摘要:針對液化天然氣接收站介質(zhì)特性及工藝流程，簡單介紹了液化天然氣工程中常用
流量計(jì)的工作原理及優(yōu)缺點(diǎn),給出了流量計(jì)選型的一般步驟,最后通過實(shí)例介紹了流量計(jì)選型的過程,并對選型時(shí)應(yīng)注意的問題進(jìn)行了探討。
0引言
液化天然氣(LNG)接收站是對LNG進(jìn)行接收、儲存、氣化和外輸?shù)茸鳂I(yè)的站場，主要工藝系統(tǒng)包括卸料系統(tǒng)、儲存系統(tǒng)、蒸發(fā)氣(BOG)壓縮機(jī)系統(tǒng)、高壓氣化外輸系統(tǒng)、槽車低壓外輸、火炬系統(tǒng)、計(jì)量系統(tǒng)等，另外還有配套的公用系統(tǒng)，如消防水系統(tǒng)、儀表風(fēng)系統(tǒng)、制氮系統(tǒng)、取海水系統(tǒng)等，為了更好地控制產(chǎn)品質(zhì)量、成本核算和節(jié)約能源，需要在LNG接收站各系統(tǒng)適當(dāng)配置流量計(jì)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測。
接收站流量計(jì)按用途分為貿(mào)易計(jì)量和過程控制。貿(mào)易計(jì)量主要是LNG卸料計(jì)量、天然氣外輸計(jì)量和槽車LNG分銷計(jì)量,其中，卸料計(jì)量一般通過熱值計(jì)算,不采用流量計(jì),天然氣外輸計(jì)量一般采用成套的外輸計(jì)量撬(
超聲波流量計(jì)),LNG槽車外輸計(jì)量則通過地衡稱重實(shí)現(xiàn)“,文章主要介紹過程控制流量計(jì)選型設(shè)計(jì)與應(yīng)用。
1工作原理及選型步驟
目前，市場上大約有超過一百種不同的流量計(jì)，其測量原理、結(jié)構(gòu)特性、適用范圍及使用方法各不相同,對每一種測量工況而言，沒有最好的流量計(jì)，只有最適合的。選擇最適合的流量計(jì)，需要根據(jù)不同流量計(jì)的儀表性能，結(jié)合它們各自的使用工況及優(yōu)勢進(jìn)行選型。
1.1工作原理
石油化工行業(yè)常用的流量計(jì)主要有質(zhì)量流量計(jì)、超聲波流量計(jì)、容積式流量計(jì)、
電磁流量計(jì)、
渦輪流量計(jì)、
渦街流量計(jì)、
轉(zhuǎn)子流量計(jì)、
靶式流量計(jì)、
孔板流量計(jì)、
V錐流量計(jì)和文丘里流量計(jì)等10余種,表1是各種類型流量計(jì)工作原理及優(yōu)缺點(diǎn)。
1.2選型步驟
首先明確使用流量計(jì)的目的，例如測量體積流量、質(zhì)量流量、瞬時(shí)流量、累積流量;其次,針對每一種工況確定工藝參數(shù)后，從測量介質(zhì)、量程比、測量范圍、壓力損失、管徑要求等方面進(jìn)行分析,對于符合以上要求的確定為備選流量計(jì);最后,對備選流量計(jì)再從價(jià)格、環(huán)境條件和后期維護(hù)要求確定適合的。
表1常用流量計(jì)工作原理及優(yōu)缺點(diǎn)
| 儀表類型 |
工作原理 |
優(yōu)點(diǎn) |
缺點(diǎn) |
科式質(zhì)量流量計(jì) |
通過流體在流體管內(nèi)產(chǎn)生的科里奧利力,間接得到流體質(zhì)量流量。 |
精度高，可靠性高，能測量質(zhì)量流量、密度、溫度等多種參數(shù)。 |
對外界振動干擾敏感，不能用大管徑，不能測量低密度和低壓氣體，價(jià)格高。 |
熱式質(zhì)量流量計(jì) |
