流量?jī)x表在石油化工行業(yè)中的選型及應(yīng)用

李 璟

（陜西省石油化工學(xué)校，西安 710061）

隨著當(dāng)前國(guó)際市場(chǎng)一體化的推進(jìn)，石油化工行業(yè)面臨著巨大的挑戰(zhàn)，如何有效提升生產(chǎn)效率，提高產(chǎn)品質(zhì)量已經(jīng)成為亟待解決的問(wèn)題。相關(guān)研究人員經(jīng)過(guò)多方面研究發(fā)現(xiàn)，科學(xué)合理選用流量?jī)x表可以有效降低生產(chǎn)成本，提升工作效率，但是由于不同的流體及生產(chǎn)條件下所需要的流量?jī)x表不盡相同，因而必須根據(jù)生產(chǎn)實(shí)際來(lái)選擇最為合適的流量?jī)x表，從而促進(jìn)石油化工企業(yè)更好地發(fā)展。

1 流量?jī)x表主要類(lèi)型及工作原理

流量?jī)x表也被稱為流量計(jì)，其種類(lèi)豐富、規(guī)格多樣，主要用來(lái)測(cè)量管道或者明渠中的流體瞬間流量與累計(jì)流量。按照其工作原理可以分為壓差流量計(jì)、電磁流量計(jì)、轉(zhuǎn)子流量計(jì)、質(zhì)量流量計(jì)、超聲波流量計(jì)和渦輪流量計(jì)等。

1.1 壓差流量計(jì)

壓差流量計(jì)主要由檢測(cè)元件、壓差轉(zhuǎn)換器、流量顯示儀表構(gòu)成，其工作原理是利用能量守恒定律來(lái)得出流量測(cè)定結(jié)果。流體經(jīng)過(guò)節(jié)流裝置時(shí)，因節(jié)流裝置阻礙，使流速降低，流體的部分動(dòng)能轉(zhuǎn)換成為靜壓能，使流體對(duì)于管壁的壓力增加。當(dāng)流體通過(guò)以后，流速加快，部分靜壓又轉(zhuǎn)換為動(dòng)能，管壁所受壓力減小，導(dǎo)致節(jié)流裝置的前后出現(xiàn)壓力差，并通過(guò)測(cè)量流體壓力差來(lái)實(shí)現(xiàn)流量的測(cè)定。壓差流量計(jì)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，適用范圍廣（能夠適用于絕大多數(shù)的流體），檢測(cè)元件、變送器和顯示儀表能夠由不同廠家規(guī)?；a(chǎn)，成本較為低廉。但是其需要經(jīng)過(guò)節(jié)流裝置，使流體壓力損失較大，測(cè)量范圍度不廣（基本只能夠達(dá)到3:1 ～4:1），且測(cè)量精度不高，對(duì)于測(cè)量精度要求較高的行業(yè)不太合適。

1.2 電磁流量計(jì)

電磁流量計(jì)由電磁系統(tǒng)、電極、測(cè)量導(dǎo)管、轉(zhuǎn)換器等組成，其工作原理是利用電磁感應(yīng)定律來(lái)完成測(cè)量。導(dǎo)電流體在垂直于磁場(chǎng)方向的非磁性導(dǎo)管中流動(dòng)，切割磁力線產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)，最終將電動(dòng)勢(shì)換算為流量。此類(lèi)流量計(jì)測(cè)量靈敏度和精度都較高，普遍應(yīng)用于導(dǎo)電性、導(dǎo)磁性比較好的流體。由于測(cè)量管道內(nèi)沒(méi)有阻流裝置，不會(huì)引起阻塞，適合測(cè)量含有固體顆粒的流體（如紙漿、污水、泥漿等），并且其測(cè)量所得的數(shù)據(jù)不受流體粘度、密度、溫度、電導(dǎo)率和壓力變化的影響。但是由于其對(duì)導(dǎo)電性能的要求，不能用于電導(dǎo)率很低的流體，也不能夠測(cè)量氣體、蒸汽以及含有較多氣泡的流體，對(duì)于高溫、高腐蝕、強(qiáng)磁場(chǎng)的流體也不太適用。另外其造價(jià)較為高昂，信號(hào)容易受到外界磁場(chǎng)干擾，使其在工業(yè)管道流體測(cè)量應(yīng)用上受到影響。因此，當(dāng)前電磁流量計(jì)在不斷升級(jí)完善，進(jìn)一步向信息化方向發(fā)展。

