聲吶流量計在氧化鋁廠中的應用

聲吶流量及含氣量測量系統(tǒng)是一種全新的工業(yè)流量計，采用的是聲吶處理領域的陣列處理技術(shù)，該技術(shù)起初在國外用于石油行業(yè)，用來解決鉆井、近海石油和采氣過程中固液氣三相混合流體的流量檢測。由于氧化鋁冶煉廠也是固液氣三相混合，聲吶流量及含氣量測量系統(tǒng)被逐漸應用于對氧化鋁冶煉廠的檢測。本論文論述的就是聲吶流量及含氣量測量系統(tǒng)在氧化鋁冶煉廠中一洗溢流處的流量檢測應用。流量計在氧化鋁易結(jié)垢管線檢測應用上的比較目前，對于氧化鋁礦漿的流量檢測，電磁流量計是主流的檢測方式。以下是對兩種流量計在檢測中的優(yōu)缺點進行比較，見表1。表1聲吶流量及含氣量測量系和電磁流量計應用比較原理聲吶流量及含氣量測量系統(tǒng)的傳感器由柔性壓電PVDF薄膜制成，其沿流體流動的方向等距離包裹在管道周圍，組成線性應變測量陣列。當流體流動時會產(chǎn)生旋渦，旋渦通過安裝在管道外壁的傳感器陣列時，能夠測出每一個旋渦的聲學特征。由于傳感器陣列的間距是固定的，因此通過測量相同特征的同一旋渦分子流過傳感器的時間間隔，可以計算出旋渦的流速，進而得到流量。圖1聲吶流量及含氣量測量系統(tǒng)原理圖如圖1所示，聲吶流量及含氣量測量系統(tǒng)的探頭是8個被動壓電轉(zhuǎn)換傳感器，通過CIDRA專利的聲吶陣列處理算法，得到渦流的平均軸向速度。測量步驟如下所示：●測量介質(zhì)的湍流對管道的內(nèi)壁產(chǎn)生了微小的壓力變化。●這種微小的壓力變化使得管道發(fā)生了微小的機械形變。●包裹在管道外壁的探頭（無需耦合劑）將形變量轉(zhuǎn)化為電信號?！裢ㄟ^聲吶陣列處理技術(shù)，將該電信號轉(zhuǎn)化為特有頻率和相位的特殊信號。該信號被探頭上8個在軸向上相隔距離相同的探頭監(jiān)測到?！裢ㄟ^分析對應的特有頻率和相位，得到對應的介質(zhì)流速。

聲吶流量及含氣量測量系統(tǒng)分析的信號是頻率和波長的卷積。而通過分析波數(shù)（和波長成倒數(shù)的關系），可以確定其頻譜中包含的能量。其中：f是信號的頻率，U是通過探頭組時的流速，λ是波長。而對整個范圍內(nèi)的波數(shù)進行分析時，這種能量分布圖可以稱之為k-ω模型（k=2π/λandω=2πf）。其中，X軸定義為波數(shù)（1/λ），Y軸定義為頻率（f）。通過對之前公式轉(zhuǎn)換可得到：如圖2所示，該圖為儀表測量的原始圖像，能量集中的區(qū)域構(gòu)成了線性關系，而其斜率即為流速。如果線性關系好，則流量計的測量質(zhì)量系數(shù)越高。在儀表顯示時，V0代表測量質(zhì)量系數(shù)，范圍為0~1，該值越接近1則表明測量效果越好。圖2儀表測量的原始圖像應用介紹根據(jù)氧化鋁廠因管道結(jié)垢嚴重造成電磁流量計測量不準確而無法使用的情況，特別是一洗溢流流量計，導致車間在精細化操作控制方面陷入被動，為解決現(xiàn)場沉降車間一洗溢流泵出口電磁流量計無法使用的問題，為一洗溢流提供精確的流量，為生產(chǎn)精細化操作提供準確的流量依據(jù)，試用了一臺的聲吶流量及含氣量測量系統(tǒng)，本文研究了聲吶流量及含氣量測量系統(tǒng)的測量穩(wěn)定性和準確度，數(shù)據(jù)及結(jié)論如下。測量穩(wěn)定性分析如圖3所示，2021年4月3日在泵電流基本穩(wěn)定的情況下，流量測量顯示也是穩(wěn)定的曲線，和實際工況吻合。圖32021年4月3日一洗溢流泵電流基本穩(wěn)定時流量測量情況流量測量和泵跟隨性分析流量測量顯示隨一洗溢流泵的電流變化而同步跟隨性變化，同樣也是反映流量計測量穩(wěn)定性的指標。下面是DCS端一洗溢流泵電流變化和聲吶流量及含氣量測量系統(tǒng)流量測量顯示變化的曲線，如圖4所示。圖42021年5月12日一洗溢流泵電流變化和流量變化跟隨性如圖5所示，4個數(shù)據(jù)圖沉降一洗溢流泵電流基本穩(wěn)定的情況下，聲吶流量及含氣量測量系統(tǒng)流量測量也是穩(wěn)定的；同時隨著溢流泵電流發(fā)生變化，聲吶流量及含氣量測量系統(tǒng)流量測量顯示也隨之同步變化，變化趨勢及跟隨性一致，與生產(chǎn)實際工況是吻合的。圖52021年6月06日一洗溢流泵電流變化和流量變化跟隨性聲吶流量及含氣量測量系統(tǒng)流量測量數(shù)據(jù)連續(xù)穩(wěn)定，且免維護，無質(zhì)量問題。測量準確性研究1.準確性驗證方案聲吶流量及含氣量測量系統(tǒng)安裝調(diào)試完成后車間對流量測量數(shù)據(jù)進行了跟蹤。按照短時間內(nèi)讓一洗槽停止進料，底流泵停止出料，保留溢流泵正常運行，通過一洗槽液位降低的DROPDOWN方式核算流量測量的準確性，為了盡可能確保核算的準確性，分別用10min和20min液位變化來核算，取平均值比較。聲吶流量及含氣量測量系統(tǒng)相關數(shù)據(jù)記錄見表2。表2數(shù)據(jù)記錄表2.流量測量準確性小結(jié)從表2看出，通過液位降低的方式核算流量測量的準確性，聲吶流量及含氣量測量系統(tǒng)測量顯示流量均滿足試用要求（誤差在±20m3/h內(nèi)）。流量測量準確連續(xù)穩(wěn)定，克服了一洗溢流位置電磁流量計無法使用的問題，生產(chǎn)利用此流量指標對工藝操作進行動態(tài)調(diào)控，為生產(chǎn)精細化操作提供準確的流量依據(jù)。測試結(jié)論如下：●聲吶流量及含氣量測量系統(tǒng)安裝投用后能提供一洗溢流流量的準確測量?！駶M足免維護且使用壽命長，測量穩(wěn)定性好。●聲吶流量及含氣量測量系統(tǒng)流量測量數(shù)據(jù)準確，且與生產(chǎn)工況變化吻合?！駶M足可以作為生產(chǎn)指標調(diào)整參考要求，為生產(chǎn)精細化操作提供了準確的流量依據(jù)?！衤晠攘髁考昂瑲饬繙y量系統(tǒng)測量不受流體內(nèi)氣泡的干擾，能夠很好地適應含氣泡類流體的測量。安裝位置氧化鋁廠生產(chǎn)的工藝流程如圖6所示，聲納流量計現(xiàn)場安裝示意如圖7所示。圖6氧化鋁廠生產(chǎn)工藝流程圖圖7聲吶流量計現(xiàn)場安裝示意圖與所有的體積流量計類似，也需要滿足一些通用的現(xiàn)場條件，因此流量計安裝位置最好遵從以下的選擇方式：1.聲吶流量及含氣量測量系統(tǒng)的安裝也需要選擇流體比較統(tǒng)一和均勻的位置進行安裝。2.至少10倍管徑的直管段，但相比電磁流量計的安裝，聲吶流量及含氣量測量系統(tǒng)較為簡單，且不需要切割管道，安裝工作量也較少。3.確保流量計安裝在所有操作條件下（包括改變密度條件）均滿管的位置。4.防止敞開排放口管道導致的不滿管。

