摘 要： 針對靶式流量計和渦街式流量計在測量硬水流量的過程中經(jīng)常出現(xiàn)測量值不準(zhǔn)確的現(xiàn)象進(jìn)行研究。根據(jù)硬水在流動過程中結(jié)垢的特點，從流量計的取壓方式和測量方式兩方面進(jìn)行綜合分析，查找問題出現(xiàn)的原因，通過分析討論最終選擇了彎管式取壓方式，采用了彎管流量計。在生產(chǎn)過程中，彎管流量計有效地解決了靶式流量計和渦街式流量計在測量硬水流量過程中出現(xiàn)的問題。
關(guān)鍵字： 靶式流量計 渦街流量計 彎管流量計 流量計選型 硬水
流量計廣泛應(yīng)用于石油化工生產(chǎn)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(zhǔn)確影響各個生產(chǎn)環(huán)節(jié)的產(chǎn)品質(zhì)量，嚴(yán)重的還會發(fā)生生產(chǎn)安全事故。流量計測量的是否準(zhǔn)確與流量計的測量方式和被測介質(zhì)的特點有很大的關(guān)系。西安分公司瀝青生產(chǎn)裝置中的電脫鹽一級注水流量計FIC1101測量范圍為0~5T/h。使用介質(zhì)為生產(chǎn)循環(huán)水，水的溫度在60~80℃，硬度8~13，屬于硬水。由于生產(chǎn)循環(huán)水，水質(zhì)差，硬度大，在生產(chǎn)過程中易結(jié)垢。FIC1101在采用靶式流量計時，經(jīng)常出現(xiàn)測量值不準(zhǔn)確和不變化的問題，需要經(jīng)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(jīng)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(jù)FIC1101在生產(chǎn)中出現(xiàn)的問題，結(jié)合硬水特點和流量計的測量方式和取壓方式進(jìn)行一一分析和討論。
1 靶式流量計
1.1 現(xiàn)象
在生產(chǎn)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(zhǔn)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(jìn)行檢查，均屬正常。拆卸FIC1101，發(fā)現(xiàn)靶片和反饋桿上，結(jié)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(jié)構(gòu)。
1.2 測量原理和結(jié)構(gòu)
當(dāng)介質(zhì)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(chǎn)生的壓差，并對阻流元件有一作用力F1，如圖1所示，其作用力的大小與介質(zhì)流速的平方成正比，其數(shù)學(xué)公式表達(dá)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(zhì)密度（Kg/m3）；V為介質(zhì)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(zhuǎn)換成毫伏電壓信號輸出：
U=KF（2）
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(jīng)前置放大、A/D轉(zhuǎn)換、微處理器、D/A轉(zhuǎn)換器等電路，輸出4~20mA開方電流模擬信號及HART數(shù)字信號，即可得到相應(yīng)的瞬時流量和累積總量。
圖1 結(jié)構(gòu)傳動示意圖
1.3 分析故障產(chǎn)生的原因
1）當(dāng)水垢結(jié)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(dāng)水垢結(jié)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(chǎn)生應(yīng)力F3。F3經(jīng)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(dǎo)致測量值比真實值偏高或偏低。
3）隨著水垢結(jié)在杠桿3上的厚度達(dá)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(jié)垢影響了力的傳遞，導(dǎo)致測量不準(zhǔn)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(nèi)，其運行穩(wěn)定，反映靈敏，測量準(zhǔn)確。隨后，F(xiàn)IC1101出現(xiàn)測量指示值不準(zhǔn)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(jié)有一層水垢，滯流元件與底座之間包死。
2.2 測量原理和結(jié)構(gòu)
渦街流量計是應(yīng)用流體振蕩原理來測量流量的流體在管道中經(jīng)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(chǎn)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(guān)，可用數(shù)學(xué)公式表示：
式中：f為旋渦的釋放頻率（Hz）；υ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(dāng)雷諾數(shù)Re在102~105范圍內(nèi)，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＝0.2V/d。
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υ，再由式q=υA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(dāng)旋渦在滯流元件兩側(cè)產(chǎn)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(zhuǎn)換為電的頻率信號，再將頻率信號進(jìn)行放大和整形，輸出到二次儀表，進(jìn)行累積、顯示。
圖2 流量檢測示意圖
2.3 分析故障產(chǎn)生的原因
由于檢測元件——壓電傳感器安裝在滯流元件中，當(dāng)水垢結(jié)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(chǎn)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(chǎn)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(dāng)達(dá)到一定程度后，使檢測元件接受不到渦旋列產(chǎn)生的頻率信號，導(dǎo)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(zhǔn)確的現(xiàn)象，從以上分析故障原因可知，是由水質(zhì)結(jié)垢引起的，所以要提高FIC1101在測量過程中的穩(wěn)定性和準(zhǔn)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(zhì)，電脫鹽注水由硬水改為純凈水。
因節(jié)能減排和生產(chǎn)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(jié)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(jié)垢；
2）硬水與測量元件之間隔離；
3）硬水結(jié)垢對流量計在測量的過程中影響較小。
根據(jù)各種類型流量計的結(jié)構(gòu)、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(zhì)被引壓管內(nèi)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(dāng)水垢結(jié)在孔板上，將影響到孔板兩側(cè)的壓差，造成測量不準(zhǔn)確；另外，F(xiàn)IC1101距地面50cm，不利于鋪設(shè)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(nèi)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(jié)構(gòu)
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(chǎn)生差壓的方式不同，孔板是利用流體的縮放原理產(chǎn)生的差壓，而彎管傳感器是利用流體的慣性原理產(chǎn)生的差壓。當(dāng)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(dāng)流體在作圓周運動時，產(chǎn)生的離心力F作用在彎管的內(nèi)外兩側(cè)，使彎管傳感器內(nèi)外兩側(cè)之間產(chǎn)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(guān)，與流體的平均流速有關(guān)，與流體作圓周運動的曲率半徑有關(guān)。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：
其中：F為流體對彎管的離心力；υ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(jìn)行整合、積分處理之后，可得公式：
其中：υ為介質(zhì)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(zhì)的密度。
這個公式描述了介質(zhì)在彎管傳感器中流動時，介質(zhì)對彎管施加的離心力與介質(zhì)的密度，介質(zhì)的平均流速以及彎管的彎徑比之間的關(guān)系。另外，只要介質(zhì)在彎管傳感器中流動的最小雷諾數(shù)達(dá)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(nèi)外兩側(cè)的壓差ΔP引出，傳遞給差壓變送器，如圖3所示，再通過公式（5），即可得到流經(jīng)彎管內(nèi)的流體速度υ。
圖3 取壓示意圖
4.2 分析運行效果良好的原因
1）測壓室與被測介質(zhì)被引壓管內(nèi)的介質(zhì)隔離，使測壓室內(nèi)不易結(jié)垢；
2）引壓管內(nèi)的介質(zhì)水相對穩(wěn)定，并與管道內(nèi)的被測介質(zhì)進(jìn)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(nèi)結(jié)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(nèi)鈣離子的熱運動和結(jié)垢的速度。
5 結(jié)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(zhǔn)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(nèi)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(zhǔn)確度、可靠性、費用、流體特性及其它因素。要嚴(yán)格分析流量計的工作性能，被測流體的物理和化學(xué)特性，結(jié)合現(xiàn)場環(huán)境因素、安裝條件和設(shè)備的性價比等情況，選擇合適的流量計，避免因選型不當(dāng)產(chǎn)生不穩(wěn)定的安全生產(chǎn)因素和造成不必要的經(jīng)濟(jì)損失
