差壓式流量計(jì)的應(yīng)用已有100 多年的歷史。***早的差壓式流量計(jì)由節(jié)流裝置和差壓計(jì)兩部分組成。由于差壓計(jì)肩負(fù)顯示流量值的任務(wù), 大多安裝在控制室, 在節(jié)流裝置與差壓計(jì)之間有較長(zhǎng)的引壓管相連, 易誘發(fā)泄漏、堵塞、結(jié)晶、差壓信號(hào)傳遞失真等問(wèn)題。50多年前, 差壓變送器的出現(xiàn), 將差壓計(jì)的功能分解為獨(dú)立的變送器和獨(dú)立的指示儀, 從而使變送器的安裝地點(diǎn)獲得自由度, 大多將其安裝在離節(jié)流裝置不遠(yuǎn)而且維修方便的地點(diǎn)。自從20多年前變送器實(shí)現(xiàn)智能化, 變送器的精度更高、體積更小、可靠性更好, 基本做到免維護(hù), 而且可在控制室內(nèi)用手持終端等對(duì)其進(jìn)行維護(hù), 因此, 變送器的安裝地點(diǎn)獲得更大的自由度, 其中將其與差壓發(fā)生器組合在一起是主要趨勢(shì)。

各種流量計(jì)都有分體式和一體式之分, 所謂分體式, 就是變送器 (或轉(zhuǎn)換器) 與傳感器相分離;一體式就是變送器 (或轉(zhuǎn)換器) 與傳感器包括附件、工藝短管合為一體。目前差壓式流量計(jì)多采用一體化結(jié)構(gòu)。

早期的差壓式流量計(jì), 差壓計(jì)與傳感器相分離, 是其的結(jié)構(gòu)形式[1-2], 在組成差壓式流量計(jì)的兩個(gè)部分中, 節(jié)流裝置安裝在工藝管道上, 而差壓計(jì)安裝在操作人員易于觀察流量示值的地方, 客觀上造成相互分離的局面。采用分離式的第二個(gè)原因是差壓計(jì)體積較大, 一般無(wú)法將其與節(jié)流裝置放在一起。變送器與節(jié)流裝置相分離帶來(lái)以下問(wèn)題:

1) 增加安裝工程量。因?yàn)椴顗河?jì) (或差壓變送器) 放置在遠(yuǎn)離節(jié)流裝置 (新國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)和標(biāo)準(zhǔn)改稱(chēng)為差壓裝置) 的地方, 所以引伸出差壓變送器的安裝和引壓管的安裝問(wèn)題以及伴熱保溫工程。

2) 較長(zhǎng)的引壓管帶來(lái)介質(zhì)泄漏、凝固、結(jié)晶以及差壓信號(hào)傳遞失真等問(wèn)題。

3) 此類(lèi)引壓管及變送器均在現(xiàn)場(chǎng)安裝。由于要保持坡度, 在介質(zhì)為液體時(shí)管線***高點(diǎn)要安裝氣體收集器和排氣閥;在介質(zhì)為氣體時(shí)管線較低點(diǎn)要安裝沉降器和排污閥, 易出問(wèn)題, 導(dǎo)致差壓信號(hào)傳遞出現(xiàn)失真。

流量計(jì)是一種依賴(lài)于其安裝質(zhì)量的儀表, 對(duì)于差壓式流量計(jì)來(lái)說(shuō)更是如此。世界***的儀表公司所生產(chǎn)的品質(zhì)的產(chǎn)品, 安裝到使用現(xiàn)場(chǎng)后, 也有一部分不能正常運(yùn)行, 無(wú)法獲得準(zhǔn)確的測(cè)量結(jié)果, 究其原因, 有很多是因?yàn)榘惭b存在問(wèn)題。例如蘭州某大型石化企業(yè), 有1套蒸汽流量計(jì), 每年冬季總是出現(xiàn)示值嚴(yán)重偏低的現(xiàn)象[3]。經(jīng)過(guò)分析研究發(fā)現(xiàn), 冬季示值較其他季節(jié)偏低的原因是冬季儀表加了伴熱保溫設(shè)施。拆開(kāi)引壓管保溫層檢查, 發(fā)現(xiàn)伴熱保溫的蒸汽管敷設(shè)不對(duì)稱(chēng)。伴熱用蒸汽管與正壓管之間的距離太近, 引起正壓管內(nèi)凝結(jié)水溫度升得很高, 而節(jié)流裝置 (傳感器) 與差壓變送器之間的高度差又比較大, 以致差壓值比正常值低了很多。又如中石化某分公司所屬熱電廠為相距1km處的化工事業(yè)部供過(guò)熱蒸汽, 管道DN 400mm, 供方在該根管道的始端安裝了1 套DN400的孔板流量計(jì), 需方在該根管道的末端安裝了1套相同直徑 (相同儀表廠制造, 采用相同孔板計(jì)算書(shū)) 的孔板流量計(jì), 但2套流量計(jì)投入運(yùn)行后, 需方對(duì)產(chǎn)品產(chǎn)量和蒸汽單耗進(jìn)行定額計(jì)算, 結(jié)果顯示需方流量計(jì)指示是準(zhǔn)確的。供方的流量計(jì)示值比需方低15%左右, 反復(fù)檢查該套儀表的各組成部分, 均查不出問(wèn)題。按有關(guān)規(guī)定應(yīng)對(duì)供方儀表計(jì)量結(jié)果進(jìn)行財(cái)務(wù)結(jié)算, 出現(xiàn)了5a的經(jīng)濟(jì)糾紛。

