質(zhì)量流量計(jì)在混裝乳化炸藥車(chē)上的應(yīng)用研究

劉 令，魏碧波，劉俊文

中國(guó)葛洲壩集團(tuán)易普力股份有限公司 重慶 401121

混 裝乳化炸藥車(chē)是集原料運(yùn)輸、炸藥混制、現(xiàn)場(chǎng)裝藥為一體的移動(dòng)式爆破作業(yè)設(shè)備。其生產(chǎn)的混裝炸藥為散裝炸藥，具有作業(yè)過(guò)程安全性高、施工進(jìn)度快、勞動(dòng)強(qiáng)度低等優(yōu)點(diǎn)。

混裝乳化炸藥車(chē)裝藥時(shí)，單孔裝藥量是影響現(xiàn)場(chǎng)爆破效果的重要因素。單孔裝藥量偏多時(shí)會(huì)導(dǎo)致爆破飛石危害，單孔裝藥量偏少時(shí)會(huì)導(dǎo)致二次爆破量增加、大塊根底，因此準(zhǔn)確計(jì)量混裝乳化炸藥車(chē)的單孔裝藥量至關(guān)重要。因乳化基質(zhì)的黏度比一般流體大，采用傳統(tǒng)的孔板流量計(jì)、渦街流量計(jì)、電磁流量計(jì)、轉(zhuǎn)子流量計(jì)和超聲波流量計(jì)計(jì)量困難。國(guó)內(nèi)大多數(shù)的現(xiàn)場(chǎng)混裝乳化炸藥車(chē)對(duì)混裝乳化炸藥裝藥量的計(jì)量方法是：前期對(duì)乳化基質(zhì)輸送泵單轉(zhuǎn)藥量進(jìn)行標(biāo)定，并配合轉(zhuǎn)速傳感器對(duì)乳化基質(zhì)輸送泵的實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)速進(jìn)行測(cè)量。若后期實(shí)際裝藥的乳化基質(zhì)與標(biāo)定時(shí)采用的乳化基質(zhì)不一樣，在未重新進(jìn)行標(biāo)定時(shí)則會(huì)出現(xiàn)計(jì)量誤差。同時(shí)，混裝乳化炸藥車(chē)上乳化基質(zhì)輸送泵環(huán)節(jié)往往是較危險(xiǎn)的工序，一般要求應(yīng)具有空轉(zhuǎn)、干運(yùn)行、超溫、超壓自動(dòng)報(bào)警、自動(dòng)泄爆保護(hù)和停機(jī)功能，但當(dāng)前混裝乳化炸藥車(chē)上乳化基質(zhì)輸送泵的超壓、超溫聯(lián)鎖保護(hù)并不能使其實(shí)現(xiàn)真正意義上的安全運(yùn)行。

混裝車(chē)上乳化基質(zhì)的準(zhǔn)確計(jì)量與運(yùn)行安全問(wèn)題亟待提升，通過(guò)多次現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研、選型、試驗(yàn)，筆者設(shè)計(jì)了一種經(jīng)濟(jì)實(shí)惠、安全可靠的解決方案。

1 質(zhì)量流量計(jì)

1.1 基本結(jié)構(gòu)和原理

質(zhì)量流量計(jì)的結(jié)構(gòu)原理如圖 1 所示，主要由 2 根平行的 U 形管、能產(chǎn)生一定頻率振動(dòng)的驅(qū)動(dòng)線圈及 2個(gè)光電 (或電磁) 探測(cè)器組成[1]，是一種利用流體在振動(dòng)管道中流動(dòng)時(shí)產(chǎn)生與質(zhì)量流量成正比的科里奧利力原理來(lái)直接測(cè)量質(zhì)量流量的裝置。

圖1 質(zhì)量流量計(jì)的結(jié)構(gòu)原理Fig.1 Structure and principle of mass flowmeter

1.2 質(zhì)量流量計(jì)優(yōu)點(diǎn)1 號(hào)混裝車(chē)

