彎管流量計利用隔離沖洗測量方案解決部分介質(zhì)測量局限問題

上海自動化儀表有限公司彎管流量計應(yīng)用于原油等腐蝕性、高粘度、結(jié)晶性、熔融性、沉淀性介質(zhì)測量時，差壓測量導(dǎo)壓系統(tǒng)中如果采用所測介質(zhì)直接導(dǎo)壓，會產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)、凝固、堵塞等問題，導(dǎo)致不能實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確、可靠的流量測量。采用隔離沖洗導(dǎo)壓系統(tǒng)的方案可以很好地解決彎管流量計在原油等腐蝕性、高粘度、結(jié)晶性、熔融性、沉淀性介質(zhì)測量中產(chǎn)生的上述問題。彎管流量計隔離沖洗測量方案利用其他介質(zhì)對差壓測量進(jìn)行隔離沖洗導(dǎo)壓，使被測介質(zhì)與差壓變送器及導(dǎo)壓系統(tǒng)不直接接觸，從而保證導(dǎo)壓系統(tǒng)不產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)、凝固、阻塞等問題，同時不影響差壓的測量，實(shí)現(xiàn)差壓準(zhǔn)確、可靠的測量，從而保證彎管流量計的測量精度。

0 引 言

泥漿類非牛頓流體計量問題一直是流量計計量方面的難點(diǎn)，多次試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)通過反沖洗可以解決堵塞導(dǎo)壓管問題，解決流量計耐磨損問題是目前研究的重點(diǎn)。尤其需要考慮發(fā)生磨損泄露時的安全性問題，因此先從煤漿計量入手比較合適，因?yàn)椴粫霈F(xiàn)磨損泄露導(dǎo)致燃燒的安全事故，如果煉油管道磨漏將發(fā)生噴火甚至爆炸。煤化工領(lǐng)域煤漿計量是一個難點(diǎn)，目前沒有合適的流量計進(jìn)行穩(wěn)定計量，只能暫時用楔形流量計，但磨損非常嚴(yán)重，外表面加耐磨涂層后用一段時間就會磨壞，只能再換傳感器。另外，石油煉化行業(yè)需要加入大量固體高硬度催化劑顆粒，目前只能用美國進(jìn)口外卡式耐高溫超聲波流量計，但是在國內(nèi)行業(yè)的實(shí)際應(yīng)用中也沒有起到顯著的穩(wěn)定計量作用。

近幾年針對彎道內(nèi)流介質(zhì)的研究都是單相牛頓流體，而工業(yè)過程中的介質(zhì)多為多相流體或聚合物溶液，如泥漿、礦漿、石油、涂料等，而且這些多相流體介質(zhì)對工業(yè)設(shè)備的維護(hù)和正常運(yùn)行有著重要影響。

1 隔離吹洗技術(shù)

1.1 常規(guī)吹洗系統(tǒng)

隔離就是用隔離液或隔離膜片將儀表和被測介質(zhì)分開，實(shí)現(xiàn)保護(hù)儀表和測量的工藝方法。吹洗就是吹氣或沖液將儀表和被測介質(zhì)分開，實(shí)現(xiàn)保護(hù)儀表和測量的工藝方法。兩種工藝方法都是為了保護(hù)儀表而使被測介質(zhì)和儀器相互分離[2]。隔離吹洗是一種相對成熟的測量解決方案，在很多工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域，例如石油化工、煤化工等行業(yè)，都制定了相關(guān)的設(shè)計規(guī)范，使其得到了廣泛的應(yīng)用。

隔離吹洗系統(tǒng)按照作用設(shè)備的不同類型可分為兩種：一種是針對測量儀表（壓力、流量、液位等取壓管線）；另一種是針對設(shè)備（設(shè)備、閥門）。這一技術(shù)手段本質(zhì)上就是通過向目標(biāo)管線中不間斷吹入隔離沖洗介質(zhì)，始終保持該管線的微正壓差，從而阻止工藝介質(zhì)進(jìn)入目標(biāo)管線內(nèi)，達(dá)到保持管線通暢和介質(zhì)隔離的目的。

目前常用的針對測量儀表的隔離吹洗系統(tǒng)一般包含流量計、減壓閥、恒流量閥及配套管閥件等。按恒流量閥壓力變化控制類型的不同可分為兩種：一次（入口）壓力變化控制型；二次（出口）壓力變化控制型。

