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技術(shù)文章

銘宇自控智能渦街流量計在石油行業(yè)中再次成功應(yīng)用

點擊次數(shù)：2187 發(fā)布時間：2013-6-24

智能型渦街流量計是老式模擬的渦街流量計的更新?lián)Q代產(chǎn)品，智能型渦街流量計不僅可以帶4~20mA輸出，還可以帶RS232通訊協(xié)議，可以直接與計算機聯(lián)網(wǎng)，便于遠程監(jiān)控和操作。智能渦街流量計的z大優(yōu)點是抗振性能別好，無零點漂移，可靠性高。

1、智能渦街流量計工作原理

智能渦街流量計的用途非常廣泛，可以測量液體、氣體和蒸汽，可以測量高溫介質(zhì)而不必分體式安裝，也可以測量低溫介質(zhì)，同一臺儀表可以用于溫度在-200~427℃的工況下測量。由于渦街信號是頻率信號，因此，不需要對儀表進行調(diào)整零點或量程漂移的定期維護。在一些渦街儀表的設(shè)計中，傳感機構(gòu)沒有孔或縫隙，這樣儀表就不會發(fā)生堵卡。智能渦街流量計具有寬量程（當(dāng)雷諾數(shù)大于10000時可達30:1）、高精度、口徑范圍寬（15~300mm）、可靠性高、泄漏點少及壓力損失小等點。但是智能渦街流量計的使用也有一定的條件限制：一是對雷諾數(shù)、速度和背壓的限制；二是不能測量高黏度的流體、漿料或流速過低的流體；三是上游和下游直管段的要求。

寬量程以及簡單的安裝與調(diào)試，使智能渦街流量計成為近10年來發(fā)展z為迅速的流量技術(shù)之一。渦街流量計z初被廣泛用于蒸汽流量的測量，這是由于兩個主要原因：一是由于沒有導(dǎo)壓管，渦街技術(shù)簡化了流量計的安裝。渦街技術(shù)可以測量高溫介質(zhì)，而不必分體安裝傳感器，因此不需要價格昂貴的冷卻處理；二是由于沒有導(dǎo)壓管，避免了由于維護不當(dāng)而產(chǎn)生附加測量誤差。渦街流量計在許多種流量測量中也得到了應(yīng)用，如水、空氣和氮氣。但是，當(dāng)智能渦街流量計在要求更加苛刻的工況中使用時，儀表設(shè)計中存在的一些不足之處也開始暴露出來，通常是由于管線振動和傳感器積垢或堵塞所引起的測量誤差。

2、采用的較精良的技術(shù)

（1）在解決振動引起誤差方面的技術(shù)

渦街的生成是一種基于頻率的現(xiàn)象，如果電子部分不能區(qū)分振動產(chǎn)生的頻率和流體流動產(chǎn)生的頻率，儀表的輸出就容易出錯。微處理器是*個被用于渦街技術(shù)的主要增強技術(shù)。在過程儀表中引進微處理器，有助于儀表進行通信和數(shù)字信號傳輸，微處理器與渦街技術(shù)的自然結(jié)合，為改善傳感器的信號處理提供了一個解決方法。無論液體還是氣體，渦街流量計在滿量程范圍內(nèi)所測的頻帶在250:1的系數(shù)以上變化。對于尺寸在口徑范圍內(nèi)的管道，動態(tài)工作范圍擴大為10000:1。在未采用微處理器時，要解決這個復(fù)雜的關(guān)系，必須在儀表體中采用不同的電路設(shè)計。采用微處理器后，電子部分可以根據(jù)需要在大范圍內(nèi)調(diào)節(jié)量程，而不必改變內(nèi)部模擬電路。采用微處理器的另一個優(yōu)點是可以進行數(shù)字通信。渦街流量計中采用微處理器，可以顯著地減小啟動和投運時間。現(xiàn)在的智能渦街流量計只需輸入6個參數(shù)，就可以投入運行，使儀表的組態(tài)時間從45min減少到小于15min，另外，組態(tài)可以*遠程進行，而不必將電子部分暴露在現(xiàn)場中。電子部件發(fā)生故障時，也可以保存和重新裝載組態(tài)信息。