質(zhì)量流量計(jì)的優(yōu)點(diǎn)[2]主要有：①可直接測(cè)量流體的質(zhì)量流量，無(wú)需任何壓力、溫度、黏度、密度等換算或修正；② 較體積流量計(jì)而言，不需要上下游的直管段要求；③測(cè)量值對(duì)流體黏度不敏感，且不受流體密度變化的影響；④ 測(cè)量精度高。

1.3 質(zhì)量流量計(jì)缺點(diǎn)

質(zhì)量流量計(jì)的缺點(diǎn)主要有：①易發(fā)生零點(diǎn)漂移；② 不能測(cè)量低密度氣體，液體中含氣量超標(biāo)會(huì)導(dǎo)致測(cè)量不準(zhǔn)；③復(fù)雜幾何形狀的測(cè)量管道使壓力損耗較大；④ 大部分型號(hào)的流量計(jì)質(zhì)量和體積較大。

2 質(zhì)量流量計(jì)在混裝車(chē)上的應(yīng)用

選用 2 臺(tái)國(guó)產(chǎn)質(zhì)量流量計(jì)，分別安裝在 2 臺(tái)混裝乳化炸藥車(chē)上，進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)裝藥應(yīng)用試驗(yàn)。

2.1 質(zhì)量流量計(jì)的安裝

不同廠家質(zhì)量流量計(jì)的結(jié)構(gòu)存在差異，安裝要求也不同，因此必須嚴(yán)格按照安裝說(shuō)明、混裝乳化炸藥的生產(chǎn)工藝，并結(jié)合混裝乳化炸藥車(chē)的結(jié)構(gòu)及空間進(jìn)行安裝。

(1) 安裝方式和位置 為避免測(cè)量精度較低，質(zhì)量流量計(jì)測(cè)量管內(nèi)不能有固形物、氣體，需根據(jù)安裝環(huán)境選擇垂直或水平安裝。安裝位置應(yīng)盡量避免振動(dòng)，并對(duì)安裝管路做好固定支撐。確認(rèn)流量計(jì)上的箭頭方向和流體的流向一致。傳感器與變送器的編號(hào)要一一對(duì)應(yīng)，不可隨意更換，否則會(huì)產(chǎn)生測(cè)量誤差。

(2) 截止閥的安裝 質(zhì)量流量計(jì)上下游應(yīng)設(shè)置截止閥，便于初次安裝后零點(diǎn)校準(zhǔn)，截止閥不能泄漏，保證調(diào)零時(shí)測(cè)量管內(nèi)流體靜止不動(dòng)。

2.2 信號(hào)輸出

質(zhì)量流量計(jì)的各種測(cè)量參數(shù)可直接液晶顯示，0～10 kHz、4～20 mA 的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)輸出，并具有 Modbus RTU 和 HART 通信協(xié)議。一般可以輸出 3 種類(lèi)型的信號(hào)：4～20 mA DC 模擬量、脈沖信號(hào)、數(shù)字通信。其中 4～20 mA DC 模擬量可以組態(tài)為瞬時(shí)流量、密度或溫度；脈沖信號(hào)可以組態(tài)為質(zhì)量流量或體積流量；通信接口可以輸出瞬時(shí)流量、累積流量、密度、溫度以及流量計(jì)的診斷信息[3]。

2.3 測(cè)試應(yīng)用分析

根據(jù)地面站生產(chǎn)乳化基質(zhì)的特性，對(duì)泵每轉(zhuǎn)輸送乳化基質(zhì)的量進(jìn)行標(biāo)定，并在混裝車(chē)控制程序中進(jìn)行設(shè)定。采用溫度為 65 ℃、密度為 1.35 g/cm3、黏度為 44 257 mPa·s 的乳化基質(zhì)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)裝藥試驗(yàn)。質(zhì)量流量計(jì)測(cè)量數(shù)據(jù)如圖 2 所示。

