水泥浆流量表在大口径管道测量中的特点及工程设计说明

水泥浆流量表在各类导电介质的管道测量中市场占有率逐年上升，目前已经是流量计装机数量最多，应用最为广泛的流量计品类之一，在许多行业的各类测量现场发挥了重要的作用。水泥浆流量表我们最常见的结构形式就是管道一体式，管道分体式。由于现场测量条件的特殊性各不相同，大口径的管道测量，如果采用管道式测量，尤其是直径超过1米的大型管道，其在仪表购买与安装上的费用将是很大的一笔开支，针对于这种情况，也得益于控制测量精度的数字技术的提高，目前在水泥浆流量表家族一种插入式安装的水泥浆流量表崭露头角，这种插入式水泥浆流量表的特点表现在：结构简单、重量轻巧、安装方便、维护简易、价格相对于管道式产品便宜很多，因此很家工程设计者和用户的欢迎。
最近几年来，随着石化总厂对装置及公用工程计量要求的提高，在对现有装置的技术改造、新装置和基建项目的设计中，特别是大型输送管道环节，对于装置内外的新鲜水、循环水、污水等采用了一批插入式水泥浆流量表，使用效果很好，解决了这些介质在装置内和公用系统中的流量检测和计量问题，同时也在成本这块为单位节约了大量的资金。
1、大管道导电液体的流量测量方法
从当前的技术讲,测量大管道导电液体流量的检测方法较多,现将常用的几种方法说明如下。
1.1　封闭管道(满管)流量测量
1)水泥浆流量表,本文有详述。
2)孔板流量计(包括同心锐孔板、1/4圆孔板等),为标准的流量测量元件,结构简单、精度高、重复性好、无需现场标定、使用寿命长,但要求直管段长、有压损、流速要求高,不适合在大口径管道中使用。
3)文丘里管、皮托管或阿牛巴等,可以在大管道测量中使用,但由于被测介质流速低,故测量精度较低。
4)超声波流量计是一种新型的非接触式流量测量仪表,现正在逐步推广使用,但不适合于在埋地管道中安装。
5)涡街流量计也是一种可选的流量测量仪表,从国内使用来看,使用效果差异较大,且要求有严格的直管段及一定的最低流速,一般在埋地的大管道安装也不合适。
6)涡轮流量计,国内很少采用,也受流速限制。1.2　明渠或封闭(不满管)流量测量
1)明渠式:测量明渠液位(用静压式、超声波式、浮标式、反吹式等),在明渠截面积已知的情况下,可计算出流量。
2)超声波式:测量明渠或不满管中的流体液面及流速,根据液体流过的截面积计算其流量。
2、石化企业中大口径导电液体流量测量中的问题
2.1　在石油化工厂中,装置及公用工程中的大口径流体基本上是新鲜水、除盐水、循环水、污水及海水等导电液体,它们自身及管道安装的特点是:
1)管径大,有些工厂的循环水管道管径可大到1.8～ 2.0m,为了减少占地面积及减轻管桥荷重及防冻等原因,一般均采用埋地敷设。
2)由于输送流量大,为了减少长期操作费用,一般设计流速偏低,且流量及流速时常有变化。
3)循环水及污水有不同程度的悬浮物或沉淤物、水质条件差。
4)现场仪表安装在装置边界以外,仪表配管及信号线敷设比较困难。
5)计量精度满足企业内部做物料平衡及经济核算即可。
2.2　洛阳石化总厂在上述场所使用的流量计多为管装法兰式水泥浆流量表和法兰取压同心圆锐孔板,锐孔板测量中主要存在以下问题。
1)由于管道为地下敷设,仪表安装处设一地下井,待仪表安装时因地下井漏水,将管线全部浸没,井内存许多杂物,使仪表安装无法进行;安装后仪表长期浸没在水中也无法检修。
2)考虑到冬天防冻,安装变送器的仪表箱及测量引线要求进行保温伴热,由于这些仪表基本都在装置或工厂的边界线上,距离伴热蒸汽(或热水)及回水点很远,故使伴热造成很大困难。
3)用水量随工艺装置操作条件而常有变化,其流量和流速变化较大,有时在很低流速下工作,其测量精度不高,测量误差较大。
从原理、结构及安装上,涡街流量计是一种较好的测量方法,但在循环水、污水大管道测量中也存在一些问题:
1)涡街流量计的测量精度与流速关系较大(即流体应在一定的雷诺数之上),不适于这种大管道、流速低的流体测量;
2)不宜安装在被水浸没的场所;
3)沉积物及悬浮物在涡街传感器中沉积时对测量精度有影响;
4)使用寿命较短。
3、水泥浆流量表的特点
1)测量不受流体密度、温度、压力、粘度和导电率变化的影响,且与流速分布无关;
2)测量管截面积没有收缩,无阻挡流动部件、无压力损失;
3)适用于浆状、污泥及带固体的液体;
4)精度较高,± 0.5%;
5)可输出与流速成正比例的线性模拟信号或
脉冲信号,测量范围宽、线性好、零点稳定;
6)适用管径范围宽(16～ 3000mm)、要求较少的直管段;
7)电极和衬里可采用不同材质制造,耐腐蚀、抗磨损、可在高温和水下安装;
8)应用限制:测量液体必须有最小导电率(1μ S/cm随供货商而定);测量流体有沉积物时,会使测量精度降低;对温度和压力有一定限制。
4、插入式水泥浆流量表的特点及应用
4.1　插入式水泥浆流量表的特点
1)传感器(探头)直接插入被测管道,与一般管装法兰式水泥浆流量表相比,具有体积小、安装方便、投资少等优点;
2)传感器插入深度仅为管道直径的10%～
12.5%,无压损,特别适用于大口径管道中的流量测量,有优越的性能价格比;
3)无淤塞、无磨损件、免维护;
4)传感器可以做成潜水浸没型(IP68),很适于在工厂中埋地管道上安装;
5)可以提供防爆结构产品;
6)采用电流、脉冲信号输出,绝对零点稳定
7)测量最低流速可至0.1m/s(甚至更低),最小导电率≥ 20μS/cm;
8)传感器可带安装附件,现场安装容易;
9)精度较低,一般为± 1%。
4.2　测量原理
安装在传感器中的通电线圈在管道中产生稳定的磁场,导电液体流过时,切割磁力线,产生与流速成正比的电压信号,该信号被传感器两电极检出,并转换成4～ 20mA模拟信号或脉冲信号,从而实现对流体的测量(见图1)。

