劉想

（中國石化股份有限公司西安石化分公司 陜西 西安 710086）

流量計廣泛應用于石油化工生產中，貫穿于全過程中，任何一個環(huán)節(jié)都離不開流量計量。流量計測量不準確影響各個生產環(huán)節(jié)的產品質量，嚴重的還會發(fā)生生產安全事故。流量計測量的是否準確與流量計的測量方式和被測介質的特點有很大的關系。西安分公司瀝青生產裝置中的電脫鹽一級注水流量計FIC1101測量范圍為0～5 T/h。使用介質為生產循環(huán)水，水的溫度在60～80℃，硬度8～13，屬于硬水。由于生產循環(huán)水，水質差，硬度大，在生產過程中易結垢。FIC1101在采用靶式流量計時，經常出現(xiàn)測量值不準確和不變化的問題，需要經常維修，清理靶片和靶桿上的水垢。后來對FIC1101改變了測量方式，在采用渦街流量計時，經常出現(xiàn)測量值波動大和回零問題，需要每周維修多次。根據FIC1101在生產中出現(xiàn)的問題，結合硬水特點和流量計的測量方式和取壓方式進行一一分析和討論。

1 靶式流量計

1.1 現(xiàn)象

在生產測量過程中，F(xiàn)IC1101采用了靶式流量計。工藝反映其測量值不準確，出現(xiàn)偏高或偏低以及不動彈的現(xiàn)象。對FIC1101的電路模塊、FIV1101的開度和泵的出口壓力進行檢查，均屬正常。拆卸FIC1101，發(fā)現(xiàn)靶片和反饋桿上，結有一層水垢，并且反饋桿的彈性較差。這些水垢對靶式流量計有那些影響呢？首先看其測量原理和結構。

1.2 測量原理和結構

當介質在測量管道中流動時，因其自身的動能通過阻流元件（靶片和杠桿3）時而產生的壓差，并對阻流元件有一作用力F1，如圖1所示[1]，其作用力的大小與介質流速的平方成正比，其數(shù)學公式[1]表達如下：

式中：F1為阻流元件所受的作用力 （Kg）；Cd為物體阻力系數(shù)；A為阻流元件的軸向投影面積（mm2）；ρ為工況下介質密度（Kg/m3）；V為介質在測量管中的平均流速（m/s）。

阻流件（靶片）接受的作用力F1作用在杠桿3（反饋桿）上，杠桿3在F1的作用下，以軸封膜片為支點（軸封膜片一方面作為杠桿的支點，另一方面起密封作用）將力F1傳給副桿1，形成力F2。副桿1的另一端與電容力傳感器相連，電容力傳感器把副桿1傳遞的力F2轉換成毫伏電壓信號輸出：

式中：U為電容力傳感器輸出的電壓 （mV）；K為比例常數(shù)；F為阻流元件（靶片）所受的作用力（Kg）。

由此，電壓信號經前置放大、A/D轉換、微處理器、D/A轉換器等電路，輸出4～20 mA開方電流模擬信號及HART數(shù)字信號，即可得到相應的瞬時流量和累積總量。

圖1 結構傳動示意圖Fig.1 Diagram of structural transmission

1.3 分析故障產生的原因

1）當水垢結在靶片上，使靶片面積A增加，由公式（1）可知，作用在靶片上的沖量也隨之增加。在杠桿1和杠桿3的傳遞下，作用在電容力傳感器上的力F2增加，由公式（2）可知，電容力傳感器輸出的電壓信號增加，造成測量值比真實值偏高。

2）當水垢結在杠桿3上，使杠桿3的直徑增加，造成杠桿3與軸封膜片之間產生應力F3。F3經過杠桿1傳遞給電容力傳感器上，因此，F(xiàn)2=F1+F3。隨著F3的方向變化，造成F2增大或減小，使電容力傳感器輸出的電壓信號增大或減小，導致測量值比真實值偏高或偏低。

3）隨著水垢結在杠桿3上的厚度達到一定程度后，使杠桿3與軸封膜片之間包死，杠桿3失去了彈性，軸封膜片失去了支點作用，F(xiàn)1的大小已不能通過杠桿1和3傳遞給電容力傳感器，而F2的大小保持不變，因此，電容力傳感器輸出的電壓信號不變，造成測量值不動彈的假現(xiàn)象。

