電磁流量計(jì)在壓載水處理系統(tǒng)中的應(yīng)用

孔清 鄭德康 李超 盧曉偉

摘? ? 要：電磁流量計(jì)在船舶壓載水處理系統(tǒng)應(yīng)用廣泛。本文介紹其工作原理以及在壓載水處理系統(tǒng)上的應(yīng)用和選型。同時(shí)詳細(xì)介紹了電磁流量計(jì)在現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際安裝的注意事項(xiàng)。最后結(jié)合實(shí)際案例，分析電磁流量計(jì)在壓載水處理系統(tǒng)中的常見(jiàn)故障及解決方案。

關(guān)鍵詞：電磁流量計(jì)；壓載水；安裝；故障分析

中圖分類(lèi)號(hào)：U662.3? ??? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

Application 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 Analysis

1? ? ?前言

在工業(yè)生產(chǎn)中，常采用流量計(jì)作為液體流量測(cè)量的儀表，以實(shí)現(xiàn)設(shè)備的精準(zhǔn)控制以及整個(gè)系統(tǒng)的正常自動(dòng)運(yùn)行。流量計(jì)的種類(lèi)較多，根據(jù)測(cè)量原理及測(cè)量方式不同，可分為：電磁流量計(jì)、轉(zhuǎn)子流量計(jì)、差壓流量計(jì)、渦街流量計(jì)等。在壓載水處理系統(tǒng)領(lǐng)域，對(duì)流量計(jì)的測(cè)量精度要求不是特別高，而對(duì)運(yùn)行穩(wěn)定性、安裝維護(hù)方便等要求較高，電磁流量計(jì)以其運(yùn)行穩(wěn)定性較好、安裝簡(jiǎn)便、后期維護(hù)便利等優(yōu)點(diǎn)被廣泛應(yīng)用。

2? ? 電磁流量計(jì)測(cè)量原理

電磁流量計(jì)可以用于測(cè)量密閉管道中導(dǎo)電性液體的體積流量，其測(cè)量原理是基于法拉第電磁感應(yīng)定律[1]，即導(dǎo)體在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)時(shí)會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。

電磁流量計(jì)由傳感器和變送器兩部分組成。其中，傳感器安裝在被測(cè)量流體管道上，用于測(cè)量感應(yīng)電壓。測(cè)量原理如下：在傳感器內(nèi)裝有勵(lì)磁線(xiàn)圈，通電后能在傳感器測(cè)量管上下兩端產(chǎn)生磁感線(xiàn)，當(dāng)被測(cè)流體以一定速度流經(jīng)測(cè)量管時(shí)，相當(dāng)于運(yùn)動(dòng)的導(dǎo)體切割磁感線(xiàn)，從而在流體內(nèi)部產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。在傳感器內(nèi)壁安裝有一對(duì)測(cè)量電極，該測(cè)量電極與被測(cè)流體接觸，可將感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)引出至變送器內(nèi)并將其數(shù)值放大，最終轉(zhuǎn)換成其它信號(hào)進(jìn)行記錄和輸出。

感應(yīng)電壓Ue的大小與流體的流速成正比，因此通過(guò)獲取感應(yīng)電壓并基于管道橫截面積等參數(shù)進(jìn)行換算，即可得出被測(cè)流體的體積流量，計(jì)算公式如下[2]：

Ue=B×L×v? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （1）

Q=A×v? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （2）

式中： Ue—感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)；

B—磁場(chǎng)強(qiáng)度；

L—電極間距；

v—流速；

Q—體積流量；

I—電流強(qiáng)度；

A—管道橫截面積；

電磁流量計(jì)測(cè)量原理圖，如圖1所示。

3? ? 電磁流量計(jì)安裝位置及選型

針對(duì)BalClor?支路電解法壓載水處理系統(tǒng)，有三處管路需要設(shè)置電磁流量計(jì)：一是壓載主管路上，用于監(jiān)測(cè)主管路中海水的流量，可反饋給整流器進(jìn)行電解電流和電壓的調(diào)節(jié)；二是電解單元模塊入口，用于監(jiān)測(cè)電解單元入口流量，確保進(jìn)入電解單元的海水流量處于額定范圍內(nèi)；三是加藥單元出口，針對(duì)一套加藥單元用于兩支路加藥的處理方式，為控制和調(diào)節(jié)兩支路的加藥量，需要在兩支路上分別設(shè)置流量計(jì)。

