摘要:針對冶金工業(yè)煤氣在線流量測量裝置實(shí)際運(yùn)行狀況,重點(diǎn)從地域環(huán)境、可測量介質(zhì)適應(yīng)性、測量裝置的工藝技術(shù)要求、量程范圍、耐磨性、直管段要求、設(shè)備維護(hù)及節(jié)能等方面,探討了彎管流量計與孔板流量計的性能比較,為工業(yè)煤氣測量計量設(shè)備的選型提供參考。
1.前言
冶金工業(yè)煤氣中含有大量的粉塵、水、焦油和萘,測量計量冶金工業(yè)煤氣的流量設(shè)備運(yùn)行狀況不好,是國內(nèi)外測量計量領(lǐng)域中公認(rèn)的難題。目前,對冶金工業(yè)煤氣的測量計量,使用較多的是孔板流量計、質(zhì)量流量計和渦節(jié)流量計。相比之下，孔板流量計相對穩(wěn)定,使用也更為廣泛。但是,孔板流量計在使用過程中因有大量雜質(zhì)堆積,焦油和萘附著在孔板流量計的測量刀口上、導(dǎo)壓管上,易造成堵塞及凍管現(xiàn)象。近年來,彎管流量計在冶金工業(yè)煤氣計量中得到應(yīng)用,取得了較好的使用效果。對八鋼冶金工業(yè)煤氣流量計量中使用孔板流量計和彎管流量計的狀況進(jìn)行分析,以供同行參考。
2工作原理
2.1彎管流量計的工作原理
彎管流量計是一種差壓式流量計,其差壓的產(chǎn)生是靠流體流經(jīng)彎管時,由于彎管的約束和彎管管壁的導(dǎo)流作用,使流體在彎管內(nèi)作近似于圓周運(yùn)動產(chǎn)生慣性離心力,該離心力的大小與流體的流速、流體質(zhì)量(密度)以及做圓周運(yùn)動的曲率半徑等因素有關(guān)。在彎管的內(nèi)側(cè)流速會逐步增大,而外側(cè)流速卻逐步減小,形成了各個過流面的近似梯形速度分布,這種梯形分布狀態(tài)在彎管45°截面處達(dá)到極限狀態(tài)。根據(jù)質(zhì)量守恒定律、能量守恒定律和動量守恒定律,流體在管道中流動時,相同過流斷面各元流質(zhì)點(diǎn)的能量不變,各質(zhì)點(diǎn)流速的變化形成了彎管內(nèi)的外側(cè)壓差△P,進(jìn)而方便地測量出管道內(nèi)流體的流速和流量值。彎管截面流速分布示意圖如圖1所示。
2.2孔板流量計的工作原理
當(dāng)氣體流經(jīng)管道內(nèi)的節(jié)流件板片時,流體在節(jié)流件板片前后形成壓差,致使氣體在管道內(nèi)的流速增加,靜壓力下降。氣體的流量增大時,產(chǎn)生的壓差值也隨著增大,根據(jù)流動連續(xù)性方程(質(zhì)量守恒定律)和伯努力方程(能量守恒定律),測量出節(jié)流件板片差壓值的大小，計量出氣體流量值。孔板流量計測量原理見圖2。
流量方程為：
3.性能比較
在冶金工業(yè)煤氣測量計量中,彎管流量計較孔板流量計具有許多優(yōu)越性。
3.1節(jié)能效果好
彎管流量計因其獨(dú)特的測量原理,沒有其他流量計必須具備的節(jié)流件或插入件,最大限度地減低了因計量檢測器具帶來的流體在管道內(nèi)的壓力損失,減少了加壓設(shè)備的投入和加壓設(shè)備的電能消耗。由于孔板流量計是利用對流體節(jié)流裝置施行節(jié).流產(chǎn)生的差壓來測量流體流量,流體在孔板上存在壓力損失,因此使用時為了保證孔板流量計的測量精度,在選定孔板流量計的工作壓差時都取高壓差值。通常情況下，該節(jié)流壓力損失(稱為不可恢復(fù)壓力損失)可達(dá)孔板運(yùn)行流量下產(chǎn)生壓差值的30%～70% (與孔板的β值有關(guān))。孔板流量計壓力損失等損耗量用見表1。
3.2設(shè)備使用狀況較好
冶金工業(yè)煤氣中，含有大量的粉塵、水、焦油和萘,使很多流量測量計量設(shè)備不能正常工作。彎管流量計的特殊結(jié)構(gòu)和導(dǎo)壓管上的三通閥可在正常工作狀態(tài)下清除傳感器的堵塞附著物,實(shí)用便利,在現(xiàn)場試用4年來從未發(fā)生堵塞現(xiàn)象。
3.3彎管流量計結(jié)構(gòu)簡單
彎管流量計的彎管傳感器,是一個90的標(biāo)準(zhǔn)彎管,內(nèi)部沒有任何節(jié)流件和插入件,是測量元件中簡單實(shí)用的測量件。隨著機(jī)械加工業(yè)的快速發(fā)展和精度高數(shù)控機(jī)床用于機(jī)械加工業(yè),彎管流量傳感器的加工精度不斷提高,質(zhì)量越來越好。 彎管流量計的直管段要求前5D,后2D,孔板流量計的直管段要求前10D,后5D。彎管流量計的重復(fù)性好,可達(dá)0.2%。
3.4彎管流量計適應(yīng)性強(qiáng),量程范圍寬
彎管流量計在高溫、高壓、沖擊、振動、潮濕、粉塵等惡劣環(huán)境條件下,優(yōu)于孔板流量計,震動和沖擊對彎管流量傳感器的正常工作幾乎沒有影響,高溫、高壓對彎管流量計來說只要采用與工藝管道相同的材質(zhì),就可以解決。
彎管流量傳感器的幾何尺寸幾乎沒有限制,管徑的大小從幾十毫米到2n以上,只要彎管的彎徑比符合規(guī)定要求,都可以做為傳感器進(jìn)行流量測量。
彎管流量計的設(shè)計特點(diǎn)最適合在高溫、高壓狀態(tài)下(高溫蒸汽、高溫水)的流量計量,可降低能源損耗,降低壓力損失,提高供熱效率。
彎管流量計的量程比可達(dá)10: 1,孔板流量計的量程比一般為35: 1.