通過加熱流體后，檢測溫度場的變化來間接測量介質(zhì)質(zhì)量流量。 |
可測量微小氣體流量，在小、微氣體流量中有廣泛應(yīng)用，無可動部件，可靠性高 |
被測介質(zhì)要求干燥、潔凈，否則測量誤差增大，動態(tài)響應(yīng)慢，可達(dá)到3~6so |
超聲波流量計(jì)
(時(shí)差法) |
通過測量超聲波脈沖順流和逆流傳播時(shí)速度之差來測量流體的流速 |
可測量強(qiáng)腐蝕性、高粘度、易揮發(fā)等惡劣介質(zhì)，無壓損，可用于大管徑，維修更換方便。 |
只能用于清潔介質(zhì)，外夾式流量計(jì)測量精度低，不適用200℃以上高溫場合 |
容積式流量計(jì) |
測量元件將流體分割成多個(gè)單位體積，通過測量運(yùn)動元件的轉(zhuǎn)動次數(shù)，間接測量流體的流速。 |
精度高，受環(huán)境影響小，直管段要求不高，量程比大，通常用于昂貴介質(zhì)測量或需要準(zhǔn)確計(jì)量時(shí)。 |
結(jié)構(gòu)復(fù)雜，體積笨重，噪聲大，維護(hù)困難，一般適用于中、小口徑，且不適用于高低溫場合。 |
電磁流量計(jì) |
基于法拉第電磁感應(yīng)定律，通過測量磁場中導(dǎo)電流體的電動勢，間接得到被測流體流量。 |
無壓損，可用于含固體顆粒、懸浮物等臟污流體,測量范圍大，線性輸出，維護(hù)方便。 |
不適用低導(dǎo)電率流體，不能用于高溫流體，用于低溫介質(zhì)測量時(shí)需采取特殊處理。 |
渦輪流量計(jì) |
在流體的作用下，葉輪受力轉(zhuǎn)動，其角速度同流體平均流速成正比，測量轉(zhuǎn)速得到流量。 |
精度高，重復(fù)性好，范圍度大，結(jié)構(gòu)簡便，適用于高壓測量。 |
受流速分布和旋轉(zhuǎn)流的影響大,對傳感器的直管段要求高,對介質(zhì)清潔度要求高。 |
渦街流量計(jì) |
在流體中設(shè)置旋渦發(fā)生體，在發(fā)生體兩側(cè)產(chǎn)生有規(guī)則的漩渦，通過檢測漩渦發(fā)生頻率計(jì)算流量。 |
結(jié)構(gòu)簡單，安裝維護(hù)方便，可測流體種類多;精度高，壓損小，測量范圍度寬。 |
不適用于低雷諾數(shù)測量，上下游必須有足夠的直管段。 |
轉(zhuǎn)子流量計(jì) |
浮子在垂直錐形管中隨著流量變化而升降，浮子位移量與流量大小成比例。 |
主要用于小、微流量，范圍度寬,輸出特性近似為線性壓損小，價(jià)格低 |
精度不高，受被測介質(zhì)物性影響大，一般管道口徑不超DN250。 |
靶式流量計(jì) |
介質(zhì)流經(jīng)阻流件(靶)時(shí)會因其動能給阻流件一個(gè)作用力，作用力與流速平方成正比。 |
精度高，重復(fù)性好，耐高溫，結(jié)構(gòu)簡單，拆卸方便，不易堵塞。 |
流體必須滿管，量程范圍窄。 |
孔板流量計(jì) |
通過測量介質(zhì)流經(jīng)孔板時(shí)產(chǎn)生的靜壓差來確認(rèn)流量數(shù)值。 |
適用范圍廣，結(jié)構(gòu)簡單，易于復(fù)制，性能穩(wěn)定可靠,價(jià)格低廉。 |
壓力損失大，流量范圍窄,有長的直管段要求，需要經(jīng)常維護(hù)。 |
V錐流量計(jì) |
當(dāng)流體流經(jīng)V錐時(shí)，流通面積發(fā)生改變，產(chǎn)生壓力變化，通過測量壓力差來確認(rèn)流量數(shù)值. |
測量范圍大,精度高，重復(fù)性好，壓損小，結(jié)構(gòu)堅(jiān)固免維護(hù)，直管段要求低。 |
