隔離吹洗導(dǎo)壓系統(tǒng)彎管流量計(jì)

顧偉 薛貴軍 呂鳴宇

摘? 要： 彎管流量計(jì)應(yīng)用于原油等腐蝕性、高粘度、結(jié)晶性、熔融性、沉淀性介質(zhì)測(cè)量時(shí)，差壓測(cè)量導(dǎo)壓系統(tǒng)中如果采用所測(cè)介質(zhì)直接導(dǎo)壓，會(huì)產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)、凝固、堵塞等問(wèn)題，導(dǎo)致不能實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確、可靠的流量測(cè)量。采用隔離沖洗導(dǎo)壓系統(tǒng)的方案可以很好地解決彎管流量計(jì)在原油等腐蝕性、高粘度、結(jié)晶性、熔融性、沉淀性介質(zhì)測(cè)量中產(chǎn)生的上述問(wèn)題。彎管流量計(jì)隔離沖洗測(cè)量方案利用其他介質(zhì)對(duì)差壓測(cè)量進(jìn)行隔離沖洗導(dǎo)壓，使被測(cè)介質(zhì)與差壓變送器及導(dǎo)壓系統(tǒng)不直接接觸，從而保證導(dǎo)壓系統(tǒng)不產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)、凝固、阻塞等問(wèn)題，同時(shí)不影響差壓的測(cè)量，實(shí)現(xiàn)差壓準(zhǔn)確、可靠的測(cè)量，從而保證彎管流量計(jì)的測(cè)量精度。

關(guān)鍵詞： 彎管流量計(jì); 導(dǎo)壓系統(tǒng); 差壓測(cè)量; 隔離沖洗; 參數(shù)選取; 結(jié)果分析

中圖分類號(hào)： TN98?34; TD406? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號(hào)： 1004?373X（2020）19?0075?04

Abstract： When the elbow flowmeter is applied to the measurement of corrosivity， high viscosity， crystallinity， meltbility and precipitability media like crude oil， the problems of chemical reaction， solidification and blockage will occur in the differential pressure measurement system if the direct pressure conduction of the measured medium is used， which leads to the inaccurate and unreliable flow measurement. The above problems that the elbow flowmeter meets in measurement of corrosivity， high viscosity， crystallinity， meltbility and precipitability media like crude oil can be well solved by adopting the scheme of isolated blow?wash pressure conduction system. In the isolated blow?wash measurement scheme of the elbow flowmeter， other media are used to perform isolated blow?wash pressure conduction for differential pressure measurement， so that the measured medium does not directly contact the differential pressure transmitter and the pressure conduction system to ensure that the pressure conduction system does not produce chemical reaction， solidification， blockage and other problems while it does not affect the differential pressure measurement， achieve accurate and reliable differential pressure measurement， and guarantee the measurement accuracy of elbow flowmeter.

Keywords： elbow flowmeter; conduction system; differential pressure measurement; isolated blow?wash; parameter selection; result analysis

0? 引? 言

泥漿類非牛頓流體計(jì)量問(wèn)題一直是流量計(jì)計(jì)量方面的難點(diǎn)，多次試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)通過(guò)反沖洗可以解決堵塞導(dǎo)壓管問(wèn)題，解決流量計(jì)耐磨損問(wèn)題是目前研究的重點(diǎn)。尤其需要考慮發(fā)生磨損泄露時(shí)的安全性問(wèn)題，因此先從煤漿計(jì)量入手比較合適，因?yàn)椴粫?huì)出現(xiàn)磨損泄露導(dǎo)致燃燒的安全事故，如果煉油管道磨漏將發(fā)生噴火甚至爆炸。煤化工領(lǐng)域煤漿計(jì)量是一個(gè)難點(diǎn)，目前沒(méi)有合適的流量計(jì)進(jìn)行穩(wěn)定計(jì)量，只能暫時(shí)用楔形流量計(jì)，但磨損非常嚴(yán)重，外表面加耐磨涂層后用一段時(shí)間就會(huì)磨壞，只能再換傳感器。另外，石油煉化行業(yè)需要加入大量固體高硬度催化劑顆粒，目前只能用美國(guó)進(jìn)口外卡式耐高溫超聲波流量計(jì)，但是在國(guó)內(nèi)行業(yè)的實(shí)際應(yīng)用中也沒(méi)有起到顯著的穩(wěn)定計(jì)量作用。

