一體化差壓流量計的優勢與實施

俞旭波，紀波峰，紀綱

(1. 中石化上海工程有限公司，上海 200120；2. 上海同欣自動化儀表有限公司，上海 200070)

差壓式流量計的應用已有100多年的歷史。最早的差壓式流量計由節流裝置和差壓計兩部分組成。由于差壓計肩負顯示流量值的任務，大多安裝在控制室，在節流裝置與差壓計之間有較長的引壓管相連，易誘發泄漏、堵塞、結晶、差壓信號傳遞失真等問題。50多年前，差壓變送器的出現，將差壓計的功能分解為獨立的變送器和獨立的指示儀，從而使變送器的安裝地點獲得自由度，大多將其安裝在離節流裝置不遠而且維修方便的地點。自從20多年前變送器實現智能化，變送器的精度更高、體積更小、可靠性更好，基本做到免維護，而且可在控制室內用手持終端等對其進行維護，因此，變送器的安裝地點獲得更大的自由度，其中將其與差壓發生器組合在一起是主要趨勢。

1 提出問題

各種流量計都有分體式和一體式之分，所謂分體式，就是變送器(或轉換器)與傳感器相分離；一體式就是變送器(或轉換器)與傳感器包括附件、工藝短管合為一體。目前差壓式流量計多采用一體化結構。

早期的差壓式流量計，差壓計與傳感器相分離，是其唯一的結構形式[1-2]，在組成差壓式流量計的兩個部分中，節流裝置安裝在工藝管道上，而差壓計安裝在操作人員易于觀察流量示值的地方，客觀上造成相互分離的局面。采用分離式的第二個原因是差壓計體積較大，一般無法將其與節流裝置放在一起。變送器與節流裝置相分離帶來以下問題：

1)增加安裝工程量。因為差壓計(或差壓變送器)放置在遠離節流裝置(新國際標準和國家標準改稱為差壓裝置)的地方，所以引伸出差壓變送器的安裝和引壓管的安裝問題以及伴熱保溫工程。

2)較長的引壓管帶來介質泄漏、凝固、結晶以及差壓信號傳遞失真等問題。

3)此類引壓管及變送器均在現場安裝。由于要保持坡度，在介質為液體時管線最高點要安裝氣體收集器和排氣閥；在介質為氣體時管線最低點要安裝沉降器和排污閥，易出問題，導致差壓信號傳遞出現失真。

流量計是一種依賴于其安裝質量的儀表，對于差壓式流量計來說更是如此。世界最著名的儀表公司所生產的一流品質的產品，安裝到使用現場后，也有一部分不能正常運行，無法獲得準確的測量結果，究其原因，有很多是因為安裝存在問題。例如蘭州某大型石化企業，有1套蒸汽流量計，每年冬季總是出現示值嚴重偏低的現象[3]。經過分析研究發現，冬季示值較其他季節偏低的原因是冬季儀表加了伴熱保溫設施。拆開引壓管保溫層檢查，發現伴熱保溫的蒸汽管敷設不對稱。伴熱用蒸汽管與正壓管之間的距離太近，引起正壓管內凝結水溫度升得很高，而節流裝置(傳感器)與差壓變送器之間的高度差又比較大，以致差壓值比正常值低了很多。又如中石化某分公司所屬熱電廠為相距1km處的化工事業部供過熱蒸汽，管道DN400mm，供方在該根管道的始端安裝了1套DN400的孔板流量計，需方在該根管道的末端安裝了1套相同直徑(相同儀表廠制造，采用相同孔板計算書)的孔板流量計，但2套流量計投入運行后，需方對產品產量和蒸汽單耗進行定額計算，結果顯示需方流量計指示是準確的。供方的流量計示值比需方低15%左右，反復檢查該套儀表的各組成部分，均查不出問題。按有關規定應對供方儀表計量結果進行財務結算，出現了5a的經濟糾紛。

后來，儀表維修工使用手持終端(操作器)，用“湊答數”的方法對供方流量計的差壓變送器的零點進行遷移，當零點遷移了6kPa(約-600mm H2O)時2套儀表示值相符，而且蒸汽流量增大和減小時，2套儀表示值都基本相符。對該套流量計所包括的各臺變送器、節流裝置(傳感器)及二次表反復校驗多次，均是準確的，功能也正常，另導壓管多次排污掃線，不出現堵塞與泄漏現象，因而確認儀表本身不存在問題。

在明確該計量點的蒸汽溫度、壓力參數，流量測量范圍，差壓上限，流體流向，差壓裝置取壓方式，冷凝罐等情況后，根據現場徑距取壓，兩取壓口之間距離為600mm，正好與差壓變送器遷移量相等這一情況，懷疑冷凝罐前正壓管內可能積滿凝結水，所以建議用戶剝開該段管的保溫層，檢查該段管的表面溫度和坡度是否符合規范要求。用戶發現該段導壓管是冷的，根部閥為DN6針形閥，而且所描述的坡度如圖1所示[4-5]。