介質(zhì)有顆粒雜質(zhì)容易堵塞。 |
文丘里流量計(jì) |
通過測量介質(zhì)流經(jīng)節(jié)文丘里管時(shí)產(chǎn)生的靜壓差來確認(rèn)流量數(shù)值。 |
結(jié)構(gòu)簡單，精度高，壓損小，不易磨損，維護(hù)量小。 |
直管段要求高，流體對喉管的
沖刷和磨損嚴(yán)重，無法保證長.時(shí)間測量精度, |
1)價(jià)格。價(jià)格是流量計(jì)選型必須考慮的因素，但不是決定性因素,僅就儀表本身購置費(fèi)來講,質(zhì)量流量計(jì)、容積式流量計(jì)、管段式超聲流量計(jì)價(jià)格高，而小尺寸的渦輪、渦街、靶式.V錐等儀表的價(jià)格相差不多,轉(zhuǎn)子和孔板則屬于便宜的儀表。除此之外,還應(yīng)考慮國產(chǎn).進(jìn)口差價(jià)、安裝費(fèi)、維護(hù)費(fèi)、周期標(biāo)定費(fèi)等附加費(fèi)。
2)環(huán)境條件。一般需要考慮的有使用環(huán)境溫度、濕度、大氣壓、防爆防護(hù)、電磁干擾、防雷擊等，對于沿海地區(qū),儀表耐腐蝕性也應(yīng)被列為重點(diǎn)因素。
3)后期維護(hù)。流量計(jì)投入使用后，為保證流量計(jì)正常工作和保持應(yīng)有的精度,需要定期對流量計(jì)進(jìn)行維護(hù)。例如，渦街流量計(jì)為了后期方便檢查和清洗流量計(jì)(漩渦發(fā)生體),應(yīng)安裝旁通管道，而科式質(zhì)量流量計(jì)零點(diǎn)漂移對測量精度的影響為嚴(yán)重，所以非常必要定期進(jìn)行零點(diǎn)檢查和調(diào)整。
流量計(jì)選型步驟如圖1所示。
2應(yīng)用舉例
2.1確定工藝參數(shù)
LNG接收站內(nèi)需要使用流量計(jì)的系統(tǒng)及測量介質(zhì)如表2所示。
低壓外輸工藝流程如圖2所示，一部分低壓.LNG進(jìn)入再冷凝器與BOG壓縮機(jī)的壓縮蒸發(fā)氣混合冷凝后，與經(jīng)過再冷凝器旁路的低壓LNG匯合進(jìn)入高壓泵，達(dá)到所需的流量和輸送壓力后經(jīng)過氣化器氣化、計(jì)量站計(jì)量后外輸至輸氣管道,另一部分低壓LNG直接輸至裝車站，通過槽車外運(yùn)。
每臺低壓泵管線均需要流量測量,首先確定測量介質(zhì)的工藝條件,表3為低壓泵管線工藝參數(shù)。
2.2選型分析
根據(jù)表3提供的工藝參數(shù),按照測量介質(zhì)適用性、量程比、壓損要求、管徑要求等進(jìn)行逐項(xiàng)評比。
表4為流量計(jì)選型評審表。其中,壓力損失計(jì)算過程復(fù)雜般通過專業(yè)軟件完成。
通過以上分析，確定備選流量計(jì)有5種類型,分別是超聲波流量計(jì)、渦輪流量計(jì)、渦街流量計(jì)、孔板流量計(jì)和文丘里流量計(jì)。從價(jià)格上可以先排除超聲波流量計(jì),渦街流量計(jì)受環(huán)境條件影響嚴(yán)重，特別是管道振動這類周圍噪聲影響測量精度,渦輪流量計(jì)可動部件容易磨損，后期維護(hù)工作量大，同尺寸的文丘里管大約是孔板的兩倍價(jià)格，綜合上述因素及以往經(jīng)驗(yàn),優(yōu)先選用孔板流量計(jì)。
對于其他系統(tǒng)的流量計(jì)，按照以上步驟和原則分別進(jìn)行選型，并最終確定最適合的流量計(jì)。
3應(yīng)注意的問題
流量計(jì)的選型過程是不斷綜合的過程，既要了解使用條件又要熟悉流量計(jì)的性能參數(shù),一般而言，選型時(shí)應(yīng)注意以下幾個(gè)方面:
1)防爆防護(hù)。液化天然氣接收站危險(xiǎn)隱患多,站內(nèi)各工藝系統(tǒng)可能會有可燃?xì)獯嬖?考慮到LNG具有易燃易爆易蒸發(fā)、快速相變、低溫等特性，一旦泄漏會迅速蒸發(fā)形成可燃?xì)庠茍F(tuán)，遇火源就可能發(fā)生火災(zāi)爆炸回，因此選型時(shí)要選用滿足本區(qū)域防爆防護(hù)等級要求的流量計(jì)，以減少可能發(fā)生的事故。
2)標(biāo)定要求。在設(shè)置流量計(jì)精度時(shí)，應(yīng)注意提供的數(shù)據(jù)是在標(biāo)定條件下標(biāo)定的，而在實(shí)際測量時(shí)，介質(zhì)參數(shù)與標(biāo)定時(shí)發(fā)生變化，可能會影響流量計(jì)精度,因此安裝前需要根據(jù)介質(zhì)工藝參數(shù)進(jìn)行標(biāo)定。另外，如果流量計(jì)長時(shí)間使用發(fā)生磨損或介質(zhì)參數(shù)發(fā)生大變化也需要進(jìn)行及時(shí)標(biāo)定，以免影響計(jì)量結(jié)果。
3)輔助配件。流量計(jì)在使用時(shí)可能不是單獨(dú)存在的，往往需要配備相應(yīng)的輔助配件，以保證流量計(jì)正常、可靠地工作。例如，容積流量計(jì)和渦輪流量計(jì)一般需要安裝前置過濾器，而轉(zhuǎn)子流量計(jì)則需要在下游安裝單向閥以免流體倒流。
4)保證安全。石油化工行業(yè)中流量儀表在過程控制中有著穩(wěn)定安全生產(chǎn)的作用，因此，首先保證測量方式必須穩(wěn)定可靠，一方面取樣裝置在運(yùn)行中不.會發(fā)生因機(jī)械強(qiáng)度或電氣回路故障而引起生產(chǎn)事故:另一方面,測量儀表無論在正常生產(chǎn)或故障情況下都不會影響生產(chǎn)系統(tǒng)的安全。低溫高壓的場合,一般不使用結(jié)構(gòu)強(qiáng)度低的靶式流量計(jì)和渦輪流量計(jì),而對于安全儀表系統(tǒng)的流量計(jì)。
5)業(yè)績要求。通常為保證項(xiàng)目安全可靠,建議選型時(shí)盡量選用有相同或相似工況應(yīng)用業(yè)績的流量計(jì),對于業(yè)績少的流量計(jì)或新產(chǎn)品應(yīng)慎重對待。仿真結(jié)果吻合。
6結(jié)論
通過輸出位移、激振力、倍頻效應(yīng)和散熱特性的試驗(yàn)，得出以下結(jié)論:
1)利用超磁致伸縮材料的倍頻效應(yīng)，可以降低驅(qū)動頻率在200Hz以下,同時(shí)簡化驅(qū)動線圈結(jié)構(gòu);
2)超磁致伸縮激振器的動態(tài)特性主要包括階躍響應(yīng)和幅頻特性,以最大激振力為前提,激振器應(yīng)有足夠的動態(tài)性能;
3)驅(qū)動磁場頻率在200Hz以下時(shí),激振力可在1~10kN范圍內(nèi)調(diào)節(jié)，激振電流-磁場強(qiáng)度-磁化強(qiáng)度間近似線性關(guān)系，表明線性磁化模型能夠?yàn)闇?zhǔn)確的描述磁場強(qiáng)度與磁化強(qiáng)度的關(guān)系;
4)靜態(tài)力常數(shù)與磁場強(qiáng)度、磁致伸縮應(yīng)變、輸出力和系統(tǒng)剛度密切相關(guān)，是綜合反映超磁致伸縮激振器靜態(tài)性能的重要指標(biāo)。
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