摘 要:針對常規的差壓型流量計在大口徑管道氣體流量測量中受安裝位置等因素的限制,介紹了錐形流量計的特點、功能及其工作原理,比較了孔板流量計與錐形流量計的優缺點,指出錐形流量計具有壓損低、精度高等特點,實踐證明錐形流量計在工藝風計量方面的穩定性、可靠性和準確性。
在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,避免爐內升華硫的產生,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流量計、文丘里管以及阿牛巴流量計等差壓節流元件,但是,節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,一般前10D、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最小安裝直管段(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展,近期推出了先進的流量測量儀表———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獨特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域內(前0～3D、后0～1D),將流速不規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缺點,供大家參考。
1 孔板流量計的特點及功能
孔板流量計是一種差壓型的流量儀表,也是使用歷史悠久、應用廣泛的一種。它是基于流體流動的節流原理,利用流體流經節流元件時產生的壓力差與其流量有關而實現測量的。
充滿管道的流體,當它流經管道內的節流元件孔板時,流束將在節流元件處形成局部收縮(見圖1)。此時流速增大、靜壓降低,在節流元件前后產生差壓,流量愈大,差壓愈大,因而可根據差壓來衡量流量的大小。這種測量方法是以連續性方程和伯努利方程為基礎。
孔板流量計由節流元件、差壓變送器和流量顯示儀表組成。儀表無可動部件,工作可靠,價格低,量程比約為3∶1。應用范圍廣泛,適用于單相流體,包括液體、蒸汽、氣體皆可測量。檢測件,特別是標準型的為全世界通用。但現場安裝條件要求較高,需較長的直管段長度,對大口徑工藝配管一般難以滿足。對小口徑管道(小于50mm)的流量測量有困難,壓損較大,儀表刻度為非線性,測量精度不很高,有時維護工作量較大。
2 錐形流量計的特點及功能
錐形流量計是一種新型的高精度差壓型流量計。它與孔板節流相反,通過在密閉管道中心線懸掛一個特制的流線型錐體來進行中央節流,用上游管壁和錐體尾部測量的差壓來計算流量。其特點:①沒有直管段安裝要求,可以解決其他流量計安裝時要求直管段長度較長給現場配管帶來的困難,尤其適用于大口徑管道單相流體的計量;②低壓損、高精度(≤0.5%),適用于需要控制全廠能耗的公用工程流體流量的計量;③獨有的雙法蘭取壓+密封截流錐體結構設計,適用于測量高黏度(如油漿、原油、回煉油、渣油)、粉塵介質的流量;④耐臟污,不易堵,長期穩定性好。
2.1 工作原理
錐形流量計也是一種差壓型的流量儀表。差壓型流量計是基于密封管道中的能量轉換原理,也就是說對于穩定流體,管道中流體的流速與差壓的平方根成正比。當流體接近錐體時,其壓力為p1,在通過錐體的節流區時,速度會增加,壓力會降低至p2。如圖2所示,p1和p2都通過錐形流量計的取壓口引到后接的差壓變送器上。流速發生變化時,錐形流量計的兩個取壓口之間的差壓值會增大或縮小。當流速相同時,若節流面積大,則產生的差壓值也大。
錐形流量計也遵循機械能能量守恒定律:
因管道內的流量相等,則:
式中:p1———截面S1—S1處流體壓力,kPa;
p2———截面S2—S2處流體壓力,kPa;
ρ———介質密度,kg/m3;
v1———截面S1—S1處流體流速,m/s;
v2———截面S2—S2處流體流速,m/s;
g———重力加速度,m/s2;
A1———截面S1—S1處流通面積,m2;
A2———截面S2—S2處流通面積,m2;
K———儀表系數,1;
β———節流系數,1;
Q———管道中流體流量,m3/h;
D———管道內徑,m;
d———錐形流量計錐體的最大外徑,m。
由式(7)可見,管道中流體流量與差壓的平方根成正比。
2.2 系統組成
錐形流量計與傳統的差壓型流量計一樣,由節流元件、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最大特點。節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。靠近管壁的流速幾乎為零,而管道中心的流速將達到最大,見圖3。當將錐體懸掛在管線中心時,錐體將直接同流體的高速區接觸,迫使高速區的流體同近管壁低速區的流體相混合,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、永久壓力損失恒定
由于沒有銳利的緣口,錐形流量計引起的永久性壓力損失恒定且比孔板的小,接近文丘里管。同時,極其穩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,可測量最高雷諾數為5×106,最低雷諾數為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
錐體的這種“吹掃式”設計不存在死區,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,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,干擾源少,因此錐形流量計測量數據的重復性好(優于±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完全理想狀態,并且孔板本身的節流又破壞流體理想狀態,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。孔板流量計安裝要求高(一般前10D、后5D),復雜工況還要加大到前20D、后5D。
4、長期穩定性
錐形流量計長期穩定性好。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,β值可長期不變,并保證長期精確測量。孔板流量計長期穩定性差。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β值發生變化,不能保持長期精確測量。
5、信號穩定性
錐形流量計信號穩定,“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中央,相互抵消,因此干擾小。
孔板流量計信號不穩定,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15∶1～50∶1。錐體的流線型設計使壓損大大減小,最小可至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,錐形流量計引起的永久性壓力損失恒定且比孔板小。同時,極其穩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∶1～5∶1。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、β值范圍和差壓
錐形流量計獨特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,長期免維護。錐形流線型徹底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,可以保證精確測量。
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。錐形流量計采用獨特的錐體設計,使氣體中所含有的大部分水分,沿錐體從管道中央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,最大不超過10%。
孔板對流體產生阻擋,在孔板中央產生滴露,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 p1=3MPa
工作溫度 t1=40℃
相對濕度 φ=0
管道內徑 D20=300mm
管道材質 15碳鋼,無縫管
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。
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。
5 結束語
該錐形流量計自開車以來,一直運行較好,不僅解決了設計過程中遇到直管段短,普通流量儀表難以檢測的問題,同時也提高了測量精度,由原來的1.25%提高到0.5%,壓損由9.37kPa降到1.28kPa,滿足了生產要求.但錐形流量計價格比孔板流量計要高,建議在重要場所或不能有壓損的地方使用。
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