目前 , 我國有近千家啤酒企業 、1 500 個啤酒品牌 ,這些企業的規模和管理千差萬別 , 所使用的生產設備有進口的 ,但較大數量是國產設備 ,然而其設備的技術水平與國際同行相比還存在一定的差距 。例如日本麒麟啤酒橫濱工場 ,2000 年改建完成后 , 年產啤酒可達50 萬 m 3 ,共使用了近 500 臺電磁流量計。而國內的企業在自動化控制方面的投入就弱了許多 ,以一個年產量位居國內前三名的啤酒品牌為例 ,其中一個日產啤酒設計能力 5 000m 3 (年產量 20 多萬 m 3 )生產基地 ,僅用 30 幾臺電磁流量計(指直接用于啤酒生產工藝 ,不涉及其它輔助工藝),此中不難看到目前我國啤酒行業與國外企業自動化水平有多大的差距 。

 

        對目前生產和日后擴大發展中所需的各類儀表 ,應全面 、綜合地考慮行業的特殊性以及不同對象儀表在使用 、維護和生產工藝的具體要求 ,正確選取 。這是保證產品質量和儀表本體正確安全運行極其重要的工作內容 ,將對日后實際工作帶來莫大的好處 。

 

        啤酒行業生產工藝中的物料和產品的流量計量為眾企業所重視 ,特別是所使用的液體流量測量儀表 ,與一般企業又有所不同 ,有其特殊的要求 ,例如必須避免細菌的繁殖 、便于頻繁清洗和承受較高溫度條件具有腐蝕性的堿水和雙氧水等的消毒 ,具體要求如下 :

 

        ① 傳感器測量回路簡單 ,沒有阻流件和容易潴留介質的部位 ;

        ② 所有和介質接觸的部件材料符合食品衛生的要求 ,諸如符合 FDA(美國食品及醫藥管理局)、EHEDG(歐洲衛生設備設計組織)的要求等 ;

        ③ 與介質接觸部件能承受蒸汽 、堿水和雙氧水清洗時溫度潰擊和腐蝕作用 ;

        ④ 用于灌裝工藝時要具有快速響應性能和較高的測量精度 ;

        ⑤ 能適應低溫(在 2℃左右)和潮濕的工作環境 。

 

        在眾多液體流量儀表產品中 , 電磁流量計能滿足上述要求 ,并且其價格日益下降從而得到廣大啤酒行業用戶的認可 , 從而在實際應用中占有較大的比例 。本文結合筆者在日常工作中所遇到的一些實例 ,就電磁流量計在啤酒行業的選型 、運行和日常維護等應用方面的問題作一討論 。

 

1　電磁流量計原理

        電磁流量計的基本原理是法拉第電磁感應定律 ,運動的導體在磁場中切割磁力線 , 在其兩端產生感應電動勢 。如圖 1 所示 ,在一內徑為 D ,內部磁場強度為B 的非導磁性測量管內 ,液態的具有導電性被測介質以 v 的速度流動 ,則在與流動方向垂直的方向上產生與流量成比例的感應電勢 U ,該電勢的大小如下 :

        U =BvD (1)

        式中 :B 為磁感應強度 ,T;v 為流體平均流速 ,m/s ;D為測量管內徑 ,m。液體的體積流量為

         

        由式(1)和式(2)可得

                                          

        式中 :K 為儀表常數 , 由于傳感器生產的離散性 ,對同一標稱口徑的傳感器予以修正 ,K =4B/ πD。傳感器的感應電勢 U 與流量 q v 是線性的比例關系 ,它只與磁感應強度 B 和測量管內徑D 有關 , 而與其他物理參數的變化無關 , 這是電磁流量計的最大優點 。只要測出感應電勢的大小 ,就可計算出實際的流量 。

 

        圖 2 所示的是啤酒生產的主要工藝流程 , 為在生產過程中進行有效控制 ,需對中間原料 ———麥汁 ,半成品中的清酒 ,高濃度稀釋工藝中的原汁酒 、無菌碳酸水 ,最終的成品灌裝以及生產過程中產生的廢水進行計量和控制 。

        原料制備 :啤酒生產原料制備過程中 ,主要測量參數是重量和物位 ,無重要流量測量點 ,故不在此展開討論 。

 

