高溫導(dǎo)波超聲波流量計在催化裝置油漿測量中的應(yīng)用

楊海河

（中國石化股份有限公司濟南分公司，濟南50101）

在石油煉制過程中要保持各裝置安全穩(wěn)定運行，必須準確測量液位、壓力、溫度、流量及其他工藝參數(shù)［1］，其中流量是測量難度最大、測量點最多的檢測參數(shù)。傳統(tǒng)的差壓法是最常規(guī)、最經(jīng)濟的測量方式，通常由一次取壓元件和二次變送儀表兩個部分構(gòu)成，最初的設(shè)計方案是將所產(chǎn)生的測量信息通過換算之后直接在二次儀表上顯示、累積或者作為控制信息（計量累計）的原始信息［2］。隨著信息技術(shù)的發(fā)展，DCS，PLC，SCADA等類型的控制系統(tǒng)在企業(yè)得到普及使用，目前大部分測量的非計量信息直接進入DCS，PLC，SCADA系統(tǒng)的輸入模塊，再按照設(shè)計程序要求的方式進行運算或控制、顯示，使操作過程更加方便。

由于工業(yè)領(lǐng)域流量測量技術(shù)面臨多種復(fù)雜的需求，工業(yè)企業(yè)對測量準確性的要求不斷提高，傳統(tǒng)的工業(yè)測量方法如孔板式流量計、楔式流量計、噴嘴流量計、文丘里流量計等已經(jīng)不能完全滿足工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域的要求［3］。由于市場的需要，基于各種傳感器技術(shù)和電氣技術(shù)的新型流量儀表很好地滿足了用戶對精度、可測量性、維護量、經(jīng)濟性等方面的需求，如使用科利奧力法、電磁法、超聲波法、漩渦法等各種測量原理的流量儀表在工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用日益廣泛，極大地推動了流量測量技術(shù)的發(fā)展［4］。由于流量工業(yè)領(lǐng)域?qū)Ω呔葍x表和多參數(shù)儀表的需求日益增長，隨著測量技術(shù)、信息技術(shù)的發(fā)展和生產(chǎn)成本的降低，新興的流量儀表的應(yīng)用大有后來居上的趨勢。筆者結(jié)合企業(yè)催化回?zé)捰蜐{流量測量遇到的技術(shù)問題進行分析，提出了一個探索性的解決方案，以供商榷。

1 催化回?zé)捰蜐{流量測量疑難問題分析

1.1 測量方案分析

重油催化裝置的回?zé)捰蜐{流量是工藝控制極為重要的檢測參數(shù)，介質(zhì)為高溫回?zé)捰蜐{，溫度約為200℃，操作壓力約10kPa，油漿黏度較高并含有部分催化劑顆粒，管線管徑DN150。

該裝置原設(shè)計回?zé)捰蜐{流量選用楔式流量計取壓，使用高溫雙法蘭差壓變送器進行差壓的測量、轉(zhuǎn)換和變送模式。原始設(shè)計在選型時考慮楔式流量計本體不會堵塞，由于現(xiàn)場空間狹小，原設(shè)計中沒有設(shè)置工藝副線。為了實現(xiàn)變送器的在線維護，安裝有截止閥。

1.2 運行情況分析

楔式流量計投用后初期運行正常，但幾個月之后測量即出現(xiàn)不穩(wěn)定，測量值波動明顯。停表檢查發(fā)現(xiàn)雙法蘭變送器取壓膜盒表面有結(jié)焦的狀況，經(jīng)過清洗恢復(fù)使用測量正常，但很快又出現(xiàn)測量波動的情況，再次拆開發(fā)現(xiàn)仍存在結(jié)焦。后又出現(xiàn)截止閥也結(jié)焦堵塞的嚴重問題，甚至導(dǎo)致儀表引壓管線流通不暢，取壓信號不能正常傳遞等問題，最終導(dǎo)致回?zé)挐{油流量無法測量。

催化裝置的設(shè)計運行檢修周期通常為4a，因為流量計沒有設(shè)計維修工藝旁路系統(tǒng)，不停工時不能對一次閥進行疏通處理，但非計劃停工造成的損失太大，生產(chǎn)系統(tǒng)不允許停工。因此，回?zé)捰蜐{流量不能正常顯示，嚴重影響了工藝的操作和控制。