電磁流量計(jì)在壓載水系統(tǒng)的安裝位置，如圖2所示。

電磁流量計(jì)根據(jù)安裝方式不同，可分為一體式和分體式兩種。其中：變送器直接安裝在傳感器本體上的為一體式，它適用于安裝在空間較大或人員操作方便的處所；變送器和傳感器分離安裝的為分體式，兩者之間通過(guò)外部信號(hào)電纜連接，適用于安裝空間小或人員操作不方便的處所。通常，電解單元和加藥單元要求操作空間較大，因此該兩處使用的電磁流量計(jì)可選用一體式；主管路流量計(jì)安裝在壓載水主管路上，因壓載主管一般布置在機(jī)艙底層，其空間狹小、操作不便，此處電磁流量計(jì)可選用分體式。

另外，根據(jù)被測(cè)量流體屬性選擇合適的傳感器襯里材質(zhì)。針對(duì)支路電解法壓載水處理系統(tǒng)被測(cè)量流體為海水或次氯酸鈉溶液，其中海水介質(zhì)可選用硬橡膠、氯丁橡膠、PU聚氨酯等襯里材質(zhì)；對(duì)于次氯酸鈉溶液，可選用聚四氟乙烯（PTFE）、少量全氟丙基全氟乙烯基醚與聚四氟乙烯的共聚物（PFA）、陶瓷等耐腐蝕性強(qiáng)的襯里材質(zhì)。綜合考慮性?xún)r(jià)比，通常海水介質(zhì)選用硬橡膠，次氯酸鈉介質(zhì)選用PTFE或PFA。

4? ? 安裝注意事項(xiàng)

電磁流量計(jì)的功能是測(cè)量管道內(nèi)流體的體積流量，其安裝位置直接影響著測(cè)量精度和穩(wěn)定性，其使用壽命也與安裝位置有較大關(guān)系，因此在設(shè)計(jì)和現(xiàn)場(chǎng)安裝時(shí)必須滿(mǎn)足安裝要求。

4.1? ?保證滿(mǎn)管測(cè)量狀態(tài)

當(dāng)被測(cè)流體中出現(xiàn)氣、水混合或管路中出現(xiàn)氣體聚集時(shí)，會(huì)增大測(cè)量誤差，因此嚴(yán)禁在管道的最高點(diǎn)或在向下排空管道的上方安裝電磁流量計(jì)，存在容易發(fā)生氣體積聚或形成氣泡的風(fēng)險(xiǎn)。通常，最佳安裝位置是管道低點(diǎn)（如可能出現(xiàn)沉積物聚集，需要設(shè)置泄放口）以及水流向上的豎直管道上，如圖3所示。

4.2? ?保持前后直管段距離

為提高測(cè)量精度，需要保證傳感器進(jìn)出口流體流態(tài)的穩(wěn)定性，因此傳感器安裝位置應(yīng)遠(yuǎn)離管件，保證前后直管段的距離分別為5D和2D（D為傳感器的公稱(chēng)直徑）；前后直管段距離是從測(cè)量電極處算起，如安裝現(xiàn)場(chǎng)空間受限，則可適當(dāng)降低前后直管段的距離，根據(jù)測(cè)量精度要求確定。

