徐越

（中石化上海工程有限公司，上海 200120）

旋進(jìn)流量計(jì)在石化裝置中的應(yīng)用分析

徐越

（中石化上海工程有限公司，上海 200120）

旋進(jìn)流量計(jì)是速度流量計(jì)的一種，基于漩渦進(jìn)動(dòng)原理。結(jié)合工程設(shè)計(jì)，針對幾種氣體和液體的流量計(jì)選型進(jìn)行分析，分別研究了同一流量工況下不同流量計(jì)的適用性和優(yōu)缺點(diǎn)，并得出下列結(jié)論：旋進(jìn)流量計(jì)能夠滿足大部分所列出的流量工況，而且精度較高、量程范圍較大、安裝維護(hù)方便，但不適合低流速工況。

旋進(jìn)流量計(jì)；精度；量程；應(yīng)用

在石化裝置的工藝生產(chǎn)過程中，流量是一個(gè)非常重要的過程參數(shù)和監(jiān)控對象，流量的測量顯得尤為重要。隨著流量檢測技術(shù)的不斷發(fā)展，可供選擇的流量計(jì)很多。如何針對不同工況要求，選擇合適的流量計(jì)來滿足用戶對精度、維護(hù)量、可靠性、經(jīng)濟(jì)性等要求，是設(shè)計(jì)人員需要研究的課題。

早期的旋進(jìn)流量計(jì)在1967年由德國FISCHER PORTER公司發(fā)明。經(jīng)過幾十年的技術(shù)發(fā)展，此種類流量計(jì)已經(jīng)從簡單的、僅能測量氣體流量的單一功能，發(fā)展到可以應(yīng)用于氣體、蒸汽和液體介質(zhì)的流量測量，并且可以帶溫度、壓力自動(dòng)補(bǔ)償，還可以進(jìn)行流量累計(jì)計(jì)量[1]的多種功能。所輸出的信號可以為支持HART協(xié)議的通訊信號、支持RS485通訊協(xié)議信號等。旋進(jìn)流量計(jì)具有精度高、可靠性好、壓力損失較小、對直管段要求短、安裝維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)，可以適用于較為廣泛的流量檢測場合。

1 結(jié)構(gòu)及工作原理

1.1 流量計(jì)的結(jié)構(gòu)

旋進(jìn)流量計(jì)本體由漩渦發(fā)生體（起旋器）、殼體、壓電傳感器和整流器組成，如圖1所示。

旋進(jìn)流量計(jì)剖面結(jié)構(gòu)如圖2所示。

漩渦發(fā)生體（起旋器）：螺旋狀葉片安裝在入口，用于產(chǎn)生漩渦流。

圖1 旋進(jìn)流量計(jì)構(gòu)成Fig.1 Swirl flowmeter structure diagram

殼體：形狀類似于文丘里管，用于產(chǎn)生二次漩渦。

壓電傳感器：用于檢測漩渦的振動(dòng)頻率。振動(dòng)頻率與流速成正比。

整流器：安裝在流量計(jì)出口，用于消除漩渦流，減少對下游的影響。

圖2 旋進(jìn)流量計(jì)剖面結(jié)構(gòu)Fig.2 Swirl flowmeter sectional view

1.2 工作原理[1-3]

旋進(jìn)流量計(jì)是速度流量計(jì)的一種，基于漩渦進(jìn)動(dòng)現(xiàn)象進(jìn)行計(jì)量。流體進(jìn)入漩渦發(fā)生體后產(chǎn)生劇烈的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)形成漩渦流。漩渦流加速，沿流動(dòng)方向經(jīng)縮徑段，流動(dòng)強(qiáng)度增強(qiáng)。當(dāng)漩渦流進(jìn)入擴(kuò)散段后，在導(dǎo)

流體回流的作用下，該漩渦產(chǎn)生二次旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，即漩渦進(jìn)動(dòng)。二次漩渦進(jìn)動(dòng)的頻率與流體的流速成正比。因此漩渦的頻率可以反映此流體的流速和流量大小。如果測量設(shè)備內(nèi)部采用最佳的設(shè)計(jì)，漩渦的頻率將在較寬的流量范圍內(nèi)呈線性。壓電傳感器測到此頻率后，將信號傳輸?shù)搅髁坑?jì)傳感器進(jìn)行下游處理。