近幾年針對(duì)彎道內(nèi)流介質(zhì)的研究都是單相牛頓流體，而工業(yè)過(guò)程中的介質(zhì)多為多相流體或聚合物溶液，如泥漿、礦漿、石油、涂料等，而且這些多相流體介質(zhì)對(duì)工業(yè)設(shè)備的維護(hù)和正常運(yùn)行有著重要影響[1]。

1? 隔離吹洗技術(shù)

1.1? 常規(guī)吹洗系統(tǒng)

隔離就是用隔離液或隔離膜片將儀表和被測(cè)介質(zhì)分開(kāi)，實(shí)現(xiàn)保護(hù)儀表和測(cè)量的工藝方法。吹洗就是吹氣或沖液將儀表和被測(cè)介質(zhì)分開(kāi)，實(shí)現(xiàn)保護(hù)儀表和測(cè)量的工藝方法。兩種工藝方法都是為了保護(hù)儀表而使被測(cè)介質(zhì)和儀器相互分離[2]。隔離吹洗是一種相對(duì)成熟的測(cè)量解決方案，在很多工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域，例如石油化工、煤化工等行業(yè)，都制定了相關(guān)的設(shè)計(jì)規(guī)范，使其得到了廣泛的應(yīng)用。

隔離吹洗系統(tǒng)按照作用設(shè)備的不同類型可分為兩種：一種是針對(duì)測(cè)量?jī)x表（壓力、流量、液位等取壓管線）;另一種是針對(duì)設(shè)備（設(shè)備、閥門）。這一技術(shù)手段本質(zhì)上就是通過(guò)向目標(biāo)管線中不間斷吹入隔離沖洗介質(zhì)，始終保持該管線的微正壓差，從而阻止工藝介質(zhì)進(jìn)入目標(biāo)管線內(nèi)，達(dá)到保持管線通暢和介質(zhì)隔離的目的。

目前常用的針對(duì)測(cè)量?jī)x表的隔離吹洗系統(tǒng)一般包含流量計(jì)、減壓閥、恒流量閥及配套管閥件等。按恒流量閥壓力變化控制類型的不同可分為兩種：一次（入口）壓力變化控制型如圖1所示;二次（出口）壓力變化控制型如圖2所示。

如果系統(tǒng)設(shè)計(jì)中一次壓力相對(duì)穩(wěn)定，二次壓力波動(dòng)較為頻繁，為保證正常的流量和一定差壓值，可選擇二次壓力（出口）變化型，即以一次壓力（入口）為參照，通過(guò)平衡室壓力的修正，實(shí)現(xiàn)一次壓力與平衡室間的衡差壓，從而控制平衡室與出口流量的恒定。反之，如果二次壓力相對(duì)穩(wěn)定，則選擇二次壓力為參照，通過(guò)平衡室壓力的隨機(jī)修正，實(shí)現(xiàn)二次壓力與平衡室間的衡差壓，從而控制平衡室與入口間流量的恒定[3]。

1.2? 隔離吹洗導(dǎo)壓彎管流量計(jì)

帶恒流閥的吹洗裝置中，“恒流”受到兩側(cè)壓差及恒流閥參數(shù)等因素的限制，超出恒流閥的設(shè)計(jì)指標(biāo)，系統(tǒng)就會(huì)失效。而一般的恒流閥吹洗裝置很難滿足彎管流量計(jì)計(jì)量系統(tǒng)要求的小流量沖洗要求。

