流量计在硬水流量测量中出现的问题及选型

刘想

（中国石化股份有限公司西安石化分公司 陕西 西安 710086）

流量计广泛应用于石油化工生产中，贯穿于全过程中，任何一个环节都离不开流量计量。流量计测量不准确影响各个生产环节的产品质量，严重的还会发生生产安全事故。流量计测量的是否准确与流量计的测量方式和被测介质的特点有很大的关系。西安分公司沥青生产装置中的电脱盐一级注水流量计FIC1101测量范围为0～5 T/h。使用介质为生产循环水，水的温度在60～80℃，硬度8～13，属于硬水。由于生产循环水，水质差，硬度大，在生产过程中易结垢。FIC1101在采用靶式流量计时，经常出现测量值不准确和不变化的问题，需要经常维修，清理靶片和靶杆上的水垢。后来对FIC1101改变了测量方式，在采用涡街流量计时，经常出现测量值波动大和回零问题，需要每周维修多次。根据FIC1101在生产中出现的问题，结合硬水特点和流量计的测量方式和取压方式进行一一分析和讨论。

1 靶式流量计

1.1 现象

在生产测量过程中，FIC1101采用了靶式流量计。工艺反映其测量值不准确，出现偏高或偏低以及不动弹的现象。对FIC1101的电路模块、FIV1101的开度和泵的出口压力进行检查，均属正常。拆卸FIC1101，发现靶片和反馈杆上，结有一层水垢，并且反馈杆的弹性较差。这些水垢对靶式流量计有那些影响呢？首先看其测量原理和结构。

1.2 测量原理和结构

当介质在测量管道中流动时，因其自身的动能通过阻流元件（靶片和杠杆3）时而产生的压差，并对阻流元件有一作用力F1，如图1所示[1]，其作用力的大小与介质流速的平方成正比，其数学公式[1]表达如下：

式中：F1为阻流元件所受的作用力 （Kg）；Cd为物体阻力系数；A为阻流元件的轴向投影面积（mm2）；ρ为工况下介质密度（Kg/m3）；V为介质在测量管中的平均流速（m/s）。

阻流件（靶片）接受的作用力F1作用在杠杆3（反馈杆）上，杠杆3在F1的作用下，以轴封膜片为支点（轴封膜片一方面作为杠杆的支点，另一方面起密封作用）将力F1传给副杆1，形成力F2。副杆1的另一端与电容力传感器相连，电容力传感器把副杆1传递的力F2转换成毫伏电压信号输出：

式中：U为电容力传感器输出的电压 （mV）；K为比例常数；F为阻流元件（靶片）所受的作用力（Kg）。

由此，电压信号经前置放大、A/D转换、微处理器、D/A转换器等电路，输出4～20 mA开方电流模拟信号及HART数字信号，即可得到相应的瞬时流量和累积总量。

图1 结构传动示意图Fig.1 Diagram of structural transmission

1.3 分析故障产生的原因

1）当水垢结在靶片上，使靶片面积A增加，由公式（1）可知，作用在靶片上的冲量也随之增加。在杠杆1和杠杆3的传递下，作用在电容力传感器上的力F2增加，由公式（2）可知，电容力传感器输出的电压信号增加，造成测量值比真实值偏高。

2）当水垢结在杠杆3上，使杠杆3的直径增加，造成杠杆3与轴封膜片之间产生应力F3。F3经过杠杆1传递给电容力传感器上，因此，F2=F1+F3。随着F3的方向变化，造成F2增大或减小，使电容力传感器输出的电压信号增大或减小，导致测量值比真实值偏高或偏低。

3）随着水垢结在杠杆3上的厚度达到一定程度后，使杠杆3与轴封膜片之间包死，杠杆3失去了弹性，轴封膜片失去了支点作用，F1的大小已不能通过杠杆1和3传递给电容力传感器，而F2的大小保持不变，因此，电容力传感器输出的电压信号不变，造成测量值不动弹的假现象。

2 涡街流量计

2.1 现象

FIC1101在采用靶式流量计测量硬水流量的过程中，因硬水结垢影响了力的传递，导致测量不准确，所以需要改变流量计的测量方式，选择了测量流体频率的流量计——涡街流量计。FIC1101采用了涡街式流量计，在投入使用的一个月内，其运行稳定，反映灵敏，测量准确。随后，FIC1101出现测量指示值不准确，闪动频率大，并且跳动的指示植越来越小，直至为零。检查电路模块、FIV1101的开度和泵的出口压力，均属正常。推测FIC1101的传感器出现了问题，拆卸FIC1101，发现滞流元件上结有一层水垢，滞流元件与底座之间包死。

2.2 测量原理和结构

涡街流量计是应用流体振荡原理来测量流量的流体在管道中经过涡街流量变送器时，在三角柱的旋涡发生体后上下交替产生正比于流速的两列旋涡，如图2所示[2]，旋涡的释放频率与流过旋涡发生体的流体平均速度及旋涡发生体特征宽度有关，可用数学公式[2]表示：

式中:f为旋涡的释放频率 （Hz）；v为流过旋涡发生体的流体平均速度（m/s）；d为旋涡发生体特征宽度（m）；St为斯特罗哈数，无量纲，它的数值范围为0.14～0.27。St是雷诺数的函数，St=f（l/Re）。

当雷诺数 Re在 102～105范围内，St值约为 0.2， 因此，在测量中，要尽量满足流体的雷诺数在 102～105，旋涡频率 f＝0.2 V/d[3]。

由此可知，通过测量旋涡频率就可以计算出流过旋涡发生体的流体平均速度v，再由式q=vA可以求出流量q，其中A为流体流过旋涡发生体的截面积。

当旋涡在滞流元件两侧产生时，利用压电传感器测出与流体流向垂直的交变升力变化，将升力的变化转换为电的频率信号，再将频率信号进行放大和整形，输出到二次仪表，进行累积、显示[4]。

