電磁流量計(jì)在冷卻水測(cè)量中的一個(gè)故障特例及原因分析

熟悉鋼鐵企業(yè)的朋友可能知道，在高爐檢漏和連鑄連軋控制中會(huì)大量使用電磁流量計(jì)來(lái)測(cè)量冷卻水。冷卻水的測(cè)量信號(hào)往往與設(shè)備開(kāi)啟關(guān)聯(lián), 任何一個(gè)失誤動(dòng)作將會(huì)造成無(wú)法彌補(bǔ)的損失。測(cè)量與控制的精度和可靠性涉及到生產(chǎn)單位的設(shè)備安全、節(jié)約能耗以及鋼鐵產(chǎn)品性能指標(biāo)。因此, 鋼鐵生產(chǎn)過(guò)程要求電磁流量計(jì)必須具有反應(yīng)迅速、靈敏度高、重復(fù)性穩(wěn)定性好、可靠性高等特點(diǎn)。本文為大家介紹一下為解決鋼鐵生產(chǎn)高爐檢漏和連軋連鑄中冷卻水可靠測(cè)量的問(wèn)題。

一、電磁流量計(jì)在冷卻水測(cè)量中的一個(gè)故障特例

    2009年年初，山西某鋼鐵公司的煉鋼廠連鑄冷卻水測(cè)量中出現(xiàn)了故障流量。流量故障變化呈脈沖規(guī)律, 脈沖的幅度約為130m3 /h, 故障脈沖寬度大約為10~13s, 周期不定。這種故障造成了系統(tǒng)的誤報(bào)警, 給該工廠生產(chǎn)過(guò)程帶來(lái)了很多不必要的麻煩。盡管電磁流量計(jì)本身具有一定的智能化故障判斷功能, 但由于該故障是不定期發(fā)生的, 很難捕捉到檢測(cè)故障發(fā)生時(shí)流量計(jì)所反映的流體物化參數(shù)和噪聲干擾的信息, 因此也就很難按照電磁流量計(jì)的常規(guī)方法去判斷出現(xiàn)流量顯示輸出為零的可能性,進(jìn)而 很難判定引起這種故障的原因。

    后來(lái)經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)地考察后我們發(fā)現(xiàn)，出現(xiàn)故障的流量計(jì)上游是DN100管道經(jīng)90°彎頭后, 由漸擴(kuò)管再擴(kuò)大至DN150管道，然后進(jìn)入電磁流量計(jì)傳感器。流量計(jì)上游的直管段長(zhǎng)度不足5D, 計(jì)算得到從DN100~DN150的擴(kuò)大錐角大約為40°。從現(xiàn)場(chǎng)安裝情況分析, 初步認(rèn)為故障可能是由傳感器安裝位置泡擦過(guò)電極形成短暫時(shí)間的感應(yīng)信號(hào)為零所致。也就是說(shuō), 這是一種氣穴現(xiàn)象，我們稱(chēng)這種故障為氣泡噪聲(bubble noise)。那么氣泡又是如何產(chǎn)生的？為什么有時(shí)候模擬型轉(zhuǎn)換器看不到這種故障呢？

二、氣泡噪聲產(chǎn)生原因的分析
    
    顯而易見(jiàn)，從安裝情況看, 該案例中的實(shí)際安裝情況與電磁流量計(jì)的安裝要求是不符合的。流量計(jì)上游的彎頭、擴(kuò)大管以及插入熱電偶位置距流量計(jì)電極的直管段都不足5D，這些情況都是容易在電極附近產(chǎn)生旋渦和不對(duì)稱(chēng)流速分布以及分離液體中氣體形成氣泡。上游由小口徑(DN100)以高流速(6m/s以上的平均流速), 約40°的入射角流向DN150 管道。擴(kuò)大管氣泡分離這種沿著管壁非順滑的流體流動(dòng), 流體的流束首先是收縮呈射流形式流動(dòng), 然后再逐漸將流束擴(kuò)散為軸對(duì)稱(chēng)的充分發(fā)展流。射流過(guò)程會(huì)形成擴(kuò)大管內(nèi)入口處周?chē)呢?fù)壓區(qū)域, 于是在電極前要產(chǎn)生大量的旋渦。這樣, 破壞了電磁流量計(jì)測(cè)量要求即流速中心軸對(duì)稱(chēng)的基本條件。更嚴(yán)重的是由于在電極前形成負(fù)壓, 旋渦處可能分離氣體, 并慢慢聚集形成氣泡。分離的氣泡常常附在流速幾乎為零的管壁上, 流體流動(dòng)容易攜帶氣泡沿管壁移動(dòng)。當(dāng)氣泡沿管壁移動(dòng)擦過(guò)電極時(shí), 使電極上的感應(yīng)信號(hào)為零, 這時(shí)的測(cè)量輸出和顯示為零。彎頭和插入熱電偶的下游也會(huì)有旋渦產(chǎn)生和氣體分離。高溫液體在旋渦產(chǎn)生過(guò)程中更容易汽化分離氣泡, 這些都是鋼鐵行業(yè)冷卻水測(cè)量時(shí)容易遇到的現(xiàn)象。分離的氣泡向下游移動(dòng), 擦過(guò)電極的時(shí)間受液體流動(dòng)速度、管道內(nèi)壁粗糙度、流量計(jì)襯里的光滑程度、電極的形狀與突出襯里的高度等因素的影響長(zhǎng)短不定。

