浅谈乙二醇装置流量计的选型及方案设计

林 宁

东华工程科技股份有限公司 合肥 230024

在化工生产过程中，为了有效指导工艺的操作和控制，需要检测生产过程中的各类介质(包括气体、液体、蒸汽)的流量参数，为工艺的监视和控制提供有效依据。此外，各装置或单元间的物料平衡、公用工程能耗与成本核算，也要求对进出物料、蒸汽等介质流量进行有效的计量。因此，流量检测对于化工生产至关重要。

在实际的化工生产过程中，由于不同的介质、工况、工艺操作与控制要求以及成本等因素的影响，流量检测是一件非常复杂的系统工程[4]。

流量计的分类方式有很多，根据不同的原则，也有不同的分类方法。其中根据测量原理，可分为容积式、速度式、差压式、质量式等[1，2]。

下面将根据乙二醇装置生产过程中一些常用的流量测量工况，并兼顾流量计选型的实用性和经济性进行详细的阐述。

1 乙二醇装置生产工艺简介

目前国内合成气制乙二醇的主流工艺路线是利用上游来的合成气分离出来的一氧化碳(CO)和氢气(H2)，其中一氧化碳(CO)与亚硝酸甲酯(MN)反应生成草酸二甲酯(DMO)，精馏后的草酸二甲酯(DMO)加氢(H2)反应生成乙二醇(EG)和甲醇(CH3OH)。中间工艺过程还包括了草酸二甲酯(DMO)精馏、碳酸二甲酯(DMC)精制、乙二醇(EG)精馏、甲醇精馏等单元，其中甲醇又作为原料去DMO合成单元。主要副产物包括碳酸二甲酯(DMC)、乙醇、二元醇等。

在乙二醇的生产工艺流程中，主要的流量测量参数包括CO循环气、H2循环气、O2等气体介质，DMO、DMC、乙二醇等液体介质。还包括作为原料的甲醇、硝酸、碱类，以及蒸汽、氮气、循环水等公用工程的流量测量。

其中，草酸二甲酯(DMO)的熔点约54℃，常温下会变成固态。而且遇水生成草酸，腐蚀性很强。在DMO合成反应中，除了DMO之外，还生成了碳酸二甲酯(DMC)、甲酸甲酯(MF)、二甲氧基甲烷(ML)等副产物，其物理化学特性详见表1。

表1 部分介质的物理化学特性

在乙二醇合成反应中，除了生成乙二醇外，还有乙醇、二元醇等副产物。

2 乙二醇装置中的流量测量

2.1 速度式流量计

2.1.1 涡街流量计

涡街流量计是根据卡门涡街原理，介质的流速跟漩涡频率成正比。涡街流量计的应用非常广泛，基本不受流体的压力、温度、密度和成分的影响。高温介质可选择分体式结构。涡街流量计直接安装在管道上，与导压管取压测量的方式相比，降低了泄漏风险，且无需伴热，安装维护都非常方便。

涡街流量计对介质的流速有一定的要求，介质流速太低，旋涡发生体无法产生旋涡，会导致无法测量。这时可在满足压损要求的前提下，通过缩径来提高介质的流速。一些制造商可提供内缩径的产品供选择，避免了管道需要缩径的麻烦。此外，涡街流量计还有双传感器的产品供用户选择。

涡街流量计在安装时，需要一定的前后直管段，以保证获得良好的漩涡信号。同时，需要注意远离振动和电磁干扰的场合，尤其是小口径测量更需要关注振动的干扰。在乙二醇装置中，DMO、DMC、甲醇、中低压蒸汽等介质，涡街流量计应用非常广泛。

2.1.2 靶式流量计

靶式流量计也是速度式流量计的一种，作为工业流量测量，具有适用范围广、量程比大、灵敏度高、响应速度快、维护简单等优点。

其工作原理是，当介质流动时，流动质点冲击在靶上，靶受力作用在靶杆上，使之产生微小的弯曲变形，此变形由压敏电阻应变片感知，经应变片电桥把力转换成与流速的平方成正比关系的电信号：

F=QAρV2/2g

式中，F为靶板所受的作用力；Q为阻尼系数；A为靶板面积；ρ为流体密度；V为介质在测量管中的流速；g为重力加速度。

对于小口径管道，可选择管道式安装方式；大口径管道，可选择插入式安装方式。还可选择在线插拔式靶式流量计，能够在不停产不停流的前提下实现流量计安装、拆卸、调试及维护。

