科里奥利质量流量计在铝电解阳极生产中的应用

摘要：主要介绍了科里奥利质量流量计 (CMF) 传感器工作原理, 详细介绍了质量流量测量原理和在铝电解阳极生产中的应用, 就安装和使用中常见的问题做了较为详细的分析。

  科里奥利质量流量计是利用流体在直线运动的同时处于一旋转系中, 产生与质量流量成正比的科里奥利力原理制成的一种直接式质量流量仪表。

  我国CMF的应用起步较晚, 从20世纪80年代中期引进成套装置附带进口少量仪表开始, 到技术改造所需单台进口一定数量, 科里奥利质量流量计广泛应用于石化、粮食、冶金等领域, 是当今世界上***先进流量测量仪表之一。我公司炭素阳极生产高温沥青配料系统计量中, 使用美国高准 (ELITE) 公司的CMF200A型科里奥利质量流量, 精度高达1.7‰, 为我厂阳极生产过程中物料配方测量提供了可靠的方法, 提高了以往使用失重式或计量泵式高温计量沥青的准确度, 提高了阳极碳块的质量和生阳极生产的连续性, 在炭素阳极生产中取得了可观的经济效益。

  质量流量计计量系统包括传感器和用于信号处理的变送器。科里奥利质量流量计依据牛顿第二定律:力=质量×加速度 (F=ma) 如图1所示, 当质量为m质点以速度V对P轴作角速度ω旋转管道内移动时, 质点受两个分量加速度及其力。

图1 科里奥利力   下载原图

1) 法向加速度, 即向心加速度ar, 其量值等于2ωr, 朝向P轴;

2) 切向角速度at, 即科里奥利加速度, 其值等于2ωV, 方向与ar垂直。复合运动, 质点at方向上作用着科里奥利力Fc=2ωVm, 管道对质点作用着一个反向力-Fc=-2ωVm。

  当密度为ρ流体旋转管道中以恒定速度V流动时, 任何一段长度Δx管道将受到一个切向科里奥利力ΔFc:

  式中A—管道流通截面积。

  存在关系式:mq=ρVA

  因此, 直接或间接测量在旋转管中流动流体的科里奥利力就可以测得质量流量。

  然而通过旋转运动产生科里奥利力是困难的, 目前产品均代之以管道振动产生的, 即由两端固定的薄壁测量管, 在中点处以测量管谐振或接近谐振的频率 (或其高次谐波频率) 所激励, 在管内流动的流体产生科里奥利力, 使测量管中点前后两半段产生方向相反的挠曲, 用光学或电磁学方法检测挠曲量以求得质量流量。

  又因流体密度会影响测量管的振动频率, 而密度与频率有固定的关系, 因此CMF也可测量流体密度。

  CMF由流量传感器和转换器 (或流量计算机) 两部分组成。图2为流量传感器, 主要有由测量管及其支撑固定桥架、测量管振动激励系统中的驱动线圈A、检测测量管挠曲的光学检测探头或电磁检测探头B、修正测量管材料杨氏模量温度影响的测温组件等组成。转换器主要由振动激励系统的振动信号发生单元、信号检测和信号处理单元等组成;流量计算机则还有组态设定、工程单位换算、信号显示和与上位机通信等功能。

图2 质量流量计结构简图   下载原图

  在铝电解阳极生产中, 是将不同粒度的煅后石油焦按配方的比例由不同的计量器下料, 经混合螺旋混合后经预热进入混捏机, 融化后的液体沥青作为阳极成型的混合料粘结剂在混捏机内充分混合, 形成具有一定塑性的糊料。在阳极生产过程中, 对加入的沥青含量的控制, 将直接影响到阳极产品的质量, 阳极产品沥青含量过高, 成型后的产品极易变形, 体积密度偏低, 电阻偏高;阳极产品沥青含量过低, 产品容易出现裂纹, 产生断裂。因此对加入的沥青做到测量和控制是阳极生产的关键。

  我公司选用的美国高准 (ELITE) 公司的CMF200A型质量流量计, 属该公司高温型产品, ***高可耐温度343℃, ***大的液体流量87, 100kg/h, 高准流量计能为各种过程流体提供***的测量, 并且具有极低的压力损失和极宽的流量范围。

