橡膠中試裝置流量計的選型
【內容摘要】目前市 中流量 種 繁多性價各異，每種型式的流量 都有它特有的 缺點。不同的 量方式和 構，要求不同的 量 境和使用條件。沒有一種流量 各種流體及流 情況都能適 ，因此在 各種 量方式和 表特性作全面比 的基 上，再 合考 性能要求、流體特性、安裝要求、 境條件和 用等因素，才能 一臺適于橡膠生 要求的流量 。
一、工藝條件介紹：
石油化工過程中的流量測量對象多為封閉管道內流體，文章所指的流量計也僅限于封閉管道流量計。本文以蘭州化工研究中心多功能負離子溶液橡膠中試裝置中的一臺流量計的選型過程來說明中試裝置中膠液計量的特點和選型要點。流量計的工藝條件如表 1 所示。
| 表 1 | ||
| 位號 | FT—101 | |
| 用途 | 進入裝置膠液流量的指示累計 | |
| 介質成分 | 膠液( 丁苯樹脂 + 環己烷) | |
| 操作密度 | 800 kg /m3 | |
| 操作壓力 | 0． 80 MPa | |
| 操作溫度 | 常溫 | |
| 操作黏度 | 1． 6 CP | |
| ***大流量 | 0． 36 | t /h |
| 正常流量 | 0． 30 | t /h |
| ***小流量 | 0． 24 | t /h |
| 管道規格 | Φ32 × 3 304SS PN2． 5 | |
該膠液的特點是正常操作溫度下黏度不大，但溫度降低時膠液黏度急劇增大，容易在管路死區形成凝結現象。
二、主要流量計簡介：
( 一) 容 式流量 。容積式流量計直接計量流體的體積，又被稱為定排量流量計，是全部流量計中計量***準確的一類流量計，常被用來計量昂貴介質的總量或流量。比如橢圓齒輪式、腰輪式、刮板式和活塞式等，其突出特點就是流量計內部活動部件不停做周期運動，在一個周期內排出定量流體。安裝直管段對計量精度沒有影響，可以測量高粘度流體。由于內部活動部件周期性運動，并長期控制著流路，所以壓損較大，一旦運動部件被臟污物卡死將會影響流體通過形成安全隱患，長期使用容易磨損部件，降低精度，所以適合潔凈潤滑介質和間歇性過程。結構復雜、購買和維護費用高也是容積式流量計的另一大缺點。
( 二) 流式流量 。節流式流量計是一種典型的差壓式流量計，由三部分組成: 節流裝置，差壓變送器和流量顯示儀表。充滿管道的流體流經管道內的節流件時，流束在節流件處局部收縮，此時流速增大靜壓降低，在節流件前后產生差壓，流量越大差壓越大，因而可依據差壓來衡量流量的大小。節流式流量計結構簡單，安裝方便，工作可靠，成本低，又具有一定準確度，也存在測量范圍窄( 3: 1 ～ 4: 1) 、壓損大，直管段要求較高，引壓管線易產生泄漏、堵塞、凍結及信號失真等缺點。
( 三) 子流量 。轉子流量計的檢測件是一根由下向上擴大的垂直錐管和一只在錐管內上下移動的浮子。流體自下而上流過浮子和錐管之間的環隙時，在浮子的上下面產生差壓，這個差壓為浮子提供了上升的浮力。流量越大浮力越大，上升距離也越長。轉子流量計應用于中小管徑和低流速。適用于一般標準節流裝置不能應用的口徑，常用儀表口徑 50mm 以下，***小口徑做到 1． 5 ～ 4mm。流量示值基本是線性的，有較寬的范圍度，一般為 10: 1。度為 1． 5% ～ 4% FS，受被測介質密度和黏度影響較大。適于測量低流速小流量，以液體為例，口徑 10mm 以下玻璃管轉子流量計滿度流量的流速只在 0． 2 ～ 0． 6m /s 之間，甚至低于 0． 1m /s; 金屬管轉子流量計和口徑大于 15mm 的玻璃管轉子流量計稍高些，流速在 0． 5 ～ 1． 5m /s 之間。
