地表水流量計在大口徑管道測量中的特點(diǎn)及工程設計說(shuō)明

地表水流量計在各類(lèi)導電介質(zhì)的管道測量中市場(chǎng)占有率逐年上升，目前已經(jīng)是流量計裝機數量最多，應用最為廣泛的流量計品類(lèi)之一，在許多行業(yè)的各類(lèi)測量現場(chǎng)發(fā)揮了重要的作用。地表水流量計我們最常見(jiàn)的結構形式就是管道一體式，管道分體式。由于現場(chǎng)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(guò)1米的大型管道，其在儀表購買(mǎi)與安裝上的費用將是很大的一筆開(kāi)支，針對于這種情況，也得益于控制測量精度的數字技術(shù)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(diǎn)表現在：結構簡(jiǎn)單、重量輕巧、安裝方便、維護簡(jiǎn)易、價(jià)格相對于管道式產(chǎn)品便宜很多，因此很家工程設計者和用戶(hù)的歡迎。
最近幾年來(lái)，隨著(zhù)石化總廠(chǎng)對裝置及公用工程計量要求的提高，在對現有裝置的技術(shù)改造、新裝置和基建項目的設計中，特別是大型輸送管道環(huán)節，對于裝置內外的新鮮水、循環(huán)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(zhì)在裝置內和公用系統中的流量檢測和計量問(wèn)題，同時(shí)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(shù)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(shuō)明如下。
1.1　封閉管道(滿(mǎn)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(jiǎn)單、精度高、重復性好、無(wú)需現場(chǎng)標定、使用壽命長(cháng),但要求直管段長(cháng)、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(zhì)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?jì)x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?jì)x表,從國內使用來(lái)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(mǎn)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(mǎn)管中的流體液面及流速,根據液體流過(guò)的截面積計算其流量。
2、石化企業(yè)中大口徑導電液體流量測量中的問(wèn)題
2.1　在石油化工廠(chǎng)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(huán)水、污水及海水等導電液體,它們自身及管道安裝的特點(diǎn)是:
1)管徑大,有些工廠(chǎng)的循環(huán)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(cháng)期操作費用,一般設計流速偏低,且流量及流速時(shí)常有變化。
3)循環(huán)水及污水有不同程度的懸浮物或沉淤物、水質(zhì)條件差。
4)現場(chǎng)儀表安裝在裝置邊界以外,儀表配管及信號線(xiàn)敷設比較困難。
5)計量精度滿(mǎn)足企業(yè)內部做物料平衡及經(jīng)濟核算即可。
2.2　洛陽(yáng)石化總廠(chǎng)在上述場(chǎng)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(wèn)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(shí)因地下井漏水,將管線(xiàn)全部浸沒(méi),井內存許多雜物,使儀表安裝無(wú)法進(jìn)行;安裝后儀表長(cháng)期浸沒(méi)在水中也無(wú)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(xiàn)要求進(jìn)行保溫伴熱,由于這些儀表基本都在裝置或工廠(chǎng)的邊界線(xiàn)上,距離伴熱蒸汽(或熱水)及回水點(diǎn)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(shí)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(huán)水、污水大管道測量中也存在一些問(wèn)題:
1)渦街流量計的測量精度與流速關(guān)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(méi)的場(chǎng)所;
3)沉積物及懸浮物在渦街傳感器中沉積時(shí)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(diǎn)
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(wú)關(guān);
2)測量管截面積沒(méi)有收縮,無(wú)阻擋流動(dòng)部件、無(wú)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(xiàn)性模擬信號或
脈沖信號,測量范圍寬、線(xiàn)性好、零點(diǎn)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(zhì)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(shí),會(huì )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(diǎn)及應用
4.1　插入式地表水流量計的特點(diǎn)
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(yōu)點(diǎn);
2)傳感器插入深度僅為管道直徑的10%～
12.5%,無(wú)壓損,特別適用于大口徑管道中的流量測量,有優(yōu)越的性能價(jià)格比;
3)無(wú)淤塞、無(wú)磨損件、免維護;
4)傳感器可以做成潛水浸沒(méi)型(IP68),很適于在工廠(chǎng)中埋地管道上安裝;
5)可以提供防爆結構產(chǎn)品;
6)采用電流、脈沖信號輸出,絕對零點(diǎn)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(chǎng)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(xiàn)圈在管道中產(chǎn)生穩定的磁場(chǎng),導電液體流過(guò)時(shí),切割磁力線(xiàn),產(chǎn)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(shí)現對流體的測量(見(jiàn)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(diǎn)及儀表選型
5.1　結構特點(diǎn)
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(jiàn)圖2);

分離式(傳感器和變送器分離安裝,見(jiàn)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(lèi)型分為:
模擬變送器和微處理變送器。
按傳感器使用場(chǎng)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(xiàn)可拆卸型。
5.2　儀表選型
針對插入式地表水流量計的特點(diǎn),工程設計中儀表選型要點(diǎn)是:
1)提供被測液體的性質(zhì)(主要是電導率)、流體測量范圍、被測介質(zhì)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(zhì)腐蝕程度,確定傳感器的材質(zhì);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(jiǎn)單,選型時(shí)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(kāi)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(jiàn)安裝示意圖4,5)。


7、插入式地表水流量計在洛陽(yáng)石化總廠(chǎng)的應用情況
我廠(chǎng)原設計處理能力很大,自1984年開(kāi)工以來(lái)多次變更原油處理能力,致使公用工程中的水(新鮮水、循環(huán)水、污水等)流量變化很大,且這些管道大多都埋在地下,過(guò)去設置在水井中的儀表由于水井漏水長(cháng)期浸泡,大多數儀表都無(wú)法使用。近幾年來(lái),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(mǎn)足廠(chǎng)里對這些介質(zhì)的測量和計量問(wèn)題。
在目前新建的化纖工程中,根據廠(chǎng)里的使用經(jīng)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(huán)水及污水的測量。
8、插入式地表水流量計使用中存在的問(wèn)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(shí)際選用時(shí)仍應對其所測得的最低流速進(jìn)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(chēng)直徑)。
3)管路有沉淀物析出時(shí),如污泥與淤泥,此時(shí)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(huì )產(chǎn)生使傳感器絕緣的場(chǎng)合,更應注意,必要時(shí)應選擇可更換電極的傳感器(可在線(xiàn)拆裝)。
4)對于流量變化范圍大、流體速度長(cháng)期低于流量計要求的最低流速的場(chǎng)合,應考慮縮小工藝管道或采用兩臺一大一小并聯(lián)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(shí)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(xiàn)上,避免電極由于空氣泡產(chǎn)生的干擾,導致測量誤差。
6)當工藝管道中不能完全充滿(mǎn)流體,可采用一“V”型彎管結構(見(jiàn)圖6),這特別適用于污水測量中含固體較多且流體不滿(mǎn)管的場(chǎng)合。

7)電極上的信號范圍小(毫伏級),應避免接地電流流過(guò)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(shí),安裝流量計處的一段管道一般應采用金屬材質(zhì)。

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