增強的第二個主要技術(shù)是低功耗的ASIC（集成電路）技術(shù)與DSP（數(shù)字信號處理器）技術(shù)的結(jié)合。在微處理器的控制下，這兩個技術(shù)的結(jié)合使得儀表在噪聲環(huán)境中能夠調(diào)整信號處理，達到*的性能。如前所述，如果不能地將振動頻率濾掉，那么測量結(jié)果會出錯。這對于低頻和高頻噪聲部分都是一個難點。流速高時，被測流體會產(chǎn)生使流量信號發(fā)生畸變的低頻噪聲。流速低時，渦街信號的幅值小，會受到低頻和高頻噪聲部分的干擾。這些因素與因流量和密度范圍的增加而引起的電位幅度變化疊加在一起。信號幅度（A）、密度（ρ）和流速（V）的關(guān)系為：

密度不變時，典型應(yīng)用中可用的流速范圍約為25:1，與之對應(yīng)的信號幅度范圍為625:1。另外，從大氣壓下的空氣到液體，其密度變化范圍為800:1。目前市場上的許多渦街流量計還在使用模擬技術(shù)過濾旋渦信號，這些濾波器不僅會發(fā)生模擬漂移，而且隨時間的衰減還是靜態(tài)的，不會根據(jù)實際工況的要求變化而進行調(diào)整，這將z終導(dǎo)致測量誤差。盡管可以對某個定的流量條件加強濾波，但是也存在著濾掉好的流量信號可能性。在某些點上，這種調(diào)整可能會使流量信號也一起被濾除。一旦確定了*的濾波設(shè)置，如果工況或使用情況發(fā)生了變化，那么該濾波方案就有可能失效。另外，電子部件本身的變化也會影響使用情況，如隨著時間的推移而發(fā)生的正常衰減，或者溫度變化對關(guān)鍵部件的影響等。如果使用*DSP技術(shù)，就可以根據(jù)實際使用情況來優(yōu)化濾波器，并可以根據(jù)工況變化進行動態(tài)調(diào)節(jié)。該濾波技術(shù)的基礎(chǔ)是數(shù)字帶通濾波器，可以根據(jù)管道尺寸和被測介質(zhì)類型（液體或氣體）進行調(diào)節(jié)，將單的低通和高通濾波器串聯(lián)起來可以構(gòu)成帶通濾波。

預(yù)置過的低通濾波器使濾波過的渦街信號仍然可以在實際的流量范圍內(nèi)保持相對恒定的水平，高通濾波器進行動態(tài)調(diào)整以適應(yīng)旋渦頻率的變化，這樣在將噪聲減小到z小的同時可以保持旋渦信號的強度。z后，信號閾值檢測算法確保被衰減的噪聲部分被濾除。接收的旋渦信號必須有足夠的幅度以突破所設(shè)置的觸發(fā)電平。總之，這些濾波器能提供的性能，并保持信號的完整性。由于這是數(shù)字濾波，因此，可以遠距離調(diào)節(jié)濾波器的設(shè)置，并且可以對某一方面定應(yīng)用情況進行優(yōu)化。

（2）解決渦街傳感器堵塞或積垢的較精良的技術(shù)

智能渦街流量計表體和傳感機構(gòu)設(shè)計的改進使儀表抗干擾能力和可靠性得到提高。較早的渦街流量計是通過管道內(nèi)漩渦發(fā)生體上或緊靠發(fā)生體的傳感器測量分離頻率。由于化學(xué)腐蝕以及流束引起的磨損，傳感器很容易損壞，現(xiàn)在渦街流量計的傳感器設(shè)計在流體流束外。一種解決渦街傳感器堵塞或積垢的較精良的技術(shù)就是將傳感器與表體一體化澆鑄。這就消除了易堵塞并影響儀表運行的端口或縫隙，省去了形密封圈可以消除儀表泄漏，不必擔(dān)心材料的兼容。

（3）用于儀表和過程診斷的較精良的技術(shù)

智能渦街流量計正在逐漸形成自診斷的功能。有了診斷功能，用戶可以了解到管道內(nèi)的情況，解決了因儀表從管道上拆下來造成整個生產(chǎn)過程停產(chǎn)的問題。另外，診斷功能還可以簡化例行的裝置檢查，降低維護費用并可以增加正常運行時間。

