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淺談電磁流量計在球團配料水分測量中的選型和安裝注意

來源:ramondemelo.com作者:發表時間:2019-02-22

 摘要: 由于鋼廠中燒結機和球團生產線的過長、配料多等特點,球團礦和燒結礦品質的優劣取決于對生產各個環節良好地控制,而生產原料中混合配料的水分含量控制環節尤為重要。闡述了球團混合料水分測量控制系統各組件的現場安裝,介紹了電磁流量計、紅外線水分測量儀的基本結構、測量原理、系統組成以及現場的安裝要點和系統調試,很好地解決和保證了燒結礦混合配料的水分含量控制的要求,為鋼廠燒結球團混合配料水分含量的控制提供了解決方案。

 
引言
目前國內鋼鐵企業都有各自的燒結機、球團生產線系統,各生產廠都對各自產品的品質有著嚴格的要求,以保證產品的合格率。同時,對生產過程中的監控和自動化儀表的安裝調試也有著更高的要求,進行良好地生產過程控制,才能保證很好的產品品質。鋼廠中制成車間所用礦粉的種類較多、原材料配料顆粒不均勻、配料室過來的所有配料中雜質比較多等影響產品品質的因素相對比較容易解決,而原材料的含水量隨生產環境的變化而變化較大是導致產品品質好壞的關鍵因素,也是燒結、球團礦品質的一個重要控制環節。混合配料的水分含量多于標準值,會直接影響燒結混合料的燃燒和燒結效果; 而水分含量過少低于標準值,則會因混合過程中的成球性差等引起燒結礦結塊率降低、返粉量增大,最終影響燒結礦的產量和品質,因而鋼廠的制成車間對燒結過程中混合配料的水分檢測和穩定控制非常重視。本文結合內蒙古包頭市明拓集團新生產線球團混合配料系統施工中混合配料水分控制系統的現場實例,對混合配料水分控制系統的組成和原理進行介紹,并就整個系統的安裝、調試注意事項加以闡述。
 
1 混合配料水分檢測控制系統組成
混合配料含水量控制系統由電磁流量計、紅外線波長水分儀、稱重傳感器、執行機構等現場檢測和執行單元,以及信號隔離器( 安全柵) 、計算機輸入輸出模塊、西門子 SIMTIC300 系列和后臺監控顯示器等組成,其組成方框圖見圖 1。系統傳遞信號類型為: 4 ~ 20mA DC 信號。
混合料水分調節系統組成框圖
2 混合配料含水量測量系統各組件原理
電動執行機構、稱重傳感器、安全柵等均屬常規檢測、轉換、執行單元儀表,現就電磁流量計、紅外線波長水分儀原理加以說明。
 
2. 1 電磁流量計原理及基本結構
電磁流量計的設計原理是采用法拉第電磁感應定律進行流體流量測量的流量計。其優點是壓損較小,測流量范圍較大,所適用的介質管道范圍寬,同時輸出信號和被測流量成線性,精確度較高,廣泛用于酸、堿、鹽溶液、水、污水等的流體流量測量。
 
電磁流量計的測量原理是: 當導體在磁場中作切割磁力線運動時,導體中會產生感應電勢,產生的感應電勢大小與其在磁場中的有效長度和磁場中的速度成正比。同理,導電流體在磁場中作垂直方向流動而切割磁力線時,也會在管道兩邊的電極上產生相應的感應電動勢[1]。
 
由法拉第電磁感應原理,在介質管道的管壁上安裝了一對檢測電極,當導電介質流體沿測量管軸線運動時,流體切割磁力線所產生的感應電動勢可從安置的兩個檢測電極檢出,其數值大小與流速成正比例,傳感器將所測量的感應電勢作為流量信號,傳送到變送器,經信號處理后,可以由現場液晶顯示器顯示瞬時流量和累積流量; 同時變送器又會有 4 ~ 20 mA DC 輸出,傳輸給后臺計算機系統,進行集中顯示和控制輸出[2]。
 
電磁流量計的結構主要由磁路部分、測量管道、測量電極、保護外殼、襯里和變送器、安裝法蘭、墊片及接地螺釘等部分組成。
 
磁路部分: 主要用來產生均勻的直流或交流磁場。直流磁場可以采用永久磁鐵來實現,永久磁鐵安置結構比較簡單,并受交流磁場的干擾小,但其電極容易被極化,導致兩電極間的內阻增大,嚴重影響儀表的測量精度。另外當介質管道直徑太大時,需要配置的永久磁鐵也相應很大,笨重而不經濟,難于安裝,所以電磁流量計一般采用交變磁場,采用 50 Hz 交流工頻電源線圈激勵產生的交變磁場。
 