漩渦進(jìn)動(dòng)頻率與介質(zhì)流速成正比，與截流體幾何尺寸成反比。

式中 f ——漩渦進(jìn)動(dòng)頻率；

St —— 斯特羅哈爾常數(shù)（通過實(shí)驗(yàn)得到的無因次數(shù)）；

v ——流速；

d ——截流體因數(shù)（由截流體幾何尺寸決定）。

以上公式可得出，測量出漩渦進(jìn)動(dòng)頻率可測得流體流速和瞬時(shí)流量。

圖3表示出斯特羅哈爾常數(shù)與雷諾Re的關(guān)系。曲線的線性區(qū)域?qū)?yīng)的為旋進(jìn)流量計(jì)的測量范圍。

圖3 斯特羅哈爾常數(shù)與雷諾Re的關(guān)系曲線Fig.3 Relationship lines of strouhal number（St.） and reynolds number（Re）

雷諾數(shù)（Re）的計(jì)算：

式中 ρ ——工作密度，kg/m3；

V ——運(yùn)動(dòng)黏度，m2/s；

D ——管徑，m。

2 工程設(shè)計(jì)中的選型考慮

工程設(shè)計(jì)中主要根據(jù)流量工況，按工藝要求（精度、測量范圍、壓力損失等），從適用性、可靠性、安裝方便、經(jīng)濟(jì)性等方面考慮進(jìn)行流量計(jì)的選型。本文列舉的旋進(jìn)流量計(jì)為某進(jìn)口品牌產(chǎn)品，并有多種場合的應(yīng)用。

2.1 適用性方面的考慮

（1）流體介質(zhì) 旋進(jìn)流量計(jì)適用于氣體、蒸汽和液體介質(zhì)。

（2）精度 旋進(jìn)流量計(jì)在最小雷諾數(shù)Remin和最大流量Qmax之間的線性范圍測量精度為≤±0.5 %。

（3）流速 旋進(jìn)流量計(jì)在測量介質(zhì)時(shí)，要考慮流速不能過低（具體以廠家計(jì)算為準(zhǔn)）。

（4）流量計(jì)口徑 市場上常見旋進(jìn)流量計(jì)最大尺寸為DN 400，最小為DN 15。

流量計(jì)口徑的選擇基于最大工作流量Qmax。建議最大工作流量應(yīng)大于該口徑允許量程一半時(shí)的流量。可以選擇縮徑，但最大工作流量不要低于該口徑允許最大量程時(shí)流量的15 %。

（5）材料的選擇

a. 測量管材料 通常為不銹鋼316/316L，Hastelloy C。

b. 內(nèi)襯材料 根據(jù)介質(zhì)的腐蝕性、溫度等要求來選擇具體材料。

PTFE（-55 ～ 260 ℃）

石墨（-55 ～ 280 ℃）

Kalrez（-20 ～ 275 ℃）

2.2 安裝和應(yīng)用

（1）被測介質(zhì)的流動(dòng)方向需要與流量計(jì)上的指示方向一致。

（2）避免管路的機(jī)械振動(dòng)（如有必要，安裝支架）。

（3）選擇符合環(huán)境條件的流量計(jì)。流量計(jì)周圍不能有強(qiáng)烈磁場干擾。

（4）輸送設(shè)備的振動(dòng)頻率不得在流量計(jì)的測量頻率范圍以內(nèi)?？梢允褂眠m當(dāng)?shù)淖枘嵫b置減弱活塞泵或壓縮機(jī)輸送過程中的交替（脈動(dòng)）流量。

（5）閥門通常布置在流量計(jì)的下游。如果通過活塞泵或壓縮機(jī)輸送測量介質(zhì)（液體）壓力10 bar[145 psi]，當(dāng)閥門閉合時(shí)，可能會產(chǎn)生液壓振動(dòng)，這時(shí)閥門必須安裝在流量計(jì)上游，并且可能需要安裝合適的阻尼裝置（例如：空氣罐）。

（6）流量計(jì)在測量液體時(shí)要避免氣穴現(xiàn)象的產(chǎn)生。

（7）測量高溫介質(zhì)時(shí)

流量計(jì)在測量＞150 ℃的高溫介質(zhì)時(shí)，傳感器的安裝必須是變送器朝向一側(cè)或朝下，或者采用分體式安裝。

（8）流量計(jì)傳感器帶保溫層時(shí)，考慮保溫層厚度，具體咨詢廠家。

2.3 直管段要求

流量計(jì)安裝直管段要求滿足與否，直接影響流量測量的穩(wěn)定性和精度。旋進(jìn)流量計(jì)進(jìn)出口直管段要求見表1。從表1可知，其直管段要求并不高，這一優(yōu)勢在舊裝置擴(kuò)容改造的應(yīng)用中尤為突出。