        麥汁生產 :麥汁是啤酒生產的重要中間原料 ,對其進行計量涉及到前后工藝(車間)之間的交接結算 ,極其重要 。尤其是前后工藝車間分開核算時 ,計量結果關系到各自生產和經濟指標的完成 ,故這一測量點是十分重要和敏感的 ,準確是其首要指標 。麥汁有一定的粘度 ,但對于電磁流量計的測量不存在困難 ,需要考慮的是工藝過程中的消毒 , 用在該測量點的流量計可考慮采用 PTFE襯里(或 PFA)和不銹鋼材料電極的電磁流量計,它能夠防止稀的雙氧水 、堿水的腐蝕 ,通常口徑在50～ 100mm 之間 ,可根據流量和相配的工藝管道來確定流量計的口徑 。

 

        發酵 :發酵 、過濾后的清酒 ,將通過管路輸往下道工序 —包裝 ,同樣涉及到兩個部門的計量交接 ,對清酒準確計量也是極其重要的 ,否則將引起不必要的糾紛 。對流量計的要求與麥汁計量相似 。

 

        高濃度稀釋 :因生產工藝的不同 ,有些啤酒是通過對高濃度原汁酒進行勾兌而生產的 ,這就要求通過嚴格控制高濃度原汁酒和無菌碳酸水的配比比例 ,保證其混合后的啤酒度 。在每一條生產線 , 需要兩臺電磁流量計作配比流量的控制 , 一般測量酒的流量計選取口徑 50 ～ 100mm,測量水的流量計選 20 ～ 50mm, 視生產規模而定 ,為保證儀表具有較高的測量精度 ,應保證流體流速在 1m/s 以上 ,使流量測量在儀表的較佳工作范圍 ,同時流量計的時間常數也應該設置小一些 ,一般在 1 ～ 3s ,以提高控制的靈敏度 ,保證配比的準確度 。

 

        灌裝 :灌裝的啤酒生產的最后一步工序 ,其中灌裝要求每瓶(罐 、桶)灌裝量的準確控制(業界標準為 ±10ml)。就占市場絕大多數的玻璃瓶裝啤酒來說 ,目前國內絕大多數生產廠家均采用等液位灌裝 ,這種工藝對設備制造成本低 ,投資少 ,國內啤酒企業絕大多數采用這種方法 ,但存在誤差較大的問題 ,由于啤酒瓶生產的離散性 ,其容積差別較大 ,造成最終所灌裝的啤酒量存在有較大誤差 。根據生產實踐中所掌握的情況 ,最大可達 ±30ml ! 若為減少這種誤差 , 采用專用于灌裝生產線所設計的批量控制電磁流量計 , 可有效解決這個問題 。這類流量計具有較高的精度和快速響應的性能 ,能快速 、準確地控制每瓶啤酒的灌裝量 。通常 ,這類電磁流量計的口徑較小 , 一般在 DN2.5 ～ DN40 之間 ,體積小巧 ,具有 0.3s 的響應速度 。

 

        目前 , 市場上已有商品提供 , 如 Krohne 的 BatchFlux(見圖 3)、Heinrichs的MID-NFD 型等。這種專用于批量控制的電磁流量計 ,其最小的批處理能力為 10ml(對于 10mm 口徑的儀表),實際使用的控制精度很高(可達 ±0 .2 %)。但目前國內啤酒企業目前常用的灌裝設備極少采用這種電磁流量計 ,只有在進口的啤酒生產線上看到過隨設備進口的這類儀表 ,其主要原因首先是啤酒的灌裝量誤差還不會馬上影響到啤酒生產 ;第二就是目前所使用的設備成本低 ,已能滿足生產的需求 。但隨著用 PET替代玻璃瓶灌裝啤酒技術的擴大應用 ,這類配備批量控制電磁流量計的設備必將取代目前的等液位灌裝設備 。

