一体式污水流量表的结构原理及在湿法磷酸装置中的应用实例

摘要：湿法磷酸生产过程中产生大量的高腐蚀性、成分复杂的酸液，对流量计的耐腐蚀性要求较高。一体式污水流量表具有耐腐蚀、精度高、易于维护、节约成本等优点，已在磷酸生产中大规模使用。以某湿法磷酸装置为例，介绍了一体式污水流量表的测量原理，电*、测量管内衬材质及接地方式的选择。
1 概述
随着几十年的工业发展，我国磷化工行业日趋壮大，目前磷酸产量位列***一。国内磷酸生产工艺绝大部分以湿法磷酸为主。湿法磷酸生产过程中除了含有磷酸外，还混有一定的硫酸、氢氟酸、氟硅酸等强腐蚀性介质。测量这些酸液的流量仪表需要具有很好的耐腐蚀性。选择合适的材质、增加仪表的寿命、提高信号传输的稳定性是湿法磷酸工艺中流量测量的关键之处。一体式污水流量表适用范围广、精度高、耐腐蚀、易于维护、成本较低，适用于磷化工生产中的流体计量。国内某 300 kt/a 磷酸装置中大规模使用一体式污水流量表，并取得了良好的工作效果。
2 一体式污水流量表简介
2．1 工作原理
一体式污水流量表的测量原理如图 1 所示。根据法拉*电磁感应定律，导电液体在磁场中流动会产生电动势 E，它与磁感应强度 B、导电液体平均流速 v 成一定比例关系:

E=KBDv
式中:E---导电流体在磁场中产生的电动势，V;
K---比例系数，在管道内径 D 和磁感应强度
B 不变的情况下，K 为常数，1;
B---磁感应强度，T;
D---测量管内径，m;
v---导电液体平均流速，m/s。
一体式污水流量表利用上述函数关系推导出 v = E/(KBD)，实际测得的是液体流速 v，再通过被测介质的体积流量 Q V = πD 2 v/4，计算导电流体介质的流量。
2．2 计量系统组成
一体式污水流量表主要由两部分组成:流量传感器和信号变送器，如图 2 所示。传感器上的励磁线圈接受变送器传输来的励磁电流产生磁场，输出感应电动势信号;信号变送器则将感应电动势信号转换为流量信号或模拟量信号送至控制系统。一体式污水流量表按组成方式分为一体式和分体式。一体式污水流量表稳定工作另外一个重要条件是接地。当流体流动穿过磁场时，以导电流体本身作为参考电位，在测量管一侧电*产生正电势，另一侧产生负电势，形成电势差。但此电动势信号一般只有几毫伏，易受外界干扰。为防止干扰，将参考电位接入大地作为零电位，保证传感器输出精确稳定的信号。传感器和转换器的接地端必须与被测介质同电位，才能构成对称的输入输出回路。

2．3 系统特性
一体式污水流量表的主要特点如下:①不同于差压式、容积式流量计，一体式污水流量表测量管内无阻流部件，压损很小，适用于大口径管道;②不受测量介质的温度、压力、密度、黏度参数变化影响，不需要进行修正和补偿，仅仅要求测量介质的电导率 σ＞5 μS/cm;③量程比宽，输出信号和流量成线性关系;④测量精度高，可达到±(0．1% ～0．5%);⑤安装要求低，前后直管段要求低，一般满足前直管段管径 D 前 ≥5D，后直管段管径 D 后 ≥2D 即可;⑥性价比较高，使用范围广，合理选用衬里材料和电*材质可以测量各种腐蚀性介质的流量。
需要注意的是，一体式污水流量表不能测量非导电介质的流量，也不适用于测量含有气体的介质，这样会引起测量数据的大幅波动。
3 在湿法磷酸装置中的应用实例
国内某 300 kt/a 磷酸装置中，含有不同温度、不同压力、不同浓度的多种酸液，包括:稀磷酸、浓硫酸、磷酸料浆、絮凝剂、P 2 O 5 溶液、H 2 SiF 6 溶液、渣酸、洗涤水、酸性循环水、工艺水等。如此复杂的工艺介质对流量计的选型要求很高，酸液的配比、浓度、温度、杂质、溶解气体以及流速等都会影响接液材质的耐腐蚀性。
一体式污水流量表主要的接液部分是电*和测量管衬里，要根据每一种腐蚀介质的特性以及现场实际工况选择合适的电*和衬里材质，必要时可对拟选材料进行耐腐蚀试验，从而延长流量计的寿命，加强测量的可靠性。
3．1 电*材质的选择
一体式污水流量表电*的选择至关重要。电*应满足被测介质腐蚀特性，同时不能产生电化学反应干扰。常用电*材质主要有:不锈钢 316L、哈氏合金 C、钛、钽、铂、铂-铱合金等。本装置中一体式污水流量表电*材质的选择见表 1。

