流量仪表在石油化工行业中的选型及应用

2020-02-17李璟

仪器仪表用户 2020年9期

李璟

（陕西省石油化工学校，西安 710061）

随着当前国际市场一体化的推进，石油化工行业面临着巨大的挑战，如何有效提升生产效率，提高产品质量已经成为亟待解决的问题。相关研究人员经过多方面研究发现，科学合理选用流量仪表可以有效降低生产成本，提升工作效率，但是由于不同的流体及生产条件下所需要的流量仪表不尽相同，因而必须根据生产实际来选择最为合适的流量仪表，从而促进石油化工企业更好地发展。

1 流量仪表主要类型及工作原理

流量仪表也被称为流量计，其种类丰富、规格多样，主要用来测量管道或者明渠中的流体瞬间流量与累计流量。按照其工作原理可以分为压差流量计、电磁流量计、转子流量计、质量流量计、超声波流量计和涡轮流量计等。

1.1 压差流量计

压差流量计主要由检测元件、压差转换器、流量显示仪表构成，其工作原理是利用能量守恒定律来得出流量测定结果。流体经过节流装置时，因节流装置阻碍，使流速降低，流体的部分动能转换成为静压能，使流体对于管壁的压力增加。当流体通过以后，流速加快，部分静压又转换为动能，管壁所受压力减小，导致节流装置的前后出现压力差，并通过测量流体压力差来实现流量的测定。压差流量计结构简单，适用范围广（能够适用于绝大多数的流体），检测元件、变送器和显示仪表能够由不同厂家规模化生产，成本较为低廉。但是其需要经过节流装置，使流体压力损失较大，测量范围度不广（基本只能够达到3:1 ～4:1），且测量精度不高，对于测量精度要求较高的行业不太合适。

1.2 电磁流量计

电磁流量计由电磁系统、电极、测量导管、转换器等组成，其工作原理是利用电磁感应定律来完成测量。导电流体在垂直于磁场方向的非磁性导管中流动，切割磁力线产生电动势，最终将电动势换算为流量。此类流量计测量灵敏度和精度都较高，普遍应用于导电性、导磁性比较好的流体。由于测量管道内没有阻流装置，不会引起阻塞，适合测量含有固体颗粒的流体（如纸浆、污水、泥浆等），并且其测量所得的数据不受流体粘度、密度、温度、电导率和压力变化的影响。但是由于其对导电性能的要求，不能用于电导率很低的流体，也不能够测量气体、蒸汽以及含有较多气泡的流体，对于高温、高腐蚀、强磁场的流体也不太适用。另外其造价较为高昂，信号容易受到外界磁场干扰，使其在工业管道流体测量应用上受到影响。因此，当前电磁流量计在不断升级完善，进一步向信息化方向发展。

1.3 转子流量计

转子流量计由垂直锥形管与置于其中的转子（转子能够上下自由移动）构成，其工作原理是利用转子对流体截流时，转子的上下游之间存在压力差，且流体对转子产生动压力。这时在转子上的作用力有3 个：流体动压力（向上）、流体浮力（向上）以及转子自身重力（向下），当三者达到平衡时，转子就会稳定浮于锥管内某一点。由于转子重力、流体浮力均为已知量，通过转子所处位置就能够计算出流体流量，也就是说转子的高度就是流体流量的量度。其应用范围广泛，易燃易爆流体均能够测量，而且范围度较宽（最高可达10:1），但是其测量精度偏低，且测量结果容易受到被测介质的压力、密度、温度和粘度等因素影响。

1.4 质量流量计

质量流量计其工作原理是利用位于旋转体系中的质点在进行直线运动时，由于惯性的原因，质点会沿着原来的运动方向前行，但是由于整个体系本身是旋转的，导致该质点运动方向会因旋转作用力而发生偏离，从而产生科氏力。驱动系统利用固定频率来振动U 型丈量管，管子受到流体科氏力产生扭曲现象，由于科氏力为惯性力，当流体质量越大时，其所产生的科氏力也就越大，最终人们只需要测量丈量管的扭曲角就能够计算出流体质量流量。它能够直接测量流体质量流量，测量精确度很高，能够测量的流体范围也很广，例如高粘度流体、含固体物的浆液、含有少量气体的流体以及具备足够密度的中高压气体等，并且其测量结果不会受到流体压力、温度和粘度变化的影响。但是，质量流量计对于外界振动产生的干扰较为敏感，并且安装固定标准很高；测量管道流体时管径不能大于150mm，否则数据会失真；另外，质量流量计也不适用于测量低密度介质及低压气体。

1.5 超声波流量计

超声波流量计是通过超声波在流体中的传播速度来完成流体流量的测量，其本质也是由测量流速来确定流体流量大小的。超声波流量计出现时间较晚，但是由于其能够制成非直接接触式，与超声波水位计实行联动后能够测量开口流量，且不会对流体产生干扰和阻力，因此受到广泛欢迎。超声波流量计主要测量原理有时差法、波束偏移法、多普勒法等。①时差法是根据超声波在流体中顺流与逆流时传播速度不一致，在相同距离传播时会存在时间差，计算时间差就能够得出流体流速；②波速偏移法是根据流体流动时引发超声波偏移，而其偏移角与流速成正比，偏移角越大，说明流体流速越高，信号接收器所接收到的信号强度差值也就越大，因此只要测量出接收器信号强度差值就能够确定流体流速；③多普勒法则是利用在静止点检测移动源发射波所产生的多普勒频移来测量流体流量。