表1 旋進(jìn)流量計(jì)進(jìn)出口直管段Tab.1 Straight pipe of the swirl flowmeter

2.4 多探頭的選擇

基于旋進(jìn)流量計(jì)的漩渦特點(diǎn)，并在其本體尺寸允許的條件下，旋進(jìn)流量計(jì)可以采用多探頭的測量方式。這種選擇為用戶實(shí)現(xiàn)三取二流量聯(lián)鎖提供了經(jīng)濟(jì)可行的實(shí)施方案。

3 應(yīng)用分析

適用于氣體、蒸汽和液體介質(zhì)測量的流量計(jì)有多種可選，在此選擇精度較好的4種流量計(jì)與旋進(jìn)流量計(jì)做對比，主要針對測量范圍、精度和壓損是否符合工藝條件進(jìn)行對比分析。所選流量計(jì)如下，均為在國內(nèi)外石化裝置上有多年應(yīng)用的國外產(chǎn)品。旋進(jìn)流量計(jì)（精度為液體±0.5 %，氣體±5 %）渦街流量計(jì)（精度為液體±0.75 %，氣體±0.9 %）

科里奧利質(zhì)量流量計(jì)（精度為液體±0.075 % ～0.1 %，氣體±0.5 %）

熱式質(zhì)量流量計(jì)（精度為±0.5 %，主要測氣體介質(zhì)）

電磁流量計(jì)（精度±0.5 %，主要測量導(dǎo)電類液體）

以上渦街流量計(jì)的精度低于其他流量計(jì)，但是也屬于精度較好且常用的流量計(jì)。并且由于渦街流量計(jì)和旋進(jìn)流量計(jì)的原理類似，在下列對比中渦街流量計(jì)的精度雖然不能達(dá)到本文所列的工藝條件，但可以對比渦街流量計(jì)和旋進(jìn)流量計(jì)的測量范圍和壓損。

3.1 氣體測量

（1）當(dāng)測量介質(zhì)為氫氣，工藝要求精度高時(shí)，不能低于±0.5 %。市場上測量氣體精度較好的流量計(jì)有熱式質(zhì)量流量計(jì)和科里奧利質(zhì)量流量計(jì)（我們選擇測量氣體精度為±0.5 %的產(chǎn)品），這里選擇這2種流量計(jì)與旋進(jìn)流量計(jì)做對比。表2為工藝條件，表3 ～ 表5為3種流量計(jì)的選型后的量程范圍和壓力損失，通過表6對比流量計(jì)是否滿足工藝條件。

表2 介質(zhì)為氫氣時(shí)的工藝條件Tab.2 Conditions of medium hydrogen

表3 旋進(jìn)流量計(jì)計(jì)算結(jié)果Tab.3 Swirl flowmeter results

表4 熱式質(zhì)量流量計(jì)計(jì)算結(jié)果Tab.4 Thermal mass flowmeters results

表5 科里奧利質(zhì)量流量計(jì)（精度為液體±0.075 %，氣體±0.5 %）計(jì)算結(jié)果Tab.5 Coriolis mass flowmeter results（Liquid accuracy ：±0.075 %， Gas accuracy： ±0.5 %）

表6 對比結(jié)果Tab.6 Compare results

通過以上對比，可知旋進(jìn)流量計(jì)在流速大于一定值時(shí)，測量時(shí)的精度和流量范圍可以與科里奧利質(zhì)量流量計(jì)和熱式質(zhì)量流量計(jì)相媲美。但是在流速很小的情況下，旋進(jìn)流量計(jì)與這兩種流量計(jì)相比則遜色很多。

這3種流量計(jì)在價(jià)格方面，科里奧利質(zhì)量流量計(jì)是旋進(jìn)流量計(jì)價(jià)格的3 ～ 5倍。熱式質(zhì)量流量計(jì)和科里奧利質(zhì)量流量計(jì)針對不同工況下的應(yīng)用選型，在價(jià)格方面各有優(yōu)勢。

（2）測量介質(zhì)為氣體（除氫氣外）時(shí)，在此選擇旋進(jìn)流量計(jì)（精度為氣體±0.5 %）、渦街流量計(jì)（精度為氣體±0.9 %）和科里奧利質(zhì)量流量計(jì)（精度為氣體±0.5 %）做對比分析，以下主要對比3種流量計(jì)的測量范圍（3種流量計(jì)都為同一品牌產(chǎn)品）。表7為工藝條件，表8 ～ 表10為3種流量計(jì)的選型后的量程范圍和壓力損失，通過表11對比流量計(jì)是否滿足工藝條件。