后來(lái), 儀表維修工使用手持終端 (操作器) , 用“湊答數(shù)”的方法對(duì)供方流量計(jì)的差壓變送器的零點(diǎn)進(jìn)行遷移, 當(dāng)零點(diǎn)遷移了6kPa (約-600 mm H₂O) 時(shí)2套儀表示值相符, 而且蒸汽流量增大和減小時(shí), 2套儀表示值都基本相符。對(duì)該套流量計(jì)所包括的各臺(tái)變送器、節(jié)流裝置 (傳感器) 及二次表反復(fù)校驗(yàn)多次, 均是準(zhǔn)確的, 功能也正常, 另導(dǎo)壓管多次排污掃線, 不出現(xiàn)堵塞與泄漏現(xiàn)象, 因而確認(rèn)儀表本身不存在問(wèn)題。

在明確該計(jì)量點(diǎn)的蒸汽溫度、壓力參數(shù), 流量測(cè)量范圍, 差壓上限, 流體流向, 差壓裝置取壓方式, 冷凝罐等情況后, 根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)徑距取壓, 兩取壓口之間距離為600mm, 正好與差壓變送器遷移量相等這一情況, 懷疑冷凝罐前正壓管內(nèi)可能積滿凝結(jié)水, 所以建議用戶(hù)剝開(kāi)該段管的保溫層, 檢查該段管的表面溫度和坡度是否符合規(guī)范要求。用戶(hù)發(fā)現(xiàn)該段導(dǎo)壓管是冷的, 根部閥為DN6 針形閥, 而且所描述的坡度如圖1所示[4-5]。

由圖1可以斷定, 原應(yīng)充滿蒸汽的A管內(nèi), 卻充滿凝結(jié)水, 凝結(jié)水在該段管內(nèi)聚集是因?yàn)槠露炔环弦?。引壓管A從根部閥起沒(méi)有按照規(guī)定的要求坡度連續(xù)爬高, 反而向下傾斜, 在較低點(diǎn)形成U形水封后再爬高, 這段管的凝結(jié)水無(wú)法靠其重力順暢地返回工藝主管, 所以該段引壓管是冷的。引壓管A內(nèi)的凝結(jié)水, 由于流體靜力學(xué)的作用, 對(duì)正壓冷凝罐內(nèi)的靜壓產(chǎn)生抽吸作用, 從而使差壓產(chǎn)生負(fù)方向6kPa的偏移。解決該問(wèn)題的方法是將A管垂直部分縮短一段 (約50mm) , 然后將下垂部分導(dǎo)壓管整形, 消除U形水封, 改造后如圖2所示。儀表消除了差壓信號(hào)的傳遞失真, 從而做到供、需方表計(jì)示值基本相符。

分析該類(lèi)問(wèn)題產(chǎn)生的原因:在做引壓管線和伴熱管的安裝時(shí), 安裝人員缺少實(shí)際經(jīng)驗(yàn), 而儀表的安裝要求較高, 不僅要求不出現(xiàn)堵塞和泄漏, 而且要熟悉安裝規(guī)范和處理好技術(shù)細(xì)節(jié), 才能使流量計(jì)計(jì)量準(zhǔn)確。

在一體化差壓流量計(jì)中, 制造廠是專(zhuān)業(yè)化的, 可按規(guī)定安裝差壓變送器、三閥組和差壓裝置。在儀表制造廠由專(zhuān)業(yè)人員按規(guī)范化圖紙進(jìn)行組裝后整體出廠, 杜絕了上面兩個(gè)例子中所發(fā)生的相關(guān)問(wèn)題。而流量計(jì)的現(xiàn)場(chǎng)安裝工作無(wú)需引壓管施工這一環(huán)節(jié), 安裝工作量被大幅減少。

1) 一體化差壓流量計(jì)是一個(gè)新的概念, 是由專(zhuān)業(yè)制造廠整體組裝的 (包括檢測(cè)元件、變送器及附件、工藝短管等) , 并可按用戶(hù)要求的系統(tǒng)精度標(biāo)定合格的差壓流量計(jì)系統(tǒng)。

