徐越

（中石化上海工程有限公司，上海 200120）

旋進流量計在石化裝置中的應用分析

徐越

（中石化上海工程有限公司，上海 200120）

旋進流量計是速度流量計的一種，基于漩渦進動原理。結(jié)合工程設(shè)計，針對幾種氣體和液體的流量計選型進行分析，分別研究了同一流量工況下不同流量計的適用性和優(yōu)缺點，并得出下列結(jié)論：旋進流量計能夠滿足大部分所列出的流量工況，而且精度較高、量程范圍較大、安裝維護方便，但不適合低流速工況。

旋進流量計；精度；量程；應用

在石化裝置的工藝生產(chǎn)過程中，流量是一個非常重要的過程參數(shù)和監(jiān)控對象，流量的測量顯得尤為重要。隨著流量檢測技術(shù)的不斷發(fā)展，可供選擇的流量計很多。如何針對不同工況要求，選擇合適的流量計來滿足用戶對精度、維護量、可靠性、經(jīng)濟性等要求，是設(shè)計人員需要研究的課題。

早期的旋進流量計在1967年由德國FISCHER PORTER公司發(fā)明。經(jīng)過幾十年的技術(shù)發(fā)展，此種類流量計已經(jīng)從簡單的、僅能測量氣體流量的單一功能，發(fā)展到可以應用于氣體、蒸汽和液體介質(zhì)的流量測量，并且可以帶溫度、壓力自動補償，還可以進行流量累計計量[1]的多種功能。所輸出的信號可以為支持HART協(xié)議的通訊信號、支持RS485通訊協(xié)議信號等。旋進流量計具有精度高、可靠性好、壓力損失較小、對直管段要求短、安裝維護方便等優(yōu)點，可以適用于較為廣泛的流量檢測場合。

1 結(jié)構(gòu)及工作原理

1.1 流量計的結(jié)構(gòu)

旋進流量計本體由漩渦發(fā)生體（起旋器）、殼體、壓電傳感器和整流器組成，如圖1所示。

旋進流量計剖面結(jié)構(gòu)如圖2所示。

漩渦發(fā)生體（起旋器）：螺旋狀葉片安裝在入口，用于產(chǎn)生漩渦流。

圖1 旋進流量計構(gòu)成Fig.1 Swirl flowmeter structure diagram

殼體：形狀類似于文丘里管，用于產(chǎn)生二次漩渦。

壓電傳感器：用于檢測漩渦的振動頻率。振動頻率與流速成正比。

整流器：安裝在流量計出口，用于消除漩渦流，減少對下游的影響。

圖2 旋進流量計剖面結(jié)構(gòu)Fig.2 Swirl flowmeter sectional view

1.2 工作原理[1-3]

旋進流量計是速度流量計的一種，基于漩渦進動現(xiàn)象進行計量。流體進入漩渦發(fā)生體后產(chǎn)生劇烈的旋轉(zhuǎn)運動形成漩渦流。漩渦流加速，沿流動方向經(jīng)縮徑段，流動強度增強。當漩渦流進入擴散段后，在導

流體回流的作用下，該漩渦產(chǎn)生二次旋轉(zhuǎn)運動，即漩渦進動。二次漩渦進動的頻率與流體的流速成正比。因此漩渦的頻率可以反映此流體的流速和流量大小。如果測量設(shè)備內(nèi)部采用最佳的設(shè)計，漩渦的頻率將在較寬的流量范圍內(nèi)呈線性。壓電傳感器測到此頻率后，將信號傳輸?shù)搅髁坑媯鞲衅鬟M行下游處理。

漩渦進動頻率與介質(zhì)流速成正比，與截流體幾何尺寸成反比。

式中 f ——漩渦進動頻率；

St —— 斯特羅哈爾常數(shù)（通過實驗得到的無因次數(shù)）；

v ——流速；

d ——截流體因數(shù)（由截流體幾何尺寸決定）。

以上公式可得出，測量出漩渦進動頻率可測得流體流速和瞬時流量。

圖3表示出斯特羅哈爾常數(shù)與雷諾Re的關(guān)系。曲線的線性區(qū)域?qū)臑樾M流量計的測量范圍。

圖3 斯特羅哈爾常數(shù)與雷諾Re的關(guān)系曲線Fig.3 Relationship lines of strouhal number（St.） and reynolds number（Re）

