質量流量計在混裝乳化炸藥車上的應用研究

劉 令，魏碧波，劉俊文

中國葛洲壩集團易普力股份有限公司 重慶 401121

混 裝乳化炸藥車是集原料運輸、炸藥混制、現(xiàn)場裝藥為一體的移動式爆破作業(yè)設備。其生產的混裝炸藥為散裝炸藥，具有作業(yè)過程安全性高、施工進度快、勞動強度低等優(yōu)點。

混裝乳化炸藥車裝藥時，單孔裝藥量是影響現(xiàn)場爆破效果的重要因素。單孔裝藥量偏多時會導致爆破飛石危害，單孔裝藥量偏少時會導致二次爆破量增加、大塊根底，因此準確計量混裝乳化炸藥車的單孔裝藥量至關重要。因乳化基質的黏度比一般流體大，采用傳統(tǒng)的孔板流量計、渦街流量計、電磁流量計、轉子流量計和超聲波流量計計量困難。國內大多數(shù)的現(xiàn)場混裝乳化炸藥車對混裝乳化炸藥裝藥量的計量方法是：前期對乳化基質輸送泵單轉藥量進行標定，并配合轉速傳感器對乳化基質輸送泵的實時轉速進行測量。若后期實際裝藥的乳化基質與標定時采用的乳化基質不一樣，在未重新進行標定時則會出現(xiàn)計量誤差。同時，混裝乳化炸藥車上乳化基質輸送泵環(huán)節(jié)往往是較危險的工序，一般要求應具有空轉、干運行、超溫、超壓自動報警、自動泄爆保護和停機功能，但當前混裝乳化炸藥車上乳化基質輸送泵的超壓、超溫聯(lián)鎖保護并不能使其實現(xiàn)真正意義上的安全運行。

混裝車上乳化基質的準確計量與運行安全問題亟待提升，通過多次現(xiàn)場調研、選型、試驗，筆者設計了一種經濟實惠、安全可靠的解決方案。

1 質量流量計

1.1 基本結構和原理

質量流量計的結構原理如圖 1 所示，主要由 2 根平行的 U 形管、能產生一定頻率振動的驅動線圈及 2個光電 (或電磁) 探測器組成[1]，是一種利用流體在振動管道中流動時產生與質量流量成正比的科里奧利力原理來直接測量質量流量的裝置。

圖1 質量流量計的結構原理Fig.1 Structure and principle of mass flowmeter

1.2 質量流量計優(yōu)點1 號混裝車

質量流量計的優(yōu)點[2]主要有：①可直接測量流體的質量流量，無需任何壓力、溫度、黏度、密度等換算或修正；② 較體積流量計而言，不需要上下游的直管段要求；③測量值對流體黏度不敏感，且不受流體密度變化的影響；④ 測量精度高。

1.3 質量流量計缺點

質量流量計的缺點主要有：①易發(fā)生零點漂移；② 不能測量低密度氣體，液體中含氣量超標會導致測量不準；③復雜幾何形狀的測量管道使壓力損耗較大；④ 大部分型號的流量計質量和體積較大。

2 質量流量計在混裝車上的應用

選用 2 臺國產質量流量計，分別安裝在 2 臺混裝乳化炸藥車上，進行現(xiàn)場裝藥應用試驗。

2.1 質量流量計的安裝

不同廠家質量流量計的結構存在差異，安裝要求也不同，因此必須嚴格按照安裝說明、混裝乳化炸藥的生產工藝，并結合混裝乳化炸藥車的結構及空間進行安裝。

(1) 安裝方式和位置 為避免測量精度較低，質量流量計測量管內不能有固形物、氣體，需根據(jù)安裝環(huán)境選擇垂直或水平安裝。安裝位置應盡量避免振動，并對安裝管路做好固定支撐。確認流量計上的箭頭方向和流體的流向一致。傳感器與變送器的編號要一一對應，不可隨意更換，否則會產生測量誤差。

(2) 截止閥的安裝 質量流量計上下游應設置截止閥，便于初次安裝后零點校準，截止閥不能泄漏，保證調零時測量管內流體靜止不動。

2.2 信號輸出

質量流量計的各種測量參數(shù)可直接液晶顯示，0～10 kHz、4～20 mA 的標準信號輸出，并具有 Modbus RTU 和 HART 通信協(xié)議。一般可以輸出 3 種類型的信號：4～20 mA DC 模擬量、脈沖信號、數(shù)字通信。其中 4～20 mA DC 模擬量可以組態(tài)為瞬時流量、密度或溫度；脈沖信號可以組態(tài)為質量流量或體積流量；通信接口可以輸出瞬時流量、累積流量、密度、溫度以及流量計的診斷信息[3]。

2.3 測試應用分析

根據(jù)地面站生產乳化基質的特性，對泵每轉輸送乳化基質的量進行標定，并在混裝車控制程序中進行設定。采用溫度為 65 ℃、密度為 1.35 g/cm3、黏度為 44 257 mPa·s 的乳化基質進行現(xiàn)場裝藥試驗。質量流量計測量數(shù)據(jù)如圖 2 所示。

