地表水流量計在大口徑管道測量中的特點及工程設計說明
點擊次數：1743 發布時間：2021-01-16 17:35:31
地表水流量計在各類導電介質的管道測量中市場占有率逐年上升，目前已經是流量計裝機數量最多，應用最為廣泛的流量計品類之一，在許多行業的各類測量現場發揮了重要的作用。地表水流量計我們最常見的結構形式就是管道一體式，管道分體式。由于現場測量條件的特殊性各不相同，大口徑的管道測量，如果采用管道式測量，尤其是直徑超過1米的大型管道，其在儀表購買與安裝上的費用將是很大的一筆開支，針對于這種情況，也得益于控制測量精度的數字技術的提高，目前在地表水流量計家族一種插入式安裝的地表水流量計嶄露頭角，這種插入式地表水流量計的特點表現在：結構簡單、重量輕巧、安裝方便、維護簡易、價格相對于管道式產品便宜很多，因此很家工程設計者和用戶的歡迎。
最近幾年來，隨著石化總廠對裝置及公用工程計量要求的提高，在對現有裝置的技術改造、新裝置和基建項目的設計中，特別是大型輸送管道環節，對于裝置內外的新鮮水、循環水、污水等采用了一批插入式地表水流量計，使用效果很好，解決了這些介質在裝置內和公用系統中的流量檢測和計量問題，同時也在成本這塊為單位節約了大量的資金。
1、大管道導電液體的流量測量方法
從當前的技術講,測量大管道導電液體流量的檢測方法較多,現將常用的幾種方法說明如下。
1.1 封閉管道(滿管)流量測量
1)地表水流量計,本文有詳述。
2)孔板流量計(包括同心銳孔板、1/4圓孔板等),為標準的流量測量元件,結構簡單、精度高、重復性好、無需現場標定、使用壽命長,但要求直管段長、有壓損、流速要求高,不適合在大口徑管道中使用。
3)文丘里管、皮托管或阿牛巴等,可以在大管道測量中使用,但由于被測介質流速低,故測量精度較低。
4)超聲波流量計是一種新型的非接觸式流量測量儀表,現正在逐步推廣使用,但不適合于在埋地管道中安裝。
5)渦街流量計也是一種可選的流量測量儀表,從國內使用來看,使用效果差異較大,且要求有嚴格的直管段及一定的最低流速,一般在埋地的大管道安裝也不合適。
6)渦輪流量計,國內很少采用,也受流速限制。1.2 明渠或封閉(不滿管)流量測量
1)明渠式:測量明渠液位(用靜壓式、超聲波式、浮標式、反吹式等),在明渠截面積已知的情況下,可計算出流量。
2)超聲波式:測量明渠或不滿管中的流體液面及流速,根據液體流過的截面積計算其流量。
2、石化企業中大口徑導電液體流量測量中的問題
2.1 在石油化工廠中,裝置及公用工程中的大口徑流體基本上是新鮮水、除鹽水、循環水、污水及海水等導電液體,它們自身及管道安裝的特點是:
1)管徑大,有些工廠的循環水管道管徑可大到1.8～ 2.0m,為了減少占地面積及減輕管橋荷重及防凍等原因,一般均采用埋地敷設。
2)由于輸送流量大,為了減少長期操作費用,一般設計流速偏低,且流量及流速時常有變化。
3)循環水及污水有不同程度的懸浮物或沉淤物、水質條件差。
4)現場儀表安裝在裝置邊界以外,儀表配管及信號線敷設比較困難。
5)計量精度滿足企業內部做物料平衡及經濟核算即可。
2.2 洛陽石化總廠在上述場所使用的流量計多為管裝法蘭式地表水流量計和法蘭取壓同心圓銳孔板,銳孔板測量中主要存在以下問題。
1)由于管道為地下敷設,儀表安裝處設一地下井,待儀表安裝時因地下井漏水,將管線全部浸沒,井內存許多雜物,使儀表安裝無法進行;安裝后儀表長期浸沒在水中也無法檢修。
