高温导波超声波流量计在催化装置油浆测量中的应用

2015-08-31杨海河

石油化工自动化 2015年4期

杨海河

（中国石化股份有限公司济南分公司，济南50101）

在石油炼制过程中要保持各装置安全稳定运行，必须准确测量液位、压力、温度、流量及其他工艺参数［1］，其中流量是测量难度最大、测量点最多的检测参数。传统的差压法是最常规、最经济的测量方式，通常由一次取压元件和二次变送仪表两个部分构成，最初的设计方案是将所产生的测量信息通过换算之后直接在二次仪表上显示、累积或者作为控制信息（计量累计）的原始信息［2］。随着信息技术的发展，DCS，PLC，SCADA等类型的控制系统在企业得到普及使用，目前大部分测量的非计量信息直接进入DCS，PLC，SCADA系统的输入模块，再按照设计程序要求的方式进行运算或控制、显示，使操作过程更加方便。

由于工业领域流量测量技术面临多种复杂的需求，工业企业对测量准确性的要求不断提高，传统的工业测量方法如孔板式流量计、楔式流量计、喷嘴流量计、文丘里流量计等已经不能完全满足工业生产领域的要求［3］。由于市场的需要，基于各种传感器技术和电气技术的新型流量仪表很好地满足了用户对精度、可测量性、维护量、经济性等方面的需求，如使用科利奥力法、电磁法、超声波法、漩涡法等各种测量原理的流量仪表在工业领域的应用日益广泛，极大地推动了流量测量技术的发展［4］。由于流量工业领域对高精度仪表和多参数仪表的需求日益增长，随着测量技术、信息技术的发展和生产成本的降低，新兴的流量仪表的应用大有后来居上的趋势。笔者结合企业催化回炼油浆流量测量遇到的技术问题进行分析，提出了一个探索性的解决方案，以供商榷。

1 催化回炼油浆流量测量疑难问题分析

1.1 测量方案分析

重油催化装置的回炼油浆流量是工艺控制极为重要的检测参数，介质为高温回炼油浆，温度约为200℃，操作压力约10kPa，油浆黏度较高并含有部分催化剂颗粒，管线管径DN150。

该装置原设计回炼油浆流量选用楔式流量计取压，使用高温双法兰差压变送器进行差压的测量、转换和变送模式。原始设计在选型时考虑楔式流量计本体不会堵塞，由于现场空间狭小，原设计中没有设置工艺副线。为了实现变送器的在线维护，安装有截止阀。

1.2 运行情况分析

楔式流量计投用后初期运行正常，但几个月之后测量即出现不稳定，测量值波动明显。停表检查发现双法兰变送器取压膜盒表面有结焦的状况，经过清洗恢复使用测量正常，但很快又出现测量波动的情况，再次拆开发现仍存在结焦。后又出现截止阀也结焦堵塞的严重问题，甚至导致仪表引压管线流通不畅，取压信号不能正常传递等问题，最终导致回炼浆油流量无法测量。

催化装置的设计运行检修周期通常为4a，因为流量计没有设计维修工艺旁路系统，不停工时不能对一次阀进行疏通处理，但非计划停工造成的损失太大，生产系统不允许停工。因此，回炼油浆流量不能正常显示，严重影响了工艺的操作和控制。

2 超声波流量计的测量原理与优势

2.1 超声波流量计的原理简介

超声波流量计主要包括“时间差法”和“多普勒法”两类测量方式，目前较多应用的是以“时间差法”为原理的流量测量仪表。“时间差法”超声波流量计的基本原理如图1所示［5－6］。传感器1，2是一对可轮流发射或接收超声脉冲的传感器。

图1 时差法工作原理示意

设超声波在被测流体中的传播速度为c，超声波顺流时从传感器1到2的传播时间为t1，逆流时从传感器2到1的传播时间为t2。声波在流体中顺流、逆流传播相同距离时存在时间差Δt＝t2－t1。

式中：v——介质流速；d——流通管道内径。

传播时间的差异与被测流体的流速有关，因而测出时间的差异就可以得出流体的流速，再乘以流通管道的横截面积，即可计算出流体的流量。

则可以得到体积流量qV：

2.2 超声波流量计的应用优势

超声波流量计的原理和结构决定了其具有以下优点：

1）时差法原理结构，直管段设计，对黏稠液体无挂壁风险，所以读数漂移较小。

2）全通径设计，无任何压损和能量损失。

3）量程比高，可适应较小和较大流速。

4）高性价比，尤其是对大管径流量测量，安装成本低。

5）结构相对简单，可维护性好。

6）在节能方面具有明显的优势。超声波流量仪表和其他原理的仪表（如常规的孔板式流量计、楔式流量计、质量流量计）相比，仪表流通通道未设置任何阻碍件，属无阻碍流量计，即测量过程中不会对被测介质造成压力损失［7］。管道内介质的流动靠能源产生压力推动，流量计造成的永久压损即为能量的损失，超声波流量计没有压损意味着测量过程没有能量损失。

3 高温回炼油浆流量测量疑难问题的解决

3.1 超声波流量计的选用

为确保生产安全操作，相关技术人员进行仔细研究，对市场上几种常用流量测量仪表从测量的工艺介质、管道的压力损失、安装及维护要求等多方面进行比较筛选，见表1所列［3，8］。

通过反复的筛选，该项目初步选定外夹式超声波流量计，理由如下：

1）外夹式超声波流量计的探头夹持安装于被测介质的管道外壁，探头和管壁之间填充耦合剂使得探头和管壁充分接触，探头测量信号信噪比好。

2）流量计没有任何部件需要伸入到管道内，其安装和拆卸无需破坏管道，不会影响正常生产，同时也消除了管道内介质泄漏的风险。

但普通的超声波流量计缺点是测量探头受到介质温度的限制，不能承受介质高温［9］，而回炼油浆的操作温度约为200℃，所以普通的外夹式超声波流量计不能使用，而且用于传感器安装的耦合剂在高温下容易挥发，易导致传感器脱离管壁导致测量不稳定。经过与国外技术专家交流，发现采用高温导波技术的超声波流量计可以很好地解决上述测量难题。

表1 几种常用流量仪表比较

3.2 高温导波超声波流量计的特点

德国弗莱克森公司（FLEXIM GmbH）有受专利保护的高温导波技术可以安全稳定测量－200～＋600℃内的介质流量。高温导波技术是使用一种特殊的高低温导波器WaveInjector®技术，导波器直接固定安装在管道外壁上，探头安装在导波器的末端。导波器能够保证将超声波探头的信号近乎无衰减地传递给管壁。其中的金属导波板由特殊材料和特别工艺制成。

该流量计的突出优势如下：

1）导波器的冷却效应使探头表面和管道表面之间产生一个温差，随着导波器与高温管道接触面距离逐渐增加，距离越远导波器表面的温度越低，从而确保导波器安装探头的末端温度不超过探头的额定工作温度。

2）固态耦合片以固体形态存在，解决了液体耦合剂容易随时间流逝而蒸发的缺陷，同时在材料选择和机械加工方面保证了声学耦合。高温导波装置保证了超声波探头与管道进行声学耦合的同时实现了降温。