2 超聲波流量計的測量原理與優(yōu)勢

2.1 超聲波流量計的原理簡介

超聲波流量計主要包括“時間差法”和“多普勒法”兩類測量方式，目前較多應(yīng)用的是以“時間差法”為原理的流量測量儀表?！皶r間差法”超聲波流量計的基本原理如圖1所示［5－6］。傳感器1，2是一對可輪流發(fā)射或接收超聲脈沖的傳感器。

圖1 時差法工作原理示意

設(shè)超聲波在被測流體中的傳播速度為c，超聲波順流時從傳感器1到2的傳播時間為t1，逆流時從傳感器2到1的傳播時間為t2。聲波在流體中順流、逆流傳播相同距離時存在時間差Δt＝t2－t1。

式中：v——介質(zhì)流速；d——流通管道內(nèi)徑。

傳播時間的差異與被測流體的流速有關(guān)，因而測出時間的差異就可以得出流體的流速，再乘以流通管道的橫截面積，即可計算出流體的流量。

則可以得到體積流量qV：

2.2 超聲波流量計的應(yīng)用優(yōu)勢

超聲波流量計的原理和結(jié)構(gòu)決定了其具有以下優(yōu)點：

1）時差法原理結(jié)構(gòu)，直管段設(shè)計，對黏稠液體無掛壁風(fēng)險，所以讀數(shù)漂移較小。

2）全通徑設(shè)計，無任何壓損和能量損失。

3）量程比高，可適應(yīng)較小和較大流速。

4）高性價比，尤其是對大管徑流量測量，安裝成本低。

5）結(jié)構(gòu)相對簡單，可維護性好。

6）在節(jié)能方面具有明顯的優(yōu)勢。超聲波流量儀表和其他原理的儀表（如常規(guī)的孔板式流量計、楔式流量計、質(zhì)量流量計）相比，儀表流通通道未設(shè)置任何阻礙件，屬無阻礙流量計，即測量過程中不會對被測介質(zhì)造成壓力損失［7］。管道內(nèi)介質(zhì)的流動靠能源產(chǎn)生壓力推動，流量計造成的永久壓損即為能量的損失，超聲波流量計沒有壓損意味著測量過程沒有能量損失。

3 高溫回?zé)捰蜐{流量測量疑難問題的解決

3.1 超聲波流量計的選用

為確保生產(chǎn)安全操作，相關(guān)技術(shù)人員進行仔細研究，對市場上幾種常用流量測量儀表從測量的工藝介質(zhì)、管道的壓力損失、安裝及維護要求等多方面進行比較篩選，見表1所列［3，8］。

通過反復(fù)的篩選，該項目初步選定外夾式超聲波流量計，理由如下：

1）外夾式超聲波流量計的探頭夾持安裝于被測介質(zhì)的管道外壁，探頭和管壁之間填充耦合劑使得探頭和管壁充分接觸，探頭測量信號信噪比好。

2）流量計沒有任何部件需要伸入到管道內(nèi)，其安裝和拆卸無需破壞管道，不會影響正常生產(chǎn)，同時也消除了管道內(nèi)介質(zhì)泄漏的風(fēng)險。

但普通的超聲波流量計缺點是測量探頭受到介質(zhì)溫度的限制，不能承受介質(zhì)高溫［9］，而回?zé)捰蜐{的操作溫度約為200℃，所以普通的外夾式超聲波流量計不能使用，而且用于傳感器安裝的耦合劑在高溫下容易揮發(fā)，易導(dǎo)致傳感器脫離管壁導(dǎo)致測量不穩(wěn)定。經(jīng)過與國外技術(shù)專家交流，發(fā)現(xiàn)采用高溫導(dǎo)波技術(shù)的 超聲波流量計可以很好地解決上述測量難題。

