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石油行业化学药剂注入系统用微小流量计量仪表选型研究

来源:    发布日期:2019-06-09 14:33:12    作者:

摘 要:微小流量仪表种类繁多,应用行业广泛。本文针对石油行业化学药剂注入系统所常用的几种微小流量流量计的特点和适用性,做了详细地论述。

1 引言
微小流量计量仪表的特征为小管径和低流速,接口工艺管线规格≤1/2英寸(DN10),测量管内介质的最小流速低于0.15m/s。本文对几种适用于化学药剂计量的微小流量计产品从测量原理、产品特性等方面进行了对比分析和阐述,对类似工况的流量计的设计选型和实际应用有一定借鉴意义。

2 化学药剂注入系统工况介绍
石油天然气开采和集输过程中需要用到多种化学药剂(例如:防腐剂/缓蚀剂、防垢剂、杀菌剂、脱氧剂、絮凝剂、破乳剂),这些药剂混合后的需求浓度多在20~100ppm之间,因此注入量很少(10m3/h的工艺系统流量,60ppm药剂混合浓度,药剂注入流量为0.6L/h),这就需要有低于10cc/min(0.6m3/h)流量的测量能力,且量程比不低于10∶1的液体微小流量计量产品进行计量。因为化学药剂具有品种多和粘度范围大的特点,要求流量计应当能够对被测介质粘度/温度的变化具有一定适应能力。同时,化学药剂系统的特性还要求计量仪表具备防爆和允许工作压力高的性能。

基于上述化学药剂系统工况特点,通常选用浮子式、容积式和科里奥利质量流量计这3种类型流量计作为化学药剂注入系统的测量仪表。下面从流量计测量原理和实际产品性能等方面对这3种类型流量计的特点和适用性做详细阐述。

2 电磁流量计
电磁流量计主要由一根由下向上扩大的锥形管和随流体流量变化沿椎管上下移动的浮子组成。流体自下而上流过浮子时,在浮子上作用有差压、流体动压及粘性摩擦力等,它与浮子向下的重力相平衡。流量不同时,力平衡并未改变,故转子上/下两端面的差压为常数,所变化的只是不同的平衡高度形成的环隙面积,环隙处的流速基本不变。即转子流量计具有恒流速、恒差压的特点。流量增大,浮子升高,环隙面积增加,因此电磁流量计也被称为可变面积流量计。

式中,α流量系数与电磁流量计环隙处流体雷诺数Re有关,雷诺数与流体粘度成反比,对于特定形状的浮子,只有当雷诺数大于一定数值时,流量系数才为常数。图1~3为3种不同形状浮子的流量系数α与管道内流体雷诺数Re的关系曲线。图1为锥形浮子,流量系数大,但低雷诺数工况下(小流量,高粘度)系数变化大,影响测量准确性。图2为倒锥形浮子,比锥形浮子流量系数小,低雷诺数工况下(小流量,高粘度)流量系数相对稳定。图3为圆盘型浮子,直至很低的雷诺数范围内(40以上时),流量系数都比较稳定,对粘度变化不敏感。
电磁流量计
用于微小流量的转子流量计通常工作在低雷诺数工况下,不管是化学药剂品种变化还是温度变化,都可能导致测量流体的粘度发生变化,进而引起电磁流量计流量系数的变化,降低测量的准确性。根据相关理论计算和试验验证,选用对粘度不敏感的特定形状和较大密度的浮子,可有效低降介质粘度变化对测量精度的影响,将由粘度变化引起的误差控制在2.9%以内。选用相对密度较大材料做浮子(如不锈钢浮子),同时可以减小介质密度随温度变化对测量精度的影响。

综上所述,转子流量计用于做化学药剂的微小流量计量具有易受介质粘度/密度影响,测量精度低的缺点,但由于金属电磁流量计具有结构简单、可耐较高压力、无需外加电源便可直读示数等优点,因而仍然在一定范围得到应用。在类似工况的流量计选型设计过程中应注意以下几点事项:
(1)小口径的电磁流量计测量范围(以水为标定介质)可达到0.3~3L/h,测量精度为2.5%~5%FS,属于中低精度仪表,可用于流量监视,不宜用作需精密控制流程或核算计量。应用转子流量计作为微小流量化学药剂的计量,应仔细核相应厂家产品的测量能力和适用性。
(2)因为化学药剂系统管线尺寸较小,容易受到环境温度的影响导致介质粘度变化,应明确要求选择对粘度变化不敏感的特定形状的浮子,并且尽量选择较大密度材质的作为浮子材料。

4 电磁流量计
电磁流量计又称为定排量流量计,其基本原理是利用流量计的机械测量元件把流体连续不断地分割成单个已知体积的部分,根据计量室逐次、重复地充满和排放该体积部分流体的次数来测量流体体积总量;如图4所示。

