流量儀表在石油化工行業(yè)中的選型及應用

李 璟

（陜西省石油化工學校，西安 710061）

隨著當前國際市場一體化的推進，石油化工行業(yè)面臨著巨大的挑戰(zhàn)，如何有效提升生產(chǎn)效率，提高產(chǎn)品質(zhì)量已經(jīng)成為亟待解決的問題。相關(guān)研究人員經(jīng)過多方面研究發(fā)現(xiàn)，科學合理選用流量儀表可以有效降低生產(chǎn)成本，提升工作效率，但是由于不同的流體及生產(chǎn)條件下所需要的流量儀表不盡相同，因而必須根據(jù)生產(chǎn)實際來選擇最為合適的流量儀表，從而促進石油化工企業(yè)更好地發(fā)展。

1 流量儀表主要類型及工作原理

流量儀表也被稱為流量計，其種類豐富、規(guī)格多樣，主要用來測量管道或者明渠中的流體瞬間流量與累計流量。按照其工作原理可以分為壓差流量計、電磁流量計、轉(zhuǎn)子流量計、質(zhì)量流量計、超聲波流量計和渦輪流量計等。

1.1 壓差流量計

壓差流量計主要由檢測元件、壓差轉(zhuǎn)換器、流量顯示儀表構(gòu)成，其工作原理是利用能量守恒定律來得出流量測定結(jié)果。流體經(jīng)過節(jié)流裝置時，因節(jié)流裝置阻礙，使流速降低，流體的部分動能轉(zhuǎn)換成為靜壓能，使流體對于管壁的壓力增加。當流體通過以后，流速加快，部分靜壓又轉(zhuǎn)換為動能，管壁所受壓力減小，導致節(jié)流裝置的前后出現(xiàn)壓力差，并通過測量流體壓力差來實現(xiàn)流量的測定。壓差流量計結(jié)構(gòu)簡單，適用范圍廣（能夠適用于絕大多數(shù)的流體），檢測元件、變送器和顯示儀表能夠由不同廠家規(guī)模化生產(chǎn)，成本較為低廉。但是其需要經(jīng)過節(jié)流裝置，使流體壓力損失較大，測量范圍度不廣（基本只能夠達到3:1 ～4:1），且測量精度不高，對于測量精度要求較高的行業(yè)不太合適。

1.2 電磁流量計

電磁流量計由電磁系統(tǒng)、電極、測量導管、轉(zhuǎn)換器等組成，其工作原理是利用電磁感應定律來完成測量。導電流體在垂直于磁場方向的非磁性導管中流動，切割磁力線產(chǎn)生電動勢，最終將電動勢換算為流量。此類流量計測量靈敏度和精度都較高，普遍應用于導電性、導磁性比較好的流體。由于測量管道內(nèi)沒有阻流裝置，不會引起阻塞，適合測量含有固體顆粒的流體（如紙漿、污水、泥漿等），并且其測量所得的數(shù)據(jù)不受流體粘度、密度、溫度、電導率和壓力變化的影響。但是由于其對導電性能的要求，不能用于電導率很低的流體，也不能夠測量氣體、蒸汽以及含有較多氣泡的流體，對于高溫、高腐蝕、強磁場的流體也不太適用。另外其造價較為高昂，信號容易受到外界磁場干擾，使其在工業(yè)管道流體測量應用上受到影響。因此，當前電磁流量計在不斷升級完善，進一步向信息化方向發(fā)展。

1.3 轉(zhuǎn)子流量計

轉(zhuǎn)子流量計由垂直錐形管與置于其中的轉(zhuǎn)子（轉(zhuǎn)子能夠上下自由移動）構(gòu)成，其工作原理是利用轉(zhuǎn)子對流體截流時，轉(zhuǎn)子的上下游之間存在壓力差，且流體對轉(zhuǎn)子產(chǎn)生動壓力。這時在轉(zhuǎn)子上的作用力有3 個：流體動壓力（向上）、流體浮力（向上）以及轉(zhuǎn)子自身重力（向下），當三者達到平衡時，轉(zhuǎn)子就會穩(wěn)定浮于錐管內(nèi)某一點。由于轉(zhuǎn)子重力、流體浮力均為已知量，通過轉(zhuǎn)子所處位置就能夠計算出流體流量，也就是說轉(zhuǎn)子的高度就是流體流量的量度。其應用范圍廣泛，易燃易爆流體均能夠測量，而且范圍度較寬（最高可達10:1），但是其測量精度偏低，且測量結(jié)果容易受到被測介質(zhì)的壓力、密度、溫度和粘度等因素影響。