在 1 號(hào)混裝車(chē)上，設(shè)定裝藥效率為 187 kg/min，每孔裝藥時(shí)記錄穩(wěn)定后質(zhì)量流量計(jì)數(shù)據(jù)，如圖 2(a) 所示。質(zhì)量流量計(jì)測(cè)量值與設(shè)定裝藥效率的絕對(duì)偏差最大為 2.7 kg/min，即絕對(duì)最大偏差率為 1.44%。在 2號(hào)混裝車(chē)上，設(shè)定裝藥效率為 204 kg/min，每孔裝藥時(shí)記錄穩(wěn)定后質(zhì)量流量計(jì)數(shù)據(jù)，如圖 2(b) 所示。質(zhì)量流量計(jì)測(cè)量值與設(shè)定裝藥效率的絕對(duì)偏差最大為 3.5 kg/min，即絕對(duì)最大偏差率為 1.72%。

圖2 質(zhì)量流量計(jì)測(cè)量數(shù)據(jù)Fig.2 Measured data of mass flowmeter

2 個(gè)混裝車(chē)上質(zhì)量流量計(jì)測(cè)量值與設(shè)定值之間的偏差率均低于 2%，重復(fù)性強(qiáng)，試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明該質(zhì)量流量計(jì)用于測(cè)量黏度較高的乳化基質(zhì)是可靠的，可與傳統(tǒng)的計(jì)量模式結(jié)合形成雙重計(jì)量方式。

2.4 安全運(yùn)行控制

國(guó)內(nèi)混裝乳化炸藥車(chē)，多數(shù)是通過(guò)檢測(cè)乳化基質(zhì)輸送泵出口的壓力或溫度來(lái)進(jìn)行聯(lián)鎖保護(hù)。乳化基質(zhì)輸送泵多數(shù)為螺桿泵，輸出壓力低，若出現(xiàn)干磨現(xiàn)象時(shí)，基質(zhì)泵出口的壓力和溫度實(shí)際上并不會(huì)出現(xiàn)顯著的變化，此時(shí)該種安全保護(hù)措施就會(huì)失效，致使混裝車(chē)在運(yùn)行時(shí)存在安全隱患。目前該問(wèn)題并未引起混裝車(chē)生產(chǎn)廠家及使用客戶的重視。

在傳統(tǒng)計(jì)量 (標(biāo)定輸送泵單轉(zhuǎn)藥量、轉(zhuǎn)速傳感器測(cè)量輸送泵轉(zhuǎn)速) 方式的基礎(chǔ)上，增設(shè)質(zhì)量流量計(jì)并添加邏輯運(yùn)算程序后可形成“雙重計(jì)量”模式。安全運(yùn)行控制邏輯如圖 3 所示。

圖3 安全運(yùn)行控制邏輯Fig.3 Control logic of safe operation

控制程序設(shè)定裝藥效率后，裝藥過(guò)程中若出現(xiàn)干磨現(xiàn)象，乳化基質(zhì)輸送泵轉(zhuǎn)速基本不變，控制程序顯示的裝藥效率也不會(huì)發(fā)生變化。因?qū)嶋H發(fā)生了干磨現(xiàn)象，泵實(shí)際輸出的乳化基質(zhì)量會(huì)顯著減少，乳化基質(zhì)輸送泵出口的壓力、溫度并不會(huì)急劇變化，傳統(tǒng)的超溫、超壓保護(hù)失效，但質(zhì)量流量計(jì)檢測(cè)到乳化基質(zhì)的流量明顯下降，流量下降到一定數(shù)值 (如 20 kg/min)或一定相對(duì)比例 (如 10%)，并結(jié)合持續(xù)時(shí)間，邏輯程序綜合判定乳化基質(zhì)輸送泵存在干磨現(xiàn)象，就會(huì)發(fā)出報(bào)警或停機(jī)指令，以提升混裝車(chē)運(yùn)行過(guò)程中的安全性。