1.3 轉(zhuǎn)子流量計(jì)

轉(zhuǎn)子流量計(jì)由垂直錐形管與置于其中的轉(zhuǎn)子（轉(zhuǎn)子能夠上下自由移動(dòng)）構(gòu)成，其工作原理是利用轉(zhuǎn)子對(duì)流體截流時(shí)，轉(zhuǎn)子的上下游之間存在壓力差，且流體對(duì)轉(zhuǎn)子產(chǎn)生動(dòng)壓力。這時(shí)在轉(zhuǎn)子上的作用力有3 個(gè)：流體動(dòng)壓力（向上）、流體浮力（向上）以及轉(zhuǎn)子自身重力（向下），當(dāng)三者達(dá)到平衡時(shí)，轉(zhuǎn)子就會(huì)穩(wěn)定浮于錐管內(nèi)某一點(diǎn)。由于轉(zhuǎn)子重力、流體浮力均為已知量，通過(guò)轉(zhuǎn)子所處位置就能夠計(jì)算出流體流量，也就是說(shuō)轉(zhuǎn)子的高度就是流體流量的量度。其應(yīng)用范圍廣泛，易燃易爆流體均能夠測(cè)量，而且范圍度較寬（最高可達(dá)10:1），但是其測(cè)量精度偏低，且測(cè)量結(jié)果容易受到被測(cè)介質(zhì)的壓力、密度、溫度和粘度等因素影響。

1.4 質(zhì)量流量計(jì)

質(zhì)量流量計(jì)其工作原理是利用位于旋轉(zhuǎn)體系中的質(zhì)點(diǎn)在進(jìn)行直線運(yùn)動(dòng)時(shí)，由于慣性的原因，質(zhì)點(diǎn)會(huì)沿著原來(lái)的運(yùn)動(dòng)方向前行，但是由于整個(gè)體系本身是旋轉(zhuǎn)的，導(dǎo)致該質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)方向會(huì)因旋轉(zhuǎn)作用力而發(fā)生偏離，從而產(chǎn)生科氏力。驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)利用固定頻率來(lái)振動(dòng)U 型丈量管，管子受到流體科氏力產(chǎn)生扭曲現(xiàn)象，由于科氏力為慣性力，當(dāng)流體質(zhì)量越大時(shí)，其所產(chǎn)生的科氏力也就越大，最終人們只需要測(cè)量丈量管的扭曲角就能夠計(jì)算出流體質(zhì)量流量。它能夠直接測(cè)量流體質(zhì)量流量，測(cè)量精確度很高，能夠測(cè)量的流體范圍也很廣，例如高粘度流體、含固體物的漿液、含有少量氣體的流體以及具備足夠密度的中高壓氣體等，并且其測(cè)量結(jié)果不會(huì)受到流體壓力、溫度和粘度變化的影響。但是，質(zhì)量流量計(jì)對(duì)于外界振動(dòng)產(chǎn)生的干擾較為敏感，并且安裝固定標(biāo)準(zhǔn)很高；測(cè)量管道流體時(shí)管徑不能大于150mm，否則數(shù)據(jù)會(huì)失真；另外，質(zhì)量流量計(jì)也不適用于測(cè)量低密度介質(zhì)及低壓氣體。

1.5 超聲波流量計(jì)

超聲波流量計(jì)是通過(guò)超聲波在流體中的傳播速度來(lái)完成流體流量的測(cè)量，其本質(zhì)也是由測(cè)量流速來(lái)確定流體流量大小的。超聲波流量計(jì)出現(xiàn)時(shí)間較晚，但是由于其能夠制成非直接接觸式，與超聲波水位計(jì)實(shí)行聯(lián)動(dòng)后能夠測(cè)量開(kāi)口流量，且不會(huì)對(duì)流體產(chǎn)生干擾和阻力，因此受到廣泛歡迎。超聲波流量計(jì)主要測(cè)量原理有時(shí)差法、波束偏移法、多普勒法等。①時(shí)差法是根據(jù)超聲波在流體中順流與逆流時(shí)傳播速度不一致，在相同距離傳播時(shí)會(huì)存在時(shí)間差，計(jì)算時(shí)間差就能夠得出流體流速；②波速偏移法是根據(jù)流體流動(dòng)時(shí)引發(fā)超聲波偏移，而其偏移角與流速成正比，偏移角越大，說(shuō)明流體流速越高，信號(hào)接收器所接收到的信號(hào)強(qiáng)度差值也就越大，因此只要測(cè)量出接收器信號(hào)強(qiáng)度差值就能夠確定流體流速；③多普勒法則是利用在靜止點(diǎn)檢測(cè)移動(dòng)源發(fā)射波所產(chǎn)生的多普勒頻移來(lái)測(cè)量流體流量。