  阳极配料系统中沥青的定量加入是通过质量流量计测量实际流量, 反馈到配料系统上位机 (KSC) , 并和上位机计算出的生产配方的流量设定值进行比较, 产生的流量差值以调节沥青泵的转速的方式, 完成沥青流量的闭环控制。在实际应用中是通过图3的工艺布置完成沥青流量的控制。整个系统阀门状态检测及阀门动作控制由一台西门子公司LOGO!完成, 当LOGO!检测到Y2/Y4两个手动阀门中只有一个阀门在打开时, 整个系统才允许启动, 当Y2打开时选择WAY I生产回路, 当Y4打开时选择WAY II生产回路, 相应的沥青泵M1/M2才会被启动, 同时打开气动阀Y3/Y5, 沥青通过质量流量计测量后, 反馈至KSC, 通过接受来自KSC的信号, 自动打开气动阀Y6或Y7, 其中Y6为启动前热循环用, Y7为正常生产回路。

图3 沥青计量控制图   下载原图

  高准 (ELITE) 公司的变送器为模块化并带有微处理器功能, 配合ASICS数字技术, 可选择数字通信协议。它与传感器连接使用可获得高度的质量流量、密度、温度和体积流量信号, 并将获得的信号转换为模拟量、频率等输出信号。采用DSP数字信号处理器, 使测量管在一个已知的频率下振动, 因此任何在此振动频率范围之外的频率都是“噪声”, 使能够以一个被提高了的采样率去过滤实时信号, 减少了流量计对流量的阶跃变化的响应时间。使用多参数数字 (MVD) 变送器的响应时间比使用模拟信号处理的传统变送器快2~4倍, 更快的响应时间提高短批量控制的效率和度。

  在不同温度下的密度变化改变流量测量系统的质量, 从而使流量传感器的平衡发生变化, 导致零点偏移。在日常生产中保持沥青温度的变化在工艺范围内, 只要在实际使用的沥青温度条件下调零, 使用过程中的密度变化不大, 一般不存在问题。

  高准 (ELITE) 的科里奥利质量流量计CMF可测量液体粘度的范围很宽, 并呈现良好的测量性能。虽有报告论及粘度影响测量度, 但很少有试验数据。液体粘度会改变系统的阻尼特性, 从而影响零偏置;在低流量时对流量测量值有一定程度的影响。但在实际生产应用中采用启动前热循环2h以上, 且流量计流量和实际生产流量相当, 实现了流量计生产和循环 (Y6阀和Y7阀) 的无扰动切换。

  CMF200可以在振动环境下工作, 但必须与振动隔离, 由于流量计内部振动管间用柔性管连接和采用隔离振动的支撑架, 并在实际生产中, 采用流量计和附近大型设备不在同一个安装平面、部分管道间连接采用柔性连接、测量段部分管路U型布置等措施, 消除了现场振动对计量精度的影响。

  质量流量计在实际生产中应注意以下问题:CMF200A型质量流量计, 为U型结构, 装于自下而上流动的垂直管道较为理想, 并按旗形安装, 以保证计量管道内充满液体沥青, 增加计量的准确性;在使用前为保证质量流量计内部不发生沥青挂壁的现象, 流量计外壳应缠绕伴热管, 防止沥青在计量时产生凝固现象, 在冬季生产时还要在流量计外部包覆保温套;混捏机入口设单向阀, 在管路或是设备容器压力不稳的状态下, 能保持管线所需压力, 使沥青泵能正常输出流量。另外在泵的出端由于重力作用常会出现虹吸现象, 此时单向阀能消减由于虹吸产生的流量及压力的波动;调零必须在实际生产的温度下进行, 流量计排尽气体, 充满液体沥青后, 再手动关闭传感器上下游阀门, 再进行调零。安装方面变动或温度大幅度变化时需要重新调整。

  科里奥利质量流量计是一个较为准确、快速、可靠、高效、稳定、灵活的流量测量仪表, 在石油加工、化工、冶金等领域将得到更加广泛的应用, 在推动流量测量上显示出巨大的潜力, 也为铝电解阳极生产中的沥青计量提供了可靠的手段。