3 應(yīng)用影響因素分析

3.1 振動(dòng)

混裝乳化炸藥車(chē)在現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)時(shí)，裝藥條件差，振動(dòng)是不可避免的。從質(zhì)量流量計(jì)的工作原理來(lái)看，要想降低其計(jì)量誤差，必須從產(chǎn)品設(shè)計(jì)、安裝方式上進(jìn)行優(yōu)化，與質(zhì)量流量計(jì)廠家溝通進(jìn)行防振動(dòng)設(shè)計(jì)。同時(shí)，安裝在混裝車(chē)后應(yīng)開(kāi)展振動(dòng)對(duì)計(jì)量精度的影響調(diào)試，盡量以柔性管進(jìn)行連接，隔離振動(dòng)源；為有效避免額外的應(yīng)力疊加在質(zhì)量流量計(jì)上，軸向管接頭應(yīng)與質(zhì)量流量計(jì)接頭匹配[4-5]。

3.2 黏度

一般來(lái)說(shuō)，流體介質(zhì)的黏度對(duì)質(zhì)量流量計(jì)的檢測(cè)精度幾乎不產(chǎn)生影響。國(guó)內(nèi)多數(shù)地面站生產(chǎn)的乳化基質(zhì)黏度均在 5 萬(wàn) mPa·s 左右，乳化基質(zhì)還具有一定的流動(dòng)性，此時(shí)用質(zhì)量流量計(jì)測(cè)量乳化基質(zhì)流量是可靠的。當(dāng)現(xiàn)場(chǎng)混裝乳化炸藥用于裂隙發(fā)育礦山、上向孔時(shí)，為防止漏藥、返藥，會(huì)更改生產(chǎn)工藝配方，此時(shí)乳化基質(zhì)的黏度更高，基本無(wú)流動(dòng)性，在無(wú)外部驅(qū)動(dòng)力的情況下，乳化基質(zhì)極可能堵塞測(cè)量管。此種工況下質(zhì)量流量計(jì)能否應(yīng)用于檢測(cè)乳化基質(zhì)流量，還需開(kāi)展進(jìn)一步的應(yīng)用研究。

4 結(jié)語(yǔ)

采用國(guó)產(chǎn)質(zhì)量流量計(jì)來(lái)測(cè)定乳化基質(zhì)流量時(shí)，試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明其測(cè)量精度高、重復(fù)性強(qiáng)，同時(shí)該款質(zhì)量流量計(jì)價(jià)格約為國(guó)外品牌的 40%，使質(zhì)量流量計(jì)應(yīng)用于混裝車(chē)的經(jīng)濟(jì)可行性更強(qiáng)。在混裝乳化炸藥車(chē)上增設(shè)質(zhì)量流量計(jì)，形成“雙重計(jì)量”，可有效防范乳化基質(zhì)輸送泵干磨現(xiàn)象的發(fā)生，從本質(zhì)上提升了混裝乳化炸藥車(chē)的安全運(yùn)行水平。

當(dāng)前，混裝乳化炸藥車(chē)對(duì)乳化基質(zhì)的計(jì)量，主要還是通過(guò)轉(zhuǎn)速傳感器記錄乳化基質(zhì)輸送泵轉(zhuǎn)速，并配合標(biāo)定來(lái)實(shí)現(xiàn)的。在不考慮乳化基質(zhì)流量計(jì)計(jì)量準(zhǔn)確度的前提下，為提升混裝車(chē)的安全運(yùn)行水平，也可考慮引進(jìn)其他形式的流量計(jì)來(lái)“測(cè)量”乳化基質(zhì)流量，并配合轉(zhuǎn)速傳感器進(jìn)行聯(lián)鎖保護(hù)，但其測(cè)量乳化基質(zhì)流量的重復(fù)性需強(qiáng)。