雷諾數(shù)（Re）的計算：

式中 ρ ——工作密度，kg/m3；

V ——運動黏度，m2/s；

D ——管徑，m。

2 工程設(shè)計中的選型考慮

工程設(shè)計中主要根據(jù)流量工況，按工藝要求（精度、測量范圍、壓力損失等），從適用性、可靠性、安裝方便、經(jīng)濟性等方面考慮進行流量計的選型。本文列舉的旋進流量計為某進口品牌產(chǎn)品，并有多種場合的應用。

2.1 適用性方面的考慮

（1）流體介質(zhì) 旋進流量計適用于氣體、蒸汽和液體介質(zhì)。

（2）精度 旋進流量計在最小雷諾數(shù)Remin和最大流量Qmax之間的線性范圍測量精度為≤±0.5 %。

（3）流速 旋進流量計在測量介質(zhì)時，要考慮流速不能過低（具體以廠家計算為準）。

（4）流量計口徑 市場上常見旋進流量計最大尺寸為DN 400，最小為DN 15。

流量計口徑的選擇基于最大工作流量Qmax。建議最大工作流量應大于該口徑允許量程一半時的流量?？梢赃x擇縮徑，但最大工作流量不要低于該口徑允許最大量程時流量的15 %。

（5）材料的選擇

a. 測量管材料 通常為不銹鋼316/316L，Hastelloy C。

b. 內(nèi)襯材料 根據(jù)介質(zhì)的腐蝕性、溫度等要求來選擇具體材料。

PTFE（-55 ～ 260 ℃）

石墨（-55 ～ 280 ℃）

Kalrez（-20 ～ 275 ℃）

2.2 安裝和應用

（1）被測介質(zhì)的流動方向需要與流量計上的指示方向一致。

（2）避免管路的機械振動（如有必要，安裝支架）。

（3）選擇符合環(huán)境條件的流量計。流量計周圍不能有強烈磁場干擾。

（4）輸送設(shè)備的振動頻率不得在流量計的測量頻率范圍以內(nèi)?？梢允褂眠m當?shù)淖枘嵫b置減弱活塞泵或壓縮機輸送過程中的交替（脈動）流量。

（5）閥門通常布置在流量計的下游。如果通過活塞泵或壓縮機輸送測量介質(zhì)（液體）壓力10 bar[145 psi]，當閥門閉合時，可能會產(chǎn)生液壓振動，這時閥門必須安裝在流量計上游，并且可能需要安裝合適的阻尼裝置（例如：空氣罐）。

（6）流量計在測量液體時要避免氣穴現(xiàn)象的產(chǎn)生。

（7）測量高溫介質(zhì)時

流量計在測量＞150 ℃的高溫介質(zhì)時，傳感器的安裝必須是變送器朝向一側(cè)或朝下，或者采用分體式安裝。

（8）流量計傳感器帶保溫層時，考慮保溫層厚度，具體咨詢廠家。

2.3 直管段要求

流量計安裝直管段要求滿足與否，直接影響流量測量的穩(wěn)定性和精度。旋進流量計進出口直管段要求見表1。從表1可知，其直管段要求并不高，這一優(yōu)勢在舊裝置擴容改造的應用中尤為突出。

表1 旋進流量計進出口直管段Tab.1 Straight pipe of the swirl flowmeter

2.4 多探頭的選擇

基于旋進流量計的漩渦特點，并在其本體尺寸允許的條件下，旋進流量計可以采用多探頭的測量方式。這種選擇為用戶實現(xiàn)三取二流量聯(lián)鎖提供了經(jīng)濟可行的實施方案。