2 渦街流量計

2.1 現(xiàn)象

FIC1101在采用靶式流量計測量硬水流量的過程中，因硬水結垢影響了力的傳遞，導致測量不準確，所以需要改變流量計的測量方式，選擇了測量流體頻率的流量計——渦街流量計。FIC1101采用了渦街式流量計，在投入使用的一個月內，其運行穩(wěn)定，反映靈敏，測量準確。隨后，F(xiàn)IC1101出現(xiàn)測量指示值不準確，閃動頻率大，并且跳動的指示植越來越小，直至為零。檢查電路模塊、FIV1101的開度和泵的出口壓力，均屬正常。推測FIC1101的傳感器出現(xiàn)了問題，拆卸FIC1101，發(fā)現(xiàn)滯流元件上結有一層水垢，滯流元件與底座之間包死。

2.2 測量原理和結構

渦街流量計是應用流體振蕩原理來測量流量的流體在管道中經過渦街流量變送器時，在三角柱的旋渦發(fā)生體后上下交替產生正比于流速的兩列旋渦，如圖2所示[2]，旋渦的釋放頻率與流過旋渦發(fā)生體的流體平均速度及旋渦發(fā)生體特征寬度有關，可用數(shù)學公式[2]表示：

式中:f為旋渦的釋放頻率 （Hz）；v為流過旋渦發(fā)生體的流體平均速度（m/s）；d為旋渦發(fā)生體特征寬度（m）；St為斯特羅哈數(shù)，無量綱，它的數(shù)值范圍為0.14～0.27。St是雷諾數(shù)的函數(shù)，St=f（l/Re）。

當雷諾數(shù) Re在 102～105范圍內，St值約為 0.2， 因此，在測量中，要盡量滿足流體的雷諾數(shù)在 102～105，旋渦頻率 f＝0.2 V/d[3]。

由此可知，通過測量旋渦頻率就可以計算出流過旋渦發(fā)生體的流體平均速度v，再由式q=vA可以求出流量q，其中A為流體流過旋渦發(fā)生體的截面積。

當旋渦在滯流元件兩側產生時，利用壓電傳感器測出與流體流向垂直的交變升力變化，將升力的變化轉換為電的頻率信號，再將頻率信號進行放大和整形，輸出到二次儀表，進行累積、顯示[4]。

圖2 流量檢測示意圖Fig.2 Schematic of flow detection

2.3 分析故障產生的原因

由于檢測元件——壓電傳感器安裝在滯流元件中，當水垢結在滯流元件上會造成以下后果：

1）造成滯流元件的寬度d增大，由公式（3）可知，檢測元件接收到渦旋列產生的頻率減小，輸出電壓信號減小，因此測量指示值比真實值偏低。

2）使檢測元件接收到渦旋列產生的頻率信號減弱，影響了測量信號的穩(wěn)定性和連續(xù)性，因此出現(xiàn)了測量值不穩(wěn)定的現(xiàn)象。

3）隨著水垢厚度的不斷增加，當達到一定程度后，使檢測元件接受不到渦旋列產生的頻率信號，導致測量值為零。

3 探討和選型

FIC1101在采用靶式和渦街式流量計測量硬水流量的過程中，出現(xiàn)測量不準確的現(xiàn)象，從以上分析故障原因可知，是由水質結垢引起的，所以要提高FIC1101在測量過程中的穩(wěn)定性和準確性，有以下兩種選擇：

1）更換流量計的類型，選擇適合測量硬水流量的流量計；

2）更換被測介質，電脫鹽注水由硬水改為純凈水。

因節(jié)能減排和生產實際，只能考慮流量計的選型，什么樣的流量計在測量硬水流量時，不受結垢的影響或受其的影響較小呢？要從以下3方面分析：

1）硬水在流量計中不結垢；

2）硬水與測量元件之間隔離；

3）硬水結垢對流量計在測量的過程中影響較小。

根據各種類型流量計的結構、測量方式和特點，符合條件1）和2）件的有：差壓孔板流量計、超聲波流量計和電磁流量計。如果FIC1101采用差壓孔板流量計，差壓變送器的測壓室與被介質被引壓管內的引壓液隔離[5]，符合條件2）。但是孔板的表面要求光潔度極高，當水垢結在孔板上，將影響到孔板兩側的壓差，造成測量不準確；另外，F(xiàn)IC1101距地面50 cm，不利于鋪設引壓管。所以，F(xiàn)IC1101采用差壓孔板流量計測量硬水流量的效果不佳。因超聲波流量計和電磁流量計的價格昂貴，投資費用高，不易采用。從條件3）考慮，F(xiàn)IC1101采用了國內近階段出現(xiàn)測量流量的一個新品種——彎管式流量計。

