化工生产装置中超声波流量计的具体应用

　　下面文章首先分析了上海石化化工部乙二醇、聚乙烯醇、动力装置的物料特性以及测量原理，论述了超声波流量计在生产过程中的应用，总结了超声波流量计在化工装置运行中出现的问题，并且给出解决办法和使用维护经验。

　　关键词：化工生产,超声波流量计,故障分析,使用维护

　　超声波技术所反映出的声学特性早已为人们所掌握。近几年来，随着信号采集和信息处理技术的发展，对于超声波信号的发送、接收、处理的各种方法日渐成熟，超声波技术逐渐被运用到工业测量中。由于超声波流量计操作简便，测量精度高，技术上不断成熟，已经开始在很多领域得到广泛应用。上海石化化工部乙二醇装置碳酸钾流量的测量;聚乙烯醇装置火炬气流量的测量;动力装置工业循环水的测量等都是比较成功的应用案例。

　　1测量原理

　　超声波流量计是基于超声波在流动介质中的传播速度等于被测介质的平均流速与声波在静止介质中速度的矢量和的原理而设计开发的流量计，由换能器和转换器构成，特别适用于大口径管道的流量测量，测量管内部无任何阻力部件或可动部件，采用直接动力学原理进行测量，无任何假定条件，气体流速与本身成分、密度、温度等性质无关。它的测量方式属于非接触式测量，综合各方面特点，超声波流量计比较适合解决化工物料流量测量困难的流量测量仪表。目前，在化工生产中介质流量测量广泛应用的超声波流量计主要包括两类：多谱勒型超声波流量计和时差型超声波流量计。两者都是利用超声波的声学特性和相关信息处理手段采集和处理超声波信号，但其工作原理和适用场合存在区别。

　　1.1多谱勒型超声波流量计

　　2个探头(超声发送器和接收器)在被测流体流过的管路两侧对称安装。超声信号发送器首先发射超声信号(频率f1)，管道内液体介质中的气泡或颗粒物会使超声信号的频率发生改变，此后超声信号接收器会接收到频率f2的超声信号，在此过程中超声信号频率发生了偏移，也就是多普勒效应，而f1与f2之间的差值fd被称为多普勒频移。经过理论分析得知，多普勒频移fd与流体的流速V成正比，再结合管道的横截面积就可以将流速的测量转换成被测流量的大小。

　　1.2时差型超声波流量计

　　2个换能器通过测量顺流和逆流传播的时间差计算流体流速，比较适合于大口径的管道(直径>200mm)，2个换能器分布于管道两侧安装在上游和下游，并且可以同时发射和接收超声波信号。由于流体流速的作用，顺流换能器发射的超声波的声速增加，逆流换能器发射的超声波的声速减小，这样就会出现一个时间差(与流体流速成正比)，对时间差的测量转换成流体流速进而得到被测流体的流量。

　　2超声波流量计在化工生产装置上的应用

　　2.1实例一

　　上海石化化工部乙二醇装置FT203(碳酸钾)的流量测量原先采用的是差压式流量计(孔板流量计)。使用过程中由于物料(碳酸钾)本身特性，导压管伴热不均匀时，经常会使碳酸钾结晶体堵塞导压管造成测量不准确，给生产控制带来很大的影响。在技术改进中，希望采用其他类型的流量计。通过将超声波流量计与孔板流量计在压损、测量适用范围、对测量介质的特性、维修维护工作量、测量准确度、性价比等各方面比较，鉴于超声波流量计在以上各方面具有优势，改用多普勒型超声波流量计对碳酸钾物料流量进行测量，使用一段时间后，解决了之前存在的测量不稳定问题，并且提高了测量的准确度，同时降低了仪表的维护工作量，取得了非常好的改进效果。

　　2.2实例二

　　上海石化聚乙烯醇装置的火炬气流量测量一直是一个比较难解决的问题，火炬气管道口径1200mm，同时流速波动大，最小流速0.5m/s，最大流速可达60m/s，而且管道内物料的组分变化大，因此对于流量的测量使用常用方法比较困难。为了解决这一难题，尝试选用时差型超声波流量计测量火炬气流量，通过一段时间的实践效果相当理想，不但准确地实现了火炬气的流量测量，还精确地控制了火炬顶端蒸汽的注入量，同时降低了能耗，使企业生产更符合环保要求。

　　该测量系统由测量管、传感器固定件、超声波传感器和信号处理电路组成。其中测量管要求光滑并且具有一定长度，传感器固定件是保证生产进行过程中维修更换方便，超声波传感器配备压力监测和温差补偿功能，信号处理模块可获得瞬时流速，体积流量，质量流量，累积流量等数据。在有气体流动的管道中，超声顺流传播的速度比逆流时快，管道中气体的流速越快，超声顺流和逆流的时间差就越大。

　　超声波在传播过程中，由于物料组分的变化或者紊流的作用，声阻抗在不同的条件下会产生不同的变化，因此需要选择不同的声波信号调制模式。在气体多相流的测量条件下，可以选择相位调制方式为主幅值调制方式为辅的信号处理方法。上游换能器发射的连续超声波穿过被测流体到达相应的安装在下游的接受超声信号的换能器，由此形成信号通路。每一个换能器关联的信号都包含特定的扰动标记，接收的信号经过处理后会出现一个互相关联的波峰值，该值反映了扰动标记通过发射和接受信号通路的时间。而在安装时就固定好2个换能器的间距，就可以用间距除以扰动标记通过发射和接收通路之间的时间计算得到流速的大小。

