楊海河

（中國(guó)石化股份有限公司濟(jì)南分公司，濟(jì)南50101）

在石油煉制過(guò)程中要保持各裝置安全穩(wěn)定運(yùn)行，必須準(zhǔn)確測(cè)量液位、壓力、溫度、流量及其他工藝參數(shù)［1］，其中流量是測(cè)量難度最大、測(cè)量點(diǎn)最多的檢測(cè)參數(shù)。傳統(tǒng)的差壓法是最常規(guī)、最經(jīng)濟(jì)的測(cè)量方式，通常由一次取壓元件和二次變送儀表兩個(gè)部分構(gòu)成，最初的設(shè)計(jì)方案是將所產(chǎn)生的測(cè)量信息通過(guò)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(jì)量累計(jì)）的原始信息［2］。隨著信息技術(shù)的發(fā)展，DCS，PLC，SCADA等類型的控制系統(tǒng)在企業(yè)得到普及使用，目前大部分測(cè)量的非計(jì)量信息直接進(jìn)入DCS，PLC，SCADA系統(tǒng)的輸入模塊，再按照設(shè)計(jì)程序要求的方式進(jìn)行運(yùn)算或控制、顯示，使操作過(guò)程更加方便。

由于工業(yè)領(lǐng)域流量測(cè)量技術(shù)面臨多種復(fù)雜的需求，工業(yè)企業(yè)對(duì)測(cè)量準(zhǔn)確性的要求不斷提高，傳統(tǒng)的工業(yè)測(cè)量方法如孔板式流量計(jì)、楔式流量計(jì)、噴嘴流量計(jì)、文丘里流量計(jì)等已經(jīng)不能完全滿足工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域的要求［3］。由于市場(chǎng)的需要，基于各種傳感器技術(shù)和電氣技術(shù)的新型流量?jī)x表很好地滿足了用戶對(duì)精度、可測(cè)量性、維護(hù)量、經(jīng)濟(jì)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(cè)量原理的流量?jī)x表在工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用日益廣泛，極大地推動(dòng)了流量測(cè)量技術(shù)的發(fā)展［4］。由于流量工業(yè)領(lǐng)域?qū)Ω呔葍x表和多參數(shù)儀表的需求日益增長(zhǎng)，隨著測(cè)量技術(shù)、信息技術(shù)的發(fā)展和生產(chǎn)成本的降低，新興的流量?jī)x表的應(yīng)用大有后來(lái)居上的趨勢(shì)。筆者結(jié)合企業(yè)催化回?zé)捰蜐{流量測(cè)量遇到的技術(shù)問(wèn)題進(jìn)行分析，提出了一個(gè)探索性的解決方案，以供商榷。

1 催化回?zé)捰蜐{流量測(cè)量疑難問(wèn)題分析

1.1 測(cè)量方案分析

重油催化裝置的回?zé)捰蜐{流量是工藝控制極為重要的檢測(cè)參數(shù)，介質(zhì)為高溫回?zé)捰蜐{，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(shè)計(jì)回?zé)捰蜐{流量選用楔式流量計(jì)取壓，使用高溫雙法蘭差壓變送器進(jìn)行差壓的測(cè)量、轉(zhuǎn)換和變送模式。原始設(shè)計(jì)在選型時(shí)考慮楔式流量計(jì)本體不會(huì)堵塞，由于現(xiàn)場(chǎng)空間狹小，原設(shè)計(jì)中沒有設(shè)置工藝副線。為了實(shí)現(xiàn)變送器的在線維護(hù)，安裝有截止閥。