在 1 號混裝車上，設定裝藥效率為 187 kg/min，每孔裝藥時記錄穩(wěn)定后質量流量計數(shù)據(jù)，如圖 2(a) 所示。質量流量計測量值與設定裝藥效率的絕對偏差最大為 2.7 kg/min，即絕對最大偏差率為 1.44%。在 2號混裝車上，設定裝藥效率為 204 kg/min，每孔裝藥時記錄穩(wěn)定后質量流量計數(shù)據(jù)，如圖 2(b) 所示。質量流量計測量值與設定裝藥效率的絕對偏差最大為 3.5 kg/min，即絕對最大偏差率為 1.72%。

圖2 質量流量計測量數(shù)據(jù)Fig.2 Measured data of mass flowmeter

2 個混裝車上質量流量計測量值與設定值之間的偏差率均低于 2%，重復性強，試驗數(shù)據(jù)表明該質量流量計用于測量黏度較高的乳化基質是可靠的，可與傳統(tǒng)的計量模式結合形成雙重計量方式。

2.4 安全運行控制

國內混裝乳化炸藥車，多數(shù)是通過檢測乳化基質輸送泵出口的壓力或溫度來進行聯(lián)鎖保護。乳化基質輸送泵多數(shù)為螺桿泵，輸出壓力低，若出現(xiàn)干磨現(xiàn)象時，基質泵出口的壓力和溫度實際上并不會出現(xiàn)顯著的變化，此時該種安全保護措施就會失效，致使混裝車在運行時存在安全隱患。目前該問題并未引起混裝車生產廠家及使用客戶的重視。

在傳統(tǒng)計量 (標定輸送泵單轉藥量、轉速傳感器測量輸送泵轉速) 方式的基礎上，增設質量流量計并添加邏輯運算程序后可形成“雙重計量”模式。安全運行控制邏輯如圖 3 所示。

圖3 安全運行控制邏輯Fig.3 Control logic of safe operation

控制程序設定裝藥效率后，裝藥過程中若出現(xiàn)干磨現(xiàn)象，乳化基質輸送泵轉速基本不變，控制程序顯示的裝藥效率也不會發(fā)生變化。因實際發(fā)生了干磨現(xiàn)象，泵實際輸出的乳化基質量會顯著減少，乳化基質輸送泵出口的壓力、溫度并不會急劇變化，傳統(tǒng)的超溫、超壓保護失效，但質量流量計檢測到乳化基質的流量明顯下降，流量下降到一定數(shù)值 (如 20 kg/min)或一定相對比例 (如 10%)，并結合持續(xù)時間，邏輯程序綜合判定乳化基質輸送泵存在干磨現(xiàn)象，就會發(fā)出報警或停機指令，以提升混裝車運行過程中的安全性。

3 應用影響因素分析

3.1 振動

混裝乳化炸藥車在現(xiàn)場作業(yè)時，裝藥條件差，振動是不可避免的。從質量流量計的工作原理來看，要想降低其計量誤差，必須從產品設計、安裝方式上進行優(yōu)化，與質量流量計廠家溝通進行防振動設計。同時，安裝在混裝車后應開展振動對計量精度的影響調試，盡量以柔性管進行連接，隔離振動源；為有效避免額外的應力疊加在質量流量計上，軸向管接頭應與質量流量計接頭匹配[4-5]。

3.2 黏度

一般來說，流體介質的黏度對質量流量計的檢測精度幾乎不產生影響。國內多數(shù)地面站生產的乳化基質黏度均在 5 萬 mPa·s 左右，乳化基質還具有一定的流動性，此時用質量流量計測量乳化基質流量是可靠的。當現(xiàn)場混裝乳化炸藥用于裂隙發(fā)育礦山、上向孔時，為防止漏藥、返藥，會更改生產工藝配方，此時乳化基質的黏度更高，基本無流動性，在無外部驅動力的情況下，乳化基質極可能堵塞測量管。此種工況下質量流量計能否應用于檢測乳化基質流量，還需開展進一步的應用研究。

4 結語

采用國產質量流量計來測定乳化基質流量時，試驗數(shù)據(jù)表明其測量精度高、重復性強，同時該款質量流量計價格約為國外品牌的 40%，使質量流量計應用于混裝車的經濟可行性更強。在混裝乳化炸藥車上增設質量流量計，形成“雙重計量”，可有效防范乳化基質輸送泵干磨現(xiàn)象的發(fā)生，從本質上提升了混裝乳化炸藥車的安全運行水平。

當前，混裝乳化炸藥車對乳化基質的計量，主要還是通過轉速傳感器記錄乳化基質輸送泵轉速，并配合標定來實現(xiàn)的。在不考慮乳化基質流量計計量準確度的前提下，為提升混裝車的安全運行水平，也可考慮引進其他形式的流量計來“測量”乳化基質流量，并配合轉速傳感器進行聯(lián)鎖保護，但其測量乳化基質流量的重復性需強。