2)考慮到冬天防凍,安裝變送器的儀表箱及測量引線要求進行保溫伴熱,由于這些儀表基本都在裝置或工廠的邊界線上,距離伴熱蒸汽(或熱水)及回水點很遠,故使伴熱造成很大困難。
3)用水量隨工藝裝置操作條件而常有變化,其流量和流速變化較大,有時在很低流速下工作,其測量精度不高,測量誤差較大。
從原理、結構及安裝上,渦街流量計是一種較好的測量方法,但在循環水、污水大管道測量中也存在一些問題:
1)渦街流量計的測量精度與流速關系較大(即流體應在一定的雷諾數之上),不適于這種大管道、流速低的流體測量;
2)不宜安裝在被水浸沒的場所;
3)沉積物及懸浮物在渦街傳感器中沉積時對測量精度有影響;
4)使用壽命較短。
3、地表水流量計的特點
1)測量不受流體密度、溫度、壓力、粘度和導電率變化的影響,且與流速分布無關;
2)測量管截面積沒有收縮,無阻擋流動部件、無壓力損失;
3)適用于漿狀、污泥及帶固體的液體;
4)精度較高,± 0.5%;
5)可輸出與流速成正比例的線性模擬信號或
脈沖信號,測量范圍寬、線性好、零點穩定;
6)適用管徑范圍寬(16～ 3000mm)、要求較少的直管段;
7)電極和襯里可采用不同材質制造,耐腐蝕、抗磨損、可在高溫和水下安裝;
8)應用限制:測量液體必須有最小導電率(1μ S/cm隨供貨商而定);測量流體有沉積物時,會使測量精度降低;對溫度和壓力有一定限制。
4、插入式地表水流量計的特點及應用
4.1 插入式地表水流量計的特點
1)傳感器(探頭)直接插入被測管道,與一般管裝法蘭式地表水流量計相比,具有體積小、安裝方便、投資少等優點;
2)傳感器插入深度僅為管道直徑的10%～
12.5%,無壓損,特別適用于大口徑管道中的流量測量,有優越的性能價格比;
3)無淤塞、無磨損件、免維護;
4)傳感器可以做成潛水浸沒型(IP68),很適于在工廠中埋地管道上安裝;
5)可以提供防爆結構產品;
6)采用電流、脈沖信號輸出,絕對零點穩定
7)測量最低流速可至0.1m/s(甚至更低),最小導電率≥ 20μS/cm;
8)傳感器可帶安裝附件,現場安裝容易;
9)精度較低,一般為± 1%。
4.2 測量原理
安裝在傳感器中的通電線圈在管道中產生穩定的磁場,導電液體流過時,切割磁力線,產生與流速成正比的電壓信號,該信號被傳感器兩電極檢出,并轉換成4～ 20mA模擬信號或脈沖信號,從而實現對流體的測量(見圖1)。
4.3 適用范圍
與一般地表水流量計的測量范圍相同。
5、插入式地表水流量計的結構特點及儀表選型
5.1 結構特點
插入式地表水流量計主要由兩部分組成———傳感器和變送器。
1)按其組合方式可分為:
一體式(傳感器和變送器一體安裝,見圖2);
分離式(傳感器和變送器分離安裝,見圖3)。
2)按防爆形式分為:普通型和隔爆型。
3)按變送器信號類型分為:
模擬變送器和微處理變送器。
按傳感器使用場合分為:
一般型(溫度- 20～ 120 壓力1.6MPa);
耐高溫型(溫度180 壓力4.0MPa);
此外,傳感器還可制成在線可拆卸型。
5.2 儀表選型
針對插入式地表水流量計的特點,工程設計中儀表選型要點是:
1)提供被測液體的性質(主要是電導率)、流體測量范圍、被測介質溫度、壓力、工藝管道內徑等;
2)根據安裝位置確定選普通型一體式或分離式;隔爆型一體式或分離式;
3)根據介質腐蝕程度,確定傳感器的材質;計算插入式地表水流量計可測量的最低流速(流速偏低影響測量精度),以確定是否應縮小工藝管徑(提高流體流速);
4)按工藝管道內徑確定插入式地表水流量計的插入深度及所帶安裝附件。
6、插入式地表水流量計的安裝
