1.引言
在氧化铝生产工艺中,由饱和蒸汽间接加热氢氧化铝矿浆或碱液,以促进矿浆和碱液充分反应,蒸汽降温形成冷凝水,好水送至锅炉房继续生产蒸汽,坏水进入分解系统或沉降系统参加工艺生产流程。也有把冷凝水(不管好坏)送到热水槽,储存起来冲洗没备用,用的时候再通入蒸汽继续加热。不管冷凝水作什么用途,都要进行计量,以作为各车间成本核算的一个依据。计量冷凝水时,存在很大的争论,各种计量方法都有,并且都能测出数据,由于冷凝水量在生产过程中属于“鸡肋”,故量准不准没有引起重视,作为一个检测技术工程师,有责任把该数据弄准确。
2.蒸汽冷凝水的来源
2.1溶出二次冷凝水
为实现氢氧化铝矿浆在压煮器内与碱液充分反应,一般在压煮器蒸汽套内通入饱和蒸汽,通过蒸汽套管间接加热矿浆,几个压煮器串联起来组合成压煮器组,饱和蒸汽也串联加热各级压煮器,后末级压煮器出来的二次蒸汽通过冷凝水罐冷凝后形成冷凝水。此过程中,均有可能矿浆进入蒸汽管道(例如压煮器破损、碱液混入蒸汽等),这就需要在冷凝水出口管设置一个电导率计检测冷凝水的电导率,好水送入锅炉房,坏水送入热水槽。
2.2蒸发二次冷凝水
为平衡氧化铝生产过程中的水量和排出杂志盐类,使碱液浓度达到化学反应的极限浓度,在管式降膜蒸发器管层通入碱液原液,在壳层蒸汽套内通入饱和蒸汽,通过蒸汽套间接加热碱液,几个管式降膜蒸发器串联起来组合成蒸发器组,每一个蒸发器都配带一个冷凝器,饱和蒸汽也串联加热各级蒸发器,效管式降膜蒸发器出来的冷凝水较为干净,称之为新蒸汽冷凝水,其余各级蒸发器出来的冷凝水均有可能含有碱分子而形成坏水,称之为二次冷凝水,好水坏水的识别也是通过设置电导率计来检测的,同样好水送入锅炉房,坏水送入热水槽。不管是溶出来的冷凝水还是蒸发来的冷凝水计量时都得考虑冷凝水的纯度(电导率)、温度等参数。冷凝水罐出水管温度大概有70~110℃左右,也就是说里面还含有大量蒸汽,此时冷凝水的属性为汽相、液相和固相(固体为微量矿浆微粒),固相通过电导率仪可以测出。这里,只关心该工艺过程中形成的冷凝水该如何计量
3.冷凝水的各种计量讨论
有的检测工程师在做设计时,计量冷凝水采用电磁流量计,理由是冷凝水含有碱液或矿浆微粒,电磁流量计的可测量介质电导率可以低至5μ/m,温度可达到80℃甚至更高,精度可达到±02~05%,测出的流量为体积流量,并且电磁流量计安装、检修都方便(检修只需一段时间后清洗电极),测出的数据稳定,累积量可靠。但是不是如实地反映冷凝水真实的流量无从考察。电磁流量计测量原理是法拉第电磁感应原理,在电磁流量计中,测量管内的导电介质相当于法拉第试验中的导电金属杆,上下两端的两个电磁线圈产生恒定磁场,当有导电介质流过时,则会产生感应电压(工作原理如图1所示),管道内部的两个电极测量产生的感应电压,测量管道通过不导电的内衬(橡胶、特氟隆等)实现与流体和测量电极的电磁隔离。
设:E为感应电动势;B为感应强度(T);D为测量管内径(m);V为平均流速(m/s);S为管道截面积;K为流量常数
由于冷凝水固有特性,在溶出压煮器和蒸发器无损坏的情况下,料浆和碱液不会混入冷凝水管道,冷凝水中无导电介质,冷凝水属性为液相和汽相,此时,电导率仪测出的值小于5s/m,感应电动势为零,电磁流量计测出的数据是闪烁乱跳的数值,该数值不能表达真实的测量值。
3.2差压式流量计计量法
设计过程中也有采用差压式流量计计量冷凝水流量的,差压式流量计通常有巴氏流量计(如德尔塔巴流量计、赛德巴流量计、阿牛巴流量计等)、
孔板流量计、ⅴ锥流量计、喷嘴流量计等,该类流量计可测量汽相、液相或汽液二项性的任何介质,测量原理为伯努利方程,测出的流量为质量流量,其通用流量计算公式如下:设Q为质量流量;Q为体积流量;ξ为流量计探头的阻断系数(也可为常数K):E为流体膨胀系数D为测量管内径;dp为流体差压;p为工况下的流体密度,则
在冷凝水测量过程中,冷凝水为不可压缩流体,故e为1。换算成体积流量如下:
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从公式(3)可以看出,差压式测量冷凝水流量过程中,流体流量只与流体差压和密度有关,介质流体的密度改变,对流量值的影响是很直观的。另方面,为了工艺操作的方便,仪表指示值给出的是标准状态下的体积流量,这是根据介质流体的密度换算出来的。而介质流体的密度改变使其换算关系也改变,从理论上差压式流量计测量冷凝水是合适的,但实际上,当冷凝水中混入料浆颗粒或碱液时,冷凝水密度变化大,且矿浆固体颗粒物容易堵塞取压探头的取压孔,碱液混合的颗粒物容易结疤附在探头上,使得探头经常要拆卸下来清洗,并接清洗次数相对电磁流量计、涡街流量计要频繁得多。
3.3漩涡式流量计计量法
漩涡式流量计测量原理为卡门漩涡,即是在流体管道中,垂直插入一个柱形阻挡物,在其后部(相对于流体方向)两侧就会交替地产生漩涡。随着流体向下游流动形成漩涡列,称之为“卡门漩涡”,把产生漩涡的柱形阻挡物定义为漩涡发声体,在一定条件下漩涡的分离频率与流量的流速成线性关系因而,只要测出漩涡分离的频率,即可计算出管道内流体的流速或流量,其计算公式如下:
设Q为体积流量;St为斯特劳哈尔数(也可为常数K):f为频率(Hz/s);D为测量管内径;d为迎流面宽度。
正是漩涡流量计是基于线性连续方程原理,测量与流体的性质无关,与密度、黏度等均无关,用水标定出来的流量系数同样适用于冷凝水计量。
K为流量系数,含义是每升流量由几个脉冲表示,即是PL,经过公式变换,实际运用中的涡街流量计计算公式为:
从公式(5)可以看出,漩涡流量计的计量只与流体频率有关系,测出的流量为流体的工况体积方,质量方和标准体积方是根据密度或压力温度换算出来的。旋涡流量计通常有涡街流量计、靶式流量计等,优势是测量范围广,体积小,重量轻,离线标定方便,一旦结疤,清洗也方便(卸下来清洗阻挡物即可)。劣势是测量精度低,和差压式流量计差不多。
除了上述几种常见的计量方法,还有采用超声波流量计计量的,早期的溶出冷凝水有采用的,主要是由于压煮器损坏快,料浆泄露严重的工艺,由于科技进步快,现在的压煮器基本不泄露,冷凝水电导率低,因此现代氧化铝生产工艺中,冷凝水计量基本上不采用超声波流量计。其余的计量方式不常见,这里就不一一介绍了
4.总结
通过几种典型的流量计的分析,再结合现场的使用情况,综合比较下来,旋涡流量计使用效果要好得多,使用时间要长一些,建议设计过程中优先考虑使用旋涡式流量计