2) 由于由制造廠整體組裝, 故在施工時(shí)可大幅縮短現(xiàn)場(chǎng)施工時(shí)間。

3) 一體化差壓流量計(jì)系統(tǒng)可包括下列部件:介質(zhì)為液體時(shí)由節(jié)流裝置、變送器 (含閥組) 、引壓管、前后直管段組成;介質(zhì)為氣體時(shí)由節(jié)流裝置、變送器 (含閥組) 、引壓管、溫度計(jì)、前后直管段組成;介質(zhì)為蒸汽時(shí)由節(jié)流裝置、變送器 (含閥組) 、引壓管、平衡容器、溫度計(jì)、前后直管段組成。其中前后直管段在標(biāo)定時(shí)標(biāo)定單位應(yīng)按規(guī)范要求。在具體供貨時(shí)的長(zhǎng)度由用戶(hù)及制造廠商協(xié)商決定。測(cè)蒸汽與測(cè)氣體時(shí)的溫度計(jì)配置根據(jù)需要決定。

4) 一體化差壓流量計(jì)的所有儀表及測(cè)量組件按液體、氣體、蒸汽的不同要求, 并按HG/T21581—2010《自控安裝圖冊(cè)》安裝好后整體發(fā)貨 (變送器可根據(jù)用戶(hù)要求選用) , 保證了安裝的準(zhǔn)確性。

5) 一體化差壓流量計(jì)的精度是按用戶(hù)要求對(duì)系統(tǒng)整體標(biāo)定, 標(biāo)定單位可以是專(zhuān)業(yè)制造廠, 也可以是認(rèn)可的專(zhuān)業(yè)計(jì)量機(jī)構(gòu)。

6) 一體化的變送器可為普通的差壓變送器, 也可是具有溫度、壓力補(bǔ)償功能的變送器或特殊補(bǔ)償變送器 (例如密度補(bǔ)償) 。

7) 一體化差壓流量計(jì)的資料及標(biāo)定報(bào)告中應(yīng)特別注明“一體化”, 即一體化差壓流量計(jì)。

8) 一體化差壓流量計(jì)的單位按用戶(hù)要求可為質(zhì)量流量, 也可為體積流量。

一體化差壓流量計(jì)的典型安裝方式 (液體、氣體、蒸汽) 如圖3所示。

目前的變送器普遍實(shí)現(xiàn)了智能化, 使得儀表人員不用到現(xiàn)場(chǎng)直接在控制室或流量顯示儀表旁邊用手持終端就可對(duì)變送器進(jìn)行維護(hù)。例如, 在工藝管道總閥關(guān)閉后如果發(fā)現(xiàn)流量計(jì)不回零, 或發(fā)現(xiàn)流量計(jì)需要改變量程, 也可在控制室或儀表旁邊對(duì)變送器進(jìn)行校零操作或修改變送器測(cè)量范圍[6]。

變送器應(yīng)用在高溫管道及難以維修的場(chǎng)合, 用戶(hù)希望將其放在非防爆的場(chǎng)合, 因此將變送器與節(jié)流件分離。分體式的優(yōu)點(diǎn):

1) 可以將差壓計(jì)的安裝地點(diǎn)選擇在使用方便及易于讀數(shù)的地方, 例如地面、操作平臺(tái)上、走道旁等。

2) 可將差壓計(jì)放置在維修、操作方便的地方, 例如差壓裝置安裝在管廊上, 差壓變送器安裝在地面上方1m處。

3) 可將差壓計(jì) (變送器) 安裝地點(diǎn)選在環(huán)境條件良好的地方, 例如有些火電廠的鍋爐周?chē)艿郎戏植剂撕芏嗖顗菏搅髁繖z測(cè)點(diǎn), 但鍋爐的鋼平臺(tái)上空間狹小、環(huán)境溫度高, 而且振動(dòng)較大, 操作維修也不方便, 所以有的設(shè)計(jì)中將差壓變送器、壓力變送器等集中安裝在變送器室, 有的甚至在變送器室內(nèi)裝上空調(diào), 消除環(huán)境溫度變化對(duì)變送器的影響。

在文獻(xiàn)[7]中對(duì)不同的被測(cè)介質(zhì)使用的引壓管內(nèi)徑及極限長(zhǎng)度做了規(guī)定, 見(jiàn)表1所列。如引壓管太長(zhǎng)、太細(xì), 要注意下列問(wèn)題:

1) 介質(zhì)的差壓信號(hào)在引壓管內(nèi)傳遞, 在黏度較高時(shí), 由于介質(zhì)與管道之間的粘滯作用, 導(dǎo)致響應(yīng)遲緩, 引起動(dòng)態(tài)誤差。引壓管長(zhǎng)度越長(zhǎng), 遲滯越嚴(yán)重, 所以不能太長(zhǎng)。