由于智能渦街流量計是以頻率為基礎(chǔ)，因此在提供診斷工具方面有別的便利。渦街流量計除了能讀取頻率外，也能產(chǎn)生頻率，在此模式下，儀表可以模擬用戶的實際工況給定一個上升時間，使儀表在兩個預(yù)置的流速間線性的或連續(xù)的輸出頻率。在使用這些功能時，傳感器并不需要被真正斷開連接，但其輸出信號被切斷，由內(nèi)部頻率發(fā)生器取代流量信號。用數(shù)字手操器可以遠程控制流量模擬。這個工具對于排除儀表或回路故障都是非常有用的，如果使用外部頻率發(fā)生器，可以按ISO的要求向儀表輸入模擬信號，以驗證儀表的輸出，

式1表明，信號的幅值與密度和速度平方成正比，這個關(guān)系提供了另外一個有用的診斷工具。將濾波過的信號幅值與預(yù)置的觸發(fā)電平進行比較，可以驗證能否得到足夠的信號強度，以保證讀數(shù)的性。一般建議信號電平與觸發(fā)電平之比的z小值為4:1，這樣，在調(diào)節(jié)漩渦傳感器中正常存在的信號幅值時，可以使帶內(nèi)噪聲的濾除率z大。當(dāng)這個比例降到4:1以下，可以通過調(diào)整濾波器的設(shè)置改善流量信號。在帶有DSP的渦街流量計中可以通過人工方法改變每個濾波器參數(shù)或通過使用優(yōu)化濾波器功能的自動方法來進行調(diào)整。優(yōu)化濾波器功能可以對某個給定的介質(zhì)密度給出可能的z寬衰減比以z大限度的濾除帶內(nèi)噪聲。

3 工程上的成功應(yīng)用

（1）精良的技術(shù)改善了污水流量測量

在哈薩克斯坦扎那諾爾油氣處理新廠含油污水處理裝置中，由于工藝采用短流程、低壓處理技術(shù)，要求污水計量儀表在性能上應(yīng)能滿足一定的要求：一是污水含硫化氫較高，儀表不能有泄漏；二是污水含泥沙，儀表不能有堵塞情況；三是流程短、壓力低，要求儀表壓力損失z小；四是油田工況變化范圍大，儀表要考慮寬的流量范圍；五是儀表安裝要求空間小，抗震動強。

設(shè)計中對超聲波、電磁、差壓式流量計進行分析評估，差壓式流量計存在著泄漏危險；超聲波流量計測量困難；電磁流量計安裝要求高、投資高，抗硫化氫腐蝕差。設(shè)計選用*渦街流量計后，儀表的傳感機構(gòu)與儀表體澆鑄在一起，取消了導(dǎo)壓管，消除了堵塞的可能性。選用的渦街流量計具有自適應(yīng)數(shù)字信號處理的能力，以達到所需的30:1的變化范圍。采用自適應(yīng)DSP，濾波方法可以進行調(diào)節(jié)，以適用于較寬工藝范圍。

（2）*表體設(shè)計改善了蒸汽計量

在哈薩克斯坦扎那諾爾油氣處理新廠鍋爐蒸汽計量中，應(yīng)用*一體化設(shè)計的渦街流量計，解決了以往用差壓式流量計由于引壓管造成的蒸汽泄漏，冬季保溫測量誤差大的問題，實際測量精度達到±1.35%。而且由于渦街流量計安裝在管道上壓力損失小，對鍋爐技能效果非常明顯。相對孔板流量計，渦街流量計選型設(shè)計計算簡單容易，可節(jié)省大量設(shè)計安裝時間；渦街流量計所需測量直管段比孔板小，在現(xiàn)場地方窄小不能*所需直管段要求時，通過調(diào)整渦街流量計的流量系數(shù)進行修正。渦街流量計由于無任何可動部件，生產(chǎn)維護非常方便，工作量小。