4.3? ?保證測(cè)量電極軸線(xiàn)處于水平位置

傳感器安裝在水平管道上時(shí)，要注意保持測(cè)量電極軸處于水平位置，以防止測(cè)量電極間出現(xiàn)短暫絕緣，因?yàn)榱黧w中若含有氣泡則會(huì)處于水平管道的頂部，如測(cè)量電極軸與管道流向垂直，則上部測(cè)量電極可能不接觸液體，導(dǎo)致兩個(gè)電極間出現(xiàn)短時(shí)間絕緣。

4.4? ?保證電勢(shì)平衡

電磁流量計(jì)準(zhǔn)確測(cè)量的前提是要保證被測(cè)流體介質(zhì)和傳感器之間等電勢(shì)。傳感器通常都自帶標(biāo)準(zhǔn)參考電極，確保所需電勢(shì)平衡，一般無(wú)需采取其他措施或使用接地環(huán)來(lái)確保電勢(shì)平衡。

不同管道條件的電勢(shì)平衡圖，如圖4所示。

4.5? ?避免傳感器內(nèi)出現(xiàn)負(fù)壓

傳感器前后管道出現(xiàn)負(fù)壓時(shí)會(huì)導(dǎo)致測(cè)量管內(nèi)襯移位，造成傳感器損壞，因此要避免安裝在如下位置：

（1）傳感器嚴(yán)禁安裝在水泵入口處。水泵工作時(shí)入口處的負(fù)壓較大，很可能導(dǎo)致測(cè)量管內(nèi)襯移位、變形或損壞。當(dāng)使用隔膜泵或蠕動(dòng)泵時(shí)，建議在泵出口安裝脈動(dòng)緩沖器，以減少泵入口抽吸時(shí)的負(fù)壓；

（2）在長(zhǎng)度大于5 m的豎直向下管道中安裝時(shí)，需要在傳感器下游管道中安裝排氣閥，避免由于虹吸作用抽壓時(shí)損壞測(cè)量管內(nèi)襯。

4.6? ?避免外界磁場(chǎng)干擾

電磁流量計(jì)在安裝時(shí)要盡量避免外界磁場(chǎng)干擾和劇烈震動(dòng)，如電磁流量計(jì)安裝在船舶機(jī)艙，因機(jī)艙震動(dòng)劇烈對(duì)流量計(jì)的使用不利。因此，當(dāng)在劇烈震動(dòng)的環(huán)境中使用時(shí)，盡量將傳感器和變送器分開(kāi)安裝，并對(duì)現(xiàn)場(chǎng)管路系統(tǒng)和傳感器采取加固或減震等措施。

5? ? 常見(jiàn)故障分析

5.1? ?讀數(shù)波動(dòng)

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試人員反饋，主管路電磁流量計(jì)容易出現(xiàn)讀數(shù)波動(dòng)的問(wèn)題，而安裝在電解單元模塊進(jìn)口的電磁流量計(jì)則沒(méi)有出現(xiàn)此類(lèi)問(wèn)題。

經(jīng)分析，產(chǎn)生波動(dòng)的原因如下：一是流量計(jì)在現(xiàn)場(chǎng)安裝時(shí)沒(méi)有滿(mǎn)足要求，將流量計(jì)布置在管道高點(diǎn)或者水流豎直向下的管道上；二是流量計(jì)安裝在電解加藥點(diǎn)的后端且距離加藥點(diǎn)位置較近。加藥點(diǎn)加注的是電解海水的產(chǎn)物，包括次氯酸鈉溶液、氫氣、氯氣、氧氣等氣水混合物，其中大部分氣體通過(guò)旋風(fēng)分離從溶液中脫離，但仍有少量氣體溶解在次氯酸鈉溶液中并隨之進(jìn)入主管路，當(dāng)流量計(jì)恰好布置在加藥點(diǎn)之后時(shí)，管道中的氣水混合溶液則會(huì)導(dǎo)致流量計(jì)的讀數(shù)波動(dòng)。

針對(duì)上述問(wèn)題，對(duì)應(yīng)解決方案為：一是確保流量計(jì)在現(xiàn)場(chǎng)安裝時(shí)符合安裝要求；二是將流量計(jì)安裝在加藥點(diǎn)的前端管道上。

