電磁流量計(jì)在氯堿燒堿中的選型與應(yīng)用

聶永輝（廣西柳化氯堿有限公司 545002）

一、引言

氯堿燒堿生產(chǎn)過程中的液體介質(zhì)多為腐蝕性較強(qiáng)電解質(zhì)，如鹽水、鹽酸、燒堿、次氯酸鈉等；這種強(qiáng)腐蝕性生產(chǎn)工藝環(huán)境及電磁流量計(jì)抗腐蝕方面的優(yōu)點(diǎn)， 決定了電磁流量計(jì)在氯堿燒堿工序中正被廣泛地應(yīng)用。 為實(shí)現(xiàn)流量的準(zhǔn)確、可靠測(cè)量，節(jié)約投資成本，電磁流量計(jì)的正確選型顯得尤為重要。 下面，作者就氯堿燒堿生產(chǎn)過程中電磁流量計(jì)設(shè)計(jì)選型及應(yīng)用方面的體會(huì)和經(jīng)驗(yàn)作些總結(jié)。

二、電磁流量計(jì)的工作原理

電磁流量計(jì)的測(cè)量原理是基于法拉第電磁感應(yīng)定律： 即導(dǎo)體介質(zhì)在磁場(chǎng)介質(zhì)中切割磁力線運(yùn)動(dòng)時(shí)在其兩端產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。 如圖1 所示， 導(dǎo)電介質(zhì)在垂直于磁場(chǎng)的非磁性測(cè)量管內(nèi)流動(dòng)，與流動(dòng)方向垂直的方向上產(chǎn)生與流量成比例的感應(yīng)電勢(shì)，電動(dòng)勢(shì)的方向按“弗來明右手規(guī)則”，其感應(yīng)電勢(shì)E 為：E=KBVD

式中：E——感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)（與流速成正比）；K——比例常數(shù)；

B——磁場(chǎng)強(qiáng)度 （線圈電感）；V——測(cè)量管內(nèi)介質(zhì)的平均流速；

D——電極間距（測(cè)量管的內(nèi)徑）

測(cè)量流量時(shí)， 其感應(yīng)電勢(shì)通過二個(gè)與介質(zhì)直接接觸的測(cè)量電極檢測(cè)出來，并通過電纜送至轉(zhuǎn)換器進(jìn)行智能化處理，然后在LCD 上顯示或轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)4～20mA 和0～1kHz 輸出。

圖一 電磁流量計(jì)工作原理圖

表一 氯堿燒堿工序中常用電極材料介紹

三、流量計(jì)口徑的確定

電磁流量計(jì)能夠測(cè)量較寬流量(流速)范圍的流體，通常為流速0.3～10.0m/s；流量計(jì)的口徑一般等于工藝管道口徑，亦可小于或大于工藝管道口徑。 流量計(jì)口徑的確定主要是根據(jù)工藝上的體積流量，結(jié)合工藝管道的尺寸，兼顧測(cè)量準(zhǔn)確性、經(jīng)濟(jì)性和耐用性方面考慮，選擇合適的流量計(jì)口徑，使通過傳感器的流體平均流速在合適的范圍內(nèi)， 推薦使用的流速范圍一般為1.0～5.0m/s。 在這個(gè)范圍內(nèi)，流量計(jì)測(cè)量精度高、線性好、壓損小，介質(zhì)對(duì)流量計(jì)襯里和電極的磨損也相對(duì)較小些。 此外，對(duì)于含有固體懸浮顆粒的流體介質(zhì)，推薦使用的流速范圍為1.0～3.0m/s，這樣有助于避免流速過高造成固體懸浮顆粒對(duì)流量計(jì)襯里和電極的過快磨損，延長使用壽命，如鹽泥流量；而對(duì)于易結(jié)晶、黏度稍大或有沉積物的流體介質(zhì)，可適當(dāng)?shù)靥岣吡魉?，推薦使用的流速范圍為3.0～5.0m/s， 這樣有助于測(cè)量電極的自清潔、 防止電極粘附，如50%燒堿流量。

流速、流量與口徑三者關(guān)系如下式：V=354Q/D2

式中：V———流速，m/s；Q———流量，m3/h；D———口徑，mm 。

例如，在燒堿電解工序中，進(jìn)電解槽的鹽水流量計(jì)量程為0～50m3/h，工藝管道口徑為DN100；當(dāng)電磁流量計(jì)的口徑分別選擇DN100 和DN80 時(shí)，根據(jù)上述公式計(jì)算，鹽水的流速分別為1.77 m/s 和2.76m/s；計(jì)算結(jié)果均在推薦使用的流速范圍，但從經(jīng)濟(jì)性方面考慮， 選擇DN80 口徑的流量計(jì)要比選擇DN100 口徑的流量計(jì)可節(jié)約1/4～1/5 的投資成本，此時(shí)，應(yīng)該選用DN80 口徑的流量計(jì)。