測量管道: 主要用來預制安裝測量線圈和電極等現場測量元器件。將電磁流量計的勵磁線圈、電極等安裝在預制管道短管上,同時為了防止磁力線通過測量導管時磁通量被分流或短路,因而測量管道的材質盡量采用不導磁、低電率、低熱導率且具有一定強度的材料制成,通常采用不銹鋼、玻璃鋼和高強度塑料等加工而成。
 
測量電極: 主要是引出和被測流體流量成正比的磁電感應電勢信號。電極一般采用不銹鋼制成,安置在管道內壁,與管道內壁襯里齊平,其安裝位置應設置在管道的垂直方向,兩個電極對稱安置,防止偏離,影響測量精度。
 
保護外殼: 采用鐵磁材料制成,用于封閉勵磁線圈,并隔離外來磁場。
 
襯里: 在測量管道的內側及連接法蘭密封面上,加裝一層完整的電絕緣襯里。它直接與被測介質流體接觸,增加測量導管的內部防腐蝕性,同時防止感應電勢被金屬測量短管的管壁短路。襯里材料選用多為耐腐蝕、耐磨損的聚四氟乙烯塑料和陶瓷等加工制成。
 
變送器: 當介質流體流動速度較小而產生的感應電動勢信號較小時,或是收到各種干擾因素,變送器可以將感應電勢信號放大并轉換成統一的 4 ~ 20 mA DC標準信號并抑制主要的干擾信號,同時減少了小信號的錄入。變送器主要是將電極檢測到的感應電勢信號經信號處理放大成統一的標準 4 ~ 20 mA DC 直流信號然后輸出后臺。
 
電磁流量計就安裝和顯示方式不同可以分為: 分體型電磁流量計( 顯示器和測量短管分開安裝,顯示器安裝在測量點附近) ,一體型電磁流量計( 流量計顯示器可以直接顯示流體流量) [2],兩種方式都帶遠程輸出標準信號功能,用于進行信號遠傳和后臺顯示。
 
2. 2 紅外線水分儀的基本結構原理
紅外線水分儀是根據 OH 分子吸收紅外光能量不同而工作的。在一定的紅外光波長范圍內,水對照射過來的紅外光有較強的能量吸收特性。用這些波長的紅外光照射混合配料時,混合物料中所含水分就會吸收部分紅外光能量,含水量越多,吸收的紅外光能量越多,通過測量接收側反射光的能量減少量來折算出混合配料的含水量。紅外線測量技術是一種非破壞性、非接觸式的實時測量技術。
 
水分儀的照射探頭采用石英鹵素燈泡,鹵素燈泡發出的光線通過光學系統會產生兩種不同波長的紅外光束: 一種為吸收波長,其光束能量能夠被所要求檢測的混合配料里的水分強烈吸收; 另一種是參考波長,其光束能量不能被檢測物質里的水分吸收。紅外光束照射到混合配料表面時,有部分反射回來,通過準確測量吸收波長照到被測物質后水分吸收能量前后的變化,得出一個被測物質水分含量有一定比例關系的數學函數式子來。其測量原理如圖 2 所示。
紅外線水分計測量原理
3 混合配料含水量檢測控制方案
混合配料含水量控制系統的硬件包括: 安裝在一次混合配料機工業用水管道的電動調節閥、電磁流量計,安裝在一次混合配料機后運送皮帶上的在線紅外水分儀、皮帶稱,以及安裝在二次混合機的電動調節閥、電磁流量計及西門子 SIMTIC300 系列控制系統和后臺顯示上位機。控制方案示意如圖 3 所示。上述控制方案示意圖中,各測量儀表工位號、名稱、測量范圍如表 1 所示。
混合料水分控制方案示意圖測量儀表相關參數
混合配料含水量控制系統是為保證燒結球團混合物料含水量處于標準值范圍內而設計的。其采取的控制方法是: 根據檢測到混合物料的含水量,對一、二混合機要加入的水進行分配。總的原則為: 通過主控室后臺操作污泥工業供水管道電動執行器的開度,在一混添加污泥工業水,供水量控制在總加水量的 85% ~90% 之間,其余的水量通過已設定好的計算模型計算用量在二混進行添加。具體方式為: 先通過安裝在一混后傳輸皮帶上安裝的紅外水分測試儀進行混合配料含水量測量計數,然后通過電子皮帶稱對混合配料質量進行測量計數,設定二混出口的含水量目標控制值,采用前饋-反饋方式進行控制,經過控制系統已有后臺計算模式進行內部計算出二混的加水量。
 
