电磁流量计在压载水处理系统中的应用.pdf

102材料与工艺 广东造船 2023 年第 3 期（总第 190 期）作者简介：孔 清（1990-），男，工程师。主要从事船舶压载水处理系统设计工作。郑德康（1991-），男，工程师。主要从事船舶压载水处理系统设计工作。收稿日期：2022-06-22电磁流量计在压载水处理系统中的应用孔 清，郑德康，李 超，卢晓伟（青岛双瑞海洋环境工程股份有限公司，青岛 266101）摘 要：电磁流量计在船舶压载水处理系统应用广泛。本文介绍其工作原理以及在压载水处理系统上的应用和选型。同时详细介绍了电磁流量计在现场实际安装的注意事项。最后结合实际案例，分析电磁流量计在压载水处理系统中的常见故障及解决方案。关键词：电磁流量计；压载水；安装；故障分析中图分类号：U662.3 文献标识码：AApplication of Electromagnetic Flowmeter in Ballast Water Treatment System KONG Qing,ZHENG Dekang,LI Chao,LU Xiaowei(Sunrui Maritime Environment Engineering Co.,Ltd.,Qingdao 266101)Abstract:Electromagnetic flowmeter is widely used in the field of ship ballast water treatment system.This paper introduces its working principle,the application and selection in ballast water treatment system.In addition,the precautions for the on-site actual installation of electromagnetic flowmeter are introduced in detail.Finally,the common faults of electromagnetic flowmeter in ballast water treatment system are analyzed in combination with the on-site actual cases and the corresponding solutions are proposed.Key words:Electromagnetic Flowmeter;Ballast Water;Installation;Fault Analysis1 前言在工业生产中，常采用流量计作为液体流量测量的仪表，以实现设备的精准控制以及整个系统的正常自动运行。流量计的种类较多，根据测量原理及测量方式不同，可分为：电磁流量计、转子流量计、差压流量计、涡街流量计等。在压载水处理系统领域，对流量计的测量精度要求不是特别高，而对运行稳定性、安装维护方便等要求较高，电磁流量计以其运行稳定性较好、安装简便、后期维护便利等优点被广泛应用。2 电磁流量计测量原理电磁流量计可以用于测量密闭管道中导电性液体的体积流量，其测量原理是基于法拉第电磁感应定律1，即导体在磁场中运动时会产生感应电动势。电磁流量计由传感器和变送器两部分组成。其中，传感器安装在被测量流体管道上，用于测量感应电压。测量原理如下：在传感器内装有励磁线圈，通电后能在传感器测量管上下两端产生磁感线，当被测流体以一定速度流经测量管时，相当于运动的导体切割磁感线，从而在流体内部产生感应电动势。在传感器内壁安装有一对测量电极，该测量电极与被测流体接触，可将感应电动势引出至变送器内并将其数值放大，最终转换成其它信号进行记录和输出。