如果系統(tǒng)設(shè)計中一次壓力相對穩(wěn)定，二次壓力波動較為頻繁，為保證正常的流量和一定差壓值，可選擇二次壓力（出口）變化型，即以一次壓力（入口）為參照，通過平衡室壓力的修正，實(shí)現(xiàn)一次壓力與平衡室間的衡差壓，從而控制平衡室與出口流量的恒定反之，如果二次壓力相對穩(wěn)定，則選擇二次壓力為參照，通過平衡室壓力的隨機(jī)修正，實(shí)現(xiàn)二次壓力與平衡室間的衡差壓，從而控制平衡室與入口間流量的恒定[3]。

1.2 隔離吹洗導(dǎo)壓彎管流量計

帶恒流閥的吹洗裝置中，“恒流”受到兩側(cè)壓差及恒流閥參數(shù)等因素的限制，超出恒流閥的設(shè)計指標(biāo)，系統(tǒng)就會失效。而一般的恒流閥吹洗裝置很難滿足彎管流量計計量系統(tǒng)要求的小流量沖洗要求。

隔離吹洗工藝使導(dǎo)管線內(nèi)部由靜態(tài)變?yōu)榱鲃訝顟B(tài)，在差壓式測量儀表系統(tǒng)中，差壓變送器測量元件出口的壓力與工藝管道實(shí)際被測點(diǎn)壓力會存在壓力差，即引入了測量的系統(tǒng)誤差，該壓力差的大小是由導(dǎo)壓管線對沖洗液的阻力決定的。彎管流量計屬于微差壓流量計，本身不產(chǎn)生額外的附加壓力損失，工作差壓與同規(guī)格孔板等截流式流量相比，僅有十幾分之一甚至幾十分之一。因此，將隔離吹洗應(yīng)用于彎管流量計計量系統(tǒng)的前提條件，就是要求通過裝置可以對沖洗介質(zhì)的流量進(jìn)行監(jiān)測和控制，實(shí)現(xiàn)控制段管線的微正壓差，從而保證小流量注入，減小測量管線內(nèi)附加壓力引入的誤差。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖 3所示。彎管流量計隔離沖洗裝置要求可連續(xù)、穩(wěn)定、可定量控制地向差壓變送器導(dǎo)壓系統(tǒng)注入隔離沖洗介質(zhì)，選用柱塞計量泵作為彎管流量計隔離沖洗裝置，柱塞計量泵流量可調(diào)節(jié)、可計量，流量不受工藝過程及外界環(huán)境影響，壓力高，可實(shí)現(xiàn)高壓沖洗，完全滿足彎管流量計隔離沖洗方案的要求。

1）沖洗管線連接

彎管流量計差壓變送器導(dǎo)壓系統(tǒng)管路要求通暢、無縮徑阻塞，保證隔離沖洗介質(zhì)的流通能力。隔離沖洗介質(zhì)入口應(yīng)靠近彎管傳感器側(cè)，隔離沖洗裝置就近安裝。

2）沖洗速度

隔離沖洗速度是指彎管流量計導(dǎo)壓管內(nèi)隔離沖洗介質(zhì)的流速，要求控制在一定范圍內(nèi)，要保持連續(xù)、穩(wěn) 定、可定量控制。沖洗速度過小起不到?jīng)_洗作用，造成所測介質(zhì)進(jìn)入導(dǎo)壓系統(tǒng)，產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)、凝固、堵塞等問題；沖洗速度過大會在導(dǎo)壓系統(tǒng)中產(chǎn)生附加的差壓，對差壓測量產(chǎn)生影響，從而影響流量的測量[4]。彎管流量計隔離沖洗速度根據(jù)隔離沖洗介質(zhì)的種類、被測介質(zhì)的特性，以及測量要求選取，隔離沖洗液體介質(zhì)一般流速范圍可選為：0.01~0.04 m/s，對于 DN14X2的導(dǎo)壓管流量范圍為：2.5~10 L/h。 1.3 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