3 應用分析

適用于氣體、蒸汽和液體介質(zhì)測量的流量計有多種可選，在此選擇精度較好的4種流量計與旋進流量計做對比，主要針對測量范圍、精度和壓損是否符合工藝條件進行對比分析。所選流量計如下，均為在國內(nèi)外石化裝置上有多年應用的國外產(chǎn)品。旋進流量計（精度為液體±0.5 %，氣體±5 %）渦街流量計（精度為液體±0.75 %，氣體±0.9 %）

科里奧利質(zhì)量流量計（精度為液體±0.075 % ～0.1 %，氣體±0.5 %）

熱式質(zhì)量流量計（精度為±0.5 %，主要測氣體介質(zhì)）

電磁流量計（精度±0.5 %，主要測量導電類液體）

以上渦街流量計的精度低于其他流量計，但是也屬于精度較好且常用的流量計。并且由于渦街流量計和旋進流量計的原理類似，在下列對比中渦街流量計的精度雖然不能達到本文所列的工藝條件，但可以對比渦街流量計和旋進流量計的測量范圍和壓損。

3.1 氣體測量

（1）當測量介質(zhì)為氫氣，工藝要求精度高時，不能低于±0.5 %。市場上測量氣體精度較好的流量計有熱式質(zhì)量流量計和科里奧利質(zhì)量流量計（我們選擇測量氣體精度為±0.5 %的產(chǎn)品），這里選擇這2種流量計與旋進流量計做對比。表2為工藝條件，表3 ～ 表5為3種流量計的選型后的量程范圍和壓力損失，通過表6對比流量計是否滿足工藝條件。

表2 介質(zhì)為氫氣時的工藝條件Tab.2 Conditions of medium hydrogen

表3 旋進流量計計算結(jié)果Tab.3 Swirl flowmeter results

表4 熱式質(zhì)量流量計計算結(jié)果Tab.4 Thermal mass flowmeters results

表5 科里奧利質(zhì)量流量計（精度為液體±0.075 %，氣體±0.5 %）計算結(jié)果Tab.5 Coriolis mass flowmeter results（Liquid accuracy ：±0.075 %， Gas accuracy： ±0.5 %）

表6 對比結(jié)果Tab.6 Compare results

通過以上對比，可知旋進流量計在流速大于一定值時，測量時的精度和流量范圍可以與科里奧利質(zhì)量流量計和熱式質(zhì)量流量計相媲美。但是在流速很小的情況下，旋進流量計與這兩種流量計相比則遜色很多。

這3種流量計在價格方面，科里奧利質(zhì)量流量計是旋進流量計價格的3 ～ 5倍。熱式質(zhì)量流量計和科里奧利質(zhì)量流量計針對不同工況下的應用選型，在價格方面各有優(yōu)勢。

（2）測量介質(zhì)為氣體（除氫氣外）時，在此選擇旋進流量計（精度為氣體±0.5 %）、渦街流量計（精度為氣體±0.9 %）和科里奧利質(zhì)量流量計（精度為氣體±0.5 %）做對比分析，以下主要對比3種流量計的測量范圍（3種流量計都為同一品牌產(chǎn)品）。表7為工藝條件，表8 ～ 表10為3種流量計的選型后的量程范圍和壓力損失，通過表11對比流量計是否滿足工藝條件。

表7 介質(zhì)為氣體（除氫氣）的工藝條件Tab.7 Conditions of medium gas（except hydrogen）

通過列表可以看出旋進流量計在測量氣體時，保證精度±0.5 %的情況下，量程比較大，可以滿足1∶30的量程比。

3.2 測量介質(zhì)為液體

測量液體時，選擇旋進流量計（精度為液體±0.5 %）、渦街流量計（精度為液體±0.75 %）、科里奧利質(zhì)量流量計（精度為液體±0.1 %）和電磁流量計（精度為液體±0.5 %）進行對比分析。表12為工藝條件，表13 ～ 表16為3種流量計的選型后的量程范圍和壓力損失，通過表17的對比，可知流量計

