現代的化工和石油化工裝置中,時常會遇到一些大口徑管道,其中介質大多為氣體,例如氮氣、工藝風、煙道氣、焦爐煤氣等介質。如何準確測量這些管道中氣體流量,有時是很重要的,例如在硫酸生產裝置中,工藝風流量是一個非常重要的工藝參數。一方面工藝風量大小和分配直接關系到沸騰爐內硫是否能充分燃燒,避免爐內*的產生,防止爐膛燒結;另一方面還關系到整個裝置的操作狀況和平穩(wěn)運行,以及經濟指標的核算、標定。因此,主風量測量儀表應具備高可靠性和較高測量精度。
測量大口徑管道的氣體流量通常為孔板、文丘里管以及阿牛巴等差壓節(jié)流元件,但是,節(jié)流裝置在某些場合卻難以采用。在某硫酸裝置設計中,工藝風流量測量遇到難題,若采用常規(guī)流量儀表孔板、文丘里管或阿牛巴,則安裝位置受到限制。工藝管道公稱直徑700mm,其直管段前后僅有1m。對于大口徑管道的流量測量,a方案采用孔板流量計,其安裝要求高,一般*D、后5D應為直管段,滿足不了這么長的要求。b方案采用文丘里管,其本身長度近5m,再加上滿足精度要求的zui小安裝直管段(前5.5D、后3.5D),共計11.3m,受安裝條件限制,風機出口管線根本滿足不了這么長的直管段要求。c方案采用阿牛巴,其安裝要求一般為前5D、后2D,也滿足不了這么長的直管段要求。
隨著測量技術的不斷發(fā)展,近期推出了*的流量測量儀表--錐形流量計。該流量計不僅很好地解決了直管段長度的要求,而且提高了測量精度,這是由于錐形流量計采用*的中心流線型結構設計,巧妙地解決了長直管段整流的問題。中心懸掛的流線型錐體能重塑流速曲線,在緊靠錐體上游和下游較窄的區(qū)域內(前0~3D、后0~1D),將流速不規(guī)則的流體直接整流成理想流體,獲得很高的測量精度和重復性,不需要直管段整流。因此筆者在該管線的氣體流量測量中,設計采用了錐形流量計及差壓變送器進行測量。本文將結合生產實際,著重比較孔板流量計與錐形流量計測量儀表的各自優(yōu)缺點,供大家參考。
2.2 系統(tǒng)組成
錐形流量計與傳統(tǒng)的差壓型流量計一樣,由節(jié)流元件、引壓管、差壓變送器、流量計算機組成。流體為干燥氣體時,若水平安裝在管道上,取壓孔方向應垂直向上;在垂直管道上,應將高、低壓引壓管向上走平行后接入變送器。
2.3 性能特性
1、重塑流速曲線
重塑流速曲線是錐形流量計的zui大特點。節(jié)流錐體懸掛在管線中心迫使管道中心的流體繞著錐體流動,從而改變了管道中的流速曲線。如果流體在理想的管道中沒有任何阻礙和干擾,那它的流速分布將很均勻??拷鼙诘牧魉賻缀鯙榱悖艿乐行牡牧魉賹⑦_到zui大,見圖3。當我們將錐體懸掛在管線中心時,錐體將直接同流體的高速區(qū)接觸,迫使高速區(qū)的流體同近管壁低速區(qū)的流體相混合,從而使流速均勻化,這樣測出的流體流速更加準確。
在現實工況中,流速很難分布均勻,很多情況都會造成流體分布的不均勻。管道上的任何變化都可能對流體造成影響:如彎頭、閥門等,見圖4。而錐形流量計利用錐體對流速分布曲線進行重新塑造,使得錐體“整流”后的流體分布均勻,從而保證較高的測量精度。
2、長期性能穩(wěn)定
錐體的外形設計應保證流體在流經錐體時是一種漸變的過程,無突變。流體經過錐體后到達錐體邊緣,因此錐體邊緣不會經常性地受到不潔流體的磨損,β值可保持不變,儀表可長期使用而勿需重新標定。錐形流量計所產生的信號有較高的穩(wěn)定性(見圖5)。它產生的是低幅、高頻波動信號,而孔板流量計產生的是高幅、低頻信號。
3、*壓力損失恒定
由于沒有銳利的緣口,錐形流量計引起的*性壓力損失恒定且比孔板的小,接近文丘里管。同時,極其穩(wěn)定的信號使得差壓的量程下限遠比一般差壓流量計的低,因此量程得以向下限擴展,量程比可達到15:1,可測量zui高雷諾數為5×106,zui低雷諾數為1000仍可保持信號的線性。如果采用曲線修正,在更低的雷諾數條件下仍然可測量,并可保證較好的重復性。
4、無滯留死區(qū)
錐體的這種“吹掃式”設計不存在死區(qū),因此在錐體上不會堆積流體的碎片、黏渣或雜質。
3 錐形流量計與孔板流量計性能比較
通過對孔板流量計及錐形流量計的工作原理和結構特點的對比,我們不難看出他們的具體差別如下。
(1)精度
錐形流量計的測量精度高(讀數±0.5%),孔板的測量精度低(讀數±1.5%)。
(2)重復性
由于錐體對流速的整形,使流速達到理想狀態(tài),干擾源少,因此錐形流量計測量數據的重復性好(優(yōu)于±0.1%)。孔板只能依靠直管段對流體整形,直管段整形只能達到較為接近的流體*理想狀態(tài),并且孔板本身的節(jié)流又破壞流體理想狀態(tài),因此干擾源多,重復性差。