感应电压 Ue 的大小与流体的流速成正比，因此通过获取感应电压并基于管道横截面积等参数进行换算，即可得出被测流体的体积流量，计算公式如下2:Ue=BLv （1）Q=Av （2）式中：Ue感应电动势；B磁场强度；L电极间距；v流速；103GUANGDONG SHIPBUILDING 广东造船 2023 年第 3 期（总第 190 期）材料与工艺Q体积流量；I电流强度；A管道横截面积；电磁流量计测量原理图，如图 1 所示。图 1 电磁流量计测量原理示意图3 电磁流量计安装位置及选型针对 BalClor 支路电解法压载水处理系统，有三处管路需要设置电磁流量计：一是压载主管路上，用于监测主管路中海水的流量，可反馈给整流器进行电解电流和电压的调节；二是电解单元模块入口，用于监测电解单元入口流量，确保进入电解单元的海水流量处于额定范围内；三是加药单元出口，针对一套加药单元用于两支路加药的处理方式，为控制和调节两支路的加药量，需要在两支路上分别设置流量计。电磁流量计在压载水系统的安装位置，如图 2 所示。图 2 电磁流量计在压载水系统的安装位置图电磁流量计根据安装方式不同，可分为一体式和分体式两种。其中：变送器直接安装在传感器本体上的为一体式，它适用于安装在空间较大或人员操作方便的处所；变送器和传感器分离安装的为分体式，两者之间通过外部信号电缆连接，适用于安装空间小或人员操作不方便的处所。通常，电解单元和加药单元要求操作空间较大，因此该两处使用的电磁流量计可选用一体式；主管路流量计安装在压载水主管路上，因压载主管一般布置在机舱底层，其空间狭小、操作不便，此处电磁流量计可选用分体式。另外，根据被测量流体属性选择合适的传感器衬里材质。针对支路电解法压载水处理系统被测量流体为海水或次氯酸钠溶液，其中海水介质可选用硬橡胶、氯丁橡胶、PU聚氨酯等衬里材质；对于次氯酸钠溶液，可选用聚四氟乙烯（PTFE）、少量全氟丙基全氟乙烯基醚与聚四氟乙烯的共聚物（PFA）、陶瓷等耐腐蚀性强的衬里材质。综合考虑性价比，通常海水介质选用硬橡胶，次氯酸钠介质选用 PTFE 或 PFA。4 安装注意事项电磁流量计的功能是测量管道内流体的体积流量，其安装位置直接影响着测量精度和稳定性，其使用寿命也与安装位置有较大关系，因此在设计和现场安装时必须满足安装要求。4.1 保证满管测量状态当被测流体中出现气、水混合或管路中出现气体聚集时，会增大测量误差，因此严禁在管道的最高点或在向下排空管道的上方安装电磁流量计，存在容易发生气体积聚或形成气泡的风险。通常，最佳安装位置是管道低点（如可能出现沉积物聚集，需要设置泄放口）以及水流向上的竖直管道上，如图 3 所示。图 3 电磁流量计在管道上安装示意图4.2 保持前后直管段距离为提高测量精度，需要保证传感器进出口流体流态的稳定性，因此传感器安装位置应远离管件，保证前后直管段的距离分别为 5D 和 2D（D 为传感器的公称直径）；前后直管段距离是从测量电极处算起，如安装现场空间受限，则可适当降低前后直管段的距离，根据测量精度要求确定。4.3 保证测量电极轴线处于水平位置传感器安装在水平管道上时，要注意保持测量电104材料与工艺 广东造船 2023 年第 3 期（总第 190 期）极轴处于水平位置，以防止测量电极间出现短暂绝缘，因为流体中若含有气泡则会处于水平管道的顶部，如测量电极轴与管道流向垂直，则上部测量电极可能不接触液体，导致两个电极间出现短时间绝缘。4.4 保证电势平衡电磁流量计准确测量的前提是要保证被测流体介质和传感器之间等电势。传感器通常都自带标准参考电极，确保所需电势平衡，一般无需采取其他措施或使用接地环来确保电势平衡。不同管道条件的电势平衡图，如图 4 所示。图 4 不同管道条件下的电势平衡图4.5 避免传感器内出现负压传感器前后管道出现负压时会导致测量管内衬移位，造成传感器损坏，因此要避免安装在如下位置：（1）传感器严禁安装在水泵入口处。水泵工作时入口处的负压较大，很可能导致测量管内衬移位、变形或损坏。当使用隔膜泵或蠕动泵时，建议在泵出口安装脉动缓冲器，以减少泵入口抽吸时的负压；（2）在长度大于 5 m 的竖直向下管道中安装时，需要在传感器下游管道中安装排气阀，避免由于虹吸作用抽压时损坏测量管内衬。