1.2 運(yùn)行情況分析

楔式流量計(jì)投用后初期運(yùn)行正常，但幾個(gè)月之后測(cè)量即出現(xiàn)不穩(wěn)定，測(cè)量值波動(dòng)明顯。停表檢查發(fā)現(xiàn)雙法蘭變送器取壓膜盒表面有結(jié)焦的狀況，經(jīng)過(guò)清洗恢復(fù)使用測(cè)量正常，但很快又出現(xiàn)測(cè)量波動(dòng)的情況，再次拆開發(fā)現(xiàn)仍存在結(jié)焦。后又出現(xiàn)截止閥也結(jié)焦堵塞的嚴(yán)重問(wèn)題，甚至導(dǎo)致儀表引壓管線流通不暢，取壓信號(hào)不能正常傳遞等問(wèn)題，最終導(dǎo)致回?zé)挐{油流量無(wú)法測(cè)量。

催化裝置的設(shè)計(jì)運(yùn)行檢修周期通常為4a，因?yàn)榱髁坑?jì)沒有設(shè)計(jì)維修工藝旁路系統(tǒng)，不停工時(shí)不能對(duì)一次閥進(jìn)行疏通處理，但非計(jì)劃停工造成的損失太大，生產(chǎn)系統(tǒng)不允許停工。因此，回?zé)捰蜐{流量不能正常顯示，嚴(yán)重影響了工藝的操作和控制。

2 超聲波流量計(jì)的測(cè)量原理與優(yōu)勢(shì)

2.1 超聲波流量計(jì)的原理簡(jiǎn)介

超聲波流量計(jì)主要包括“時(shí)間差法”和“多普勒法”兩類測(cè)量方式，目前較多應(yīng)用的是以“時(shí)間差法”為原理的流量測(cè)量?jī)x表?！皶r(shí)間差法”超聲波流量計(jì)的基本原理如圖1所示［5－6］。傳感器1，2是一對(duì)可輪流發(fā)射或接收超聲脈沖的傳感器。

圖1 時(shí)差法工作原理示意

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

式中：v——介質(zhì)流速；d——流通管道內(nèi)徑。

傳播時(shí)間的差異與被測(cè)流體的流速有關(guān)，因而測(cè)出時(shí)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(jì)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(jì)的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)

超聲波流量計(jì)的原理和結(jié)構(gòu)決定了其具有以下優(yōu)點(diǎn)：

1）時(shí)差法原理結(jié)構(gòu)，直管段設(shè)計(jì)，對(duì)黏稠液體無(wú)掛壁風(fēng)險(xiǎn)，所以讀數(shù)漂移較小。

2）全通徑設(shè)計(jì)，無(wú)任何壓損和能量損失。

3）量程比高，可適應(yīng)較小和較大流速。

4）高性價(jià)比，尤其是對(duì)大管徑流量測(cè)量，安裝成本低。

5）結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，可維護(hù)性好。

6）在節(jié)能方面具有明顯的優(yōu)勢(shì)。超聲波流量?jī)x表和其他原理的儀表（如常規(guī)的孔板式流量計(jì)、楔式流量計(jì)、質(zhì)量流量計(jì)）相比，儀表流通通道未設(shè)置任何阻礙件，屬無(wú)阻礙流量計(jì)，即測(cè)量過(guò)程中不會(huì)對(duì)被測(cè)介質(zhì)造成壓力損失［7］。管道內(nèi)介質(zhì)的流動(dòng)靠能源產(chǎn)生壓力推動(dòng)，流量計(jì)造成的永久壓損即為能量的損失，超聲波流量計(jì)沒有壓損意味著測(cè)量過(guò)程沒有能量損失。

3 高溫回?zé)捰蜐{流量測(cè)量疑難問(wèn)題的解決

3.1 超聲波流量計(jì)的選用

為確保生產(chǎn)安全操作，相關(guān)技術(shù)人員進(jìn)行仔細(xì)研究，對(duì)市場(chǎng)上幾種常用流量測(cè)量?jī)x表從測(cè)量的工藝介質(zhì)、管道的壓力損失、安裝及維護(hù)要求等多方面進(jìn)行比較篩選，見表1所列［3，8］。