5.2? ?接地電極腐蝕

部分老項(xiàng)目在交船幾年后頻頻出現(xiàn)電解單元內(nèi)部流量計(jì)傳感器發(fā)漏水問(wèn)題，經(jīng)拆解傳感器發(fā)現(xiàn)其接地電極被腐蝕，而測(cè)量電極則沒(méi)有被腐蝕。

傳感器內(nèi)部設(shè)有1個(gè)接地電極（也叫參考電極）和2個(gè)測(cè)量電極，這兩種電極的材質(zhì)均為Alloy C-22，它是耐海水腐蝕的，滿(mǎn)足現(xiàn)場(chǎng)使用工況?，F(xiàn)場(chǎng)使用萬(wàn)用表測(cè)量發(fā)現(xiàn)，測(cè)量介質(zhì)帶電（電解海水工藝使管路中海水帶電），其對(duì)地存在電勢(shì)差約1.0 V，且現(xiàn)場(chǎng)儀表本體通過(guò)金屬支撐接地，在電勢(shì)差作用下接地電極就會(huì)慢慢被腐蝕掉，從而儀表腔室會(huì)進(jìn)入海水。

當(dāng)傳感器外殼接地或者變送器接地端子接地時(shí)，介質(zhì)通過(guò)接地電極與大地之間會(huì)形成電流回路，造成電化學(xué)腐蝕，導(dǎo)致傳感器的接地電極被腐蝕，傳感器漏水。電化學(xué)腐蝕是一個(gè)緩慢的腐蝕過(guò)程，腐蝕速度取決于現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量介質(zhì)對(duì)地電勢(shì)大小，因此老項(xiàng)目在使用幾年后才出現(xiàn)相關(guān)問(wèn)題。針對(duì)上述問(wèn)題，解決方案是將電磁流量計(jì)完全浮空：

（1）儀表電源的地線(xiàn)以及信號(hào)線(xiàn)的屏蔽線(xiàn)，要在儀表處懸空不接；

（2）對(duì)墊片和螺栓進(jìn)行絕緣處理（例如使用塑料螺栓）；

（3）避免金屬物接觸儀表外殼和法蘭安裝螺栓，傳感器的支撐可采用塑料材質(zhì)或者不加，確保儀表外殼不接地。

6? ? 小結(jié)

在支路電解法壓載水處理系統(tǒng)，電磁流量計(jì)的選型（包括口徑、襯里和電極材質(zhì)的選擇）要滿(mǎn)足流體介質(zhì)及現(xiàn)場(chǎng)工況。另外，電磁流量計(jì)在滿(mǎn)足其安裝要求的情況下，還要考慮壓載水處理系統(tǒng)特有的工況條件，進(jìn)行正確的設(shè)計(jì)、安裝以及接線(xiàn)。

電磁流量計(jì)的傳感器需要安裝在電解液注入點(diǎn)之前，防止電解液中的雜散電流或氣泡造成流量計(jì)讀數(shù)波動(dòng)；安裝在電解單元進(jìn)口UPVC管道上的電磁流量計(jì)，需要在傳感器兩端面正確安裝接地環(huán)或帶有接地電極，使管道內(nèi)被測(cè)導(dǎo)電流體與傳感器外殼之間有充分的電接觸，保證等電勢(shì)；另外，該處的電磁流量計(jì)還要完全浮空，電源線(xiàn)和儀表外殼都不能接地，否則會(huì)通過(guò)電化學(xué)反應(yīng)腐蝕接地電極造成儀表?yè)p壞。

參考文獻(xiàn)

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作者簡(jiǎn)介：孔? 清（1990 -），男，工程師。主要從事船舶壓載水處理系統(tǒng)設(shè)計(jì)工作。

鄭德康（1991-），男，工程師。主要從事船舶壓載水處理系統(tǒng)設(shè)計(jì)工作。

收稿日期：2022-06-22