如前所述,插入式地表水流量計安裝十分簡單,選型時只要成套訂購法蘭短管,按傳感器安裝尺寸在工藝管道上開口,并按工藝管道尺寸將法蘭短管加工成能符合傳感器安裝要求的尺寸后,將其焊接在工藝管道上即可,詳見安裝示意圖4,5)。
7、插入式地表水流量計在洛陽石化總廠的應用情況
我廠原設計處理能力很大,自1984年開工以來多次變更原油處理能力,致使公用工程中的水(新鮮水、循環水、污水等)流量變化很大,且這些管道大多都埋在地下,過去設置在水井中的儀表由于水井漏水長期浸泡,大多數儀表都無法使用。近幾年來,我們在改建或新建裝置和系統工程中陸續使用一批插入式地表水流量計,其使用效果良好,基本滿足廠里對這些介質的測量和計量問題。
在目前新建的化纖工程中,根據廠里的使用經驗,與承擔工程設計的設計單位商定,又采用一批插入式地表水流量計,用于新鮮水、循環水及污水的測量。
8、插入式地表水流量計使用中存在的問題
1)插入式地表水流量計其測量最低流速一般可小至0.1m/s。但實際選用時仍應對其所測得的最低流速進行核算,以確保被測流量有一較好的測量精度。
2)流量計前直管段應≥ 5D;流量計后直管段應≥ 3D(D為管道公稱直徑)。
3)管路有沉淀物析出時,如污泥與淤泥,此時流體應有較高的測量流速,防止污物的沉積,特別是在那些沉積物會產生使傳感器絕緣的場合,更應注意,必要時應選擇可更換電極的傳感器(可在線拆裝)。
4)對于流量變化范圍大、流體速度長期低于流量計要求的最低流速的場合,應考慮縮小工藝管道或采用兩臺一大一小并聯安裝的流量計。
5)插入式地表水流量計與普通地表水流量計一樣宜在垂直的工藝管道上安裝,這樣可防止懸浮的固體沉落在電極上,同時使流體中的油分上升到電極的測量范圍之外,如果流量計在水平工藝管道上安裝,則應使傳感器的電極處于水平軸線上,避免電極由于空氣泡產生的干擾,導致測量誤差。
6)當工藝管道中不能完全充滿流體,可采用一“V”型彎管結構(見圖6),這特別適用于污水測量中含固體較多且流體不滿管的場合。
7)電極上的信號范圍小(毫伏級),應避免接地電流流過測量電極附近。
8)在非金屬管道(如陶瓷或塑料等)上安裝插入式地表水流量計時,安裝流量計處的一段管道一般應采用金屬材質。
最近幾年來，隨著石化總廠對裝置及公用工程計量要求的提高，在對現有裝置的技術改造、新裝置和基建項目的設計中，特別是大型輸送管道環節，對于裝置內外的新鮮水、循環水、污水等采用了一批插入式地表水流量計，使用效果很好，解決了這些介質在裝置內和公用系統中的流量檢測和計量問題，同時也在成本這塊為單位節約了大量的資金。
1、大管道導電液體的流量測量方法
從當前的技術講,測量大管道導電液體流量的檢測方法較多,現將常用的幾種方法說明如下。
1.1 封閉管道(滿管)流量測量
1)地表水流量計,本文有詳述。
2)孔板流量計(包括同心銳孔板、1/4圓孔板等),為標準的流量測量元件,結構簡單、精度高、重復性好、無需現場標定、使用壽命長,但要求直管段長、有壓損、流速要求高,不適合在大口徑管道中使用。
3)文丘里管、皮托管或阿牛巴等,可以在大管道測量中使用,但由于被測介質流速低,故測量精度較低。
4)超聲波流量計是一種新型的非接觸式流量測量儀表,現正在逐步推廣使用,但不適合于在埋地管道中安裝。
5)渦街流量計也是一種可選的流量測量儀表,從國內使用來看,使用效果差異較大,且要求有嚴格的直管段及一定的最低流速,一般在埋地的大管道安裝也不合適。
6)渦輪流量計,國內很少采用,也受流速限制。1.2 明渠或封閉(不滿管)流量測量
