高溫導波超聲波流量計在催化裝置油漿測量中的應用

楊海河

（中國石化股份有限公司濟南分公司，濟南50101）

在石油煉制過程中要保持各裝置安全穩定運行，必須準確測量液位、壓力、溫度、流量及其他工藝參數［1］，其中流量是測量難度最大、測量點最多的檢測參數。傳統的差壓法是最常規、最經濟的測量方式，通常由一次取壓元件和二次變送儀表兩個部分構成，最初的設計方案是將所產生的測量信息通過換算之后直接在二次儀表上顯示、累積或者作為控制信息（計量累計）的原始信息［2］。隨著信息技術的發展，DCS，PLC，SCADA等類型的控制系統在企業得到普及使用，目前大部分測量的非計量信息直接進入DCS，PLC，SCADA系統的輸入模塊，再按照設計程序要求的方式進行運算或控制、顯示，使操作過程更加方便。

由于工業領域流量測量技術面臨多種復雜的需求，工業企業對測量準確性的要求不斷提高，傳統的工業測量方法如孔板式流量計、楔式流量計、噴嘴流量計、文丘里流量計等已經不能完全滿足工業生產領域的要求［3］。由于市場的需要，基于各種傳感器技術和電氣技術的新型流量儀表很好地滿足了用戶對精度、可測量性、維護量、經濟性等方面的需求，如使用科利奧力法、電磁法、超聲波法、漩渦法等各種測量原理的流量儀表在工業領域的應用日益廣泛，極大地推動了流量測量技術的發展［4］。由于流量工業領域對高精度儀表和多參數儀表的需求日益增長，隨著測量技術、信息技術的發展和生產成本的降低，新興的流量儀表的應用大有后來居上的趨勢。筆者結合企業催化回煉油漿流量測量遇到的技術問題進行分析，提出了一個探索性的解決方案，以供商榷。

1 催化回煉油漿流量測量疑難問題分析

1.1 測量方案分析

重油催化裝置的回煉油漿流量是工藝控制極為重要的檢測參數，介質為高溫回煉油漿，溫度約為200℃，操作壓力約10kPa，油漿黏度較高并含有部分催化劑顆粒，管線管徑DN150。

該裝置原設計回煉油漿流量選用楔式流量計取壓，使用高溫雙法蘭差壓變送器進行差壓的測量、轉換和變送模式。原始設計在選型時考慮楔式流量計本體不會堵塞，由于現場空間狹小，原設計中沒有設置工藝副線。為了實現變送器的在線維護，安裝有截止閥。

1.2 運行情況分析

楔式流量計投用后初期運行正常，但幾個月之后測量即出現不穩定，測量值波動明顯。停表檢查發現雙法蘭變送器取壓膜盒表面有結焦的狀況，經過清洗恢復使用測量正常，但很快又出現測量波動的情況，再次拆開發現仍存在結焦。后又出現截止閥也結焦堵塞的嚴重問題，甚至導致儀表引壓管線流通不暢，取壓信號不能正常傳遞等問題，最終導致回煉漿油流量無法測量。

催化裝置的設計運行檢修周期通常為4a，因為流量計沒有設計維修工藝旁路系統，不停工時不能對一次閥進行疏通處理，但非計劃停工造成的損失太大，生產系統不允許停工。因此，回煉油漿流量不能正常顯示，嚴重影響了工藝的操作和控制。

2 超聲波流量計的測量原理與優勢

2.1 超聲波流量計的原理簡介

超聲波流量計主要包括“時間差法”和“多普勒法”兩類測量方式，目前較多應用的是以“時間差法”為原理的流量測量儀表。“時間差法”超聲波流量計的基本原理如圖1所示［5－6］。傳感器1，2是一對可輪流發射或接收超聲脈沖的傳感器。

圖1 時差法工作原理示意

設超聲波在被測流體中的傳播速度為c，超聲波順流時從傳感器1到2的傳播時間為t1，逆流時從傳感器2到1的傳播時間為t2。聲波在流體中順流、逆流傳播相同距離時存在時間差Δt＝t2－t1。

式中：v——介質流速；d——流通管道內徑。

傳播時間的差異與被測流體的流速有關，因而測出時間的差異就可以得出流體的流速，再乘以流通管道的橫截面積，即可計算出流體的流量。

則可以得到體積流量qV：

2.2 超聲波流量計的應用優勢

超聲波流量計的原理和結構決定了其具有以下優點：

1）時差法原理結構，直管段設計，對黏稠液體無掛壁風險，所以讀數漂移較小。

2）全通徑設計，無任何壓損和能量損失。

3）量程比高，可適應較小和較大流速。

4）高性價比，尤其是對大管徑流量測量，安裝成本低。

5）結構相對簡單，可維護性好。

6）在節能方面具有明顯的優勢。超聲波流量儀表和其他原理的儀表（如常規的孔板式流量計、楔式流量計、質量流量計）相比，儀表流通通道未設置任何阻礙件，屬無阻礙流量計，即測量過程中不會對被測介質造成壓力損失［7］。管道內介質的流動靠能源產生壓力推動，流量計造成的永久壓損即為能量的損失，超聲波流量計沒有壓損意味著測量過程沒有能量損失。