1.4 質(zhì)量流量計

質(zhì)量流量計其工作原理是利用位于旋轉(zhuǎn)體系中的質(zhì)點在進行直線運動時，由于慣性的原因，質(zhì)點會沿著原來的運動方向前行，但是由于整個體系本身是旋轉(zhuǎn)的，導致該質(zhì)點運動方向會因旋轉(zhuǎn)作用力而發(fā)生偏離，從而產(chǎn)生科氏力。驅(qū)動系統(tǒng)利用固定頻率來振動U 型丈量管，管子受到流體科氏力產(chǎn)生扭曲現(xiàn)象，由于科氏力為慣性力，當流體質(zhì)量越大時，其所產(chǎn)生的科氏力也就越大，最終人們只需要測量丈量管的扭曲角就能夠計算出流體質(zhì)量流量。它能夠直接測量流體質(zhì)量流量，測量精確度很高，能夠測量的流體范圍也很廣，例如高粘度流體、含固體物的漿液、含有少量氣體的流體以及具備足夠密度的中高壓氣體等，并且其測量結(jié)果不會受到流體壓力、溫度和粘度變化的影響。但是，質(zhì)量流量計對于外界振動產(chǎn)生的干擾較為敏感，并且安裝固定標準很高；測量管道流體時管徑不能大于150mm，否則數(shù)據(jù)會失真；另外，質(zhì)量流量計也不適用于測量低密度介質(zhì)及低壓氣體。

1.5 超聲波流量計

超聲波流量計是通過超聲波在流體中的傳播速度來完成流體流量的測量，其本質(zhì)也是由測量流速來確定流體流量大小的。超聲波流量計出現(xiàn)時間較晚，但是由于其能夠制成非直接接觸式，與超聲波水位計實行聯(lián)動后能夠測量開口流量，且不會對流體產(chǎn)生干擾和阻力，因此受到廣泛歡迎。超聲波流量計主要測量原理有時差法、波束偏移法、多普勒法等。①時差法是根據(jù)超聲波在流體中順流與逆流時傳播速度不一致，在相同距離傳播時會存在時間差，計算時間差就能夠得出流體流速；②波速偏移法是根據(jù)流體流動時引發(fā)超聲波偏移，而其偏移角與流速成正比，偏移角越大，說明流體流速越高，信號接收器所接收到的信號強度差值也就越大，因此只要測量出接收器信號強度差值就能夠確定流體流速；③多普勒法則是利用在靜止點檢測移動源發(fā)射波所產(chǎn)生的多普勒頻移來測量流體流量。

總的來說，超聲波流量計因其非直接接觸式而廣泛應用于不易接觸與觀察的流體測量，例如強腐蝕性、放射性、易燃易爆、非導電性等流體的測量。但是不適用于測量高溫流體，且不同種類的超聲波流量計只適用于一定范圍，比如時差法只適用于測量高速流動的干凈液體或氣體，波束偏移法測量精度較低，多普勒法只適用測量含有固體顆粒的流體等。

1.6 渦輪流量計

渦輪流量計工作原理是將渦輪放置于管道中心處，當流體經(jīng)過管道時，產(chǎn)生的沖擊力使渦輪旋轉(zhuǎn)。渦輪旋轉(zhuǎn)角的速度與流體的流速成正比，通過計算渦輪旋轉(zhuǎn)角速度可以得出流體流速。渦輪的轉(zhuǎn)速由傳感線圈檢測，渦輪葉片受力旋轉(zhuǎn)后使檢測線圈產(chǎn)生一個感應電動勢，通過計算感應電動勢得出流體流量。渦輪流量計的測量精度最為精確，且抗干擾能力較強，但是對于流體物性要求較高，適用于粘度較小的潔凈液體或潔凈氣體[1]。

2 流量儀表選型注意事項

2.1 流量儀表功能

選用流量儀表要將被測物質(zhì)的物性和測量要求結(jié)合起來，然后再選擇合適的儀表。當前，使用于石油化工行業(yè)的儀表主要有電子式和機械式兩種，在選擇儀表時，要根據(jù)實際要求來進行選擇，防止儀表出現(xiàn)機械損壞或者電氣事故。例如，在測量前必須預先進行被測流體流量預估，以此來選擇合適量程的儀表。否則，量程過小會出現(xiàn)儀表損壞，量程過大則測量精度不夠。

