石油化工行業(yè)中流量儀表的選型應(yīng)用

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摘要：結(jié)合陸地油田、海洋鉆井的特殊工作環(huán)境，對流量儀表進(jìn)行選型，通過考量儀表功能、測量物體的性質(zhì)、工作環(huán)境、安裝條件、性價比等方面，充分利用其優(yōu)勢，提高其工作效率；通過分析對比，最終陸地油田選用電磁流量計(jì)，海洋鉆進(jìn)選用轉(zhuǎn)子式流量計(jì)。

關(guān)鍵詞：流量儀表；石油化工行業(yè)；應(yīng)用

隨著當(dāng)前國際市場一體化的推進(jìn)，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(xué)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(shí)際來選擇最為合適的流量儀表，從而促進(jìn)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(jì)，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(jì)流量。按照其工作原理可以分為壓差流量計(jì)、電磁流量計(jì)、轉(zhuǎn)子流量計(jì)、質(zhì)量流量計(jì)、超聲波流量計(jì)和渦輪流量計(jì)等。

1.1壓差流量計(jì)

壓差流量計(jì)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(dāng)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(dǎo)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(shí)現(xiàn)流量的測定。壓差流量計(jì)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)?；a(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(dá)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(jì)

電磁流量計(jì)由電磁系統(tǒng)、電極、測量導(dǎo)管、轉(zhuǎn)換器等組成，其工作原理是利用電磁感應(yīng)定律來完成測量。導(dǎo)電流體在垂直于磁場方向的非磁性導(dǎo)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(jì)測量靈敏度和精度都較高，普遍應(yīng)用于導(dǎo)電性、導(dǎo)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(dǎo)率和壓力變化的影響。但是由于其對導(dǎo)電性能的要求，不能用于電導(dǎo)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(qiáng)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(yīng)用上受到影響。因此，當(dāng)前電磁流量計(jì)在不斷升級完善，進(jìn)一步向信息化方向發(fā)展。

1.3轉(zhuǎn)子流量計(jì)

轉(zhuǎn)子流量計(jì)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(dāng)三者達(dá)到平衡時，轉(zhuǎn)子就會穩(wěn)定浮于錐管內(nèi)某一點(diǎn)。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(jì)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(yīng)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(dá)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(jì)

質(zhì)量流量計(jì)其工作原理是利用位于旋轉(zhuǎn)體系中的質(zhì)點(diǎn)在進(jìn)行直線運(yùn)動時，由于慣性的原因，質(zhì)點(diǎn)會沿著原來的運(yùn)動方向前行，但是由于整個體系本身是旋轉(zhuǎn)的，導(dǎo)致該質(zhì)點(diǎn)運(yùn)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(dāng)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(jì)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(jì)對于外界振動產(chǎn)生的干擾較為敏感，并且安裝固定標(biāo)準(zhǔn)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(jì)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(jì)

超聲波流量計(jì)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(jì)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(jì)實(shí)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(jì)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(jì)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(qiáng)度差值也就越大，因此只要測量出接收器信號強(qiáng)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(diǎn)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?？偟膩碚f，超聲波流量計(jì)因其非直接接觸式而廣泛應(yīng)用于不易接觸與觀察的流體測量，例如強(qiáng)腐蝕性、放射性、易燃易爆、非導(dǎo)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(jì)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(jì)

渦輪流量計(jì)工作原理是將渦輪放置于管道中心處，當(dāng)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(jì)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(yīng)電動勢，通過計(jì)算感應(yīng)電動勢得出流體流量。渦輪流量計(jì)的測量精度最為精確，且抗干擾能力較強(qiáng)，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(xiàng)

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(dāng)前，使用于石油化工行業(yè)的儀表主要有電子式和機(jī)械式兩種，在選擇儀表時，要根據(jù)實(shí)際要求來進(jìn)行選擇，防止儀表出現(xiàn)機(jī)械損壞或者電氣事故。例如，在測量前必須預(yù)先進(jìn)行被測流體流量預(yù)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(dǎo)電性及腐蝕性等。通過仔細(xì)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(xué)反應(yīng)，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(jìn)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(hù)措施，防止因儀表爆炸造成經(jīng)濟(jì)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(zhǔn)確性。

2.5儀表運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性

選擇儀表時要綜合考慮運(yùn)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(shí)現(xiàn)企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益最大化。

3流量儀表的應(yīng)用

3.1在陸地油田的應(yīng)用

當(dāng)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(fèi)的問題，要想實(shí)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(jī)相關(guān)參數(shù)變化，通過計(jì)算流量儀表傳感器獲取的信息數(shù)據(jù)來確定離心機(jī)的處理量和工作轉(zhuǎn)速，最后利用計(jì)算機(jī)進(jìn)行精確控制，最終達(dá)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(yīng)從流量儀表的工作原理及特性來進(jìn)行選擇：一是由于質(zhì)量流量計(jì)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(jì)、壓差流量計(jì)、超聲波流量計(jì)與渦街流量計(jì)；三是從粘度要求考慮，排除渦輪流量計(jì)。最終，選用具備能夠測量導(dǎo)電性、腐蝕性流體的電磁流量計(jì)，通過現(xiàn)場安裝測試后，發(fā)現(xiàn)其能夠滿足設(shè)計(jì)需求。

3.2在海洋鉆井平臺上的應(yīng)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(shí)際工作需求不同需要選擇相對應(yīng)的流量儀表。本實(shí)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(shí)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(jìn)行選擇流量儀表：一是可以排除電磁流量計(jì)，因?yàn)槭蜎]有導(dǎo)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(shè)備，因而排除渦輪式流量計(jì)、超聲波式流量計(jì)和質(zhì)量式流量計(jì)；三是由于海洋鉆井平臺空間限制，排除壓差式流量計(jì)；四是從成本考慮，排除容積式流量計(jì)。最后，選用轉(zhuǎn)子式流量計(jì)，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(qiáng)，需要具備扎實(shí)的專業(yè)知識和豐富的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。因此，石油化工企業(yè)要充分認(rèn)識到流量儀表選型的重要意義，認(rèn)真分析流量儀表特征與使用范疇，根據(jù)實(shí)際工作情況做好流量儀表的選型工作，確保其測量準(zhǔn)確性與可靠性符合設(shè)計(jì)要求，為石油化工企業(yè)發(fā)展奠定堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

作者：李璟 單位：陜西省石油化工學(xué)校