通過(guò)反復(fù)的篩選，該項(xiàng)目初步選定外夾式超聲波流量計(jì)，理由如下：

1）外夾式超聲波流量計(jì)的探頭夾持安裝于被測(cè)介質(zhì)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(cè)量信號(hào)信噪比好。

2）流量計(jì)沒有任何部件需要伸入到管道內(nèi)，其安裝和拆卸無(wú)需破壞管道，不會(huì)影響正常生產(chǎn)，同時(shí)也消除了管道內(nèi)介質(zhì)泄漏的風(fēng)險(xiǎn)。

但普通的超聲波流量計(jì)缺點(diǎn)是測(cè)量探頭受到介質(zhì)溫度的限制，不能承受介質(zhì)高溫［9］，而回?zé)捰蜐{的操作溫度約為200℃，所以普通的外夾式超聲波流量計(jì)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(fā)，易導(dǎo)致傳感器脫離管壁導(dǎo)致測(cè)量不穩(wěn)定。經(jīng)過(guò)與國(guó)外技術(shù)專家交流，發(fā)現(xiàn)采用高溫導(dǎo)波技術(shù)的 超聲波流量計(jì)可以很好地解決上述測(cè)量難題。

表1 幾種常用流量?jī)x表比較

3.2 高溫導(dǎo)波超聲波流量計(jì)的特點(diǎn)

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

該流量計(jì)的突出優(yōu)勢(shì)如下：

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

2）固態(tài)耦合片以固體形態(tài)存在，解決了液體耦合劑容易隨時(shí)間流逝而蒸發(fā)的缺陷，同時(shí)在材料選擇和機(jī)械加工方面保證了聲學(xué)耦合。高溫導(dǎo)波裝置保證了超聲波探頭與管道進(jìn)行聲學(xué)耦合的同時(shí)實(shí)現(xiàn)了降溫。

3.3 高溫導(dǎo)波超聲波流量計(jì)應(yīng)用效果

該公司催化裝置回?zé)捰蜐{流量測(cè)量最終在線安裝了1臺(tái)FLEXIM公司的帶高溫導(dǎo)波器WaveInjector?的ADM8027P型流量計(jì)。

流量計(jì)安裝過(guò)程非常簡(jiǎn)單，無(wú)需破管、動(dòng)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(dǎo)波器和探頭固定，安裝過(guò)程沒有對(duì)生產(chǎn)系統(tǒng)造成任何不良影響。

該流量計(jì)由于沒有普通超聲波所需的液體耦合劑，不存在隨著時(shí)間的流逝使得耦合劑蒸發(fā)導(dǎo)致探頭耦合不良，影響儀表測(cè)量波動(dòng)的問(wèn)題，實(shí)際測(cè)量值經(jīng)過(guò)和工藝上的相關(guān)數(shù)據(jù)比對(duì)，測(cè)量非常穩(wěn)定、準(zhǔn)確。

同時(shí)，因?yàn)樘筋^與管壁耦合非常穩(wěn)定，不需要補(bǔ)充耦合劑，也無(wú)需重新調(diào)整超聲波流量計(jì)的信噪比，運(yùn)行后實(shí)現(xiàn)了免維護(hù)，減少了儀表人員的維護(hù)工作量。

4 結(jié)束語(yǔ)

FLUXUS高溫導(dǎo)波器WaveInjector?專利技術(shù)，克服了普通超聲波流量計(jì)受可測(cè)流體溫度范圍限制的缺點(diǎn)，解決了工業(yè)過(guò)程高溫介質(zhì)的流量測(cè)量難題。另外，該流量計(jì)不接觸被測(cè)介質(zhì)，可以方便地實(shí)現(xiàn)強(qiáng)腐蝕性、非導(dǎo)電、易燃易爆型等流體測(cè)量，對(duì)于較大管徑的流體測(cè)量?jī)x表安裝和運(yùn)行節(jié)能優(yōu)勢(shì)尤為明顯。

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