( 四) 流量 。渦輪流量計在管道中心安放一個渦輪，兩端由軸承支撐． 當流體通過管道時，沖擊渦輪葉片產生旋轉． 在一定的流量范圍內，對一定粘度的流體介質，渦輪的旋轉角速度與流體流速成正比，由此可以計算得到通過管道的流體流量． 渦輪流量計與容積式流量計、質量流量計為三大類重復性、準確性***佳的流量計。與容積式流量計相比而言，即便葉輪發生故障卡住，也不會造成管道斷流。但渦輪流量計由于軸承磨損不適于長期連續運行。要保持精度需要定期校驗。流體密度、黏度、清潔度和流束對儀表的影響較大。要想充分發揮渦輪流量計的特點，在流量計的安裝使用上還必須加以充分注意． 對于工業測量，一般要求上游20D，下游 5D 的直管長度。
( 五) 磁流量 。電磁流量計采用一種非接觸式的測量方式( 除電極稍許接觸) ，當導電流體在電磁流量計激勵的磁場中流動時，導電流體切割磁力線在管道截面上垂直于磁場的電極產生正比于流速的電動勢。電磁流量計沒有節流件阻礙流體流動，無堵塞無壓損，非常適合帶有漂浮物、固體顆粒、纖維等潔凈度差的流量測量。流量范圍度大( 20: 1 ～ 40: 1) ，精度在 0． 5 ～ 2． 5。要求流體必須導電，流速可在 0． 5 ～ 10m /s。上游直管段 5D，下游只需滿管。
( 六) 街流量 。在流體中設置旋渦發生體( 阻流體) ，流體經過時從旋渦發生體兩側交替地產生有規則的旋渦，這種旋渦稱為卡曼渦街示。旋渦列在旋渦發生體下游非對稱地排列。根據卡曼渦街原理，旋渦的發生頻率與平均速度成比例關系。檢測出這個漩渦發生頻率就可以計算出流量。渦街流量計壓損小約為標準孔板的 1 /2 ～ 1 /4，度較高一般可達 1% Ｒ，范圍度可達 10: 1 ～ 20: 1。可用于液體、氣體、蒸汽和部分混相流體，不適于高粘度、低流速、小口徑測量，口徑一般 20 ～ 300mm。對于流場畸變和旋轉流較敏感，需要足夠直管段或整流器。
( 七) 量流量 。質量流量計以科里奧利力為基礎，在傳感器內部有測量用的振動管，中部裝有驅動線圈，兩端裝有拾振線圈，變送器提供的激勵電壓加到驅動線圈上時，振動管作往復周期振動，工業過程的流體介質流經傳感器的振動管，就會在振管上產生科氏力效應，使振管扭轉振動，安裝在振管兩端的拾振線圈將產生相位不同的兩組信號，這兩個信號差與流經傳感器的流體質量流量成比例關系，計算機解算出流經振管的質量流量。不同的介質流經傳感器時，振管的主振頻率不同，據此解算出介質密度。安裝在傳感器振管上的鉑電阻可間接測量介質的溫度。
質量流量計具有很高的測量精度，可達 0． 1% ，測量值不受流體物性如黏度、密度的影響，也不受管道內流場的影響，沒有上下游直管段要求，可以測量各種非牛頓流體以及粘滯和含微粒的介質。由于購置成本較大，適合中小口徑( DN150 以下) 的測量。為防止管道震動的影響，要求有牢固的支撐。
三、選型過程：
分析工藝提供的關于流量計 FT － 101 的條件數據，直接可以得出: 該流量計要對進入裝置的膠液總量進行計量并指示實時流量，所以要求儀表的精度等級要高。測量介質的溫度正常，工作壓力較小，因而不用考慮耐溫耐壓的特殊流量計型式。根據條件數據顯示介質的黏度不大，但由于該介質是膠液，而膠液在溫度變化時黏度會發生急劇變化，所以選擇儀表時將適應大黏度測量作為考慮依據之一。
根據工藝提供的關于流量計 FT － 101 的條件數據，可以計算并確定出一些有關選型的其他重要參數。
( 一) 流速 算。在介質密度相對不變的情況下，可以計算出流體流速。
| 根據 qv = uA | ( 1) | ||
| qm = ρqv | ( 2) | ||
| 得 u = | qm | ( 3) | |
| ρA | |||
| 其中 qV : 體積流量 | qm : 質量流量 | ||
