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大口径管道气体测量采用锥形流量计
发布时间:2019-06-27

摘 要:针对常规的差压型流量计在大口径管道气体流量测量中受安装位置等因素的限制,介绍了锥形流量计的特点、功能及其工作原理,比较了孔板流量计与锥形流量计的优缺点,指出锥形流量计具有压损低、精度高等特点,实践证明锥形流量计在工艺风计量方面的稳定性、可靠性和准确性。
  在现代的化工和石油化工装置中,时常会遇到一些大口径管道,其中介质大多为气体,例如氮气、工艺风、烟道气、焦炉煤气等介质。如何准确测量这些管道中气体流量,有时是很重要的,例如在硫酸生产装置中,工艺风流量是一个非常重要的工艺参数。一方面工艺风量大小和分配直接关系到沸腾炉内硫是否能充分燃烧,避免炉内升华硫的产生,防止炉膛烧结;另一方面还关系到整个装置的操作状况和平稳运行,以及经济指标的核算、标定。因此,主风量测量仪表应具备高可靠性和较高测量精度。
  测量大口径管道的气体流量通常为孔板流量计、文丘里管以及阿牛巴流量计等差压节流元件,但是,节流装置在某些场合却难以采用。在某硫酸装置设计中,工艺风流量测量遇到难题,若采用常规流量仪表孔板、文丘里管或阿牛巴,则安装位置受到限制。工艺管道公称直径700mm,其直管段前后仅有1m。对于大口径管道的流量测量,a方案采用孔板流量计,其安装要求高,一般前10D、后5D应为直管段,满足不了这么长的要求。b方案采用文丘里管,其本身长度近5m,再加上满足精度要求的最小安装直管段(前5.5D、后3.5D),共计11.3m,受安装条件限制,风机出口管线根本满足不了这么长的直管段要求。c方案采用阿牛巴,其安装要求一般为前5D、后2D,也满足不了这么长的直管段要求。
  随着测量技术的不断发展,近期推出了先进的流量测量仪表———锥形流量计。该流量计不仅很好地解决了直管段长度的要求,而且提高了测量精度,这是由于锥形流量计采用独特的中心流线型结构设计,巧妙地解决了长直管段整流的问题。中心悬挂的流线型锥体能重塑流速曲线,在紧靠锥体上游和下游较窄的区域内(前0~3D、后0~1D),将流速不规则的流体直接整流成理想流体,获得很高的测量精度和重复性,不需要直管段整流。因此笔者在该管线的气体流量测量中,设计采用了锥形流量计及差压变送器进行测量。本文将结合生产实际,着重比较孔板流量计与锥形流量计测量仪表的各自优缺点,供大家参考。
1 孔板流量计的特点及功能
  孔板流量计是一种差压型的流量仪表,也是使用历史悠久、应用最广泛的一种。它是基于流体流动的节流原理,利用流体流经节流元件时产生的压力差与其流量有关而实现测量的。
  充满管道的流体,当它流经管道内的节流元件孔板时,流束将在节流元件处形成局部收缩(见图1)。此时流速增大、静压降低,在节流元件前后产生差压,流量愈大,差压愈大,因而可根据差压来衡量流量的大小。这种测量方法是以连续性方程和伯努利方程为基础。
  孔板流量计由节流元件、差压变送器和流量显示仪表组成。仪表无可动部件,工作可靠,价格低廉,量程比约为3∶1。应用范围广泛,适用于单相流体,包括液体、蒸汽、气体皆可测量。检测件,特别是标准型的为全世界通用。但现场安装条件要求较高,需较长的直管段长度,对大口径工艺配管一般难以满足。对小口径管道(小于50mm)的流量测量有困难,压损较大,仪表刻度为非线性,测量精度不很高,有时维护工作量较大。
孔板流量计流体流动状态示意图
2 锥形流量计的特点及功能
  锥形流量计是一种新型的高精度差压型流量计。它与孔板节流相反,通过在密闭管道中心线悬挂一个特制的流线型锥体来进行中央节流,用上游管壁和锥体尾部测量的差压来计算流量。其特点:①没有直管段安装要求,可以解决其他流量计安装时要求直管段长度较长給现场配管带来的困难,尤其适用于大口径管道单相流体的计量;②低压损、高精度(≤0.5%),适用于需要控制全厂能耗的公用工程流体流量的计量;③独有的双法兰取压+密封截流锥体结构设计,适用于测量高黏度(如油浆、原油、回炼油、渣油)、粉尘介质的流量;④耐脏污,不易堵,长期稳定性好。
2.1 工作原理
  锥形流量计也是一种差压型的流量仪表。差压型流量计是基于密封管道中的能量转换原理,也就是说对于稳定流体,管道中流体的流速与差压的平方根成正比。当流体接近锥体时,其压力为p1,在通过锥体的节流区时,速度会增加,压力会降低至p2。如图2所示,p1和p2都通过锥形流量计的取压口引到后接的差压变送器上。流速发生变化时,锥形流量计的两个取压口之间的差压值会增大或缩小。当流速相同时,若节流面积大,则产生的差压值也大。
锥形流量计也遵循机械能能量守恒定律:

锥形流量计高低压取压口图示
因管道内的流量相等,则:

式中:p1———截面S1—S1处流体压力,kPa;
p2———截面S2—S2处流体压力,kPa;
ρ———介质密度,kg/m3;
v1———截面S1—S1处流体流速,m/s;
v2———截面S2—S2处流体流速,m/s;
g———重力加速度,m/s2;
A1———截面S1—S1处流通面积,m2;
A2———截面S2—S2处流通面积,m2;
K———仪表系数,1;
β———节流系数,1;
Q———管道中流体流量,m3/h;
D———管道内径,m;
d———锥形流量计锥体的最大外径,m。
由式(7)可见,管道中流体流量与差压的平方根成正比。
2.2 系统组成
  锥形流量计与传统的差压型流量计一样,由节流元件、引压管、差压变送器、流量计算机组成。流体为干燥气体时,若水平安装在管道上,取压孔方向应垂直向上;在垂直管道上,应将高、低压引压管向上走平行后接入变送器。
2.3 性能特性
1、重塑流速曲线
  重塑流速曲线是锥形流量计的最大特点。节流锥体悬挂在管线中心迫使管道中心的流体绕着锥体流动,从而改变了管道中的流速曲线。如果流体在理想的管道中没有任何阻碍和干扰,那它的流速分布将很均匀。靠近管壁的流速几乎为零,而管道中心的流速将达到最大,见图3。当我们将锥体悬挂在管线中心时,锥体将直接同流体的高速区接触,迫使高速区的流体同近管壁低速区的流体相混合,从而使流速均匀化,这样测出的流体流速更加准确。
锥形流量计理想流速曲线示意图
  在现实工况中,流速很难分布均匀,很多情况都会造成流体分布的不均匀。管道上的任何变化都可能对流体造成影响:如弯头、阀门等,见图4。而锥形流量计利用锥体对流速分布曲线进行重新塑造,使得锥体“整流”后的流体分布均匀,从而保证较高的测量精度。
锥形流量计实际流速曲线示意图
2、长期性能稳定
  锥体的外形设计应保证流体在流经锥体时是一种渐变的过程,无突变。流体经过锥体后到达锥体边缘,因此锥体边缘不会经常性地受到不洁流体的磨损,β值可保持不变,仪表可长期使用而勿需重新标定。锥形流量计所产生的信号有较高的稳定性(见图5)。它产生的是低幅、高频波动信号,而孔板流量计产生的是高幅、低频信号。
锥形流量计与孔板流量计产生信号稳定性图示
3、永久压力损失恒定
  由于没有锐利的缘口,锥形流量计引起的永久性压力损失恒定且比孔板的小,接近文丘里管。同时,极其稳定的信号使得差压的量程下限远比一般差压流量计的低,因此量程得以向下限扩展,量程比可达到15∶1,可测量最高雷诺数为5×106,最低雷诺数为1000仍可保持信号的线性。如果采用曲线修正,在更低的雷诺数条件下仍然可测量,并可保证较好的重复性。
4、无滞留死区
  锥体的这种“吹扫式”设计不存在死区,因此在锥体上不会堆积流体的碎片、黏渣或杂质。
3 锥形流量计与孔板流量计性能比较
  通过对孔板流量计及锥形流量计的工作原理和结构特点的对比,我们不难看出他们的具体差别如下。
1、精度
  锥形流量计的测量精度高(读数±0.5%),孔板的测量精度低(读数±1.5%)。
2、重复性
  由于锥体对流速的整形,使流速达到理想状态,干扰源少,因此锥形流量计测量数据的重复性好(优于±0.1%)。孔板只能依靠直管段对流体整形,直管段整形只能达到较为接近的流体完全理想状态,并且孔板本身的节流又破坏流体理想状态,因此干扰源多,重复性差。
3、安装要求
  锥形流量计安装要求低(前0~3D、后0~1D),无论是泵、压缩机、阀门或者弯管(一个单弯管或两个不在一个平面上的双弯管),对测量精度都没有影响。孔板流量计安装要求高(一般前10D、后5D),复杂工况还要加大到前20D、后5D。
4、长期稳定性
  锥形流量计长期稳定性好。流体流经圆锥体无突然波动,而是沿着锥形体形成一个边界层,并引导流体离开锥体的后角。所以锥体夹角不受不清洁流体的磨损,β值可长期不变,并保证长期精确测量。孔板流量计长期稳定性差。由于流体流经孔板锐利缘口,截流产生高速摩擦,引起孔板口磨损,脏污改变孔板口大小,使β值发生变化,不能保持长期精确测量。
5、信号稳定性
