，提高煤漿泵的轉速，使煤漿泵輸出的脈動減小，使流體流場平穩，電 磁流量計的測量穩定性和測量精度提高。山東德州華魯恒升集團采用華東理工大學創新設計的對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的同時，技術上有所創新進步， 即采用了菲格瑞思 DN80 的 8 臺漿液型高壓電磁流量計，每條管道各兩臺電磁流量計，流速在 0.8m/s-1m/s 之間，電磁流量計工作可靠穩定。
　　4、煤漿顆粒大小和漿液噪聲對測量的影響
　　漿液噪聲是液固兩相流導電液體測量時，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電勢突然變化，輸出流量信號出現尖峰脈 沖狀噪聲。如果兩個電極材質、結構表面狀態存在差異，所產生的共模干擾 變為差模干擾。流量信號送到轉換器差分放大器輸入端放大，于是出現了流 量計輸出信號的大幅波動。盡量控制煤漿顆粒在 50μm  -55μm，減小顆粒噪 聲對測量穩定性的影響。同時在工藝上控制水煤漿的濃度比例使其穩定。
　　5、傳感器電極的極化電壓對測量的影響
　　水煤漿的測量電極一般選用不銹鋼涂覆碳化鎢電極，它的特點是電極前端涂覆碳化鎢，耐磨好性，使用時間長，同時由于電極是由兩種不同的金屬 材料組成，電極間將會產生直流電壓，這個電壓稱為極化電壓。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產生極 生電壓，一般在幾毫伏至幾百毫伏之間，在水煤漿測量中，水煤漿的電導率一般為 20μs/cm，且不穩定，已接近電磁流量計測量介質的電導率下限，所以會造成電磁流量計出現信號較大波動，嚴重時造成系統跳車停產事故。解 決的辦法，為在傳感器生產過程中對不銹鋼碳化鎢電極進行預處理，減輕或 消除極化電壓，改用其它適合水煤漿測量的金屬電極，如果是管道內測量介 質的原因污染電極，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，避免其對水煤漿測量產生的影響。這一點非常重要，必須切記。大 量的工作實踐證明了這一點.
　　6.電磁傳感器的安裝位置和接地要求
　　1)電磁流量計傳感器安裝位置應遠離煤漿泵，減小煤漿泵脈動輸出的影響，垂直管道安裝的電磁流量計盡量提高安裝位置，一般提高到垂直管道的 最高層安裝。
　　2)漿液型電磁流量計的接地要求非常嚴格，一定要把系統的地線接到傳 感器法蘭兩端和電磁轉換器外殼接地端，保持良好的接地，提高電磁流量計抗電磁干擾的能力。系統的接地電阻要求小于 10 歐姆。
　　7.漿液型電磁流量計的設置
　　由于水煤漿的特性可知它是一種固液二相液流。液體時的固體成分高， 粘度大，流動性較差，關鍵是它的電導率為約 20μs/cm，且不穩定。接近電 磁流量計測量電導率的下限，測量過程中，水煤漿在瞬間的不均勻性，造成 煤漿濃度過高，介質電導率下降，就可能使電磁流量計在線測量時流量信號 控制的大幅波動，造成轉換器顯示和輸出電流信號大幅跳變，嚴重時電磁轉換器信號回零的情況，引起裝置 DCS控制的互動聯鎖機構誤認為管道內沒有水煤漿而跳車，造成重大的生產事故。這是我們必須避免出現的，保護措施，一般來說，提高聯鎖保護的可靠性。一臺水煤漿氣化爐的每一條水煤漿測量 管道上安裝三臺電磁流量計www.cechina.cn ，或在一條測量管道上安裝二臺電磁流量計外加 一臺煤漿泵，根據煤漿泵轉速換算出的流量參考值。采用三選二的保護方式。 即：一臺電磁流量計波動超過設定的流量值不跳車保護，而二臺電磁流量計（或煤漿泵流量）同時低于設定的下限值（一般為工藝流量下限的 40%），水 煤漿氣化爐的互動聯鎖機構動作跳車，斷開氧氣噴嘴的氧氣，避免汽化爐爆 炸事故的發生。電磁流量計的工作原理為法拉第電磁感應原理，用于測量密閉管道內的
　　導電液體。所以測量介質的導電率高低是一項最重要的指標， 測量靈敏度高。它的漿液型轉換器獨具特點，采用新穎多頻勵磁方式，勵磁 頻率根據傳感器口徑可以調整，使測量時的電磁流量計零點穩定，測量準確，反映速度快的優點。電磁傳感器采用開儀公司獨特的不銹鋼涂覆碳化鎢電極結構，導管內襯改進的聚氨脂襯里材料，耐磨性能更好，工作壓力≤6.3MPa 時電極采用內插 式結構CONTROL ENGINEERING China版權所有 ，工作壓力＞6.3MPa 時電極采用外插式結構CONTROL ENGINEERING China版權所有 ，耐磨性和耐壓性更好。漿液型電磁流量計內置漿液測量 專用軟件，在 漿液測量時程序對漿液測量進行運算和補償。
　　8.水煤漿測量時漿液型電磁流量計轉換器的設置用帶有串行接口的個人計算機連接 E-magE 型漿液型轉換器的 RS232C 串行通訊接口（9 針）插座進行通訊，對轉換器的工作參數進行編程。
　　1、運行菲格瑞思自主研發軟件。
　　2、打開漿液型電磁轉換器漿液測量工作程序。程序在漿液測量過程中進行運算和補償，提高了漿液測量可靠性和穩定性。
　　3、按水煤漿的測量優化設置流量菜單“時常常數”（Flow Pesp）的數值，使顯示和輸出更加穩定。
　　4、設置模擬輸出菜單的“模擬輸出反向”為禁止輸出，只允許電磁流量 計測正向流量時，有電流輸出，防止因系統故障造成水煤漿在管道內回流，電磁轉換器繼續有電流輸出造成系統 DCS  誤判斷而出事故。因為電磁流量計是一個雙向測量儀表，而電磁流量計輸出的電流不分測量方向，是一個方向 的信號輸出。所以設置禁止“模擬輸出反向”輸出后，當反向流量時電流輸 出只有零點 4mA 輸出。
　　5、按水煤漿液體電導率的現場實測值優化設置空管檢測菜單的“空管閥 值”項的參數，提高測量的靈敏度。
　　6、正確按漿液型電磁傳感器的口徑設置傳感器菜單的漿液系數（snsrFact4）的數值，使漿液測量狀態更加穩定。