        廢水處理:啤酒生產過程中有一些洗瓶和刷罐所產生的廢水,根據環保角度要求 ,必須進行有效處理后再排放 。啤酒行業這種相對小型的廢水處理系統已趨于成熟 ,中間處理過程以及排放所用的流量計可有多種選擇 ,諸如電磁流量計和明渠流量計 ,不過從用戶應用的信息反饋看 ,選用電磁流量計是比較合適的 ,盡管價格要比明渠流量計貴 ,但其運行時的可靠性要高一些 。上述各種用途的電磁流量計管道連接方式多樣 ,如用于廢水處理工藝的電磁流量計用法蘭連接 ,而其它工藝所用流量計絕大多數也是采用法蘭連接 ,但也有采用如食品 、醫藥行業所特有的的快速連接方式 ,如圖 3 所示 。這類快速連接方式結構 ,通常是用于要經常拆卸的場所 。而從國內實際使用的情況看 , 許多用戶在合理設計好工藝的安裝位置后 ,流量計一般是不會經常拆卸的 ,故沒有必要在這方面投入更多 ,法蘭連接方式占絕對的多數 ,而快速連接結構有時反而存在容易滲漏的缺點 ,如國產的扣環 ,幾次使用后即有可能發生變形而無法鎖緊 。

 

        食品行業因產品衛生要求 ,需定期用消毒介質對工藝管道(包括流量計)進行消毒 , 采用的介質有熱水(85℃以上)、蒸汽 、堿水(50 ℃以上)以及雙氧水等 。對此我們需要注意用上述具有較高溫度介質的消毒過程 ,這對帶有襯里的電磁流量計具有一定危險性 ,如果操作稍有不慎 ,容易損壞儀表 。

 

        從防腐 、耐溫和衛生角度考慮 ,電磁流量計襯里材料選用聚四氟乙烯(PTFE)為廣大食品行業用戶所接受 ,能夠勝任眾多苛刻的運行要求 。但是 ,在實際的使用中 ,由于在較高溫度介質和長時間(一般在 0.5 ～1.0h)沖洗下 , 工藝管道內的空氣發生膨脹 ,同時 PTFE襯里也有所軟化 。假如此時安裝有流量計工藝管道上兩端閥門誤關閉 ,管道溫度隨著時間而下降 ,管內空氣或液體也隨之收縮產生負壓損壞襯里 。電磁流量計襯里對負壓承受能力與介質工藝參數有關 ,且與襯里材料的特性而異 。表1 是Krohne 公司不同口徑電磁流量計襯里耐壓數據表 。因管道內所產生的負壓作用到PTFE襯里 ,襯里不能承受而使之向管中心收縮 , 輕者襯里變形 ,重者電極部位密封破壞甚至襯里開裂 ,從而造成傳感器的損壞 。在筆者的實踐中已多次遇到相似的例子 ,與用戶討論時一般并不認為工藝操作中會有負壓發生 ,但實際的故障現象證明是負壓所起作用 ,圖4 是一家啤酒企業變形 PTFE襯里的照片 ,凸起位置在兩電極中間 ,因尚未開裂 , 儀表沒有發生滲漏情況 ,用戶未發現此故障現象 ,只是發現使用時計量偏大 。因襯里向內凸起變形 ,除了引起局部的流態畸變外 ,實際流通面積變小 ,電極處流速增加 ,造成傳感器的特性變化 ,導致最終的測量結果出現偏大的誤差 。

        對于這種工藝中偶然有負壓發生的情況 , 可選用陶瓷襯里(導管)電磁流量計 ,以避免負壓所導致的襯里變形故障的發生 ,但劇烈的溫度變化對陶瓷襯里(導管)是不合適的 ,容易發生陶瓷材料的開裂(特別是電極部位)。通常流量計生產廠家對陶瓷襯里(導管)電磁流量計在實際使用中容許介質溫度的突變也是有規定的 ,如Krhone 的 IFM5080 系列陶瓷襯里電磁流量計 ,其口徑為 25 ～ 100mm 的傳感器所容許的溫度變化速度是上升段為每 10min 變化 150 ℃, 下降段為每 10min變化 100 ℃。然而在實際操作過程中 ,要按這個溫度變化率來控制工藝是不現實的 ,所以也排除陶瓷襯里(導管)電磁流量計在這類需要高溫消毒領域的應用可能性 。

 