3.5彎管流量傳感器的耐磨性好
因彎管流量傳感器的特殊結(jié)構(gòu),內(nèi)部沒有任何節(jié)流件和插入件,固彎管流量傳感器幾乎不存在磨損,是保證彎管流量計長期運(yùn)行精度不變的重要條件。孔板流量計入口邊緣尖銳度對磨損十分敏感,只要有微量的磨損,就會直接影響到測量精度,在氣體的長期高度沖刷下,也會使孔板開孔直角入口的邊緣很快鈍化,使測量精度系統(tǒng)發(fā)生變化造成誤差。
3.6彎管流量計安裝方便,維護(hù)量小
彎管流量計具有良好的耐磨性,長期運(yùn)行的穩(wěn)定性和可在線進(jìn)行清污等特點(diǎn),可采用直接焊接的方法進(jìn)行安裝,避免了流量測量裝置現(xiàn)場跑、冒、滴、漏,令人頭痛的問題,降低了安裝費(fèi)用。
由于彎管流量計一次測量件長期運(yùn)行無磨損件,大大降低了維護(hù)費(fèi)用,幾乎是免維護(hù),一般可達(dá)到被測氣體管道的使用壽命。
孔板流量計的插入件和節(jié)流件容易堵塞,附著臟物,影響測量正確率。為保證孔板流量計的測量精度,必須經(jīng)常進(jìn)行拆除檢查清污,這樣頻繁的拆裝、檢查、清污維修,在連續(xù)作業(yè)的冶金企業(yè)難以做到,特別是對在較大管道上的孔板流量計就更難以做到,可見在工業(yè)煤氣計量中具有多種不確定因素影響測量誤差。
3.7彎管流量計不易凍管
孔板流量計的結(jié)構(gòu)、工作原理達(dá)到的測量精度,節(jié)流件起到了決定性的作用。節(jié)流件對氣體在管道的流動具有非常大的阻力,一般只能利用輸氣管道.截面的1/3,大量潮濕含水的氣體在節(jié)流件截面上形成了大量的水珠,遇冷后結(jié)霜、結(jié)凍堵管。為解決煤氣供應(yīng)的凍管問題,必須給每套孔板加裝保溫伴.熱裝置,來保證新疆地區(qū)5個月的冬季運(yùn)行。表2為孔板流量計運(yùn)行費(fèi)用。
彎管流量計由于特殊結(jié)構(gòu)和安裝的多樣性(水平轉(zhuǎn)水平,水平轉(zhuǎn)垂直向下，垂直向下轉(zhuǎn)水平,垂直直管,水平直管等安裝方式,見圖3),可以有效防止煤氣計量中凍管的發(fā)生，節(jié)省熱能源和運(yùn)行費(fèi)用。
4.應(yīng)用對比
盡管孔板流量計在工業(yè)煤氣測量計量中存在不少缺點(diǎn),但是孔板流量計仍是測量計量行業(yè)使用廣泛的一種流量計量裝置,它已有100多年的歷史,經(jīng)過各國科學(xué)工作者潛心研究,第一個流量測量節(jié)流裝置國際標(biāo)準(zhǔn)ISO5167在1980年頒布實(shí)施,經(jīng)過多年的發(fā)展ISO5167在1993年、2003年分別進(jìn)行了改版,使孔板流量計更具有完備的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范,得到了計量管理部門檢定許可。
彎管流量計在工業(yè)測量計量中的優(yōu)勢巴凸顯,但也需要不斷改進(jìn):(1)彎管流量計對低壓低流速的流體不易測量; (2)彎管流量計只能在帶有彎管的管道上安裝,具有一定的局限性; (3)在 氣體的測量時取壓截面上的密度變化難以修定。
5.結(jié)束語
用于各類流量測量計量設(shè)備很多。實(shí)踐證明,在選擇測量計量器具的過程中,要高度關(guān)注被測量介質(zhì)的多變性,工藝參數(shù)的正確率,使用環(huán)境的特殊性及整體系統(tǒng)考慮的科學(xué)性,并不是說流量測量計量設(shè)備的價格越高越好,也不是精度越高越好,關(guān)鍵是要達(dá)到被測介質(zhì)數(shù)據(jù)真實(shí)所需。為此,工程技術(shù)人員在選擇流量測量設(shè)備時要遵循合理、正確、綜合系統(tǒng)的原則: (1)滿足基本功能(2)避 免采用模擬信號傳輸?shù)南到y(tǒng); (3)既要考慮未來的更新和發(fā)展,又要與原系統(tǒng)匹配; (4)根據(jù)需要確定精度等級、價格性能比, (5)既要考慮安裝、維護(hù)的便利性,又要注重后期維護(hù)費(fèi)用和可檢定的可行性。
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