（3）*防震動設(shè)計和在線自診斷功能是天然氣計量的有效途徑

在哈薩克斯坦扎那諾爾油氣處理新廠設(shè)計中應(yīng)用*智能渦街流量計計量分離器出口、壓縮機、氣舉壓縮機出口的天然氣流量。由于數(shù)字信號處理器DSP技術(shù)和濾波技術(shù)的成功應(yīng)用，解決了壓縮機出口天然氣震動較大的問題。由于渦街流量計的輸出脈沖信號不受流體密度、黏度和組分等變化的影響，可使用一種典型介質(zhì)進行標(biāo)定而適用于實際被測介質(zhì)。例如，用于測量液體的渦街流量計可以用水標(biāo)定；用于測量氣體的渦街流量計可以用空氣標(biāo)定。通過在線修正儀表系數(shù)，改變天然氣工況流量范圍，在DCS系統(tǒng)中在線修改天然氣壓縮系數(shù)并根據(jù)工況溫度、壓力自動跟蹤天然氣壓縮系數(shù)，使天然氣計量達到用戶滿意的效果。

4、渦街流量計在線溫度、壓力及密度的補償

（1）渦街流量計使用中溫度、壓力補償

智能渦街流量計的儀表系數(shù)K在一定的雷諾數(shù)范圍內(nèi)僅與旋渦發(fā)生體的形狀和管道尺寸有關(guān)，但是當(dāng)流量計測量質(zhì)量流量時，流量計的輸出信號就要受被測介質(zhì)的密度、黏度和組分的影響。被測介質(zhì)為氣體時，渦街流量計在工作時測得的是實際工況下的體積流量。實際工況下的體積流量應(yīng)先折算成設(shè)計工況下的體積流量，再折算成標(biāo)況下的體積流量，然后乘以標(biāo)況下氣體的密度，從而得出質(zhì)量流量。體積流量由實際工況折算成設(shè)計工況時，必須考慮溫度、壓力補償。如果流量計的示值為質(zhì)量流量，則還應(yīng)考慮由于氣體組分變化而引起的密度變化，即必須進行密度補償。

（2）渦街流量計使用中天然氣壓縮系數(shù)補償

當(dāng)天然氣壓力超過4.0MPa，天然氣壓縮系數(shù)K是隨溫度、壓力、流量值變化的，由于壓縮機出口壓力和氣舉壓縮機出口壓力較高，在應(yīng)用渦街流量計測量天然氣時進行溫度、壓力補償運算的基礎(chǔ)上，在DCS系統(tǒng)中計算天然氣超壓縮因子自動跟蹤工況下的壓縮系數(shù)K，保證了天然氣流量測量的性。

5 總結(jié)

（1）針對不同的使用場合，對渦街流量計進行必要的參數(shù)補償，不但可提高渦街流量計計量的準(zhǔn)確度，還可為企業(yè)能源核算提供可靠的計量數(shù)據(jù)。

（2）由于渦街流量計技術(shù)的進步，石油生產(chǎn)過程中一些苛刻工況如：安裝位置受限，冬季保溫、工況變化范圍大、壓損小、震動環(huán)境、高溫、低溫、高壓力、泄漏限制、腐蝕介質(zhì)等情況下，使液體、氣體流量測量變的很簡單。

（3）渦街流量計適應(yīng)于多種工況，可以減少流量計應(yīng)用種類，為工廠流量測量儀表維護帶來方便，應(yīng)用渦街流量計的遠程診斷技術(shù)．提供儀表在線組態(tài)。參數(shù)調(diào)整、過程信息采集、故障預(yù)測等功能，可以降低運行維護費用。

（4）隨著渦街測量技術(shù)的發(fā)展，不久的將來，多變量測量流量、一體化溫度壓力補償?shù)男滦蜏u街流量計會為流量計量帶來更快發(fā)展。

渦街流量計在測量沼氣安裝流量計的時候，安裝點的上游較近處若裝有閥門，不斷地開關(guān)閥門，對傳感器的使用壽命影響大，非常容易對傳感器造成*性損壞、傳感器盡量避免在架空的非常長的管道上安裝，這樣時間一長后，由于傳感器的下垂非常容易造成傳感器與法蘭間的密封泄露，若不得已要安裝時，必須在傳感器的上下游2D處分別設(shè)置管道緊固裝置。

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