        對于這種有負壓運行場合 ,一般情況下是在容易產生負壓的地方安裝負壓防止閥 ,用來避免發生負壓 ,但因受到衛生要求的限制而無法采用 。改進消毒工藝以及注意操作步驟的規范執行也能避免這些失誤 ,但電磁流量計良好的結構設計和襯里材料的選取可徹底避免這種情況的發生 。例如 , 選用帶不銹鋼絲襯網的氟塑料襯里(見圖 5)電磁流量計是一個很適用的方法 。其結構是一成型的不銹鋼絲襯網用焊接的方法固定在測量管的內壁上 ,再用澆注方法加工出襯里 ,成型的襯里與鋼絲襯網形成一體 ,繼而和測量管內壁緊密相粘聯 ,這樣就能承受負壓而保證襯里不被損壞 。帶絲網 PFA 襯里的電磁流量計已在先前普通 PTFE 襯里電磁流量計發生過故障的場所使用 ,如安徽華潤啤酒公司 ,目前運行狀態正常 。

        除極少場所應工藝需要安裝視鏡外 , 實際使用的工藝管道都是不透明的 ,因而無法觀察到管道內流動情況 。但在許多的場所 ,因工藝或介質本身的原因 ,所測液體常含一些氣泡 。電磁流量計屬于速度型的測量方式 ,氣泡在管道圓截面中所占據的面積百分率 ,幾乎就等同于氣泡對流量測量的影響量 。此外由于氣泡經過電極表面存在一個摩擦過程 ,由此會產生尖峰脈沖干擾電勢 ,其值遠大于正常的流量信號 。通常電磁流量轉換器無法有效地處理如此的干擾 ,輕者導致測量值不穩定 ,情況嚴重時儀表根本無法工作 。在一些缺乏經驗的用戶僅從測量的要求出發 ,對電磁流量計的安裝位置沒有考慮防止氣泡等工藝上的特點 , 容易發生一些運行方面的問題 。例如有一啤酒廠 ,用電磁流量計對麥汁進行計量 ,電磁流量計安裝在麥汁的冷卻器后 ,投用后反映出麥汁測量值偏大 ,而最終獲得的啤酒產量又偏小 ,導致生產工藝前后工段交接的計量糾紛 。

 

        經過現場的查勘 , 發現安裝測量麥汁的流量計位置前有一個氣體注入口 ,其目的是增加發酵所需的含氧量 ,此時通過流量計的流體是麥汁和氣體的混合物 ,很明顯其測量的結果是要偏大的 , 顯示的瞬時流量值極不穩定 ,上下波動極快 ,無法看清流量計顯示屏上的瞬時流量值 ,因該用戶僅對最終的累計總量感興趣 ,沒有注意到瞬時流量的異常波動 。在將氣體注入口移到電磁流量計下游后 , 計量趨于正常 ,消除了交接糾紛 ,啤酒產量和麥汁消耗量之比符合了工藝指標 。

 

        啤酒生產工藝過程中大部分時間介質處于較低溫度 ,如啤酒在灌裝時其溫度常低于室溫 , 在 2 ℃左右 ,此時工藝管道與空氣接觸的部位很容易產生冷凝水 。另外 ,由于特定的生產要求 , 許多生產車間一直處于極其潮濕的環境 。在這種比較嚴酷的條件下 ,如果流量計外殼的密封不良 ,諸如接線盒 , 以及一些非焊接氣密級密封結構的外殼 ,天長日久冷凝水容易積聚在電磁流量傳感器的接線盒中 、或透過密封不良的結合面滲入流量計殼體中 。由于電磁流量傳感器的流量信號極其微弱(通常是幾個 mV),凝露水電阻的存在 ,直接的后果是導致電磁流量轉換器輸入回路阻抗下降 ,衰減了欲輸往放大器的流量信號 ;或者是破壞勵磁回路和信號回路的絕緣 , 將高到幾十 V 的勵磁電壓引入到低電勢的信號回路中 , 造成流量計的嚴重故障 。

 

        此時正確的方法應該是選用分體式 、具有 IP67或 IP68 防護等級的電磁流量計 ,由于這種防護等級的傳感器是完全密封 ,無論環境如何惡劣 , 電磁流量計將不會再有產生冷凝水之憂慮 。若在現場已經安裝普通防護型儀表 , 為避免可能產生的后遺癥 , 則可在接線盒中灌注絕緣材料 ,如變壓器油 、中性的硅膠以及一些現場可固化的聚氨酯橡膠 , 也不失為一種比較有效的補救措施 。