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电磁流量计

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流量仪表在石油化工行业中的选型及应用

来源:作者:发表时间:2017-08-24 09:47:42

 [摘 要]流量仪表是过程自动化仪表与装置中的重要的仪表之一,作为能源计量器具的重要组成部分,被广泛应用于石油、冶金、电力等各个领域,在国民经济中占有重要的地位。文章介绍了常用流量仪表在石油化工行业中的的选型及应用,通过规范设计、合理选型、正确的安装和维护,让流量仪表在石油化工行业中发挥更大的作用。

 
1  流量仪表的单位和刻度
1.1 流量按如下单位表示:
体积流量用 m 3 /h、l/h;
质量流量用 kg/h、t/h;
标准状态下,气体体积流量用 Nm 3 /h(0 ℃、0.101325 MPa)。
 
1.2 两种可供选择的刻度
1.2.1 方根刻度范围:(满刻度读数为 0~10 方根)
(1)最大流量的刻度读数不应超过 9.5;
(2)正常流量的刻度读数应为 6.0~8.5,最好在 7;
(3)最小流量的刻度读数不应小于 3。对于智能变送器/就地差压指示,不小于 2;
(4)如果为了增加测量范围,可采用两个变送器,组成宽量程流量测量回路。此时,第一个变送器的最大差压范围不小于 50kPa,第二个变送器的差压范围不小于 5 kPa。最小流量的方根读数不小于 1。如有可能,这种情况下使用涡街流量计替代差压变送器。
 
1.2.2 线性刻度范围:(满刻度读数为 0 %~100 %线性)
(1)最大流量的刻度读数不应超过 90 %;
(2)正常流量的刻度读数应为 40 %~70 %,最好为 50 %;
(3)最小流量的刻度读数不应小于 10 %。1.2 远传差压式水位测量装置。
 
2  流量仪表的选型
流量测量优先采用节流装置配差压变送器的方式,也可以根据工艺条件、精度要求、当地规范等因素选择其他类型流量计。用于贸易交接等工况的流量计,其精度不应低于 0.2 %(测量值);用于内部结算、装置间物料平衡等工况的流量计,其精度不应低于 0.5 %(测量值)。
 
2.1 差压式流量计的选择
2.1.1 标准节流装置
(1)一般流体的流量测量,选用标准节流装置,包括同心孔板、文丘里、流量喷嘴等。
(2)流体雷诺数在 10000 以上时,节流装置一般情况首先选用同心、锐边孔板;除非工艺有特殊要求,尽量避免使用非同心孔板,偏心孔板和圆缺孔板;
(3)法兰取压孔板的安装管道最小尺寸为 DN50(2″);
(4)对于工艺管线小于 DN50(2″)的可以使用角接取压的内藏孔板,内藏孔板应带直管段(上游 15D,下游 5D),采用制造厂标准;
(5)对于永久压损要求很低情况,可以使用流量喷嘴或文丘里管。在孔板的直管段长度不够的情况下,可以选用文丘里管。
 
2.1.2 非标准节流装置
特殊情况下的流体流量测量可选用除同心孔板、文丘里、流量喷嘴之外的非标准节流装置,规定如下:
(1)被测介质为干净的气体、液体,雷诺数在 10000~100000时,可选用 1/4 圆喷嘴;
(2)被测介质为干净的气体、液体,雷诺数在 10000~300000时,可选用双重孔板;
(3)管径大于 DN100(4″),被测介质粘度低,且含有固体微粒,在孔板前后可能积存沉淀物时,可选用偏心孔板;
(4)管径大于 DN100(4″),测量液体粘度低,含有气体或气体中含有凝液的介质,或液体中含有固体颗粒的介质时,可选用圆缺孔板;
(5)测量高粘度、低雷诺数(低至 500,或制造厂建议)的流体,如原油、油浆、渣油、沥青等可选用楔型流量计,尺寸为DN40(1-1/2″)到 DN600(24″);
(6)无悬浮物的洁净气体、液体、蒸汽的微小流量,测量精确度等级要求不高时,可选用内藏孔板差压变送器;
(7)均速皮托管/阿纽巴可以用于低压损,非关键场合的洁净介质;
(8)四分之一圆孔板可以用于雷诺数小于 10000 的洁净介质;
(9)孔板法兰最低压力等级为 ASME B16.5 Class 300lb。
 