  锥形流量计信号稳定,“信号波动”仅是孔板的1/10。流体流经锥体形成非常短的涡流,这些涡流使锥形流量计产生高频低幅信号,并且信号在锥体尾部流向中央,相互抵消,因此干扰小。
孔板流量计信号不稳定,流体流经孔板后产生的涡流较长,这些长涡流使孔板产生低频高幅的信号,信号干扰大,会严重干扰差压变送器读数的准确性。
6、压损和量程
  锥形流量计压损低、量程宽,量程比通常为15∶1~50∶1。锥体的流线型设计使压损大大减小,最小可至0.06kPa,在所有的差压型流量计中,只有锥形流量计的压损与文丘里接近。由于没有锐利的缘口,锥形流量计引起的永久性压力损失恒定且比孔板小。同时,极其稳定的信号使得差压的量程下限远比一般差压型流量计的低,因此量程得以向下限扩展,雷诺数低至8000仍可保持信号线性。如果采用曲线修正,在更低的雷诺数下仍然可测量并可得到较好的重复性。
孔板流量计压损大、量程小,量程比通常为3∶1~5∶1。由于是平面阻挡,加上锐利的缘口,因此压损大,小信号波动大、干扰大,小量程无法测量。
7、β值范围和差压
  锥形流量计独特的几何形状使其有很宽的β值范围。标准的β值为0.450、0.550、0.650、0.750和0.850,也可按用户要求特定β值,以保证用户特定的差压输出。并且有较大的差压信号,满标尺差压信号从0.1kPa到几十kPa,保证测量的准确性。
8、脏污的影响和维护
  锥形流量计无停滞区,长期免维护。锥形流线型彻底吹扫式设计避免了流体中的残渣、凝结物或颗粒的滞留,可以保持锥体长期清洁。由于锥体对流体整形,加速了管壁流体的流速,因此减少了正取压口的脏污停留;倒角的设计使流体流经锥体后加速离去,故负取压孔不会污损。所以在较长的时间内(2~3年)无须维护清洗,可以保证精确测量。
孔板流量计由于是平面阻挡,脏污容易堆积,一般3个月须清洗一次,才能保证较好的精度。
9、气液两相介质(湿气)
  对湿气(气体中含有水分)的流体测量始终是流量测量中的一个难点。锥形流量计采用独特的锥体设计,使气体中所含有的大部分水分,沿锥体从管道中央温度较高的地方向周围温度较低的地方快速移动,产生的凝露沿锥体向管道底部下滴。由于锥体对流体整形,加速了管壁流体的流速,水分也快速通过,不会在取压口产生大量凝露。所以气体含有少量水分对锥形流量计取压口产生的干扰信号少,提高了测量准确性。通常要求气体中含水量不超过5%为好,最大不超过10%。
  孔板对流体产生阻挡,在孔板中央产生滴露,同时管壁流体受到阻挡,流速减慢,正取压口附近产生的凝露会影响取压信号;流体流经孔板后,产生的涡流向管壁作波动性发散,会影响负取压口取压信号。因此,湿气对孔板的测量精度会产生较大的负面影响,从而影响测量精度。因此,孔板及其他方式测量湿气往往难以达到预期的效果。
10、锥形流量计安装调试注意事项
  每台锥形流量计上均有箭头指示流体流过设备的方向,高压孔位于上游,低压孔位于下游,在安装差压变送器前需确认高压孔的具体位置。
4 孔板与锥形流量计的压损和精度
已知条件:
被测流体       工艺风
流量(标准状况)??????? Q20max=5750m3/h,
Q20com=4950m3/h,
Q20min=2500m3/h
工作压力       p1=3MPa
工作温度       t1=40℃
相对湿度       φ=0
管道内径       D20=300mm
管道材质       15碳钢,无缝管
有关孔板流量计与锥形流量计的压损及精度的计算过程,在此简略,现将计算结果列于表1。

从表1可看出:孔板流量计的压损要远大于锥形流量计,而精度也不及锥形流量计的高。
5 结束语
  该锥形流量计自开车以来,一直运行较好,不仅解决了设计过程中遇到直管段短,普通流量仪表难以检测的问题,同时也提高了测量精度,由原来的1.25%提高到0.5%,压损由9.37kPa降到1.28kPa,满足了生产要求.但锥形流量计价格比孔板流量计要高,建议在重要场所或不能有压损的地方使用。

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