表7 介質(zhì)為氣體（除氫氣）的工藝條件Tab.7 Conditions of medium gas（except hydrogen）

通過列表可以看出旋進(jìn)流量計(jì)在測量氣體時(shí)，保證精度±0.5 %的情況下，量程比較大，可以滿足1∶30的量程比。

3.2 測量介質(zhì)為液體

測量液體時(shí)，選擇旋進(jìn)流量計(jì)（精度為液體±0.5 %）、渦街流量計(jì)（精度為液體±0.75 %）、科里奧利質(zhì)量流量計(jì)（精度為液體±0.1 %）和電磁流量計(jì)（精度為液體±0.5 %）進(jìn)行對比分析。表12為工藝條件，表13 ～ 表16為3種流量計(jì)的選型后的量程范圍和壓力損失，通過表17的對比，可知流量計(jì)

是否滿足工藝條件要求。

表8 旋進(jìn)流量計(jì)計(jì)算結(jié)果Tab.8 Swirl flowmeter results

表9 渦街流量計(jì)計(jì)算結(jié)果Tab.9 Vortex Flowmeter results

表10 科里奧利質(zhì)量流量計(jì)計(jì)算結(jié)果Tab.10 Coriolis mass flowmeter results

表11 對比結(jié)果Tab.11 Compare results

表12 介質(zhì)為液體的工藝條件Tab.12 Conditions of medium liquid

表13 旋進(jìn)流量計(jì)計(jì)算結(jié)果Tab.13 Swirl flowmeter results

通過以上比較，可知旋進(jìn)流量計(jì)在測量液體時(shí)也有很大的優(yōu)勢，量程比大，精度較高，還可以測量非導(dǎo)電類類液體。

在產(chǎn)品的價(jià)格方面，以渦街流量計(jì)的價(jià)格作為標(biāo)準(zhǔn)來衡量，科里奧利流量計(jì)（精度液體為±0.1 %.氣體±0.5 %）是渦街的3 ～ 5倍左右，旋進(jìn)流量計(jì)是渦街流量計(jì)的1.3 ～ 1.7倍左右，電磁流量計(jì)是渦街流量計(jì)的0.8 ～ 1倍左右（以上4種流量計(jì)價(jià)格均以同一廠家產(chǎn)品的價(jià)格作為基礎(chǔ)）。

表14 渦街流量計(jì)計(jì)算結(jié)果Tab.14 Vortex flowmeter results

表15 科里奧利質(zhì)量流量計(jì)的計(jì)算結(jié)果Tab.15 Coriolis mass flowmeter results

表16 電磁流量計(jì)的計(jì)算結(jié)果Tab.16 Magnetic flowmeter results

表17 對比結(jié)果Tab.17 Compare results

4 結(jié)束語

旋進(jìn)流量計(jì)精度（±0.5 %）較高，可以滿足大多數(shù)應(yīng)用場合的測量要求；可達(dá)1：30的量程比，滿足寬測量范圍的應(yīng)用；直管段要求不高，在工藝裝置配管緊湊的場合，應(yīng)用優(yōu)勢明顯。尤其在可實(shí)現(xiàn)多探頭傳感器應(yīng)用方面，為安全儀表系統(tǒng)流量測量子系統(tǒng)的可靠性/可用性冗余架構(gòu)設(shè)計(jì)提供了一種便利的實(shí)施方案，具有較為突出的優(yōu)勢。

[1]楊有濤，徐英華，王子鋼. 氣體流量計(jì)[M]. 北京， 中國計(jì)量出版社，2007.

[2]陸德民，張振基，黃步余. 石油化工自動(dòng)控制設(shè)計(jì)手冊[M].北京，化學(xué)工業(yè)出版社，2000.

[3]菜武昌，孫淮清，紀(jì)綱. 流量測量方法和儀表的選用[M]. 北京，化學(xué)工業(yè)出版社，2001.

