摘要:介紹了多孔平衡流量計(jì)結(jié)構(gòu)、特點(diǎn)和工作原理。與傳統(tǒng)差壓式流量計(jì)相比,多孔平衡流量計(jì)具有精度高、直管段要求低、永久壓力損失少、耐臟污不易堵、長(zhǎng)期穩(wěn)定性好、流量測(cè)量范圍寬.可測(cè)量高溫.高壓介質(zhì)等特點(diǎn)。可測(cè)管徑15~3000mm,直管段長(zhǎng)度前0.5D~2D后0.5D~2D,精度等級(jí)可達(dá)0.3%~0.5%，量程比20:1~30:1。該流量計(jì)適合硫酸裝置副產(chǎn)蒸汽流量測(cè)量,既可確保精度,又能減少投資和運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用。
在現(xiàn)代石油與化工裝置中,正確測(cè)量管道中介質(zhì)流量是很重要的。例如在硫酸裝置中,蒸汽流量是一個(gè)非常重要的工藝參數(shù),關(guān)系到整個(gè)系統(tǒng)的負(fù)荷核算及經(jīng)濟(jì)指標(biāo)的核算、標(biāo)定。因此,蒸汽流量測(cè)量?jī)x表應(yīng)具備高的可靠性和測(cè)量精度。以孔板流量計(jì)、噴嘴流量計(jì)、文丘里流量計(jì)為代表的傳統(tǒng)差壓式流量計(jì)由于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、安裝牢固、性能穩(wěn)定可靠，是目前世界通用的流量檢測(cè)儀表。但傳統(tǒng)差壓式流量計(jì)存在精度低、永久壓力損失大等缺點(diǎn),并且直管段要求較長(zhǎng)，通常為前10D~20D、后5D~10D(D為管道直徑)。一般直管段管徑都難以滿足此要求,尤其對(duì)于較大管徑的管道而言,問(wèn)題就更為突出。某硫酸裝置設(shè)計(jì)中就遇到這樣的問(wèn)題，蒸汽管道規(guī)格DN400。由于受空間限制,工藝配管過(guò)程中很難滿足流量計(jì)安裝的直管段要求,容易出現(xiàn)蒸汽計(jì)量不準(zhǔn)的狀況。采用了一種流量測(cè)量?jī)x表一多孔平衡流量計(jì)及差壓變送器，很好地解決了蒸汽流量測(cè)量問(wèn)題。在此簡(jiǎn)單比較多孔平衡流量計(jì)與孔板流量計(jì)特點(diǎn),為硫酸廠蒸汽流量測(cè)量用流量計(jì)的設(shè)計(jì)選型提供參考。
1多孔平衡流量計(jì)的功能和特點(diǎn)
多孔平衡流量計(jì)是一種新型的精度高差壓式流量計(jì),它是在標(biāo)準(zhǔn)孔板流量計(jì)基礎(chǔ)上研發(fā)出的一種新型流量測(cè)量?jī)x表。傳統(tǒng)孔板流量計(jì)只有一個(gè)流體節(jié)流孔，節(jié)流后流場(chǎng)平衡難以達(dá)到理想狀態(tài);而多孔平衡流量計(jì)設(shè)計(jì)有多個(gè)函數(shù)孔，能最大限度地將流場(chǎng)平衡調(diào)整為理想狀態(tài),從而將差壓式流量計(jì)的優(yōu)勢(shì)發(fā)揮到極致。多孔平衡流量計(jì)和標(biāo)準(zhǔn)孔板流量計(jì)的流場(chǎng)分布對(duì)比見(jiàn)圖1。
與傳統(tǒng)差壓式流量計(jì)一樣，多孔平衡流量計(jì)由引壓管、差壓變送器、流量傳感器組成。該流量計(jì)有以下特點(diǎn):
a.線性度高,重復(fù)性好。多孔平衡流量計(jì)具.有對(duì)稱多孔結(jié)構(gòu)特點(diǎn),能對(duì)流場(chǎng)進(jìn)行平衡,降低了渦流、振動(dòng)和信號(hào)噪聲,流場(chǎng)穩(wěn)定性大大提高。多;孔平衡流量計(jì)線性度比孔板流量計(jì)提升了5~10倍,重復(fù)性提高了54%(可達(dá)0.1%)。經(jīng)實(shí)際流體標(biāo)定,多孔平衡流量計(jì)測(cè)量精度等級(jí)可達(dá)0.3%~0.5%,適用于需要控制全廠能耗的公用工程介質(zhì)流量的計(jì)量。
b.直管段長(zhǎng)度要求低。多孔平衡流量計(jì)由于流場(chǎng)穩(wěn)定,并且壓力恢復(fù)比孔板流量計(jì)快2倍,因此大大所短了對(duì)直管段長(zhǎng)度的要求。直管段長(zhǎng)度一般為前0.5D~2D、后0.5D~2D,從而使安裝位置的選定較容易。因此,多孔平衡流量計(jì)現(xiàn)，場(chǎng)配管簡(jiǎn)單，尤其適用于大口徑管道內(nèi)介質(zhì)的計(jì)量。