(3)安裝要求
錐形流量計安裝要求低(前0~3D、后0~1D),無論是泵、壓縮機、閥門或者彎管(一個單彎管或兩個不在一個平面上的雙彎管),對測量精度都沒有影響??装辶髁坑嫲惭b要求高(一般前1OD、后5D),復雜工況還要加大到前20D、后5D。
(4)長期穩(wěn)定性
錐形流量計長期穩(wěn)定性好。流體流經圓錐體無突然波動,而是沿著錐形體形成一個邊界層,并引導流體離開錐體的后角。所以錐體夾角不受不清潔流體的磨損,值可長期不變,并保證長期測量。
孔板流量計長期穩(wěn)定性差。由于流體流經孔板銳利緣口,截流產生高速摩擦,引起孔板口磨損,臟污改變孔板口大小,使值發(fā)生變化,不能保持長期測量。
(5)信號穩(wěn)定性
錐形流量計信號穩(wěn)定,“信號波動”僅是孔板的1/10。流體流經錐體形成非常短的渦流,這些渦流使錐形流量計產生高頻低幅信號,并且信號在錐體尾部流向*,相互抵消,因此干擾小。
孔板流量計信號不穩(wěn)定,流體流經孔板后產生的渦流較長,這些長渦流使孔板產生低頻高幅的信號,信號干擾大,會嚴重干擾差壓變送器讀數的準確性。
(6)壓損和量程
錐形流量計壓損低、量程寬,量程比通常為l5:l~50:l。錐體的流線型設計使壓損大大減小,zui小可至0.06kPa,在所有的差壓型流量計中,只有錐形流量計的壓損與文丘里接近。由于沒有銳利的緣口,錐形流量計引起的*性壓力損失恒定且比孔板小。同時,極其穩(wěn)定的信號使得差壓的量程下限遠比一般差壓型流量計的低,因此量程得以向下限擴展,雷諾數低至8000仍可保持信號線性。如果采用曲線修正,在更低的雷諾數下仍然可測量并可得到較好的重復性。
孔板流量計壓損大、量程小,量程比通常為3:l~5:l。由于是平面阻擋,加上銳利的緣口,因此壓損大,小信號波動大、干擾大,小量程無法測量。
(7)值范圍和差壓
錐形流量計*的幾何形狀使其有很寬的β值范圍。標準的β值為0.450、0.550、0.650、0.750和0.850,也可按用戶要求特定β值,以保證用戶特定的差壓輸出。并且有較大的差壓信號,滿標尺差壓信號從0.1kPa到幾十kPa,保證測量的準確性。
(8)臟污的影響和維護
錐形流量計無停滯區(qū),長期免維護。錐形流線型*吹掃式設計避免了流體中的殘渣、凝結物或顆粒的滯留,可以保持錐體長期清潔。由于錐體對流體整形,加速了管壁流體的流速,因此減少了正取壓口的臟污停留;倒角的設計使流體流經錐體后加速離去,故負取壓孔不會污損。所以在較長的時間內(2~3年)無須維護清洗,可以保證測量。
孔板流量計由于是平面阻擋,臟污容易堆積。一般3個月須清洗一次,才能保證較好的精度。
(9)氣液兩相介質(濕氣)
對濕氣(氣體中含有水分)的流體測量始終是流量測量中的一個難點。錐形流量計采用*的錐體設計,使氣體中所含有的大部分水分,沿錐體從管道*溫度較高的地方向周圍溫度較低的地方快速移動,產生的凝露沿錐體向管道底部下滴。由于錐體對流體整形,加速了管壁流體的流速,水分也快速通過,不會在取壓口產生大量凝露。所以氣體含有少量水分對錐形流量計取壓口產生的干擾信號少,提高了測量準確性。通常要求氣體中含水量不超過5%為好,zui大不超過10%。
孔板對流體產生阻擋,在孔板*產生滴露,同時管壁流體受到阻擋,流速減慢,正取壓口附近產生的凝露會影響取壓信號;流體流經孔板后,產生的渦流向管壁作波動性發(fā)散,會影響負取壓口取壓信號。
因此,濕氣對孔板的測量精度會產生較大的負面影響,從而影響測量精度。因此,孔板及其他方式測量濕氣往往難以達到預期的效果。
(10)錐形流量計安裝調試注意事項
每臺錐形流量計上均有箭頭指示流體流過設備的方向,高壓孔位于上游,低壓孔位于下游,在安裝差壓變送器前需確認高壓孔的具體位置。
4 孔板與錐形流量計的壓損和精度
已知條件:
被測流體 工藝風
流量(標準狀況)
Q20max=5750m3/h,Q20com=4950m3/h,Q20min=2500m3/h
工作壓力 pl=3MPa
工作溫度 tl=40℃
相對濕度 φ=0
管道內徑 D20=300mm
管道材質 l5碳鋼,無縫管
儀表使用地點 河南開封硫酸廠
有關孔板流量計與錐形流量計的壓損及精度的計算過程,在此簡略,現將計算結果列于表1。
表1 壓損和精度的計算結果
型式壓損/kPa精度/I
錐形流量計1.28±0.5%
孔板流量計9.37±1.25%
從表1可看出:孔板流量計的壓損要遠大于錐形流量計,而精度也不及錐形流量計的高。
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