圖1 垂直管道上安裝的徑距取壓差壓裝置示意

由圖1可以斷定，原應充滿蒸汽的A管內，卻充滿凝結水，凝結水在該段管內聚集是因為坡度不符合要求。引壓管A從根部閥起沒有按照規定的要求坡度連續爬高，反而向下傾斜，在最低點形成U形水封后再爬高，這段管的凝結水無法靠其重力順暢地返回工藝主管，所以該段引壓管是冷的。引壓管A內的凝結水，由于流體靜力學的作用，對正壓冷凝罐內的靜壓產生抽吸作用，從而使差壓產生負方向6kPa的偏移。解決該問題的方法是將A管垂直部分縮短一段(約50mm)，然后將下垂部分導壓管整形，消除U形水封，改造后如圖2所示。儀表消除了差壓信號的傳遞失真，從而做到供、需方表計示值基本相符。

圖2 整改后的導壓管走向

分析該類問題產生的原因：在做引壓管線和伴熱管的安裝時，安裝人員缺少實際經驗，而儀表的安裝要求較高，不僅要求不出現堵塞和泄漏，而且要熟悉安裝規范和處理好技術細節，才能使流量計計量準確。

2 一體化差壓流量計的優勢

在一體化差壓流量計中，制造廠是專業化的，可按規定安裝差壓變送器、三閥組和差壓裝置。在儀表制造廠由專業人員按規范化圖紙進行組裝后整體出廠，杜絕了上面兩個例子中所發生的相關問題。而流量計的現場安裝工作無需引壓管施工這一環節，安裝工作量被大幅減少。

1)一體化差壓流量計是一個新的概念，是由專業制造廠整體組裝的(包括檢測元件、變送器及附件、工藝短管等)，并可按用戶要求的系統精度標定合格的差壓流量計系統。

2)由于由制造廠整體組裝，故在施工時可大幅縮短現場施工時間。

3)一體化差壓流量計系統可包括下列部件：介質為液體時由節流裝置、變送器(含閥組)、引壓管、前后直管段組成；介質為氣體時由節流裝置、變送器(含閥組)、引壓管、溫度計、前后直管段組成；介質為蒸汽時由節流裝置、變送器(含閥組)、引壓管、平衡容器、溫度計、前后直管段組成。其中前后直管段在標定時標定單位應按規范要求。在具體供貨時的長度由用戶及制造廠商協商決定。測蒸汽與測氣體時的溫度計配置根據需要決定。

4)一體化差壓流量計的所有儀表及測量組件按液體、氣體、蒸汽的不同要求，并按HG/T 21581—2010《自控安裝圖冊》安裝好后整體發貨(變送器可根據用戶要求選用)，保證了安裝的準確性。

5)一體化差壓流量計的精度是按用戶要求對系統整體標定，標定單位可以是專業制造廠，也可以是國家認可的專業計量機構。

6)一體化的變送器可為普通的差壓變送器，也可是具有溫度、壓力補償功能的變送器或特殊補償變送器(例如密度補償)。

7)一體化差壓流量計的資料及標定報告中應特別注明“一體化”，即一體化差壓流量計。

8)一體化差壓流量計的單位按用戶要求可為質量流量，也可為體積流量。

3 一體化差壓流量計實施中的注意事項

3.1 典型安裝方式

一體化差壓流量計的典型安裝方式(液體、氣體、蒸汽)如圖3所示。

3.2 智能化變送器優點

目前的變送器普遍實現了智能化，使得儀表人員不用到現場直接在控制室或流量顯示儀表旁邊用手持終端就可對變送器進行維護。例如，在工藝管道總閥關閉后如果發現流量計不回零，或發現流量計需要改變量程，也可在控制室或儀表旁邊對變送器進行校零操作或修改變送器測量范圍[6]。

3.3 分體式差壓流量計的應用場合

變送器應用在高溫管道及難以維修的場合，用戶希望將其放在非防爆的場合，因此將變送器與節流件分離。分體式的優點：

a)液體用一體化差壓流量計的典型安裝示意

b)氣體用一體化差壓流量計的典型安裝示意

c)蒸汽用一體化差壓流量計的典型安裝示意

1)可以將差壓計的安裝地點選擇在使用方便及易于讀數的地方，例如地面、操作平臺上、走道旁等。

2)可將差壓計放置在維修、操作方便的地方，例如差壓裝置安裝在管廊上，差壓變送器安裝在地面上方1m處。

3)可將差壓計(變送器)安裝地點選在環境條件良好的地方，例如有些火電廠的鍋爐周圍管道上分布了很多差壓式流量檢測點，但鍋爐的鋼平臺上空間狹小、環境溫度高，而且振動較大，操作維修也不方便，所以有的設計中將差壓變送器、壓力變送器等集中安裝在變送器室，有的甚至在變送器室內裝上空調，消除環境溫度變化對變送器的影響。