图2 流量检测示意图Fig.2 Schematic of flow detection

2.3 分析故障产生的原因

由于检测元件——压电传感器安装在滞流元件中，当水垢结在滞流元件上会造成以下后果：

1）造成滞流元件的宽度d增大，由公式（3）可知，检测元件接收到涡旋列产生的频率减小，输出电压信号减小，因此测量指示值比真实值偏低。

2）使检测元件接收到涡旋列产生的频率信号减弱，影响了测量信号的稳定性和连续性，因此出现了测量值不稳定的现象。

3）随着水垢厚度的不断增加，当达到一定程度后，使检测元件接受不到涡旋列产生的频率信号，导致测量值为零。

3 探讨和选型

FIC1101在采用靶式和涡街式流量计测量硬水流量的过程中，出现测量不准确的现象，从以上分析故障原因可知，是由水质结垢引起的，所以要提高FIC1101在测量过程中的稳定性和准确性，有以下两种选择：

1）更换流量计的类型，选择适合测量硬水流量的流量计；

2）更换被测介质，电脱盐注水由硬水改为纯净水。

因节能减排和生产实际，只能考虑流量计的选型，什么样的流量计在测量硬水流量时，不受结垢的影响或受其的影响较小呢？要从以下3方面分析：

1）硬水在流量计中不结垢；

2）硬水与测量元件之间隔离；

3）硬水结垢对流量计在测量的过程中影响较小。

根据各种类型流量计的结构、测量方式和特点，符合条件1）和2）件的有：差压孔板流量计、超声波流量计和电磁流量计。如果FIC1101采用差压孔板流量计，差压变送器的测压室与被介质被引压管内的引压液隔离[5]，符合条件2）。但是孔板的表面要求光洁度极高，当水垢结在孔板上，将影响到孔板两侧的压差，造成测量不准确；另外，FIC1101距地面50 cm，不利于铺设引压管。所以，FIC1101采用差压孔板流量计测量硬水流量的效果不佳。因超声波流量计和电磁流量计的价格昂贵，投资费用高，不易采用。从条件3）考虑，FIC1101采用了国内近阶段出现测量流量的一个新品种——弯管式流量计。

4 弯管式流量计

4.1 测量原理和结构

弯管式流量计与传统的孔板流量计一样同属于差压式流量计的范畴，只是它们产生差压的方式不同，孔板是利用流体的缩放原理产生的差压，而弯管传感器是利用流体的惯性原理产生的差压。当流体通过弯管时，受到弯管的约束，流体被迫作类似的圆周运动。当流体在作圆周运动时，产生的离心力F作用在弯管的内外两侧，使弯管传感器内外两侧之间产生一个压力差，此压力差（也就是压差值）的大小与流体的密度有关，与流体的平均流速有关，与流体作圆周运动的曲率半径有关。它们之间遵循作圆周运动物体都必须遵循的牛顿运动定律[6]：

其中：F为流体对弯管的离心力；v为流体在弯管中的平均流速；R为弯管中心曲率半径。

通过对上述公式进行整合、积分处理之后，可得公式：

其中：v为介质中弯管传感器中的平均流速；R/d为弯管传感器的弯径比；ΔP为流体通过弯管传感器的差压值；ρ为介质的密度。

这个公式描述了介质在弯管传感器中流动时，介质对弯管施加的离心力与介质的密度，介质的平均流速以及弯管的弯径比之间的关系。另外，只要介质在弯管传感器中流动的最小雷诺数达到一个极低值以上，弯管流量计的流量系数α就是一个定值。用引压管把弯管内外两侧的压差ΔP引出，传递给差压变送器，如图3所示[6]，再通过公式（5），即可得到流经弯管内的流体速度v。

图3 取压示意图Fig.3 Diagram of pressure

4.2 分析运行效果良好的原因

1）测压室与被测介质被引压管内的介质隔离，使测压室内不易结垢；

2）引压管内的介质水相对稳定，并与管道内的被测介质进行钙离子交换的速度慢，并且交换量极小，所以在引压管和测压室内结垢的速度极小，不会影响引压和测压效果；

3）引压管在测压室与取压口之间有一段距离，易于散热，降低了引压管内钙离子的热运动和结垢的速度。

5 结束语

FIC1101在采用弯管式流量计测量电脱盐注水的过程中，表现出运行稳定，测量准确，反映灵敏的效果。FIC1101的维修次数由过去每周的二三次，变为每年维修一次，主要是清理取压弯管和测压室内的水垢，并且投用后偏移量小，运行正常。

因此在选用流量计时，要考虑的因素很多：准确度、可靠性、费用、流体特性及其它因素。要严格分析流量计的工作性能，被测流体的物理和化学特性，结合现场环境因素、安装条件和设备的性价比等情况，选择合适的流量计，避免因选型不当产生不稳定的安全生产因素和造成不必要的经济损失。

[1]ZBLB系列“智能靶式流量变送器使用说明书”[M].丹东：丹东通博电器有限公司，2001.

[2]乐嘉谦.仪表维修工（中级工）[M].北京：化学工业出版社，2005：7-31.

[3]施引萱，王丹君.仪表维修工（高级工）[M].北京：化学工业出版社，2005：123-147.

[4]左国庆，明赐东.自动化仪表故障实例 [M].北京：化学工业出版社，2008.

[5]厉玉鸣.化工仪表及自动化[M].北京：化学工业出版社，2008.

[6]JDWG系列“弯管流量计使用说明书”[M].淮阴：金湖金德工控仪表有限公司，2009.