四、流量計(jì)測(cè)量電極、襯里材料的選型及應(yīng)用

1、測(cè)量電極材料的選型及應(yīng)用

電磁流量計(jì)的測(cè)量電極是與工藝介質(zhì)直接接觸的唯一金屬材料， 其作用是與導(dǎo)線連接將測(cè)量管中產(chǎn)生的微弱感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)傳輸?shù)睫D(zhuǎn)換器中的檢測(cè)單元。 由于電磁流量計(jì)的電極部分處于工作磁場(chǎng)中，為防止磁力線在電極上集中，電極材料必須使用非導(dǎo)磁的金屬材料； 并根據(jù)工況介質(zhì)對(duì)金屬材料的腐蝕速率（mm/a，即每年被腐蝕掉的金屬厚度）來確定不同的工況介質(zhì)選擇不同的金屬材料。 下面通過圖表一的方式介紹在氯堿燒堿工序中常用的幾種電極材料及其使用范圍。

表二 常見襯里材料的主要性能及適用范圍

2、測(cè)量管襯里材料的選型及應(yīng)用

電磁流量計(jì)正常工作的基本條件之一， 是測(cè)量管內(nèi)壁除電極處外，其它地方的法向電流為零。 為滿足這一條件，最簡單的方法是將導(dǎo)電的金屬測(cè)量管內(nèi)壁和法蘭端面襯以絕緣襯里。 通俗地講，用絕緣襯里的目的是防止感應(yīng)信號(hào)電壓被金屬管短路，可見絕緣襯里在電磁流量計(jì)應(yīng)用中的作用十分重要。 由于被測(cè)導(dǎo)電介質(zhì)的流體種類繁多，它們的物理化學(xué)特性也不盡相同，不可能用一種絕緣材料的襯里來滿足所有應(yīng)用電磁流量計(jì)的測(cè)量流體介質(zhì)的物理化學(xué)特性要求；因此，在襯里材料的選型上，應(yīng)重點(diǎn)考慮測(cè)量介質(zhì)對(duì)襯里的耐溫度、熱沖擊、高壓、負(fù)壓、磨損、腐蝕、粘結(jié)、附著等方面的要求。 下面通過圖表二的方式介紹常見的電磁流量計(jì)測(cè)量管襯里材料的主要性能特點(diǎn)及適用范圍。

五、氯堿燒堿工序中接地環(huán)和接地電極的選型及應(yīng)用

1、接地環(huán)和接地電極的作用

電磁流量計(jì)在工作過程中檢測(cè)到的流量信號(hào)電勢(shì)極小，通常只有幾個(gè)毫伏的電勢(shì)信號(hào)；而導(dǎo)電流體在任何管道（絕緣或非絕緣）中流動(dòng)時(shí)也會(huì)產(chǎn)生電勢(shì)，這個(gè)電勢(shì)不是流量信號(hào)本身，它是“干擾信號(hào)”；尤其是在導(dǎo)電性能優(yōu)良的流體中，如鹽水、酸堿溶液等， 其流動(dòng)過程中產(chǎn)生的干擾信號(hào)大小甚至?xí)^流量信號(hào)本身。 這個(gè)“干擾信號(hào)”在流經(jīng)電磁流量計(jì)測(cè)量管時(shí)會(huì)疊加在流量信號(hào)電勢(shì)上，從而造成轉(zhuǎn)換器測(cè)量到的流量信號(hào)失真。 由于電磁流量計(jì)轉(zhuǎn)換器的輸入放大器通常為差動(dòng)輸入設(shè)計(jì)，那么，其中一個(gè)“等電位的公共參考地”是必需的，這個(gè)“公共參考地”是測(cè)量的基礎(chǔ)。 對(duì)于電磁流量計(jì)的測(cè)量原理來說，接地環(huán)與接地電極是流量計(jì)接地的兩種形式，其作用是一樣的，即通過接地環(huán)或接地電極與測(cè)量介質(zhì)直接接觸、 經(jīng)表殼與轉(zhuǎn)換器的輸入放大器的“工作地”相連，使得放大器的“工作地”與信號(hào)源的“地”連接在一起，共同形成一個(gè)等電位的“公共參考地”；以此消除“干擾信號(hào)”對(duì)流量測(cè)量的影響，確保測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性。