3.4 引壓管內徑及長度的選取

在文獻[7]中對不同的被測介質使用的引壓管內徑及極限長度做了規定，見表1所列。如引壓管太長、太細，要注意下列問題：

1)介質的差壓信號在引壓管內傳遞，在黏度較高時，由于介質與管道之間的粘滯作用，導致響應遲緩，引起動態誤差。引壓管長度越長，遲滯越嚴重，所以不能太長。

2)引壓管內的介質為液體時，液體中有時會析出氣體，在開表投運時，原來充滿管道的空氣需排除，因此引壓管除了要保證規定的坡度之外，還需保證管道內徑不能太小，否則氣體不容易升騰到高點。

3)當介質為氣體時，氣體中可能會有冷凝液析出。為了保證引壓管內的冷凝液能順暢地流到引壓管低點的沉降器內，需要引壓管內徑足夠大，否則冷凝液容易附著在引壓管內，產生差壓信號傳遞失真。在介質為潮濕氣體時，尤其如此。

表1 引壓管的內徑和長度 mm

3.5 增加阻尼器消除噪聲及脈動流

一體化差壓式變送器的引壓管較短，在制造廠內一體化安裝好后，現場不必安裝。一體化將節流件與變送器等組合在一起后，但引壓管縮短后差壓信號的噪聲和脈動流會對測量結果帶來影響。以下從兩方面進行討論：

1)差壓信號的噪聲對流量測量的影響。流體流過差壓裝置，在節流件出口處形成渦流，正是由于該渦流的存在和節流件上游面壓力的升高，才會有差壓Δp的產生。由于節流件出口處渦流的存在，使得Δp總是夾帶一定的噪聲，該噪聲用快速響應的檢測元件能清楚地觀察到。早期的差壓計由于性能還不夠完善，此類噪聲對差壓值的顯示會有一些影響，例如使U形管差壓計中的液面上下跳動，引起讀數困難。現代的差壓測量中差壓是平均值，并且差壓變送器中的充液膜盒有一定的阻尼濾波作用，所以在差壓變送器的輸出信號中已經觀察不到該噪聲。

2)目前的差壓變送器中都有阻尼時間設置功能，更大幅度的噪聲可以用數字濾波的方法來處理，既準確又方便，而且可供選擇的阻尼時間常數范圍較寬廣，足以滿足使用要求，不必用增加引壓管長度的方法實現阻尼、濾波。

3)脈動流動。在設計配管時要考慮：一體化差壓流量計的檢測元件(傳感器)的上、下游要遠離脈動源裝置，如泵、攪拌器、調節閥等。必要時通過在脈動源與一體化差壓流量計的檢測元件(傳感器)之間的工藝管道上增設阻尼器的方法來解決[4，8]。

4 差壓流量計一體化的發展趨勢

50多年前，單元組合儀表出現以后，差壓計的功能由顯示單元和差壓變送器等單元擔任，其中顯示儀表以及后來的DCS安裝在控制室內，而變送器則就近安裝在距差壓裝置不遠的巡檢和維修方便的地方，使長距離敷設引壓管線弊端大幅緩解。因變送器體積較大、故障率高、維護工作量大，將其與差壓裝置組裝在一起會帶來很多不便，于是差壓裝置安裝在管架上，變送器安裝在距差壓裝置不遠的平臺上或地面上方維修方便的地方。直到20世紀末，變送器制造技術出現了質的飛躍之后，變送器的體積縮小，可靠性顯著提高，基本實現免維護，目前，將變送器與阿牛巴差壓發生器、變送器與調整孔板組裝在一起國外亦在推廣。一體化成為減少安裝工程量、節約投資、提高系統品質的有效措施，為用戶帶來實際的利益，在國內亦越來越受到重視[9]。

參考文獻：

[1]孫淮清，王建中.流量測量節流裝置設計手冊[M].2版.北京：化學工業出版社，2005.

[2]蔡武昌，孫淮清，紀綱.流量測量方法和儀表的選用[M].北京：化學工業出版社，2001.

[3]朱炳興，王森.儀表工試題集：現場儀表分冊[M].2版.北京：化學工業出版社，2002.

[4]紀綱.流量測量儀表應用技巧[M].2版.北京：化學工業出版社，2003：252-253.

[5]紀綱，紀波峰.流量測量系統遠程診斷集錦[M].北京：化學工業出版社，2012：25-26.

[6]吳勤勤.控制儀表及裝置[M].4版.北京：化學工業出版社，2012：200-217.

[7]河北省計量測試研究所，中國船舶工業總公司研究院，七一八研究所.JJG 640—1998差壓式流量計檢定規程[S].北京：中國計量出版社，1999.

[8]ISO. ISO/TR 3313：1998 Measurement of Fluid in Closed Conduits-Guidelines on the Effect of Flow Pulsations on Flow Measurement Instruments[S]. Switzerland：ISO， 1998.

[9]周人，何衍慶.流量測量和控制實用手冊[M].北京：化學工業出版社，2013：57.

[10]薛潤林，劉紅霞.快速阻尼器在集氣管壓力自動調節中的應用[J].化工自動化及儀表，2013,40(1): 108-109.