總的來(lái)說(shuō)，超聲波流量計(jì)因其非直接接觸式而廣泛應(yīng)用于不易接觸與觀察的流體測(cè)量，例如強(qiáng)腐蝕性、放射性、易燃易爆、非導(dǎo)電性等流體的測(cè)量。但是不適用于測(cè)量高溫流體，且不同種類(lèi)的超聲波流量計(jì)只適用于一定范圍，比如時(shí)差法只適用于測(cè)量高速流動(dòng)的干凈液體或氣體，波束偏移法測(cè)量精度較低，多普勒法只適用測(cè)量含有固體顆粒的流體等。

1.6 渦輪流量計(jì)

渦輪流量計(jì)工作原理是將渦輪放置于管道中心處，當(dāng)流體經(jīng)過(guò)管道時(shí)，產(chǎn)生的沖擊力使渦輪旋轉(zhuǎn)。渦輪旋轉(zhuǎn)角的速度與流體的流速成正比，通過(guò)計(jì)算渦輪旋轉(zhuǎn)角速度可以得出流體流速。渦輪的轉(zhuǎn)速由傳感線圈檢測(cè)，渦輪葉片受力旋轉(zhuǎn)后使檢測(cè)線圈產(chǎn)生一個(gè)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，通過(guò)計(jì)算感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)得出流體流量。渦輪流量計(jì)的測(cè)量精度最為精確，且抗干擾能力較強(qiáng)，但是對(duì)于流體物性要求較高，適用于粘度較小的潔凈液體或潔凈氣體[1]。

2 流量?jī)x表選型注意事項(xiàng)

2.1 流量?jī)x表功能

選用流量?jī)x表要將被測(cè)物質(zhì)的物性和測(cè)量要求結(jié)合起來(lái)，然后再選擇合適的儀表。當(dāng)前，使用于石油化工行業(yè)的儀表主要有電子式和機(jī)械式兩種，在選擇儀表時(shí)，要根據(jù)實(shí)際要求來(lái)進(jìn)行選擇，防止儀表出現(xiàn)機(jī)械損壞或者電氣事故。例如，在測(cè)量前必須預(yù)先進(jìn)行被測(cè)流體流量預(yù)估，以此來(lái)選擇合適量程的儀表。否則，量程過(guò)小會(huì)出現(xiàn)儀表?yè)p壞，量程過(guò)大則測(cè)量精度不夠。

2.2 測(cè)量物體性質(zhì)

選用測(cè)量?jī)x表要勘察好被測(cè)物體的具體性質(zhì)，例如壓力、密度、溫度、粘度、導(dǎo)電性及腐蝕性等。通過(guò)仔細(xì)勘察，選擇能夠滿足測(cè)量需求且避免對(duì)儀表、物質(zhì)造成污染或損壞。舉例來(lái)說(shuō)，在測(cè)量丁二烯流量時(shí)，由于其所含物質(zhì)會(huì)與銅發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，因而在儀表選擇時(shí)，與其直接接觸的部位不能夠選用銅質(zhì)元件[2]。

2.3 儀表工作環(huán)境

選擇流量?jī)x表時(shí)，要充分考慮儀表所處工作環(huán)境，包括環(huán)境溫度、壓力、濕度、光照、電磁等方面。對(duì)于特殊測(cè)量環(huán)境，需要選擇特制流量?jī)x表或者對(duì)原儀表進(jìn)行升級(jí)改造。石油化工行業(yè)所測(cè)量氣體均具有易燃易爆的特性，在儀表選擇時(shí)需要選擇具備防爆性能的儀表，并在其外部加裝一定的防護(hù)措施，防止因儀表爆炸造成經(jīng)濟(jì)損失；對(duì)于一些長(zhǎng)期處于特殊環(huán)境的儀表，需要縮短檢測(cè)時(shí)間，發(fā)現(xiàn)問(wèn)題后及時(shí)更換或維修。