以椭圆齿轮流量计为例:流体流向流量计时,两个相互滚动接触旋转的椭圆齿轮测量元件,在入口压力和出口压力的差压作用下,椭圆齿轮不断旋转,流体便不断通过两个相互啮合的椭圆齿轮及外壳构成的半月形计量腔。两个齿轮交替地由一个带动另一个,转子每转动一圈,流体通过的体积为计量腔的4倍。

测量液体的电磁流量计常用型式为椭圆齿轮、腰轮式、螺杆式、刮片式、活塞式,而能够用于微小流量的产品主要为椭圆齿轮式和旋转活塞式两种类型。

加工制造精度较高的小容积流量计能够很好控制泄露量,其理论最小可测量能力接近0。在保证较高测量精度的前提下(1% Reading),量程比依然能够达到100∶1。比较知名的容积式微小流量计品牌/型号/测量原理及其主要参数如表1所示。

5 质量流量计
质量流量计主要分为两种测量原理,一种为科里奥利原理(简称科氏质量流量计),一种为热式质量流量计,其中又以科式质量流量计较为常用,生产厂家和产品种类也较为丰富。

5.1 科式质量流量计
科式质量流量计有多种外观型式(J形/U形/V形/直管形),根据测量管数量又分为单管式和双管式,但都是基于科里奥利原理进行测量。以U形管流量计为例进行说明:U形测量管两个开口端固定,流体由此流入和流出。U形管顶端装有电磁激振装置用于驱动U形管使其垂直于U形管所在平面方向以O-O为轴按固有频率振动,迫使管内流体在沿管道流动的同时又随测量管做垂直运动,此时流体流体受到科式力作用。由于流体在U形管两侧的流动方向相反,所以反作用于U形管两侧的科式力大小相等方向相反,从而使U形管受到一个力矩的作用绕U形管的对称轴产生扭转变形,进而使两直管端A、B将不能同时穿越中心位置Z-Z而存在时间差(相位差)。U形管两端的变形量或相位差与通过测量管的流体质量有确定关系。通过在振动中心位置Z-Z处安装两个位移传感器,测量出U形管两端的相位差,即可确定质量流量。图5为科氏质量流量计测量原理。测量管的钢性、几何结构和测量管内流体质量共同决定了管道装置的固有频率,因而由测量的管道频率可推出流体密度。因操作温度变化会导致测量管钢性变化,进而引起固有频率的变化,因此科式质量流量计通常还需配置高精度的铂电阻温度传感器,进行温度补偿。

从科式质量流量计的测量原理可以看出,高精度的科式流量计不但能够测量真实的质量流量,并且同时能够进行精确的介质密度/温度/体积流量测量,并且具有不受介质粘度影响,量程比大,响应时间短,环境适应性好(-25℃~60℃)等优点。国内外已经有多个厂家的科式质量流量计产品(测量管口径在0.8~3mm之间)可用于微小液体流量的测量。例如某品牌1mm口径的单测量管科式质量流量计,零点稳定性0.0008kg/h。以20℃水为介质,在0.5%精度条件下可测量5g/min的小流量值;在1%的精度条件下可测流量值1.5g/min的小流量值图6为某厂家1mm口径科氏质量流量计测量能力图表。测量精度和测量范围完全满足石油天然气行业化学药剂注入系统小流量计量的要求。

5.2 热式质量流量计
热式质量流量计是一种利用热量传递原理测量微小流量的直接式质量流量仪表,即通过测量管中流动中的流体与测量管外的热源之间热量交换关系来计量流量。

热式质量流量计用的最多的有两类,一类式利用流动流体传递热量,改变测量管壁温度分布的热传导分布效应的热分布式流量计;另一类是利用热消散(冷却)效应的金式定律热式流量计。热式质量流量计较多的是用于气体的流量计量,而后逐步开发了基于热分布原理的液体流量计量产品。因其测量原理不同于科式质量流量计,使其具有几点不同的特性:
(1)热式质量流量计能够测量极微小的流量,小至5g/h(远高于化学药剂注入系统对最小测量能力的需求),量程比20~50∶1。
(2)热式质量温度计需要一定的启动预热时间(10~20min),并且对操作温度有要求(通常在5℃~50℃之间),如果使用环境温度过低还需要增加保温伴热措施。

6 结束语
石油天然气行业化学药剂注入系统具有流量小、粘度/密度不稳定、外部环境苛刻等特点,此类工况下几种常用的微小流量计产品的适用性依次为:科式质量流量计、小容积流量计、金属转子流量计。

此类工况条件下微小流量计选型和应用过程中的其他注意事项:
(1)微小流量计有一个共同特点是口径小、结构精密,容易被介质中的杂质堵塞或卡滞,应注意根据流量计厂家要求设置目数适宜的前置过滤器。
(2)化学药剂通常由泵设备加压注入主工艺流程,注入压力相对较高。同时因注入流量很小,在流量计上的能量损失也可忽略不计(P=Δp*V)。因此,在此类工况条件下的流量计选型计算过程中,可不考虑对压损的要求。

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