隔離吹洗工藝使導(dǎo)管線內(nèi)部由靜態(tài)變?yōu)榱鲃?dòng)狀態(tài)，在差壓式測(cè)量?jī)x表系統(tǒng)中，差壓變送器測(cè)量元件出口的壓力與工藝管道實(shí)際被測(cè)點(diǎn)壓力會(huì)存在壓力差，即引入了測(cè)量的系統(tǒng)誤差，該壓力差的大小是由導(dǎo)壓管線對(duì)沖洗液的阻力決定的。彎管流量計(jì)屬于微差壓流量計(jì)，本身不產(chǎn)生額外的附加壓力損失，工作差壓與同規(guī)格孔板等截流式流量相比，僅有十幾分之一甚至幾十分之一。因此，將隔離吹洗應(yīng)用于彎管流量計(jì)計(jì)量系統(tǒng)的前提條件，就是要求通過(guò)裝置可以對(duì)沖洗介質(zhì)的流量進(jìn)行監(jiān)測(cè)和控制，實(shí)現(xiàn)控制段管線的微正壓差，從而保證小流量注入，減小測(cè)量管線內(nèi)附加壓力引入的誤差。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3所示。

彎管流量計(jì)隔離沖洗裝置要求可連續(xù)、穩(wěn)定、可定量控制地向差壓變送器導(dǎo)壓系統(tǒng)注入隔離沖洗介質(zhì)，選用柱塞計(jì)量泵作為彎管流量計(jì)隔離沖洗裝置，柱塞計(jì)量泵流量可調(diào)節(jié)、可計(jì)量，流量不受工藝過(guò)程及外界環(huán)境影響，壓力高，可實(shí)現(xiàn)高壓沖洗，完全滿足彎管流量計(jì)隔離沖洗方案的要求。

1） 沖洗管線連接

彎管流量計(jì)差壓變送器導(dǎo)壓系統(tǒng)管路要求通暢、無(wú)縮徑阻塞，保證隔離沖洗介質(zhì)的流通能力。隔離沖洗介質(zhì)入口應(yīng)靠近彎管傳感器側(cè)，隔離沖洗裝置就近安裝。

2） 沖洗速度

隔離沖洗速度是指彎管流量計(jì)導(dǎo)壓管內(nèi)隔離沖洗介質(zhì)的流速，要求控制在一定范圍內(nèi)，要保持連續(xù)、穩(wěn)定、可定量控制。沖洗速度過(guò)小起不到?jīng)_洗作用，造成所測(cè)介質(zhì)進(jìn)入導(dǎo)壓系統(tǒng)，產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)、凝固、堵塞等問(wèn)題;沖洗速度過(guò)大會(huì)在導(dǎo)壓系統(tǒng)中產(chǎn)生附加的差壓，對(duì)差壓測(cè)量產(chǎn)生影響，從而影響流量的測(cè)量[4]。

彎管流量計(jì)隔離沖洗速度根據(jù)隔離沖洗介質(zhì)的種類、被測(cè)介質(zhì)的特性，以及測(cè)量要求選取，隔離沖洗液體介質(zhì)一般流速范圍可選為：0.01～0.04 m/s，對(duì)于DN14X2的導(dǎo)壓管流量范圍為：2.5～10 L/h。

1.3? 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

1） 對(duì)實(shí)驗(yàn)用傳感器進(jìn)行水的實(shí)流標(biāo)定，確定其流量系數(shù)。

2） 使用柱塞泵作為隔離吹洗源，對(duì)柱塞計(jì)量泵的流量計(jì)量刻度進(jìn)行標(biāo)定，確定計(jì)量泵的計(jì)量精度。

3） 在零流量的情況下，測(cè)定隔離吹洗對(duì)差壓的影響。

① 雙側(cè)柱塞泵流量一致的情況下，隔離吹洗對(duì)差壓的影響。

② 正壓側(cè)柱塞泵流量為0，負(fù)壓側(cè)柱塞泵的不同流速對(duì)差壓的影響。

③ 負(fù)壓側(cè)柱塞泵流量為0，正壓側(cè)柱塞泵的不同流速對(duì)差壓的影響。

④ 雙側(cè)柱塞泵的不對(duì)稱流量對(duì)差壓的影響。

4） 在粘性介質(zhì)環(huán)境中，隔離吹洗對(duì)流量系數(shù)的影響。

① 測(cè)定實(shí)驗(yàn)用傳感器的流量系數(shù)。

② 觀察隔離吹洗對(duì)傳感器流量系數(shù)的影響。

③ 在粘性介質(zhì)中加入顆粒狀雜質(zhì)，觀察隔離吹洗對(duì)傳感器流量系數(shù)的影響。

1.4? 參數(shù)選取

1） 傳感器流量系數(shù)測(cè)定選取了1.0 m/s，1.5 m/s，2.0 m/s，2.5 m/s四個(gè)流速點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量，使用1臺(tái)差壓變送器，量程設(shè)置為10 kPa。