1）對實(shí)驗(yàn)用傳感器進(jìn)行水的實(shí)流標(biāo)定，確定其流量系數(shù)。

2）使用柱塞泵作為隔離吹洗源，對柱塞計量泵的流量計量刻度進(jìn)行標(biāo)定，確定計量泵的計量精度。

3）在零流量的情況下，測定隔離吹洗對差壓的影響。

① 雙側(cè)柱塞泵流量一致的情況下，隔離吹洗對差壓的影響。

② 正壓側(cè)柱塞泵流量為 0，負(fù)壓側(cè)柱塞泵的不同流速對差壓的影響。

③ 負(fù)壓側(cè)柱塞泵流量為 0，正壓側(cè)柱塞泵的不同流速對差壓的影響。

④ 雙側(cè)柱塞泵的不對稱流量對差壓的影響。

4）在粘性介質(zhì)環(huán)境中，隔離吹洗對流量系數(shù)的影響。

① 測定實(shí)驗(yàn)用傳感器的流量系數(shù)。

② 觀察隔離吹洗對傳感器流量系數(shù)的影響。

③ 在粘性介質(zhì)中加入顆粒狀雜質(zhì)，觀察隔離吹洗對傳感器流量系數(shù)的影響。

1.4 參數(shù)選取

1）傳感器流量系數(shù)測定選取了 1.0 m/s，1.5 m/s， 2.0 m/s，2.5 m/s 四個流速點(diǎn)進(jìn)行測量，使用 1 臺差壓變送器，量程設(shè)置為 10 kPa。

2）參數(shù)設(shè)置。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.1 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

根據(jù)沖洗液流速分別計算流量系數(shù)，各吹洗流速下的流量系數(shù)匯總?cè)绫?1所示。

2.2 結(jié)果分析

1）被測介質(zhì)的動力粘度升高，會使流量系數(shù)發(fā)生變化。如圖 5 所示，實(shí)驗(yàn)介質(zhì)為 20 ℃的水時，動力粘度為1.005mPa?s，傳感器流量系數(shù)為0.974 537，實(shí)驗(yàn)介質(zhì)的動力粘度升高至32 mPa?s時，傳感器流量系數(shù)為0.970 339。

2）隔離吹洗介質(zhì)在導(dǎo)壓管內(nèi)的流速，是影響彎管流量計測量差壓值的主要因素。圖 6 是沒有流量時，開啟單側(cè)柱塞泵，導(dǎo)壓管內(nèi)產(chǎn)生的差壓值。顯示，管內(nèi)產(chǎn)生的附加壓力值隨著沖洗液流速升高而增加。需要注意的是，在同樣的吹洗條件下，負(fù)壓側(cè)產(chǎn)生的壓力值大于正壓側(cè)產(chǎn)生的壓力值，對這一現(xiàn)象需要在進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)中繼續(xù)觀察。

3）隔離吹洗工藝可以應(yīng)用于彎管流量計。給出了不同吹洗流速下彎管流量計的流量系數(shù)散點(diǎn)圖。隔離液在導(dǎo)壓管內(nèi)的流速低于 0.04 m/s 時，流量系數(shù)偏差小于 0.5%，且均為正向偏差，基本不影響彎管流量計的計量；但沖洗流速為 0.04m/s時，流量系數(shù)離散程度較大，標(biāo)準(zhǔn)差為0.006 3；沖洗流速為0.02 m/s時流量系數(shù)標(biāo)準(zhǔn)差為 0.002 9。因此建議在實(shí)際應(yīng)用中選擇 0.02 m/s以下的沖洗流速。

4）加入顆粒狀雜質(zhì)對測量無明顯影響。給出了加入顆粒狀雜質(zhì)后流量系數(shù)的散點(diǎn)圖，可以看到，加入雜質(zhì)后流量系數(shù)沒有發(fā)生明顯改變。

3 結(jié) 語

上海自動化儀表有限公司選用柱塞計量泵作為彎管流量計隔離沖洗裝置，柱塞計量泵流量可調(diào)節(jié)、可計量，流量不受工藝過程及外界環(huán)境影響，壓力高，可實(shí)現(xiàn)高壓沖洗，完全滿足彎管流量計隔離沖洗方案的要求。彎管流量計隔離沖洗裝置要求可連續(xù)、穩(wěn)定、可定量控制地向差壓變送器導(dǎo)壓系統(tǒng)注入隔離沖洗介質(zhì)，當(dāng)隔離液在導(dǎo)壓管內(nèi)的流速低于 0.04 m/s 時，流量系數(shù)偏差小于0.5%，且均為正向偏差，基本不影響彎管流量計的計量，因此建議在實(shí)際應(yīng)用中選擇 0.02 m/s以下的沖洗流速。