4 彎管式流量計

4.1 測量原理和結構

彎管式流量計與傳統(tǒng)的孔板流量計一樣同屬于差壓式流量計的范疇，只是它們產生差壓的方式不同，孔板是利用流體的縮放原理產生的差壓，而彎管傳感器是利用流體的慣性原理產生的差壓。當流體通過彎管時，受到彎管的約束，流體被迫作類似的圓周運動。當流體在作圓周運動時，產生的離心力F作用在彎管的內外兩側，使彎管傳感器內外兩側之間產生一個壓力差，此壓力差（也就是壓差值）的大小與流體的密度有關，與流體的平均流速有關，與流體作圓周運動的曲率半徑有關。它們之間遵循作圓周運動物體都必須遵循的牛頓運動定律[6]：

其中：F為流體對彎管的離心力；v為流體在彎管中的平均流速；R為彎管中心曲率半徑。

通過對上述公式進行整合、積分處理之后，可得公式：

其中：v為介質中彎管傳感器中的平均流速；R/d為彎管傳感器的彎徑比；ΔP為流體通過彎管傳感器的差壓值；ρ為介質的密度。

這個公式描述了介質在彎管傳感器中流動時，介質對彎管施加的離心力與介質的密度，介質的平均流速以及彎管的彎徑比之間的關系。另外，只要介質在彎管傳感器中流動的最小雷諾數(shù)達到一個極低值以上，彎管流量計的流量系數(shù)α就是一個定值。用引壓管把彎管內外兩側的壓差ΔP引出，傳遞給差壓變送器，如圖3所示[6]，再通過公式（5），即可得到流經彎管內的流體速度v。

圖3 取壓示意圖Fig.3 Diagram of pressure

4.2 分析運行效果良好的原因

1）測壓室與被測介質被引壓管內的介質隔離，使測壓室內不易結垢；

2）引壓管內的介質水相對穩(wěn)定，并與管道內的被測介質進行鈣離子交換的速度慢，并且交換量極小，所以在引壓管和測壓室內結垢的速度極小，不會影響引壓和測壓效果；

3）引壓管在測壓室與取壓口之間有一段距離，易于散熱，降低了引壓管內鈣離子的熱運動和結垢的速度。

5 結束語

FIC1101在采用彎管式流量計測量電脫鹽注水的過程中，表現(xiàn)出運行穩(wěn)定，測量準確，反映靈敏的效果。FIC1101的維修次數(shù)由過去每周的二三次，變?yōu)槊磕昃S修一次，主要是清理取壓彎管和測壓室內的水垢，并且投用后偏移量小，運行正常。

因此在選用流量計時，要考慮的因素很多：準確度、可靠性、費用、流體特性及其它因素。要嚴格分析流量計的工作性能，被測流體的物理和化學特性，結合現(xiàn)場環(huán)境因素、安裝條件和設備的性價比等情況，選擇合適的流量計，避免因選型不當產生不穩(wěn)定的安全生產因素和造成不必要的經濟損失。

[1]ZBLB系列“智能靶式流量變送器使用說明書”[M].丹東：丹東通博電器有限公司，2001.

[2]樂嘉謙.儀表維修工（中級工）[M].北京：化學工業(yè)出版社，2005：7-31.

[3]施引萱，王丹君.儀表維修工（高級工）[M].北京：化學工業(yè)出版社，2005：123-147.

[4]左國慶，明賜東.自動化儀表故障實例 [M].北京：化學工業(yè)出版社，2008.

[5]厲玉鳴.化工儀表及自動化[M].北京：化學工業(yè)出版社，2008.

[6]JDWG系列“彎管流量計使用說明書”[M].淮陰：金湖金德工控儀表有限公司，2009.