1)明渠式:測量明渠液位(用靜壓式、超聲波式、浮標式、反吹式等),在明渠截面積已知的情況下,可計算出流量。
2)超聲波式:測量明渠或不滿管中的流體液面及流速,根據液體流過的截面積計算其流量。
2、石化企業中大口徑導電液體流量測量中的問題
2.1 在石油化工廠中,裝置及公用工程中的大口徑流體基本上是新鮮水、除鹽水、循環水、污水及海水等導電液體,它們自身及管道安裝的特點是:
1)管徑大,有些工廠的循環水管道管徑可大到1.8～ 2.0m,為了減少占地面積及減輕管橋荷重及防凍等原因,一般均采用埋地敷設。
2)由于輸送流量大,為了減少長期操作費用,一般設計流速偏低,且流量及流速時常有變化。
3)循環水及污水有不同程度的懸浮物或沉淤物、水質條件差。
4)現場儀表安裝在裝置邊界以外,儀表配管及信號線敷設比較困難。
5)計量精度滿足企業內部做物料平衡及經濟核算即可。
2.2 洛陽石化總廠在上述場所使用的流量計多為管裝法蘭式地表水流量計和法蘭取壓同心圓銳孔板,銳孔板測量中主要存在以下問題。
1)由于管道為地下敷設,儀表安裝處設一地下井,待儀表安裝時因地下井漏水,將管線全部浸沒,井內存許多雜物,使儀表安裝無法進行;安裝后儀表長期浸沒在水中也無法檢修。
2)考慮到冬天防凍,安裝變送器的儀表箱及測量引線要求進行保溫伴熱,由于這些儀表基本都在裝置或工廠的邊界線上,距離伴熱蒸汽(或熱水)及回水點很遠,故使伴熱造成很大困難。
3)用水量隨工藝裝置操作條件而常有變化,其流量和流速變化較大,有時在很低流速下工作,其測量精度不高,測量誤差較大。
從原理、結構及安裝上,渦街流量計是一種較好的測量方法,但在循環水、污水大管道測量中也存在一些問題:
1)渦街流量計的測量精度與流速關系較大(即流體應在一定的雷諾數之上),不適于這種大管道、流速低的流體測量;
2)不宜安裝在被水浸沒的場所;
3)沉積物及懸浮物在渦街傳感器中沉積時對測量精度有影響;
4)使用壽命較短。
3、地表水流量計的特點
1)測量不受流體密度、溫度、壓力、粘度和導電率變化的影響,且與流速分布無關;
2)測量管截面積沒有收縮,無阻擋流動部件、無壓力損失;
3)適用于漿狀、污泥及帶固體的液體;
4)精度較高,± 0.5%;
5)可輸出與流速成正比例的線性模擬信號或
脈沖信號,測量范圍寬、線性好、零點穩定;
6)適用管徑范圍寬(16～ 3000mm)、要求較少的直管段;
7)電極和襯里可采用不同材質制造,耐腐蝕、抗磨損、可在高溫和水下安裝;
8)應用限制:測量液體必須有最小導電率(1μ S/cm隨供貨商而定);測量流體有沉積物時,會使測量精度降低;對溫度和壓力有一定限制。
4、插入式地表水流量計的特點及應用
4.1 插入式地表水流量計的特點
1)傳感器(探頭)直接插入被測管道,與一般管裝法蘭式地表水流量計相比,具有體積小、安裝方便、投資少等優點;
2)傳感器插入深度僅為管道直徑的10%～
12.5%,無壓損,特別適用于大口徑管道中的流量測量,有優越的性能價格比;
3)無淤塞、無磨損件、免維護;
4)傳感器可以做成潛水浸沒型(IP68),很適于在工廠中埋地管道上安裝;
5)可以提供防爆結構產品;
6)采用電流、脈沖信號輸出,絕對零點穩定
7)測量最低流速可至0.1m/s(甚至更低),最小導電率≥ 20μS/cm;
8)傳感器可帶安裝附件,現場安裝容易;
9)精度較低,一般為± 1%。
4.2 測量原理
安裝在傳感器中的通電線圈在管道中產生穩定的磁場,導電液體流過時,切割磁力線,產生與流速成正比的電壓信號,該信號被傳感器兩電極檢出,并轉換成4～ 20mA模擬信號或脈沖信號,從而實現對流體的測量(見圖1)。