| u: 流體流速 | A 管道截面積 | ||
管道規格為 Φ32 × 3，偏向中小管徑的流量測量。管道內徑 Φ26，則管道截面積 A = 3． 14* 26* 26 /4 = 531mm2計算得到***大流量、正常流量和***小流量下的流體流速見表 2。
表 2
| 流 | 量 | 流 | 速 |
| ***大流量 | 0． 36t /h | ***大流速 | 0． 24m /s |
| 正常流量 | 0． 30t /h | 正常流速 | 0． 20m /s |
| ***小流量 | 0． 24t /h | ***小流速 | 0． 16m /s |
從計算結果來看，該流體流速很小，不太適合采用速度型流量計，例如渦輪流量計、渦街流量計。
( 二) 范 度估算。范圍度就是在滿足精度的情況下流量計能夠測到的***大流量和***小流量的比值。
目前大多數流量儀表都可以做到線性輸出，根據《化工自控設計規定》流量儀表在線性刻度下，***大流量不超過滿刻度的 90% ，正常流量為滿刻度的 50% ～ 70% ，***小流量不小于滿刻度的 10% 。
如果設流量計的***大刻度為 Xmax，***小刻度為 Xmin，以流量計的***大流量和***小流量作為計算依據，有:
| 0. 36 － Xmin | = 0． 9 | ( 1) | |
| Xmax － Xmin | |||
| 0. 24 － Xmin | = 0． 1 | ( 2) | |
| Xmax － Xmin | |||
| 解得: Xmax | = 0． 375 | Xmin = 0． 225 | |
Xmax / Xmin = 1． 7，所以流量計的范圍度至少為 2: 1。
目前所有流量計都能滿足這個范圍度要求。
( 三) 雷 數 算。許多儀表為了保證現場應用與設計條件的一致，在測量時都具有雷諾數的限制。雷諾數是流體流動中慣性力與粘性力比值的量度。管道流場中的雷諾數Ｒe = ρuD / μ，ρ、μ 為流體密度和動力粘度，u、D 為流體的平均速度和管道直徑。膠液在管道截面上的平均速度取管道流速，正常流速下膠液的雷諾數:
Ｒe = 800* 0． 2* 0. 026 = 2600 0. 0016根據經驗的流態劃分，此條件下的膠液屬于過渡流，趨向層流，流束比較穩定，對直管段要求較低。此雷諾數下不適合采用高雷諾數的流量計進行測量，比如節流式流量計和渦街流量計。
( 四) 小 。以上三種計算可以編制軟件進行，以減少計算時間。依據分析結果與各類流量計特點的對比，結合以前的設計使用經驗，此工藝條件下各流量計的不適因素總結如表 3 所示:
表 3
| 容積式流量計 | 持續工作能力差，存在安全隱患。 |
| 節流式流量計 | 精度低，流體滿足不了雷諾數要求，管道過小。 |
| 轉子流量計 | 精度低，粘性介質，流體滿足不了雷諾數要求。 |
| 渦輪流量計 | 流體速度和雷諾數滿足不了要求。 |
| 渦街流量計 | 介質屬于高黏、低速，雷諾數滿足不了要求，管道過小。 |
| 電磁流量計 | 該膠液屬于有機物，且不含水，流體不導電，流速不適合。 |
| 超聲波流量計 | 管道過小不能發揮大管徑測量優勢。 |
| 質量流量計 | 從精度、抗粘、流速要求以及管道規格考慮，質量流量計 |
| 適合當前的測量要求。 | |
根據先滿足技術要求后降低經濟成本的原則，通過對以上幾種典型流量計的比較，綜合性能要求、流體特性、安裝維護和以前的使用經驗，***后決定 FT － 101 采用小管徑的質量流量計，以保證在膠液工況且有溫度變化的情況下，準確計量進入裝置的膠液總量。為了防止停車時膠液凝結，質量流量計的測量管選用直管，并采取垂直安裝方式。