4 現場設備的安裝
儀表設備的現場安裝質量是整個系統正常工作運行的保障,是系統準確測量、控制的關鍵。本控制系統中所采用檢測元件和設備詳見表 2。
檢測元件和設備相關參數
這里著重闡述一下電磁流量計的安裝: 正確地選擇安裝點和正確安裝流量計都是非常重要的環節,若在安裝環節失誤,輕者影響測量精度,重者會影響流量計的使用壽命,甚至會損壞流量計。電磁流量計的安裝要求首先是必須選擇安裝在管路的最低點或者管路的垂直段,保證管內介質流體是滿管的情況下才能準確測量。對測量直管段的要求: 一般情況下保證測量導管前面 5 倍管徑而導管后面為不小于 3 倍管徑,以保證電磁流量計的正常使用和滿足測量精度的要求。
 
1) 對安裝場所的要求
( 1) 測量短管盡量安裝在任何時候測量導管內都能充滿介質的位置,同時測量短管盡量垂直安裝,使被測液體自下而上流經測量短管,避免因在測量短管中有沉淀物或在介質流體產生氣泡而造成測量誤差過大。
( 2) 選擇振動小的場所,特別是一體型電磁流量計,同時非測量電極的軸線必須近似于水平方向。
( 3) 盡量避開附近有大電機、變壓器、變頻電機等啟動頻繁的設備,以防止引起電磁干擾,同時電磁流量計的外殼、測量短管、連接法蘭、流量計兩端的管道都要可靠接地。并且要單獨設置接地點,禁止連接在電機、電氣設備等的共用接地系統。
( 4) 盡量避開周圍有高濃度腐蝕性氣體的環境。
( 5) 流體介質應具有流量測量所需的電導率,同時電導率分布比較均勻。電磁流量計要盡量安裝在能夠避開容易產生流體介質電導率不均勻的場所。
 
2) 測量導管安裝前后直管段的長度要求比較低,對于 90°彎管、三通、同心異徑管、直通閥等通常需要離電極中心線大于 5 倍管道直徑長度的直管段,不同開度的閥則需 10 倍,而下游直管段則一般為不小于3 倍。
3) 一般情況下,電磁流量計的傳感器安裝方向不受限制。但是測量含污泥雜質比較多的介質流體最好垂直安裝,自下而上流動,減少水平安裝時下半部襯里的磨損和流體低流速時污泥雜物的沉淀等。水平安裝時要使正負電極軸線平行于介質管道。垂直安裝時,介質流體流動方向為由下而上,避免無流量或小流量時,流體中夾雜的固態顆粒下沉,而較輕的物質漂浮而脫離了流量計電極的測量區。
4) 一體式電磁流量計傳感器由于顯示器和檢測設備合為一體,安裝時候需要注意必須單獨接地,其接地電阻10Ω下。分離式電磁流量計的接地則可以采用在傳感器一側接地,另外檢測設備側可以通過電纜屏蔽層或是電纜保護管聯通接地,保證接地的完整性和連通性,同時保證接地電阻符合要求。
 
5 系統調試投運
5. 1 單體調校
1) 電動執行器要進行全行程校驗,用直流毫安表( 0. 5 級) 監視執行機構的反饋輸出,4 mA DC 對應電動調節閥全關,20 mA DC 對應電動調節閥全開,并且線性良好,無抖動、跳動情況發生。
2) 電磁流量計變送器要進行電流輸入、輸出 4 ~
20 mA DC 的信號校準,同樣用直流毫安表監視。
3) 水分測試儀要進行電流輸出 4 ~ 20 mA DC 的校準,用直流毫安表監視。
4) 稱重傳感器要采用標準試塊進行稱重標定,測量其輸出信號與測量量程是否對應; 配套測速傳感器要進行速度校驗,標準測速儀進行速度標定。
5) 變送器、熱電阻、壓力表等表計要進行現場校對,測量誤差應滿足規程規范要求。
6) 接線完成后要進行系統通道試驗,檢查系統地址的正確性和輸入輸出通道的正確性,同時核對測量量程設定是否一致。
 
5. 2 系統聯調
認真閱讀各重點設備使用說明書,首先進行檢查設備供電系統的正確確認,進行儀表和控制柜絕緣電阻的檢查、接地系統和接地電阻的檢查、全部系統設備和模塊插卡的通電狀態檢查、輸入輸出模塊插卡進行校準和通道試驗等,并將設備投入運行; 檢查系統的全部聯線,系統聯線正確包括信號回路和電源回路。由遠端進行系統信號模擬,檢查系統顯示、運算處理、操作、控制、報警等功能,并檢查系統診斷、維護功能,系統的冗余功能等。人為設置給定干擾項目,檢查自動系統的抗擾動能力和響應時間,以及與此控制系統有關的組態數據和控制方案進行檢查,最終達到系統投入自動運行操作[3]。
 
6 結束語
混合配料含水量檢測控制系統在明拓集團球團生產車間已經開始投入使用,較好地解決了混合配料水分含量難以控制的難題,使混合配料水分含量控制在設計標準范圍內,能夠產出更好的優質燒結礦。需要日后及時做好對系統在線設備的日常維護,使其在實際運行中發揮更大的作用。