4.3 適用范圍
與一般地表水流量計的測量范圍相同。
5、插入式地表水流量計的結構特點及儀表選型
5.1 結構特點
插入式地表水流量計主要由兩部分組成———傳感器和變送器。
1)按其組合方式可分為:
一體式(傳感器和變送器一體安裝,見圖2);
分離式(傳感器和變送器分離安裝,見圖3)。
2)按防爆形式分為:普通型和隔爆型。
3)按變送器信號類型分為:
模擬變送器和微處理變送器。
按傳感器使用場合分為:
一般型(溫度- 20～ 120 壓力1.6MPa);
耐高溫型(溫度180 壓力4.0MPa);
此外,傳感器還可制成在線可拆卸型。
5.2 儀表選型
針對插入式地表水流量計的特點,工程設計中儀表選型要點是:
1)提供被測液體的性質(主要是電導率)、流體測量范圍、被測介質溫度、壓力、工藝管道內徑等;
2)根據安裝位置確定選普通型一體式或分離式;隔爆型一體式或分離式;
3)根據介質腐蝕程度,確定傳感器的材質;計算插入式地表水流量計可測量的最低流速(流速偏低影響測量精度),以確定是否應縮小工藝管徑(提高流體流速);
4)按工藝管道內徑確定插入式地表水流量計的插入深度及所帶安裝附件。
6、插入式地表水流量計的安裝
如前所述,插入式地表水流量計安裝十分簡單,選型時只要成套訂購法蘭短管,按傳感器安裝尺寸在工藝管道上開口,并按工藝管道尺寸將法蘭短管加工成能符合傳感器安裝要求的尺寸后,將其焊接在工藝管道上即可,詳見安裝示意圖4,5)。
7、插入式地表水流量計在洛陽石化總廠的應用情況
我廠原設計處理能力很大,自1984年開工以來多次變更原油處理能力,致使公用工程中的水(新鮮水、循環水、污水等)流量變化很大,且這些管道大多都埋在地下,過去設置在水井中的儀表由于水井漏水長期浸泡,大多數儀表都無法使用。近幾年來,我們在改建或新建裝置和系統工程中陸續使用一批插入式地表水流量計,其使用效果良好,基本滿足廠里對這些介質的測量和計量問題。
在目前新建的化纖工程中,根據廠里的使用經驗,與承擔工程設計的設計單位商定,又采用一批插入式地表水流量計,用于新鮮水、循環水及污水的測量。
8、插入式地表水流量計使用中存在的問題
1)插入式地表水流量計其測量最低流速一般可小至0.1m/s。但實際選用時仍應對其所測得的最低流速進行核算,以確保被測流量有一較好的測量精度。
2)流量計前直管段應≥ 5D;流量計后直管段應≥ 3D(D為管道公稱直徑)。
3)管路有沉淀物析出時,如污泥與淤泥,此時流體應有較高的測量流速,防止污物的沉積,特別是在那些沉積物會產生使傳感器絕緣的場合,更應注意,必要時應選擇可更換電極的傳感器(可在線拆裝)。
4)對于流量變化范圍大、流體速度長期低于流量計要求的最低流速的場合,應考慮縮小工藝管道或采用兩臺一大一小并聯安裝的流量計。
5)插入式地表水流量計與普通地表水流量計一樣宜在垂直的工藝管道上安裝,這樣可防止懸浮的固體沉落在電極上,同時使流體中的油分上升到電極的測量范圍之外,如果流量計在水平工藝管道上安裝,則應使傳感器的電極處于水平軸線上,避免電極由于空氣泡產生的干擾,導致測量誤差。
6)當工藝管道中不能完全充滿流體,可采用一“V”型彎管結構(見圖6),這特別適用于污水測量中含固體較多且流體不滿管的場合。
7)電極上的信號范圍小(毫伏級),應避免接地電流流過測量電極附近。
8)在非金屬管道(如陶瓷或塑料等)上安裝插入式地表水流量計時,安裝流量計處的一段管道一般應采用金屬材質。