表1 幾種常用流量儀表比較

3.2 高溫導(dǎo)波超聲波流量計的特點

德國弗萊克森公司（FLEXIM GmbH）有受專利保護的高溫導(dǎo)波技術(shù)可以安全穩(wěn)定測量－200～＋600℃內(nèi)的介質(zhì)流量。高溫導(dǎo)波技術(shù)是使用一種特殊的高低溫導(dǎo)波器WaveInjector?技術(shù)，導(dǎo)波器直接固定安裝在管道外壁上，探頭安裝在導(dǎo)波器的末端。導(dǎo)波器能夠保證將超聲波探頭的信號近乎無衰減地傳遞給管壁。其中的金屬導(dǎo)波板由特殊材料和特別工藝制成。

該流量計的突出優(yōu)勢如下：

1）導(dǎo)波器的冷卻效應(yīng)使探頭表面和管道表面之間產(chǎn)生一個溫差，隨著導(dǎo)波器與高溫管道接觸面距離逐漸增加，距離越遠導(dǎo)波器表面的溫度越低，從而確保導(dǎo)波器安裝探頭的末端溫度不超過探頭的額定工作溫度。

2）固態(tài)耦合片以固體形態(tài)存在，解決了液體耦合劑容易隨時間流逝而蒸發(fā)的缺陷，同時在材料選擇和機械加工方面保證了聲學(xué)耦合。高溫導(dǎo)波裝置保證了超聲波探頭與管道進行聲學(xué)耦合的同時實現(xiàn)了降溫。

3.3 高溫導(dǎo)波超聲波流量計應(yīng)用效果

該公司催化裝置回?zé)捰蜐{流量測量最終在線安裝了1臺FLEXIM公司的帶高溫導(dǎo)波器WaveInjector?的ADM8027P型流量計。

流量計安裝過程非常簡單，無需破管、動火，只需拆除安裝位置的管線保溫，將管線表面的銹蝕清理干凈，用專用的夾具將導(dǎo)波器和探頭固定，安裝過程沒有對生產(chǎn)系統(tǒng)造成任何不良影響。

該流量計由于沒有普通超聲波所需的液體耦合劑，不存在隨著時間的流逝使得耦合劑蒸發(fā)導(dǎo)致探頭耦合不良，影響儀表測量波動的問題，實際測量值經(jīng)過和工藝上的相關(guān)數(shù)據(jù)比對，測量非常穩(wěn)定、準確。

同時，因為探頭與管壁耦合非常穩(wěn)定，不需要補充耦合劑，也無需重新調(diào)整超聲波流量計的信噪比，運行后實現(xiàn)了免維護，減少了儀表人員的維護工作量。

4 結(jié)束語

FLUXUS高溫導(dǎo)波器WaveInjector?專利技術(shù)，克服了普通超聲波流量計受可測流體溫度范圍限制的缺點，解決了工業(yè)過程高溫介質(zhì)的流量測量難題。另外，該流量計不接觸被測介質(zhì)，可以方便地實現(xiàn)強腐蝕性、非導(dǎo)電、易燃易爆型等流體測量，對于較大管徑的流體測量儀表安裝和運行節(jié)能優(yōu)勢尤為明顯。

［1］歷玉鳴.化工儀表及自動化［M］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，1981.

［2］程賀.流量測量及補償技術(shù)［M］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，1995.

［3］陸德民，張振基，黃步余.石油化工自動控制設(shè)計手冊［M］.3版.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2000：69－74.

［4］李定川.全球流量計行業(yè)現(xiàn)狀、特點及市場競爭分析［J］.儀表世界，2015（02）：24－29.

［5］丁俊峰.氣體超聲波流量計在天然氣測量中的應(yīng)用［J］.石油化工自動化，2014，50（03）：46.

［6］易兵，張發(fā)興.超聲波流量測量技術(shù)及發(fā)展［J］.測試技術(shù)學(xué)報，1995，9（01）：14－18.

［7］樂嘉謙.儀表工手冊［M］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，1998：192.

［8］王慧鋒，王華忠.流量儀表的選型［J］.儀表世界，2013（04）：28－32.

［9］王樹清，樂嘉謙.自動化與儀表工程師手冊［M］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2010：237.

［10］郭環(huán)，王艷軍，張建平，等.外夾式超聲波流量計在高酸氣田關(guān)鍵技術(shù)的分析［J］.化工自動化及儀表，2014，41（01）：68－70，112.