在乙二醇装置上，靶式流量计主要用于解决高粘度、低流速、低雷诺数的流量测量。对于DMO、EG等高粘度介质，运用效果非常好。但与涡街流量计相比，价格较高。

2.1.3 电磁流量计

对于乙二醇装置中的硝酸、碱类等腐蚀性强的介质流量检测，如采用一般型式的流量计，会对流量计本体材质提出比较苛刻的要求，制造成本相对较高。电磁流量计可通过选择不同的电极和衬里材料，达到耐腐蚀的目的，从而实现各类导电介质的测量，而其本体材质选择碳钢即可，因此可以大幅降低制造成本。

电磁流量计常用的电极材料可选择316L、镍合金276、钽、钛等，衬里材料可选择PFA、聚四氟乙烯(PTFE)、橡胶等。针对不同介质的耐腐蚀性、耐磨性以及温度适用范围，来选择实用且经济的电极和衬里材质。

2.2 差压式流量计

2.2.1 孔板流量计

孔板流量计作为应用最广泛的一种流量计形式，被大量应用在乙二醇装置的各类介质的检测中。孔板流量计有着明显的价格优势，且流量测量较稳定。在满足GB/T 2624-2006标准适用范围内的流体介质，测量精度要求不高的场合，孔板流量计是常见的选择[3]。乙二醇装置中的中低压蒸汽、低压氧气、氮气、循环水等洁净介质，均可采用孔板测量。

2.2.2 巴类流量计

巴类流量计(又称均速管流量计)是一种基于差压式工作原理的流量测量仪表。通过一根插入管道内的测量管(传感器)，测量两侧的压差值，根据伯努利方程测量出流量值。不同厂家的测量管的结构形式略有不用。其特点是结构简单、压损小、安装和维护方便，适用于大口径或者要求压力损失小的流体测量[3]。

在DMO合成和EG合成单元，CO循环气、H2循环气等管道，随着装置规模的不断变大，相应的管道也在不断的扩大。按60万吨/年乙二醇规模，CO循环气管径达到DN1400。循环气是通过压缩机增压后返回到合成塔继续参与合成反应，选用压力损失小的产品有助于降低生产能耗。针对这种工况，巴类流量计是比较合适的选择。根据实际计算，巴类流量计的压损仅0.04 kPa，远低于其它类型的流量仪表。

巴类流量计的安装需要特别注意，对于不用的流体介质需要注意取压口的安装方向。对于计算差压值较小的场合，在温度和安装空间等条件满足的情况下，尽量选择与差压变送器一体化安装的方式，以减少测量误差。

2.2.3 平衡流量计

平衡流量计(又称多孔孔板流量计)，其测量原理与标准孔板相似。在孔板上由一个孔变成多个孔，实现流体平衡测量，减少涡流的形成，从而降低涡流带来的取压点信号波动，同时减小流体动能的损失。与传统的孔板流量计相比，具有精度高、压损小、直管段要求短等优点。

在乙二醇装置中，管道布置相对紧凑，尤其对于大管径的流量测量，传统流量计的直管段很难满足，平衡流量计很好的解决了直管段不足的问题。

2.3 质量式流量计(质量流量计)

质量流量计是根据科里奥利原理，能直接测量出介质的质量流量，不受流体的密度、黏度等物理参数及温度、压力等状态参数影响。针对本装置中的高粘度乙二醇介质、进出物料计量等工况，质量流量计应用效果良好、精度高，且安装维护方便。

2.4 靶式、涡街、质量流量计对比

针对乙二醇装置中的DMO、DMC、乙二醇等介质，靶式流量计、涡街流量计、质量流量计均有其适用性和较多的应用业绩。从价格上考虑，同样是进口品牌，靶式流量计、质量流量计的价格都相对较高，涡街流量计价格相对较低，可优先考虑选择涡街流量计。在精馏单元，部分介质流量小、流速较低，涡街流量计达不到最低流速要求，应考虑缩径以提高流量计内介质流速。而对于泵出口回流管线的流量测量，管路振动大，流量计安装位置应尽量远离振动源，并在流量计前后管路上加支撑，以减少振动对测量精度的影响。由于靶式流量计和质量流量计在针对高粘度介质流量测量时所表现出的高精度和良好稳定性的优势，因此这两种流量计在DMO、乙二醇的流量测量中应用非常广泛。

3 结语

流量测量需要针对不同介质、不同工况去确定测量仪表的选型方案，目前还没有一种流量仪表可以满足所有场合的流量测量，每种流量仪表都有其适用性和局限性。同时，不同设计人员对各类流量计的理解和使用习惯也会造成选型方案的不尽相同，因此工程设计中，不能盲目的套用，需要根据具体工况，选择适用且经济的流量仪表。