    本案例的兩臺(tái)電磁流量計(jì)反映的故障時(shí)間都在10秒左右。為了使儀表輸出穩(wěn)定, 電磁流量計(jì)設(shè)計(jì)有阻尼時(shí)間。儀表的阻尼是在被測(cè)量流量變動(dòng)時(shí)能夠平滑儀表的測(cè)量值。當(dāng)輸入量階躍上升到最大值, 儀表測(cè)量值并不是立即從零達(dá)到最大值, 而是需要一段時(shí)間。把從零到最大輸出值的63% (或歐洲產(chǎn)品習(xí)慣定義為90% )所需要的時(shí)間定義為阻尼時(shí)間。電信號(hào)的阻尼時(shí)間實(shí)際上是一個(gè)RC阻容濾波器的時(shí)間常數(shù), 它是一個(gè)積分過(guò)程。當(dāng)RC=3時(shí), 輸出信號(hào)達(dá)到輸入信號(hào)最大值的95%。為了減小測(cè)量誤差, 則采用長(zhǎng)阻尼時(shí)間, 通常取RC=(5~7)。同時(shí)應(yīng)該注意到, 如果阻尼時(shí)間小, 后面的輸入信號(hào)脈沖需要再濾波, 形成三角波狀輸出, 達(dá)不到最大穩(wěn)定值。但是, 阻尼時(shí)間過(guò)長(zhǎng), 會(huì)造成儀表的反應(yīng)速度慢, 也就是說(shuō)靈敏度低, 控制與調(diào)節(jié)的可靠性差。所以, 在一般情況下, 電磁流量計(jì)的阻尼時(shí)間設(shè)為3~6s。氣泡噪聲信號(hào)波形脈沖幅度從最大100% 下降到零, 并維持10余秒, 如果按一般阻尼時(shí)間設(shè)置為5s, 計(jì)算信號(hào)輸出會(huì)下降到約40%, 即原本測(cè)量輸出120m3/h, 這時(shí)只能得到約50m3/h, 低于工廠下限報(bào)警值, 從而引起誤報(bào)警。同時(shí), 由于智能電磁流量計(jì)具有空管報(bào)警并將信號(hào)輸出自動(dòng)置零的功能, 在氣泡擦過(guò)電極時(shí), 電極電阻增大, 發(fā)生空管報(bào)警, 儀表使測(cè)量輸出保持在零值。氣泡擦過(guò)電極的時(shí)間大于阻尼時(shí)間, 形成多次脈沖的濾波, 其濾波次數(shù)決定于氣泡擦過(guò)電極的時(shí)間與阻尼時(shí)間的比。因此, 該階段的流量顯示不穩(wěn)定, 輸出存在大的紋波。

    模擬型電磁流量計(jì)沒(méi)有出現(xiàn)故障報(bào)警是由于模擬型電磁流量計(jì)在信號(hào)處理時(shí)具有采樣電路和積分保持電路, 其積分時(shí)間常數(shù)由電阻電容和積分放大器決定, 通常模擬電路的時(shí)間常數(shù)比較大; 智能化電磁流量計(jì)是斷續(xù)采樣的, 依靠軟件設(shè)置CPU運(yùn)算進(jìn)行數(shù)字濾波, 阻尼時(shí)間需要設(shè)置, 設(shè)置的范圍很寬, 從0.5~100s。通常設(shè)置的阻尼時(shí)間小于氣泡噪聲的脈沖寬度。智能電磁流量計(jì)具有空管檢測(cè)功能, 當(dāng)電極檢測(cè)到氣泡即提出報(bào)警, 并把空管認(rèn)為是沒(méi)有流量流過(guò), 自動(dòng)將輸出顯示置于零狀態(tài)。模擬型電磁流量計(jì)一般不帶空管檢測(cè)功能, 判斷不了電極出現(xiàn)氣泡, 這時(shí)也就不會(huì)把輸出顯示置于零。因此, 似乎顯得模擬型電磁流量計(jì)對(duì)氣泡噪聲影響不敏感。