总的来说，超声波流量计因其非直接接触式而广泛应用于不易接触与观察的流体测量，例如强腐蚀性、放射性、易燃易爆、非导电性等流体的测量。但是不适用于测量高温流体，且不同种类的超声波流量计只适用于一定范围，比如时差法只适用于测量高速流动的干净液体或气体，波束偏移法测量精度较低，多普勒法只适用测量含有固体颗粒的流体等。

1.6 涡轮流量计

涡轮流量计工作原理是将涡轮放置于管道中心处，当流体经过管道时，产生的冲击力使涡轮旋转。涡轮旋转角的速度与流体的流速成正比，通过计算涡轮旋转角速度可以得出流体流速。涡轮的转速由传感线圈检测，涡轮叶片受力旋转后使检测线圈产生一个感应电动势，通过计算感应电动势得出流体流量。涡轮流量计的测量精度最为精确，且抗干扰能力较强，但是对于流体物性要求较高，适用于粘度较小的洁净液体或洁净气体[1]。

2 流量仪表选型注意事项

2.1 流量仪表功能

选用流量仪表要将被测物质的物性和测量要求结合起来，然后再选择合适的仪表。当前，使用于石油化工行业的仪表主要有电子式和机械式两种，在选择仪表时，要根据实际要求来进行选择，防止仪表出现机械损坏或者电气事故。例如，在测量前必须预先进行被测流体流量预估，以此来选择合适量程的仪表。否则，量程过小会出现仪表损坏，量程过大则测量精度不够。

2.2 测量物体性质

选用测量仪表要勘察好被测物体的具体性质，例如压力、密度、温度、粘度、导电性及腐蚀性等。通过仔细勘察，选择能够满足测量需求且避免对仪表、物质造成污染或损坏。举例来说，在测量丁二烯流量时，由于其所含物质会与铜发生化学反应，因而在仪表选择时，与其直接接触的部位不能够选用铜质元件[2]。

2.3 仪表工作环境

选择流量仪表时，要充分考虑仪表所处工作环境，包括环境温度、压力、湿度、光照、电磁等方面。对于特殊测量环境，需要选择特制流量仪表或者对原仪表进行升级改造。石油化工行业所测量气体均具有易燃易爆的特性，在仪表选择时需要选择具备防爆性能的仪表，并在其外部加装一定的防护措施，防止因仪表爆炸造成经济损失；对于一些长期处于特殊环境的仪表，需要缩短检测时间，发现问题后及时更换或维修。

2.4 仪表安装条件

不同仪表对于安装要求差异很大，压差式、涡街式需要较长的上下游直管，如果直管不够长会影响测量精度，容积式、转子式则无此类要求。另外，还要做好仪表的防震工作，防止因振动影响测量准确性。

2.5 仪表运行经济性

选择仪表时要综合考虑运行成本，选择检定周期长、使用寿命长以及故障率低的仪表，实现企业经济效益最大化。

3 流量仪表的应用

3.1 在陆地油田的应用

当前国内油田深井与超深井钻井都存在高密加重材料浪费的问题，要想实现加重材料的高效回收利用，需要根据钻井液的粘度、密度差异性的变化以及离心机相关参数变化，通过计算流量仪表传感器获取的信息数据来确定离心机的处理量和工作转速，最后利用计算机进行精确控制，最终达到回收利用的目的。在此过程中，流量仪表的选型极为关键，应从流量仪表的工作原理及特性来进行选择：一是由于质量流量计抗腐蚀性较差予以排除；二是从即时控制和测量精度要求考虑，排除转子流量计、压差流量计、超声波流量计与涡街流量计；三是从粘度要求考虑，排除涡轮流量计。最终，选用具备能够测量导电性、腐蚀性流体的电磁流量计，通过现场安装测试后，发现其能够满足设计需求。

3.2 在海洋钻井平台上的应用

海洋钻井平台根据其用途可以划分为工艺生产系统、公用系统和辅助工艺系统三大板块，每个板块因其实际工作需求不同需要选择相对应的流量仪表。本实例中的流体媒介为凝析油，粘度为0.89cp，温度范围位于42℃～65℃，实际工作压力在6690KPa ～7411KPa 之间，常规流量为0.521m3/h。根据以上参数来进行选择流量仪表：一是可以排除电磁流量计，因为石油没有导电性；二是从管道介质为凝析油来考虑，由于凝析油直接流入终端设备，因而排除涡轮式流量计、超声波式流量计和质量式流量计；三是由于海洋钻井平台空间限制，排除压差式流量计；四是从成本考虑，排除容积式流量计。最后，选用转子式流量计，满足低流速、小管径的要求[3]。