3 高溫回煉油漿流量測量疑難問題的解決

3.1 超聲波流量計的選用

為確保生產安全操作，相關技術人員進行仔細研究，對市場上幾種常用流量測量儀表從測量的工藝介質、管道的壓力損失、安裝及維護要求等多方面進行比較篩選，見表1所列［3，8］。

通過反復的篩選，該項目初步選定外夾式超聲波流量計，理由如下：

1）外夾式超聲波流量計的探頭夾持安裝于被測介質的管道外壁，探頭和管壁之間填充耦合劑使得探頭和管壁充分接觸，探頭測量信號信噪比好。

2）流量計沒有任何部件需要伸入到管道內，其安裝和拆卸無需破壞管道，不會影響正常生產，同時也消除了管道內介質泄漏的風險。

但普通的超聲波流量計缺點是測量探頭受到介質溫度的限制，不能承受介質高溫［9］，而回煉油漿的操作溫度約為200℃，所以普通的外夾式超聲波流量計不能使用，而且用于傳感器安裝的耦合劑在高溫下容易揮發，易導致傳感器脫離管壁導致測量不穩定。經過與國外技術專家交流，發現采用高溫導波技術的 超聲波流量計可以很好地解決上述測量難題。

表1 幾種常用流量儀表比較

3.2 高溫導波超聲波流量計的特點

德國弗萊克森公司（FLEXIM GmbH）有受專利保護的高溫導波技術可以安全穩定測量－200～＋600℃內的介質流量。高溫導波技術是使用一種特殊的高低溫導波器WaveInjector?技術，導波器直接固定安裝在管道外壁上，探頭安裝在導波器的末端。導波器能夠保證將超聲波探頭的信號近乎無衰減地傳遞給管壁。其中的金屬導波板由特殊材料和特別工藝制成。

該流量計的突出優勢如下：

1）導波器的冷卻效應使探頭表面和管道表面之間產生一個溫差，隨著導波器與高溫管道接觸面距離逐漸增加，距離越遠導波器表面的溫度越低，從而確保導波器安裝探頭的末端溫度不超過探頭的額定工作溫度。

2）固態耦合片以固體形態存在，解決了液體耦合劑容易隨時間流逝而蒸發的缺陷，同時在材料選擇和機械加工方面保證了聲學耦合。高溫導波裝置保證了超聲波探頭與管道進行聲學耦合的同時實現了降溫。

3.3 高溫導波超聲波流量計應用效果

該公司催化裝置回煉油漿流量測量最終在線安裝了1臺FLEXIM公司的帶高溫導波器WaveInjector?的ADM8027P型流量計。

流量計安裝過程非常簡單，無需破管、動火，只需拆除安裝位置的管線保溫，將管線表面的銹蝕清理干凈，用專用的夾具將導波器和探頭固定，安裝過程沒有對生產系統造成任何不良影響。

該流量計由于沒有普通超聲波所需的液體耦合劑，不存在隨著時間的流逝使得耦合劑蒸發導致探頭耦合不良，影響儀表測量波動的問題，實際測量值經過和工藝上的相關數據比對，測量非常穩定、準確。

同時，因為探頭與管壁耦合非常穩定，不需要補充耦合劑，也無需重新調整超聲波流量計的信噪比，運行后實現了免維護，減少了儀表人員的維護工作量。

4 結束語

FLUXUS高溫導波器WaveInjector?專利技術，克服了普通超聲波流量計受可測流體溫度范圍限制的缺點，解決了工業過程高溫介質的流量測量難題。另外，該流量計不接觸被測介質，可以方便地實現強腐蝕性、非導電、易燃易爆型等流體測量，對于較大管徑的流體測量儀表安裝和運行節能優勢尤為明顯。

［1］歷玉鳴.化工儀表及自動化［M］.北京：化學工業出版社，1981.

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［3］陸德民，張振基，黃步余.石油化工自動控制設計手冊［M］.3版.北京：化學工業出版社，2000：69－74.

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［5］丁俊峰.氣體超聲波流量計在天然氣測量中的應用［J］.石油化工自動化，2014，50（03）：46.

［6］易兵，張發興.超聲波流量測量技術及發展［J］.測試技術學報，1995，9（01）：14－18.

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［8］王慧鋒，王華忠.流量儀表的選型［J］.儀表世界，2013（04）：28－32.

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