从表 1 可以总结出:对于有衬里管道，电*材质一般选择铂-铱合金，该材料耐用于大部分腐蚀性酸液;对于金属管道，电*一般选择比管道高一等级的材料，以 316L 和哈氏合金为主。特殊情况下，若测量易结晶、结疤、易沾污电*的介质，还可选择刮刀式电*，防止长时间流体冲刷，在电*上产生污垢。
3．2 测量管衬里材质的选择
一体式污水流量表要根据被测流体的温度、压力、速度以及含固颗粒的硬度、含量和粒径大小来决定测量管内衬的材质。该湿法磷酸装置中，一体式污水流量表测量管衬里材质的种类见表 2。

从表 2 中可以看出，本项目中测量磷酸、硫酸、含氟酸和含酸洗涤水等流量时，一体式污水流量表采用PFA 内衬，这种氟内衬几乎耐用于各种强腐蚀性介质，同时测量管内附有不锈钢丝网，增强了衬里和金属管道的结合，具有耐负压性;PTFE 与 PFA 性能相差无几，但摩擦系数较低，对于絮凝剂这种具有一定的吸附性的介质优先选用 PTFE 内衬;磷酸料浆含有一些悬浮颗粒物，长时间流体会破环树脂或者塑料类的衬里，此处选用陶瓷内衬，延长流量计工作寿命。普通工艺用水等介质选用经济实用橡胶类衬里即可。
3．3 接地方式
根据上述一体式污水流量表的安装要求知，一体式污水流量表需进行液体接地才能正常工作。流量计可通过使用无内衬导电的管道法兰、接地环或接地电*实现接地。本磷酸装置中，输送腐蚀性介质流体多以碳钢衬里管道为主，少数轻度酸性液体管道采用不锈钢或碳钢管道。对于不同材质的管道，一体式污水流量表的接地方式也不一样。
3．3．1 安装在金属管道上
一体式污水流量表安装在金属管道上，安装时将金属管道与一体式污水流量表相连接，接地线再接入接地网，如图 3 所示。

3．3．2 安装在非金属管道上
衬里管道的接地方式主要有以下三种。
1．采用接地环
在有衬里的测量管两端法兰上，加装接地环(或称“接液环”)，如图 4 所示。装接地环是为了可靠地、稳定地将导电液体作为差动电势信号的基准点与转换器的信号连接起来，与液体之间形成相近或大致相等的电位。接地环材质一般和电*材质一致或相仿，保证耐腐蚀性。

接地环形式多样，主要类型有三种，如图 5 所示，普通接地环类似一个带柄的孔板;保护型接地环固定在法兰上，保护法兰面衬里不受损伤;若介质磨损性较强，应选用带颈保护环保护衬里。
2．采用接地电*(三电*)
从表 2 中可以看出，本装置中一体式污水流量表的电*材质主要使用铂 － 铱合金，若在其他场合或被测流体介质下，电*材质还可以选择钽、钛、铂金等贵重金属。若使用接地环方式接地，由于一般要求接地环材质和电*的相同，因此从成本上来说很不经济。为了节省费用，本项目中湿法磷酸装置中一体式污水流量表接地采用三电*方式，即在传感器测量管与测量电*成垂直的*低点，另外加一个电*(和测量电*材质、大小均相同)，以起到接地效果。
3．虚拟接地
随着技术的发展，近些年一种新的接地技术---虚拟接地被应用到一体式污水流量表上。通过提供流量转换器输入放大器和电路中的光电耦合器的隔离，使测量电路在液体的电势浮动，只有当流经流量传感器时，导电液体的流速产生感应电压。这种转换器信号的特殊处理允许流量计传感器接地即可满足其正常工作，减少了安装，也免去了额外增加接地环或*三电*的成本。
4 结束语
只要选择合适的电*材质和测量管衬里材质，一体式污水流量表就可以适应各种腐蚀性介质。磷化工生产中大部分是能导电的酸性介质，使用一体式污水流量表进行流量测量是计量仪的*选。目前各一体式污水流量表厂商都会提供自家产品对应的耐腐蚀材质选择表，在设计选型中，除了根据介质特性先行选择对应的电*和衬里材质外，也需要根据各家一体式污水流量表的特点确定其方案。同时安装时要根据实际情况采取不同的接地方式，以保证一体式污水流量表稳定地工作。