摘 要： 針對靶式流量計(jì)和渦街式流量計(jì)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(diǎn)，從流量計(jì)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(jì)。在生產(chǎn)過程中，彎管流量計(jì)有效地解決了靶式流量計(jì)和渦街式流量計(jì)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(jì) 渦街流量計(jì) 彎管流量計(jì) 流量計(jì)選型 硬水

流量計(jì)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(jì)量。流量計(jì)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(jì)測量的是否準(zhǔn)確與流量計(jì)的測量方式和被測介質(zhì)的特點(diǎn)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(jì)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(jì)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(jì)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(diǎn)和流量計(jì)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(jì)

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(jì)。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(jì)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(diǎn)（軸封膜片一方面作為杠桿的支點(diǎn)，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(shí)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(shí)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(diǎn)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(jì)

2.1 現(xiàn)象

FIC1101在采用靶式流量計(jì)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(jì)的測量方式，選擇了測量流體頻率的流量計(jì)——渦街流量計(jì)。FIC1101采用了渦街式流量計(jì)，在投入使用的一個月內(nèi)，其運(yùn)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(jì)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(jì)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(shí)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(jì)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(jì)的類型，選擇適合測量硬水流量的流量計(jì)；

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(shí)際，只能考慮流量計(jì)的選型，什么樣的流量計(jì)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(jì)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(jì)在測量的過程中影響較小。

根據(jù)各種類型流量計(jì)的結(jié)構(gòu)、測量方式和特點(diǎn)，符合條件1）和2）件的有：差壓孔板流量計(jì)、超聲波流量計(jì)和電磁流量計(jì)。如果FIC1101采用差壓孔板流量計(jì)，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(jì)測量硬水流量的效果不佳。因超聲波流量計(jì)和電磁流量計(jì)的價格昂貴，投資費(fèi)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(jì)。

4 彎管式流量計(jì)

4.1 測量原理和結(jié)構(gòu)

彎管式流量計(jì)與傳統(tǒng)的孔板流量計(jì)一樣同屬于差壓式流量計(jì)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(yùn)動。當(dāng)流體在作圓周運(yùn)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(yùn)動的曲率半徑有關(guān)。它們之間遵循作圓周運(yùn)動物體都必須遵循的牛頓運(yùn)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(jì)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(yùn)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(yùn)動和結(jié)垢的速度。

5 結(jié)束語

FIC1101在采用彎管式流量計(jì)測量電脫鹽注水的過程中，表現(xiàn)出運(yùn)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(yùn)行正常。

因此在選用流量計(jì)時，要考慮的因素很多：準(zhǔn)確度、可靠性、費(fèi)用、流體特性及其它因素。要嚴(yán)格分析流量計(jì)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(jì)，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。 1、瞬時流量計(jì)波動大？

A、信號強(qiáng)度波動大；B、本身測量流體波動大；

解決方法：調(diào)整好探頭位置，提高信號強(qiáng)度（保持在3%以上）保證信號強(qiáng)度穩(wěn)定，如本身流體波動大，則位置不好，重新選點(diǎn)，確保前10D后5D的工況要求。

2、外夾式流量計(jì)信號低？

管徑過大，管道結(jié)垢嚴(yán)重，或選擇安裝方式不對。

解決方法：對于管徑過大、結(jié)垢嚴(yán)重，建議采用插入式探頭，或選擇“Z”型安裝方式。

3、插入式探頭使用一段時間后信號降低？

可能探頭發(fā)生偏移或探頭表面水垢厚。

解決方法：重新調(diào)整探頭位置，清冼探頭發(fā)射面。

4、開機(jī)無顯示

檢查電源屬性是否與儀表的額定值相對應(yīng)，保險絲是否燒斷，如以上問題不薦在，對建議把儀器發(fā)回我司由專業(yè)技術(shù)人員檢查。

5、開機(jī)后儀表僅有背光，無任何字符顯示

此情況一般為程序芯片失，建議把儀器發(fā)回我司進(jìn)行處理。

6、儀表在現(xiàn)場強(qiáng)干擾下無法使用？

供電電源波動范圍較大，周圍有變頻器或強(qiáng)磁場干擾，接地線不正確。

解決方法：給儀表提供穩(wěn)定的供電電源，儀表安裝遠(yuǎn)離變頻器和強(qiáng)磁場干擾，有良好的接地線。

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