4.3　适用范围
与一般水泥浆流量表的测量范围相同。
5、插入式水泥浆流量表的结构特点及仪表选型
5.1　结构特点
插入式水泥浆流量表主要由两部分组成———传感器和变送器。
1)按其组合方式可分为:
一体式(传感器和变送器一体安装,见图2);

分离式(传感器和变送器分离安装,见图3)。

2)按防爆形式分为:普通型和隔爆型。
3)按变送器信号类型分为:
模拟变送器和微处理变送器。
按传感器使用场合分为:
一般型(温度- 20～ 120　压力1.6MPa);
耐高温型(温度180　压力4.0MPa);
此外,传感器还可制成在线可拆卸型。
5.2　仪表选型
针对插入式水泥浆流量表的特点,工程设计中仪表选型要点是:
1)提供被测液体的性质(主要是电导率)、流体测量范围、被测介质温度、压力、工艺管道内径等;
2)根据安装位置确定选普通型一体式或分离式;隔爆型一体式或分离式;
3)根据介质腐蚀程度,确定传感器的材质;计算插入式水泥浆流量表可测量的最低流速(流速偏低影响测量精度),以确定是否应缩小工艺管径(提高流体流速);
4)按工艺管道内径确定插入式水泥浆流量表的插入深度及所带安装附件。
6、插入式水泥浆流量表的安装
如前所述,插入式水泥浆流量表安装十分简单,选型时只要成套订购法兰短管,按传感器安装尺寸在工艺管道上开口,并按工艺管道尺寸将法兰短管加工成能符合传感器安装要求的尺寸后,将其焊接在工艺管道上即可,详见安装示意图4,5)。


7、插入式水泥浆流量表在洛阳石化总厂的应用情况
我厂原设计处理能力很大,自1984年开工以来多次变更原油处理能力,致使公用工程中的水(新鲜水、循环水、污水等)流量变化很大,且这些管道大多都埋在地下,过去设置在水井中的仪表由于水井漏水长期浸泡,大多数仪表都无法使用。近几年来,我们在改建或新建装置和系统工程中陆续使用一批插入式水泥浆流量表,其使用效果良好,基本满足厂里对这些介质的测量和计量问题。
在目前新建的化纤工程中,根据厂里的使用经验,与承担工程设计的设计单位商定,又采用一批插入式水泥浆流量表,用于新鲜水、循环水及污水的测量。
8、插入式水泥浆流量表使用中存在的问题
1)插入式水泥浆流量表其测量最低流速一般可小至0.1m/s。但实际选用时仍应对其所测得的最低流速进行核算,以确保被测流量有一较好的测量精度。
2)流量计前直管段应≥ 5D;流量计后直管段应≥ 3D(D为管道公称直径)。
3)管路有沉淀物析出时,如污泥与淤泥,此时流体应有较高的测量流速,防止污物的沉积,特别是在那些沉积物会产生使传感器绝缘的场合,更应注意,必要时应选择可更换电极的传感器(可在线拆装)。
4)对于流量变化范围大、流体速度长期低于流量计要求的最低流速的场合,应考虑缩小工艺管道或采用两台一大一小并联安装的流量计。
5)插入式水泥浆流量表与普通水泥浆流量表一样宜在垂直的工艺管道上安装,这样可防止悬浮的固体沉落在电极上,同时使流体中的油分上升到电极的测量范围之外,如果流量计在水平工艺管道上安装,则应使传感器的电极处于水平轴线上,避免电极由于空气泡产生的干扰,导致测量误差。
6)当工艺管道中不能完全充满流体,可采用一“V”型弯管结构(见图6),这特别适用于污水测量中含固体较多且流体不满管的场合。

7)电极上的信号范围小(毫伏级),应避免接地电流流过测量电极附近。
8)在非金属管道(如陶瓷或塑料等)上安装插入式水泥浆流量表时,安装流量计处的一段管道一般应采用金属材质。