2) 引壓管內(nèi)的介質(zhì)為液體時(shí), 液體中有時(shí)會(huì)析出氣體, 在開(kāi)表投運(yùn)時(shí), 原來(lái)充滿管道的空氣需排除, 因此引壓管除了要保證規(guī)定的坡度之外, 還需保證管道內(nèi)徑不能太小, 否則氣體不容易升騰到高點(diǎn)。

3) 當(dāng)介質(zhì)為氣體時(shí), 氣體中可能會(huì)有冷凝液析出。為了保證引壓管內(nèi)的冷凝液能順暢地流到引壓管低點(diǎn)的沉降器內(nèi), 需要引壓管內(nèi)徑足夠大, 否則冷凝液容易附著在引壓管內(nèi), 產(chǎn)生差壓信號(hào)傳遞失真。在介質(zhì)為潮濕氣體時(shí), 尤其如此。

一體化差壓式變送器的引壓管較短, 在制造廠內(nèi)一體化安裝好后, 現(xiàn)場(chǎng)不必安裝。一體化將節(jié)流件與變送器等組合在一起后, 但引壓管縮短后差壓信號(hào)的噪聲和脈動(dòng)流會(huì)對(duì)測(cè)量結(jié)果帶來(lái)影響。以下從兩方面進(jìn)行討論:

1) 差壓信號(hào)的噪聲對(duì)流量測(cè)量的影響。流體流過(guò)差壓裝置, 在節(jié)流件出口處形成渦流, 正是由于該渦流的存在和節(jié)流件上游面壓力的升高, 才會(huì)有差壓 Δp的產(chǎn)生。由于節(jié)流件出口處渦流的存在, 使得 Δp總是夾帶一定的噪聲, 該噪聲用快速響應(yīng)的檢測(cè)元件能清楚地觀察到。早期的差壓計(jì)由于性能還不夠完善, 此類(lèi)噪聲對(duì)差壓值的顯示會(huì)有一些影響, 例如使U形管差壓計(jì)中的液面上下跳動(dòng), 引起讀數(shù)困難。現(xiàn)代的差壓測(cè)量中差壓是平均值, 并且差壓變送器中的充液膜盒有一定的阻尼濾波作用, 所以在差壓變送器的輸出信號(hào)中已經(jīng)觀察不到該噪聲。

2) 目前的差壓變送器中都有阻尼時(shí)間設(shè)置功能, 更大幅度的噪聲可以用數(shù)字濾波的方法來(lái)處理, 既準(zhǔn)確又方便, 而且可供選擇的阻尼時(shí)間常數(shù)范圍較寬廣, 足以滿足使用要求, 不必用增加引壓管長(zhǎng)度的方法實(shí)現(xiàn)阻尼、濾波。

3) 脈動(dòng)流動(dòng)。在設(shè)計(jì)配管時(shí)要考慮:一體化差壓流量計(jì)的檢測(cè)元件 (傳感器) 的上、下游要遠(yuǎn)離脈動(dòng)源裝置, 如泵、攪拌器、調(diào)節(jié)閥等。必要時(shí)通過(guò)在脈動(dòng)源與一體化差壓流量計(jì)的檢測(cè)元件 (傳感器) 之間的工藝管道上增設(shè)阻尼器的方法來(lái)解決[4,8]。

50多年前, 單元組合儀表出現(xiàn)以后, 差壓計(jì)的功能由顯示單元和差壓變送器等單元擔(dān)任, 其中顯示儀表以及后來(lái)的DCS安裝在控制室內(nèi), 而變送器則就近安裝在距差壓裝置不遠(yuǎn)的巡檢和維修方便的地方, 使長(zhǎng)距離敷設(shè)引壓管線弊端大幅緩解。因變送器體積較大、故障率高、維護(hù)工作量大, 將其與差壓裝置組裝在一起會(huì)帶來(lái)很多不便, 于是差壓裝置安裝在管架上, 變送器安裝在距差壓裝置不遠(yuǎn)的平臺(tái)上或地面上方維修方便的地方。直到20世紀(jì)末, 變送器制造技術(shù)出現(xiàn)了質(zhì)的飛躍之后, 變送器的體積縮小, 可靠性顯著提高, 基本實(shí)現(xiàn)免維護(hù), 目前, 將變送器與阿牛巴差壓發(fā)生器、變送器與調(diào)整孔板組裝在一起國(guó)外亦在推廣。一體化成為減少安裝工程量、節(jié)約投資、提高系統(tǒng)品質(zhì)的有效措施, 為用戶(hù)帶來(lái)實(shí)際的利益, 在國(guó)內(nèi)亦越來(lái)越受到重視[9]。