2.2 电磁流量计
        在炼油、化工生产中,公用工程部分的有些液体(如循环水及生活用水等)介质具有导电性 [2] ,因而可以应用电磁感应的方法来测量流量,电磁流量计的特点具有能够测量酸、碱、盐溶液以及含有固体颗粒(如泥浆)或纤维流量的测量。
 
2.2.1 测量原理
        根据法拉第电磁感应定律制造的用来测量管内导电介质体积流量的感应式仪表。主要组成:电磁流量计的结构主要由磁路系统、测量导管、电极、外壳、衬里和转换器等部分组成。如图 1所示,在一段用非导磁材料做成的管道外面,安装有一对磁极 N和 S,用以产生磁场,当导电液体(不小于 10-5~10-61/cm.Ω 即不小于水的导电率)流过管道时,因流体切割磁力线而产生了感应电势 E(根据发电机原理)。此感应电势由与磁极垂直方向的两个电极引出。当磁场强度 H 不变,管道直径一定时,这个感应电势的大小仅与液体的流速有关,而与其它因素无关。电动势 E 正比于磁通量密度 H,测量管内径 D 与平均流速 V 的乘积。电动势 E(流量信号)由电极检出并通过电缆送至转换器。转化器将流量信号放大处理后,可显示流体流量,并能输出脉冲、模拟电流等信号,用于流量的控制和调节。
 
感应电势的大小由下式决定:
E=KHDV (1)
式中:E—为感应电势即电极间的信号电压(v)
H—磁场强度
D—测量管内径(m),即导体垂直切割磁力线的长度;
V—平均流速(m/s)。
管道内体积流量计算公式:
Q=1/4πD2V (2)
将(2)式代入式(1)便得:
E=4KHQ/πD=kQ
式中 k=4KH/πD 为仪表常数。
 
        式(1)中 K、D 为常数,由于励磁电流是恒流的,故 H 也是常数,则由 E=kQ 可知,体积流量 Q 与信号电压 E-成正比,即流速感应的信号电压 E 与体积 Q 成线性关系。因此,只要测量出 E 就可确定流量 Q,这是电磁流量计的基本工作原理。由 E=KHDV 可知,其输出信号不受被测液体物理性质的影响(如温度、压力、粘度)。因此说电磁流量计是一种真正的体积流量计。
 
2.2.2 优缺点
        只要用普通的水实际标定后就可以测量其他任何导电流体介质的体积流量,而不需要任何修正。这是电磁流量计的一突出优点。另外,测量管内无活动及阻流部件,因此几乎没有压力损失,并且有很高的可靠性。最大流量与最小流量的比值一般为 20∶1以上,电磁流量计测量范围度大,通常为 20∶1~50∶1,可选流量范围宽。电磁流量计具有显著的优点,但也有些缺点,主要是在液体中所感应出的电势数值很小,所以要引入放大系数很大的放大器由此造成测量系统很复杂、成本高,并且很容易受外界电磁场干扰的影响,在使用不恰当时会大大地影响仪表的精度。电磁流量计不能测量非导电液体的流量,也不能测量气体和蒸汽的流量。在使用中要注意维护,防止电极与管道间绝缘的破坏。
 
2.3 质量流量计
        质量流量计的测量方法,可分为间接测量和直接测量两类。工程中一般用直接式。直接式质量流量计的输出信号直接反映质量流量,其测量不受流体的温度、压力、密度变化的影响。直接式质量流量计有许多种形式。常用有以下两种测量方式:
 
2.3.1 热式质量流量计
        热式质量流量计的基本原理是利用外部热源对管道内的被测流体加热,热能随流体一起流动,通过测量因流体流动而造成的热量(温度)变化来反映出流体的质量流量。
 
2.3.2 科里奥利质量流量计
        测量原理:如果在管子同步振动的同时,将流体导入管内,使之沿管内向前流动,则管子将强迫流体与之一起上下振动。流体为了反抗这种强迫振动,会给管子一个与其流动方向垂直的反作用力,在这种被叫做科里奥利效应力的作用下,管子的震动不同步了,入口段管与出口段管在振动的时间先后商会出现差异,(差异是由于入口段和出口段流体流向是相反的),这叫做相位时间差。这种差异与流过管子的流体质量流量的大小成正比。如果通过电路能检测出这种时间差异的大小,则就能将质量流量的大小给确定了。这种流量计被称作科里奥利直接质量流量计,它与世界上目前在用的几十种常规容积式流量计的最大不同是它测的质量的大小,使用的单位是 kg/h。用质量(如千克)作单位的流量计比用容积(如立升或立方米)作单位的容积式流量计要准确和恒定。因为质量是遵循守恒定律的。
 