數(shù)據(jù)分析通過聲吶流量及含氣量測量系統(tǒng)變送器能夠獲得完整的測量數(shù)據(jù)信息，以下是安裝在一洗溢流管道的聲吶流量及含氣量測量系統(tǒng)變送器中得到的測量數(shù)據(jù)，如圖8、圖9所示。圖8波長和頻率的紅外圖像圖9趨勢對比圖從波長和頻率的紅外圖中可以看出，通過紅外圖像分析可以看到流速（圖中虛線）測量時峰值能量的線性程度。峰值能量呈橘紅色，它的線性程度越高，則流量測量質(zhì)量系數(shù)越大，說明測量效果越好。從趨勢圖中可以看出，用聲吶流量及含氣量測量氧化鋁冶煉廠的一洗溢流管道的流量時，流量數(shù)據(jù)十分穩(wěn)定，且與現(xiàn)場生產(chǎn)實際情況做比對來看，與生產(chǎn)情況一致。通過對聲吶流量及含氣量測量系統(tǒng)的檢測數(shù)據(jù)的分析可以看出，聲吶流量及含氣量測量系統(tǒng)非常適合測量氧化鋁冶煉廠的一洗溢流管道上。在氧化鋁行業(yè)的應用優(yōu)勢和特點聲吶流量及含氣量測量系統(tǒng)在工業(yè)中應用，與其他流量計相比，有以下幾個特點：1.聲吶流量及含氣量測量系統(tǒng)安裝簡單，不用切割管道，安裝時不影響生產(chǎn)。2.無可動零件，無易損件，且探頭使用壽命長，維護量小，可靠性高，能保證生產(chǎn)的長期不間斷運行。3.聲吶流量及含氣量測量系統(tǒng)可以檢測出礦漿中氣泡的百分比含量，通過修正，可以得出準確的礦漿流量以及校核礦漿的濃度。同時通過礦漿中氣泡的百分比含量，可以判斷管道是否正常，泵空穴氣蝕等影響生產(chǎn)的現(xiàn)象。4.聲吶流量及含氣量測量系統(tǒng)壓損小，量程范圍大，精度較高，在測量工況體積流量時幾乎不受流體密度、壓力、溫度以及管壁內(nèi)結(jié)垢等影響。5.聲吶流量及含氣量測量系統(tǒng)價格相比較其他流量計比較昂貴，一次性投資成本較高，但后期維護成本低。

結(jié)束語聲吶流量及含氣量測量系統(tǒng)經(jīng)過在實踐中不斷試驗，驗證了聲吶流量及含氣量測量系統(tǒng)在氧化鋁冶煉廠流量檢測中的可靠性。隨著智慧化的不斷推進，為了能夠?qū)崿F(xiàn)生產(chǎn)的無人化及智能化，儀表檢測將是智慧化底層數(shù)據(jù)的關鍵。氧化鋁行業(yè)在整個有色金屬選礦領域中，屬于生產(chǎn)難度大，