2.2 測量物體性質(zhì)

選用測量儀表要勘察好被測物體的具體性質(zhì)，例如壓力、密度、溫度、粘度、導電性及腐蝕性等。通過仔細勘察，選擇能夠滿足測量需求且避免對儀表、物質(zhì)造成污染或損壞。舉例來說，在測量丁二烯流量時，由于其所含物質(zhì)會與銅發(fā)生化學反應，因而在儀表選擇時，與其直接接觸的部位不能夠選用銅質(zhì)元件[2]。

2.3 儀表工作環(huán)境

選擇流量儀表時，要充分考慮儀表所處工作環(huán)境，包括環(huán)境溫度、壓力、濕度、光照、電磁等方面。對于特殊測量環(huán)境，需要選擇特制流量儀表或者對原儀表進行升級改造。石油化工行業(yè)所測量氣體均具有易燃易爆的特性，在儀表選擇時需要選擇具備防爆性能的儀表，并在其外部加裝一定的防護措施，防止因儀表爆炸造成經(jīng)濟損失；對于一些長期處于特殊環(huán)境的儀表，需要縮短檢測時間，發(fā)現(xiàn)問題后及時更換或維修。

2.4 儀表安裝條件

不同儀表對于安裝要求差異很大，壓差式、渦街式需要較長的上下游直管，如果直管不夠長會影響測量精度，容積式、轉(zhuǎn)子式則無此類要求。另外，還要做好儀表的防震工作，防止因振動影響測量準確性。

2.5 儀表運行經(jīng)濟性

選擇儀表時要綜合考慮運行成本，選擇檢定周期長、使用壽命長以及故障率低的儀表，實現(xiàn)企業(yè)經(jīng)濟效益最大化。

3 流量儀表的應用

3.1 在陸地油田的應用

當前國內(nèi)油田深井與超深井鉆井都存在高密加重材料浪費的問題，要想實現(xiàn)加重材料的高效回收利用，需要根據(jù)鉆井液的粘度、密度差異性的變化以及離心機相關(guān)參數(shù)變化，通過計算流量儀表傳感器獲取的信息數(shù)據(jù)來確定離心機的處理量和工作轉(zhuǎn)速，最后利用計算機進行精確控制，最終達到回收利用的目的。在此過程中，流量儀表的選型極為關(guān)鍵，應從流量儀表的工作原理及特性來進行選擇：一是由于質(zhì)量流量計抗腐蝕性較差予以排除；二是從即時控制和測量精度要求考慮，排除轉(zhuǎn)子流量計、壓差流量計、超聲波流量計與渦街流量計；三是從粘度要求考慮，排除渦輪流量計。最終，選用具備能夠測量導電性、腐蝕性流體的電磁流量計，通過現(xiàn)場安裝測試后，發(fā)現(xiàn)其能夠滿足設計需求。

3.2 在海洋鉆井平臺上的應用

海洋鉆井平臺根據(jù)其用途可以劃分為工藝生產(chǎn)系統(tǒng)、公用系統(tǒng)和輔助工藝系統(tǒng)三大板塊，每個板塊因其實際工作需求不同需要選擇相對應的流量儀表。本實例中的流體媒介為凝析油，粘度為0.89cp，溫度范圍位于42℃～65℃，實際工作壓力在6690KPa ～7411KPa 之間，常規(guī)流量為0.521m3/h。根據(jù)以上參數(shù)來進行選擇流量儀表：一是可以排除電磁流量計，因為石油沒有導電性；二是從管道介質(zhì)為凝析油來考慮，由于凝析油直接流入終端設備，因而排除渦輪式流量計、超聲波式流量計和質(zhì)量式流量計；三是由于海洋鉆井平臺空間限制，排除壓差式流量計；四是從成本考慮，排除容積式流量計。最后，選用轉(zhuǎn)子式流量計，滿足低流速、小管徑的要求[3]。

4 小結(jié)

綜上所述，流量儀表的選型工作專業(yè)性較強，需要具備扎實的專業(yè)知識和豐富的實踐經(jīng)驗。因此，石油化工企業(yè)要充分認識到流量儀表選型的重要意義，認真分析流量儀表特征與使用范疇，根據(jù)實際工作情況做好流量儀表的選型工作，確保其測量準確性與可靠性符合設計要求，為石油化工企業(yè)發(fā)展奠定堅實基礎(chǔ)。