2.4 儀表安裝條件

不同儀表對(duì)于安裝要求差異很大，壓差式、渦街式需要較長(zhǎng)的上下游直管，如果直管不夠長(zhǎng)會(huì)影響測(cè)量精度，容積式、轉(zhuǎn)子式則無(wú)此類(lèi)要求。另外，還要做好儀表的防震工作，防止因振動(dòng)影響測(cè)量準(zhǔn)確性。

2.5 儀表運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性

選擇儀表時(shí)要綜合考慮運(yùn)行成本，選擇檢定周期長(zhǎng)、使用壽命長(zhǎng)以及故障率低的儀表，實(shí)現(xiàn)企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益最大化。

3 流量?jī)x表的應(yīng)用

3.1 在陸地油田的應(yīng)用

當(dāng)前國(guó)內(nèi)油田深井與超深井鉆井都存在高密加重材料浪費(fèi)的問(wèn)題，要想實(shí)現(xiàn)加重材料的高效回收利用，需要根據(jù)鉆井液的粘度、密度差異性的變化以及離心機(jī)相關(guān)參數(shù)變化，通過(guò)計(jì)算流量?jī)x表傳感器獲取的信息數(shù)據(jù)來(lái)確定離心機(jī)的處理量和工作轉(zhuǎn)速，最后利用計(jì)算機(jī)進(jìn)行精確控制，最終達(dá)到回收利用的目的。在此過(guò)程中，流量?jī)x表的選型極為關(guān)鍵，應(yīng)從流量?jī)x表的工作原理及特性來(lái)進(jìn)行選擇：一是由于質(zhì)量流量計(jì)抗腐蝕性較差予以排除；二是從即時(shí)控制和測(cè)量精度要求考慮，排除轉(zhuǎn)子流量計(jì)、壓差流量計(jì)、超聲波流量計(jì)與渦街流量計(jì)；三是從粘度要求考慮，排除渦輪流量計(jì)。最終，選用具備能夠測(cè)量導(dǎo)電性、腐蝕性流體的電磁流量計(jì)，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)安裝測(cè)試后，發(fā)現(xiàn)其能夠滿足設(shè)計(jì)需求。

3.2 在海洋鉆井平臺(tái)上的應(yīng)用

海洋鉆井平臺(tái)根據(jù)其用途可以劃分為工藝生產(chǎn)系統(tǒng)、公用系統(tǒng)和輔助工藝系統(tǒng)三大板塊，每個(gè)板塊因其實(shí)際工作需求不同需要選擇相對(duì)應(yīng)的流量?jī)x表。本實(shí)例中的流體媒介為凝析油，粘度為0.89cp，溫度范圍位于42℃～65℃，實(shí)際工作壓力在6690KPa ～7411KPa 之間，常規(guī)流量為0.521m3/h。根據(jù)以上參數(shù)來(lái)進(jìn)行選擇流量?jī)x表：一是可以排除電磁流量計(jì)，因?yàn)槭蜎](méi)有導(dǎo)電性；二是從管道介質(zhì)為凝析油來(lái)考慮，由于凝析油直接流入終端設(shè)備，因而排除渦輪式流量計(jì)、超聲波式流量計(jì)和質(zhì)量式流量計(jì)；三是由于海洋鉆井平臺(tái)空間限制，排除壓差式流量計(jì)；四是從成本考慮，排除容積式流量計(jì)。最后，選用轉(zhuǎn)子式流量計(jì)，滿足低流速、小管徑的要求[3]。

4 小結(jié)

綜上所述，流量?jī)x表的選型工作專(zhuān)業(yè)性較強(qiáng)，需要具備扎實(shí)的專(zhuān)業(yè)知識(shí)和豐富的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。因此，石油化工企業(yè)要充分認(rèn)識(shí)到流量?jī)x表選型的重要意義，認(rèn)真分析流量?jī)x表特征與使用范疇，根據(jù)實(shí)際工作情況做好流量?jī)x表的選型工作，確保其測(cè)量準(zhǔn)確性與可靠性符合設(shè)計(jì)要求，為石油化工企業(yè)發(fā)展奠定堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。