是否滿足工藝條件要求。

表8 旋進流量計計算結(jié)果Tab.8 Swirl flowmeter results

表9 渦街流量計計算結(jié)果Tab.9 Vortex Flowmeter results

表10 科里奧利質(zhì)量流量計計算結(jié)果Tab.10 Coriolis mass flowmeter results

表11 對比結(jié)果Tab.11 Compare results

表12 介質(zhì)為液體的工藝條件Tab.12 Conditions of medium liquid

表13 旋進流量計計算結(jié)果Tab.13 Swirl flowmeter results

通過以上比較，可知旋進流量計在測量液體時也有很大的優(yōu)勢，量程比大，精度較高，還可以測量非導電類類液體。

在產(chǎn)品的價格方面，以渦街流量計的價格作為標準來衡量，科里奧利流量計（精度液體為±0.1 %.氣體±0.5 %）是渦街的3 ～ 5倍左右，旋進流量計是渦街流量計的1.3 ～ 1.7倍左右，電磁流量計是渦街流量計的0.8 ～ 1倍左右（以上4種流量計價格均以同一廠家產(chǎn)品的價格作為基礎(chǔ)）。

表14 渦街流量計計算結(jié)果Tab.14 Vortex flowmeter results

表15 科里奧利質(zhì)量流量計的計算結(jié)果Tab.15 Coriolis mass flowmeter results

表16 電磁流量計的計算結(jié)果Tab.16 Magnetic flowmeter results

表17 對比結(jié)果Tab.17 Compare results

4 結(jié)束語

旋進流量計精度（±0.5 %）較高，可以滿足大多數(shù)應用場合的測量要求；可達1：30的量程比，滿足寬測量范圍的應用；直管段要求不高，在工藝裝置配管緊湊的場合，應用優(yōu)勢明顯。尤其在可實現(xiàn)多探頭傳感器應用方面，為安全儀表系統(tǒng)流量測量子系統(tǒng)的可靠性/可用性冗余架構(gòu)設(shè)計提供了一種便利的實施方案，具有較為突出的優(yōu)勢。

[1]楊有濤，徐英華，王子鋼. 氣體流量計[M]. 北京， 中國計量出版社，2007.

[2]陸德民，張振基，黃步余. 石油化工自動控制設(shè)計手冊[M].北京，化學工業(yè)出版社，2000.

[3]菜武昌，孫淮清，紀綱. 流量測量方法和儀表的選用[M]. 北京，化學工業(yè)出版社，2001.

《化工與醫(yī)藥工程》投稿指南

來稿要求

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（4）來稿摘要應具有獨立性，是一篇完整的短文，一般包括目的、方法、結(jié)果和結(jié)論等，客觀反映文章的內(nèi)容，篇幅為100～300字。

（5）提供3～8個關(guān)鍵詞，概括文章的主要內(nèi)容，以便檢索。關(guān)鍵詞應盡量選用《漢語主題詞表》和《石油化工漢語敘詞表》等有關(guān)專業(yè)詞表提供的敘詞。

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《化工與醫(yī)藥工程》編輯部

Analysis of Application of Swirl Flow-meter in Petrochemical Plants

Xu Yue
（SINOPEC Shanghai Engineering Co., Ltd, Shanghai 200120）

Swirl flow meter, which is based on vortex precession principle, is one of velocity flow meters. In this article, combined with engineering design, selections for several gas and liquid flow meters were analyzed. The applicability of different flow meters used under the same condition and their pros and cons were studied respectively. It was concluded that swirl flow meter can used under most listed conditions. Moreover, it has the advantages of great precision, wide scale range and convenient installation and maintenance. But it is not applicable in flow with low velocity.

swirl flow meter; precision; scale range; application

TQ 056.1+5

A

2095-817X（2016）05-0047-007

2016-06-17

作者簡介：徐越（1981—），女，工程師，從事儀表專業(yè)設(shè)計工作。