4.6 避免外界磁场干扰电磁流量计在安装时要尽量避免外界磁场干扰和剧烈震动，如电磁流量计安装在船舶机舱，因机舱震动剧烈对流量计的使用不利。因此，当在剧烈震动的环境中使用时，尽量将传感器和变送器分开安装，并对现场管路系统和传感器采取加固或减震等措施。5 常见故障分析5.1 读数波动根据现场调试人员反馈，主管路电磁流量计容易出现读数波动的问题，而安装在电解单元模块进口的电磁流量计则没有出现此类问题。经分析，产生波动的原因如下：一是流量计在现场安装时没有满足要求，将流量计布置在管道高点或者水流竖直向下的管道上；二是流量计安装在电解加药点的后端且距离加药点位置较近。加药点加注的是电解海水的产物，包括次氯酸钠溶液、氢气、氯气、氧气等气水混合物，其中大部分气体通过旋风分离从溶液中脱离，但仍有少量气体溶解在次氯酸钠溶液中并随之进入主管路，当流量计恰好布置在加药点之后时，管道中的气水混合溶液则会导致流量计的读数波动。针对上述问题，对应解决方案为：一是确保流量计在现场安装时符合安装要求；二是将流量计安装在加药点的前端管道上。5.2 接地电极腐蚀部分老项目在交船几年后频频出现电解单元内部流量计传感器发漏水问题，经拆解传感器发现其接地电极被腐蚀，而测量电极则没有被腐蚀。传感器内部设有 1 个接地电极（也叫参考电极）和 2 个测量电极，这两种电极的材质均为 Alloy C-22，它是耐海水腐蚀的，满足现场使用工况。现场使用万用表测量发现，测量介质带电（电解海水工艺使管路中海水带电），其对地存在电势差约 1.0 V，且现场仪表本体通过金属支撑接地，在电势差作用下接地电极就会慢慢被腐蚀掉，从而仪表腔室会进入海水。当传感器外壳接地或者变送器接地端子接地时，介质通过接地电极与大地之间会形成电流回路，造成电化学腐蚀，导致传感器的接地电极被腐蚀，传感器漏水。电化学腐蚀是一个缓慢的腐蚀过程，腐蚀速度取决于现场测量介质对地电势大小，因此老项目在使用几年后才出现相关问题。针对上述问题，解决方案是将电磁流量计完全浮空：（1）仪表电源的地线以及信号线的屏蔽线，要在仪表处悬空不接；（2）对垫片和螺栓进行绝缘处理（例如使用塑料螺栓）；（下转第 101 页）管道条件解决方式电势平衡图示金属管道（已接地）变送器上的接地端子良好、正确接地，实现等电势。金属管道（未接地）接地电缆将传感器进出口法兰连接至管道法兰并接地，将变送器或传感器接线盒接至接地端子上，实现等电势。非金属管道或带绝缘涂层的金属管道3流量计进出口安装接地环，接地环通过接地电缆连接至接地端子上，从而实现等电势。图 4 不同管道条件下的电势平衡图101GUANGDONG SHIPBUILDING 广东造船 2023 年第 3 期（总第 190 期）材料与工艺表 2 变压器初级绕组电流 由检测结果发现，C 相变压器两初级绕组电流相差较大，且 C 相变压器烧熔的线包也就是电流较大的一相，C 相初级绕组额定电流为 68 A，111 A 的线包电流已达额定的 1.6 倍，运行时间过长可能导致元件过热损坏，因此可以判定是由于变压器绕组间电流不均衡导致的变压器绕组烧熔。检测 C 相两 H 桥的输出电压，发现 C 相第 2 组 H桥左桥臂下管对负母线输出波形存在异常，负电平不稳定；检查线路光纤，发现光纤头松动，光纤端子已经卡在驱动板光纤端口内。至此可以推断，由于光纤与驱动板的接触不良，导致绕组开关不正常，进而引起两 H 桥输出电压不一致，电压大的输出电流大，电压小的输出电流小，造成电流不均衡。因此，本次故障定位为光纤接头断裂导致。经上述分析可知，IGBT 因个体失效产生炸裂现象导致光纤存在断裂的质量隐患，引起主回路波形异常，从而导致驱动板及变压器故障。4 故障复现及解决措施在更换损坏变压器后，再次上电进行空载试验，C相变压器 3-4 绕组的温度短时间内升至 70，而相邻12 绕组的温度在 30 左右，表明只要光纤的接触不良状态