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(wèn)題

上海自動(dòng)化儀表有限公司彎管流量計應用于原油等腐蝕性、高粘度、結晶性、熔融性、沉淀性介質(zhì)測量時(shí)，差壓測量導壓系統中如果采用所測介質(zhì)直接導壓，會(huì )產(chǎn)生化學(xué)反應、凝固、堵塞等問(wèn)題，導致不能實(shí)現準確、可靠的流量測量。采用隔離沖洗導壓系統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、結晶性、熔融性、沉淀性介質(zhì)測量中產(chǎn)生的上述問(wèn)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)行隔離沖洗導壓，使被測介質(zhì)與差壓變送器及導壓系統不直接接觸，從而保證導壓系統不產(chǎn)生化學(xué)反應、凝固、阻塞等問(wèn)題，同時(shí)不影響差壓的測量，實(shí)現差壓準確、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(lèi)非牛頓流體計量問(wèn)題一直是流量計計量方面的難點(diǎn)，多次試驗發(fā)現通過(guò)反沖洗可以解決堵塞導壓管問(wèn)題，解決流量計耐磨損問(wèn)題是目前研究的重點(diǎn)。尤其需要考慮發(fā)生磨損泄露時(shí)的安全性問(wèn)題，因此先從煤漿計量入手比較合適，因為不會(huì )出現磨損泄露導致燃燒的安全事故，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(gè)難點(diǎn)，目前沒(méi)有合適的流量計進(jìn)行穩定計量，只能暫時(shí)用楔形流量計，但磨損非常嚴重，外表面加耐磨涂層后用一段時(shí)間就會(huì )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，但是在國內行業(yè)的實(shí)際應用中也沒(méi)有起到顯著(zhù)的穩定計量作用。

近幾年針對彎道內流介質(zhì)的研究都是單相牛頓流體，而工業(yè)過(guò)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)設備的維護和正常運行有著(zhù)重要影響。

1 隔離吹洗技術(shù)

1.1 常規吹洗系統

隔離就是用隔離液或隔離膜片將儀表和被測介質(zhì)分開(kāi)，實(shí)現保護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(kāi)，實(shí)現保護儀表和測量的工藝方法。兩種工藝方法都是為了保護儀表而使被測介質(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)的設計規范，使其得到了廣泛的應用。

隔離吹洗系統按照作用設備的不同類(lèi)型可分為兩種：一種是針對測量?jì)x表（壓力、流量、液位等取壓管線(xiàn)）；另一種是針對設備（設備、閥門(mén)）。這一技術(shù)手段本質(zhì)上就是通過(guò)向目標管線(xiàn)中不間斷吹入隔離沖洗介質(zhì)，始終保持該管線(xiàn)的微正壓差，從而阻止工藝介質(zhì)進(jìn)入目標管線(xiàn)內，達到保持管線(xiàn)通暢和介質(zhì)隔離的目的。

目前常用的針對測量?jì)x表的隔離吹洗系統一般包含流量計、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(lèi)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。

如果系統設計中一次壓力相對穩定，二次壓力波動(dòng)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(guò)平衡室壓力的修正，實(shí)現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定，則選擇二次壓力為參照，通過(guò)平衡室壓力的隨機修正，實(shí)現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 隔離吹洗導壓彎管流量計

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

隔離吹洗工藝使導管線(xiàn)內部由靜態(tài)變?yōu)榱鲃?dòng)狀態(tài)，在差壓式測量?jì)x表系統中，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(huì )存在壓力差，即引入了測量的系統誤差，該壓力差的大小是由導壓管線(xiàn)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，將隔離吹洗應用于彎管流量計計量系統的前提條件，就是要求通過(guò)裝置可以對沖洗介質(zhì)的流量進(jìn)行監測和控制，實(shí)現控制段管線(xiàn)的微正壓差，從而保證小流量注入，減小測量管線(xiàn)內附加壓力引入的誤差。系統結構如圖 3所示。彎管流量計隔離沖洗裝置要求可連續、穩定、可定量控制地向差壓變送器導壓系統注入隔離沖洗介質(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節、可計量，流量不受工藝過(guò)程及外界環(huán)境影響，壓力高，可實(shí)現高壓沖洗，完全滿(mǎn)足彎管流量計隔離沖洗方案的要求。

1）沖洗管線(xiàn)連接

彎管流量計差壓變送器導壓系統管路要求通暢、無(wú)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)入口應靠近彎管傳感器側，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壓管內隔離沖洗介質(zhì)的流速，要求控制在一定范圍內，要保持連續、穩 定、可定量控制。沖洗速度過(guò)小起不到?jīng)_洗作用，造成所測介質(zhì)進(jìn)入導壓系統，產(chǎn)生化學(xué)反應、凝固、堵塞等問(wèn)題；沖洗速度過(guò)大會(huì )在導壓系統中產(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隔離沖洗介質(zhì)的種類(lèi)、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的導壓管流量范圍為：2.5~10 L/h。 1.3 實(shí)驗內容

1）對實(shí)驗用傳感器進(jìn)行水的實(shí)流標定，確定其流量系數。

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 正壓側柱塞泵流量為 0，負壓側柱塞泵的不同流速對差壓的影響。

③ 負壓側柱塞泵流量為 0，正壓側柱塞泵的不同流速對差壓的影響。

④ 雙側柱塞泵的不對稱(chēng)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的影響。

① 測定實(shí)驗用傳感器的流量系數。

② 觀(guān)察隔離吹洗對傳感器流量系數的影響。

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

1.4 參數選取

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

2）參數設置。

2 實(shí)驗結果

2.1 實(shí)驗數據

根據沖洗液流速分別計算流量系數，各吹洗流速下的流量系數匯總如表 1所示。

2.2 結果分析

1）被測介質(zhì)的動(dòng)力粘度升高，會(huì )使流量系數發(fā)生變化。如圖 5 所示，實(shí)驗介質(zhì)為 20 ℃的水時(shí)，動(dòng)力粘度為1.005mPa?s，傳感器流量系數為0.974 537，實(shí)驗介質(zhì)的動(dòng)力粘度升高至32 mPa?s時(shí)，傳感器流量系數為0.970 339。

2）隔離吹洗介質(zhì)在導壓管內的流速，是影響彎管流量計測量差壓值的主要因素。圖 6 是沒(méi)有流量時(shí)，開(kāi)啟單側柱塞泵，導壓管內產(chǎn)生的差壓值。顯示，管內產(chǎn)生的附加壓力值隨著(zhù)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，負壓側產(chǎn)生的壓力值大于正壓側產(chǎn)生的壓力值，對這一現象需要在進(jìn)一步的實(shí)驗中繼續觀(guān)察。

3）隔離吹洗工藝可以應用于彎管流量計。給出了不同吹洗流速下彎管流量計的流量系數散點(diǎn)圖。隔離液在導壓管內的流速低于 0.04 m/s 時(shí)，流量系數偏差小于 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(shí)，流量系數離散程度較大，標準差為0.006 3；沖洗流速為0.02 m/s時(shí)流量系數標準差為 0.002 9。因此建議在實(shí)際應用中選擇 0.02 m/s以下的沖洗流速。

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

3 結 語(yǔ)

上海自動(dòng)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節、可計量，流量不受工藝過(guò)程及外界環(huán)境影響，壓力高，可實(shí)現高壓沖洗，完全滿(mǎn)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、穩定、可定量控制地向差壓變送器導壓系統注入隔離沖洗介質(zhì)，當隔離液在導壓管內的流速低于 0.04 m/s 時(shí)，流量系數偏差小于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)際應用中選擇 0.02 m/s以下的沖洗流速。