2、接地環(huán)和接地電極的選型與應(yīng)用

2.1 材料的選型

接地環(huán)或接地電極的材料選擇， 原則上應(yīng)選擇與測(cè)量電極相同材料。 在選擇接地環(huán)形式接地時(shí)，從節(jié)約投資成本考慮，接地環(huán)的材料亦可選擇價(jià)格相對(duì)較低、耐腐蝕性稍弱的材料；如在測(cè)量鹽水流量中，電磁流量計(jì)測(cè)量電極的材料應(yīng)選擇鉭材Ta,但接地環(huán)可以選擇價(jià)格相對(duì)便宜的鈦材Ti。 需要特別說明的是，在選擇不可維修更換的接地電極形式接地時(shí)， 降低接地電極材料的耐腐蝕性會(huì)降低流量計(jì)測(cè)量管的整體使用壽命。

2.2 接地形式的選型及應(yīng)用

作為電磁流量計(jì)接地的兩種不同形式， 接地環(huán)和接地電極都可以實(shí)現(xiàn)等電位的“公共參考地”、 消除干擾的目的，但兩種接地形式在使用過程中又有其各自的優(yōu)缺點(diǎn)。 選用接地環(huán)形式可以保護(hù)襯里的翻邊不受損傷，但比較耗材，尤其是在測(cè)量鹽水、鹽酸、高溫?zé)龎A等強(qiáng)腐蝕性介質(zhì)時(shí)，對(duì)材質(zhì)的要求很高，多為一些如Ta、Ti、Hc-276 等貴金屬，使用接地環(huán)形式“接地”會(huì)大大增加投資成本。 生產(chǎn)實(shí)踐中，在介質(zhì)輸送管道為導(dǎo)電的金屬管道、且流量計(jì)襯里不需要特別保護(hù)的情況， 可在靠近電磁流量計(jì)本體兩側(cè)的金屬管道或與管道焊接的配對(duì)法蘭上焊接 “接地支耳”，以此實(shí)現(xiàn)可靠接地。 相反，選用接地電極形式比較省材，

投資成本相對(duì)較低，尤其是在氯堿燒堿工序中，多數(shù)強(qiáng)腐蝕性介質(zhì)的輸送管道為非導(dǎo)電性的襯塑管或絕緣塑料管， 不可能通過焊接“接地支耳”的方式實(shí)現(xiàn)可靠接地，而只能選擇接地環(huán)或接地電極的形式接地，在此情形下，一般應(yīng)選用接地電極的形式接地； 但由于接地電極一般都安裝固定在電磁流量計(jì)測(cè)量管的最低點(diǎn)，在輸送管道容易結(jié)垢的工況條件下，接地電極會(huì)因結(jié)垢被覆蓋而失去“接地”的作用，特別是流量計(jì)水平安裝時(shí)，選用接地電極應(yīng)予以慎重考慮。 鑒于電解鹽水工藝的特殊性，二次鹽水精制中的電磁流量計(jì)，特別是最靠近電解槽的電磁流量計(jì)，如進(jìn)電解槽的鹽水、燒堿和鹽酸流量計(jì)，不得選用接地電極形式接地。這是因?yàn)?，電解槽中的電解質(zhì)通常有3000～14700A 的直流電流，通過導(dǎo)電的液體介質(zhì)容易發(fā)生漏電現(xiàn)象，“漏電”到達(dá)流量計(jì)測(cè)量管時(shí)，會(huì)流經(jīng)接地電極對(duì)地放電，使得金屬制作的接地電極發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)， 從而電化學(xué)腐蝕接地電極， 造成接地電極損壞，致使電磁流量計(jì)無法正常工作。

六、結(jié)論

綜上所述，盡管氯堿燒堿生產(chǎn)過程中的工況條件較為復(fù)雜，給電磁流量計(jì)的選型和應(yīng)用帶來了諸多困難；盡管如此，由于我們?cè)趦x表選型時(shí)很好地了解了工況條件并結(jié)合了現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際情況，以及在運(yùn)行期間的精心操作與維護(hù)，目前，燒堿工序中在線使用的近50 臺(tái)電磁流量計(jì)運(yùn)行狀況良好， 損壞率不超過1 臺(tái)/年，確保了燒堿生產(chǎn)安全穩(wěn)定運(yùn)行；并持續(xù)改進(jìn)，盡量降低投資成本。

[1] 《羅斯蒙特8732 型電磁流量測(cè)量系統(tǒng)參考手冊(cè)》 出版：EMERSON Process Management 編 號(hào)：00809-0106 出 版 日 期：2008 年5 月

[2] 《電磁流量計(jì)選型設(shè)計(jì)資料》TI01.5 第8 版 出版：上海橫河電機(jī)有限公司