2） 參數(shù)設(shè)置如圖4所示。

2? 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.1? 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

根據(jù)沖洗液流速分別計(jì)算流量系數(shù)，各吹洗流速下的流量系數(shù)匯總?cè)绫?所示。

2.2? 結(jié)果分析

1） 被測(cè)介質(zhì)的動(dòng)力粘度升高，會(huì)使流量系數(shù)發(fā)生變化。

如圖5所示，實(shí)驗(yàn)介質(zhì)為20 ℃的水時(shí)，動(dòng)力粘度為1.005 mPa[?]s，傳感器流量系數(shù)為0.974 537，實(shí)驗(yàn)介質(zhì)的動(dòng)力粘度升高至32 mPa[?]s時(shí)，傳感器流量系數(shù)為0.970 339。

2） 隔離吹洗介質(zhì)在導(dǎo)壓管內(nèi)的流速，是影響彎管流量計(jì)測(cè)量差壓值的主要因素。圖6是沒(méi)有流量時(shí)，開(kāi)啟單側(cè)柱塞泵，導(dǎo)壓管內(nèi)產(chǎn)生的差壓值。圖中顯示，管內(nèi)產(chǎn)生的附加壓力值隨著沖洗液流速升高而增加。需要注意的是，在同樣的吹洗條件下，負(fù)壓側(cè)產(chǎn)生的壓力值大于正壓側(cè)產(chǎn)生的壓力值，對(duì)這一現(xiàn)象需要在進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)中繼續(xù)觀察。

3） 隔離吹洗工藝可以應(yīng)用于彎管流量計(jì)。

圖7給出了不同吹洗流速下彎管流量計(jì)的流量系數(shù)散點(diǎn)圖。隔離液在導(dǎo)壓管內(nèi)的流速低于0.04 m/s時(shí)，流量系數(shù)偏差小于0.5%，且均為正向偏差，基本不影響彎管流量計(jì)的計(jì)量;但沖洗流速為0.04 m/s時(shí)，流量系數(shù)離散程度較大，標(biāo)準(zhǔn)差為0.006 3;沖洗流速為0.02 m/s時(shí)流量系數(shù)標(biāo)準(zhǔn)差為0.002 9。因此建議在實(shí)際應(yīng)用中選擇0.02 m/s以下的沖洗流速。

4） 加入顆粒狀雜質(zhì)對(duì)測(cè)量無(wú)明顯影響。圖8給出了加入顆粒狀雜質(zhì)后流量系數(shù)的散點(diǎn)圖，從圖中可以看到，加入雜質(zhì)后流量系數(shù)沒(méi)有發(fā)生明顯改變。

3? 結(jié)? 語(yǔ)

本文選用柱塞計(jì)量泵作為彎管流量計(jì)隔離沖洗裝置，柱塞計(jì)量泵流量可調(diào)節(jié)、可計(jì)量，流量不受工藝過(guò)程及外界環(huán)境影響，壓力高，可實(shí)現(xiàn)高壓沖洗，完全滿足彎管流量計(jì)隔離沖洗方案的要求。彎管流量計(jì)隔離沖洗裝置要求可連續(xù)、穩(wěn)定、可定量控制地向差壓變送器導(dǎo)壓系統(tǒng)注入隔離沖洗介質(zhì)，當(dāng)隔離液在導(dǎo)壓管內(nèi)的流速低于0.04 m/s時(shí)，流量系數(shù)偏差小于0.5%，且均為正向偏差，基本不影響彎管流量計(jì)的計(jì)量，因此建議在實(shí)際應(yīng)用中選擇0.02 m/s以下的沖洗流速。

注：本文通訊作者為薛貴軍。

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