《化工與醫(yī)藥工程》投稿指南

來稿要求

（1）來稿要求論點(diǎn)突出、內(nèi)容準(zhǔn)確、數(shù)據(jù)可靠、層次清楚、結(jié)構(gòu)嚴(yán)謹(jǐn)。

（2）來稿應(yīng)包括中英文題名、作者、作者單位（單位全稱、單位所在省名和城市名、郵政編碼）、中英文摘要、中英文關(guān)鍵詞、正文、參考文獻(xiàn)、作者簡介（第一作者）。

（3）題名應(yīng)簡明、具體、確切，概括文章的要旨，符合編制題錄、索引和檢索的有關(guān)原則并有助于選擇關(guān)鍵詞和分類號。中文題名一般不超過20個(gè)漢字，必要時(shí)可加副題名。

（4）來稿摘要應(yīng)具有獨(dú)立性，是一篇完整的短文，一般包括目的、方法、結(jié)果和結(jié)論等，客觀反映文章的內(nèi)容，篇幅為100～300字。

（5）提供3～8個(gè)關(guān)鍵詞，概括文章的主要內(nèi)容，以便檢索。關(guān)鍵詞應(yīng)盡量選用《漢語主題詞表》和《石油化工漢語敘詞表》等有關(guān)專業(yè)詞表提供的敘詞。

（6）正文中的層次標(biāo)題應(yīng)簡短明確，各層次標(biāo)題一律采用阿拉伯?dāng)?shù)連續(xù)編號，題標(biāo)一般不超過15個(gè)字。

（7）文稿采用Word文檔存盤，5號宋體字通欄編排?？萍夹g(shù)語及名詞盡可能采用規(guī)范名稱。外文簡稱、縮寫、代號首次出現(xiàn)應(yīng)附有中文全名。

（8）圖表要盡量精選，清晰明了，勿與文字?jǐn)⑹鲋貜?fù)。應(yīng)標(biāo)明中英文圖題或表題。

（9）物理量和計(jì)量單位一律采用《中華人民共和國法定計(jì)量單位》（GB 3100～3102—1993），不使用非法定計(jì)量單位及符號。

文后參考文獻(xiàn)著錄格式

參考文獻(xiàn)按正文引用文獻(xiàn)序號依次編排，未公開發(fā)表的資料一般不引用，其著錄書寫格式執(zhí)行GB/T 7714—2005規(guī)定。（在文章中須順序上角標(biāo)示出具體引用文獻(xiàn)的地方）

（1）對第一作者可按此順序刊出其簡介：姓名（出生年—）、性別、職稱（學(xué)位），以及研究方向。

（2）獲得基金資助產(chǎn)出的文章應(yīng)以“基金項(xiàng)目：”作為標(biāo)識，注明基金項(xiàng)目名稱，并在圓括號內(nèi)注明其項(xiàng)目編號。基金項(xiàng)目名稱應(yīng)按照國家有關(guān)部門規(guī)定的正式名稱填寫；多項(xiàng)基金項(xiàng)目應(yīng)依次列出，其間以分號隔開。

投稿注意事項(xiàng)

（1）來稿不得一稿多投，對錄用的稿件本刊有權(quán)做文字性刪改。論文若屬單位的研究課題，投稿時(shí)務(wù)必附單位同意發(fā)表的推薦信和保密審查證明原件。

（2）稿件著作權(quán)歸作者，文責(zé)自負(fù)。作者若不允許編輯部對來稿作文字性及少量內(nèi)容修改、刪節(jié)，請來稿時(shí)聲明。

（3）請通過電子郵箱cpe.ssec@sinopec.com（kebao666@126.com）或本刊網(wǎng)站投稿，并注明《化工與醫(yī)藥工程》投稿。來稿中必須注明作者的聯(lián)系方式（手機(jī)、電話、電子郵箱等）。編輯部收到來稿后，通過電子函件答復(fù)作者論文已收到。3個(gè)月內(nèi)告知作者審稿結(jié)果， 3個(gè)月后作者可自行處理。

有關(guān)征稿內(nèi)容見第56頁“征稿啟事”。

《化工與醫(yī)藥工程》編輯部

Analysis of Application of Swirl Flow-meter in Petrochemical Plants

Xu Yue
（SINOPEC Shanghai Engineering Co., Ltd, Shanghai 200120）

Swirl flow meter, which is based on vortex precession principle, is one of velocity flow meters. In this article, combined with engineering design, selections for several gas and liquid flow meters were analyzed. The applicability of different flow meters used under the same condition and their pros and cons were studied respectively. It was concluded that swirl flow meter can used under most listed conditions. Moreover, it has the advantages of great precision, wide scale range and convenient installation and maintenance. But it is not applicable in flow with low velocity.

swirl flow meter; precision; scale range; application

TQ 056.1+5

A

2095-817X（2016）05-0047-007

2016-06-17

作者簡介：徐越（1981—），女，工程師，從事儀表專業(yè)設(shè)計(jì)工作。