　　2.3实例三

　　上海石化动力装置的工业循环水工况属于大管径大流量，管道口径达1000mm,通常测量循环水的流量计大多安装在水井中，工作环境潮湿，有时会被水淹没覆盖。因此，考虑采用超声波流量计进行测量。超声波流量计可采用管外安装、无需将管道截断或流体停流，不会对管道内流体的流动产生阻碍，并且介质的导电性和腐蚀性对其测量不产生影响，造价基本上与被测管道口径大小无关，因此口径越大其价格优势越明显。显示上可提供瞬时流速、瞬时流量、体积流量、质量流量、累计时间、累计流量等多方面数据，并且具有自诊断功能，可对流体中的实时状态进行分析。实践证明，选用超声波流量计后提高了流量测量的准确度，为工艺操作提供准确的保证，同时也减少了维护工作量。

　　3超声波流量计的安装调试与维护保养

　　3.1安装调试

　　(1)安装方法。

　　超声波流量计一般由换能器及其安装组件、信号处理单元和流量计表体三大部分组成。换能器部分实现电能和超声波之间的形式转换，比较常用的是现场插入式、外夹式两种安装方法，其中现场插入式换能器直接与被测流体接触，外夹式换能器安装在管道壁外侧，同时安装换能器处的管道可做表体使用。

　　其次是测量点的选择，一般要求需要有一定长度的直管段(上游10D，下游5D，D为管道直径)以实现流体流动状态的稳定，减小测量误差。插入式换能器的安装可以用钻孔工具在不停产状态下将传感器(探头)插入管路中，外夹式换能器的安装则需要先将安装位置处打磨光滑，然后使用粘合剂将换能器粘贴于管道外壁安装位置，最后再夹紧固定。另外，超声波流量计传感器(探头)的安装方式常用的有两种：“V”方式安装和“Z”方式安装。

　　(2)调试方法。

　　线路连接完后，先在探头内部注入硅胶(静置0.5h以上)，然后将探头的引线端向外将其固定于管道外壁。调试过程中，可观察信号输出强度、优良度、传输时间比等参数是否正常(信号强度≥6.5dB，信号优良度：低峰值(8～16)dB，高峰值(25～75)dB，传输时间比100左右)。如有异常，可微调探头位置，也可以微调上下游2个换能器的安装位置、安装间距、管道贴合度，通过各方面的调整使信号强度最强。如果被测管道有保温层，要刮掉一部分，否则无法实现准确测量。同时管道表面尽量光亮，粗燥的用砂纸打磨。测量过程中，如果读数变化很大，可采用连续读数取平均值的方法来读取流量值。

　　3.2使用维护

　　(1)定期检查换能器是否松动，与管道之间的粘合是否有效。

　　(2)定期清理探头上的水垢和沉积的杂质。

　　(3)定期检查流量计与管道之间的法兰连接是否完好，并适时监控现场温度与湿度在一定合理范围内，避免对电子电路的不良影响。

　　3.3常见故障原因分析及处理方法

　　3.3.1流速数据显示剧烈跳动

　　(1)故障现象。流速数据显示剧烈跳动。

　　(2)原因分析。探头安装位置可能存在局部振动;泵、调节阀、孔板、涡轮或部分关闭的阀门状态不稳定造成局部紊流;流量计输入管径与管道内径不匹配;

　　(3)解决方法。更改探头安装位置，例如将探头安装在远离振动源的地方;将探头安装在远离上述部件的地方;修改管径，使之匹配。

　　3.3.2数据显示错误

　　(1)故障现象。数据显示错误。

　　(2)原因分析。水平管道中的沉积物或气泡等对超声波信号传输产生了干扰。

　　(3)解决方法。更换探头安装位置，可将探头安装在管道两侧。

　　3.3.3探头故障报警

　　(1)故障现象。探头故障报警。

　　(2)原因分析。可能是管道中杂质或沉积物较多。

　　(3)解决方法。建议定期对探头进行清理和保养。

　　3.3.4探头完好，流速缓慢

　　(1)故障现象。探头完好无损，流速缓慢。

　　(2)原因分析。管道使用时间长，结垢严重;管道面凹凸不平、有管衬式结垢;外夹式探头与工件之间有贴合不紧密;传感器安装纤维玻璃的管道上。

　　(3)解决方法。清除管道内部污垢;将管道磨平或选择内表面光滑管道材料内衬的地方安装探头;用耦合剂或耦合片排除探头与工件表面之间的空气;将玻璃纤维除去。

　　3.3.5流量计读数突然消失

　　(1)故障现象。流量计读数突然消失。

　　(2)原因分析。被测液体介质温度过高气化或者超过其温度测量上限;传感器的耦合剂老化失效或消耗殆尽;周围环境中出现高频干扰信号。

　　(3)解决方法。

　　管道流体降温;重新涂耦合剂;远离变频器或高电压电缆场强电磁干扰。

　　4结语

　　超声波流量计作为一种新型计量仪表，在适合的应用场合正确使用，并且在安装、使用和维护方面注意一些基本的技术问题，就可以达到准确快速测量的目的，为化工生产装置自动化系统的正常运行提供准确的测量数据，保证生产安全稳定地进行。

　　参考文献

　　[1]辛立峰.超声波流量计的原理及应用[J].中国石油和化工标准与质量，2011，31(9)：96-97.

　　[2]赵金强，苏兵。超声波流量计在实际使用中遇到的问题及解决方案[J].化工仪表及自动化，2003，30(5)：71-72.

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