        科里奥利质量流量计(简称科氏力流量计),是一种利用流体在振动管中流动,而产生与质量流量成正比的科里奥利力的原理来直接测量质量流量的仪表。科氏力原理的质量流量计,可以按以下特点分类:
 
        测量管的数量:单管式,双管式,多管式。单管式一般应用于小流量,或针对一般物料中有悬浮物等测量;多管式较为少见过;双管式是最常见的。
        测量管形状:直管式,U 型管式,Ω 管式,微弯管式等。
        仪表结构:一体式,分体式。
        供电方式:二线制,四线制。
        测量管保温方式:普通型、保温隔热型、伴热型(高温用)。
 
        优点:科里奥利质量流量计直接测量质量流量,有很高的测量精确度。
 
        可测量流体范围广泛,包括高粘度的各种液体、含有固形物的浆液、含有微量气体的液体、有足够密度的中高压气体。测量管的振动幅小,可视作非活动件,测量管路内无阻碍件和活动件。对应对迎流流速分布不敏感,因而无上下游直管段要求。测量值对流体粘度不敏感,流体密度变化对测量值得值的影响微小。可做多参数测量,如同期测量密度,并由此派生出测量溶液中溶质所含的浓度。
 
        缺点:科里奥利质量流量计不能用于测量低密度介质和低压气体;液体中含气量超过某一限制(按型号而异)会显着著影响测量值。科里奥利质量流量计对外界振动干扰较为敏感,为防止管道振动影响,大部分型号科里奥利质量流量计的流量传感器安装固定要求较高。不能用于较大管径,目前尚局限于 150(200)mm以下。测量管内壁磨损腐蚀或沉积结垢会影响测量精确度,尤其对薄壁管测量管的科里奥利质量流量计更为显着。
 
2.4 超声波流量计
2.4.1 测量原理及组成
        超声波流量计是通过检测流体流动对超声束(或超声脉冲)的作用以测量流量的仪表。超声波流量计由超声波换能器、电子线路及流量显示和累积系统三部分组成。超声波发射换能器将电能转换为超声波能量,并将其发射到被测流体中,接收器接收到的超声波信号,经电子线路放大并转换为代表流量的电信号供给显示和积算仪表进行显示和积算。这样就实现了流量的检测和显示。
 
2.4.2 优、缺点
        优点:超声波流量计是一种非接触式仪表,它既可以测量大管径的介质流量也可以用于不易接触和观察的介质的测量。它的测量准确度很高,几乎不受被测介质的各种参数的干扰,尤其可以解决其它仪表不能测量的强腐蚀性、非导电性、放射性及易燃易爆介质的流量测量问题。
 
        缺点:现今所存在的缺点主要是可测流体的温度范围受超声波换能铝及换能器与管道之间的耦合材料耐温程度的限制,以及高温下被测流体传声速度的原始数据不全。目前我国只能用于测量 200 ℃以下的流体。另外,超声波流量计的测量线路比一般流量计复杂。这是因为,一般工业计量中液体的流速常常是每秒几米,而声波在液体中的传播速度约为 1500 m/s 左右,被测流体流速(流量)变化带给声速的变化量最大也是 10 -3 数量级。若要求测量流速的准确度为 1 %,则对声速的测量准确度需为 10 -5 ~10 -6 数量级,因此必须有完善的测量线路才能实现,这也正是超声波流量计只有在集成电路技术迅速发展的前题下才能得到实际应用的原因。
 
3  结束语
        流量仪表测量是自动化仪表的一部分,是工厂自动化的基础,是稳定工艺过程运行的重要保证。所以正确的选型至关重要,用户在选用流量仪表时应充分掌握测量工况的各项工艺条件及其安装要求,了解流量仪表的测量原理及安装所处的环境条件,以确保正确地选用合适的流量仪表,提高流量仪表的准确性和稳定性。