c.永久壓力損失少。多孔平衡流量計(jì)采用多孔對(duì)稱的平衡設(shè)計(jì)減少了紊流剪切力和渦流的形成,降低了動(dòng)能的損失。在同樣的測(cè)量工況下，選用同樣差壓值,與孔板流量計(jì)相比,多孔平衡流量計(jì)永久壓力損失可降低1/3~1/2。因此,多孔平衡流量計(jì)是一種典型的節(jié)能型儀表。
d.耐臟污,不易堵。多孔平衡流量計(jì)多孔對(duì)稱的平衡設(shè)計(jì)大大降低了滯留死區(qū)的形成,保證臟污介質(zhì)順利通過(guò)多個(gè)孔,減小了流體孔被堵塞的機(jī)會(huì)。所以在較長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)無(wú)須維護(hù)清洗,可以保證正確測(cè)量。而孔板流量計(jì)一般3個(gè)月須清洗一次才能保證較好的測(cè)量精度。
e.長(zhǎng)期穩(wěn)定性好。多孔平衡流量計(jì)設(shè)計(jì)有多個(gè)流通孔，平衡流場(chǎng)大幅度降低了介質(zhì)與節(jié)流件直接的摩擦;孔邊緣結(jié)構(gòu)為直角,不易磨損,其直徑比β長(zhǎng)期保持不變,大大延長(zhǎng)檢定周期,節(jié)省檢定費(fèi)用。整個(gè)儀表無(wú)可動(dòng)部件,因此可長(zhǎng)期保持穩(wěn)定性,使用壽命比傳統(tǒng)差壓式流量計(jì)長(zhǎng)。
f.流量測(cè)量范圍寬。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果,多孔平衡流量計(jì)通常量程比為10:1,某些場(chǎng)合選擇合適的參數(shù)可做到量程比20:1~30:1。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果,流體流速可達(dá)到音速,流體雷諾數(shù)在200~1×107,直徑比β可選0.25~0.90。
g.可測(cè)量高溫、高壓介質(zhì)。與傳統(tǒng)差壓式流量計(jì)一樣,多孔平衡流量計(jì)的工作溫度壓力取決于管道和法蘭的材質(zhì)和等級(jí)。最高工作溫度可達(dá)850℃,最高工作壓力可達(dá)42MPa。
h.可測(cè)量復(fù)雜工況介質(zhì)。由于多孔平衡流量計(jì)特殊的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，可以進(jìn)行氣-液兩相介質(zhì)(如濕氣)、各種混合氣體(如瓦斯、沼氣、煤氣等).各種低溫氣體(如LNG、液氮、液氧、液氫、液氯、液化乙烯、液化石油氣等)及漿料、多相水.流、震動(dòng)水流、電磁干擾介質(zhì)、雙向流介質(zhì)的測(cè)量。
2多孔平衡流量計(jì)的工作原理
多孔平衡流量計(jì)的工作原理與其他差壓式流量計(jì)一樣,都是基于密封管道中的能量轉(zhuǎn)換原理。即在理想流體的情況下管道中的流量與差壓的平方根成正比,用測(cè)出差壓值根據(jù)伯努利方程即可計(jì)算出管道中的流量。平衡流量傳感器是一個(gè)多孔的圓盤(pán)節(jié)流整流器,安裝在管道的截面上，每個(gè)孔的尺寸和分布是基于特殊的公式和測(cè)試數(shù)據(jù)而定制的,稱為函數(shù)孔。當(dāng)流體穿過(guò)圓盤(pán)的函數(shù)孔時(shí),流體將被平衡整流,渦流被最小化，形成近似理想流體。通過(guò)取壓裝置可獲得穩(wěn)定的差壓信號(hào),根據(jù)伯努利方程計(jì)算出體積流量和質(zhì)量流量。
式中:m一質(zhì)量流量,kg/s;
Ɛ一流束膨脹系數(shù);
d一工作條件下節(jié)流件孔徑,m;
C一流出系數(shù);
β一直徑比,β=d/D;
D一工作條件下上游管道內(nèi)徑,m;
ρ一被測(cè)流體密度,kg/m³;
△p一差壓,Pa;
Q一體積流量,m³/s。
3多孔平衡流量計(jì)與傳統(tǒng)差壓式流量計(jì)性能對(duì)比
多孔平衡流量計(jì)與傳統(tǒng)差壓式流量計(jì)性能對(duì)比情況見(jiàn)表1。
4多孔平衡流量計(jì)在硫酸裝置中的應(yīng)用
對(duì)濕氣(氣體中含有水分)的流體測(cè)量始終是流量測(cè)量中的一個(gè)難點(diǎn)。孔板流量計(jì)對(duì)濕氣產(chǎn)生阻擋,在孔板中央產(chǎn)生滴露;同時(shí),管壁濕氣受到阻擋,流速減慢。正取壓口附近產(chǎn)生的凝露會(huì)影響取壓信號(hào)。濕氣流經(jīng)孔板,產(chǎn)生的渦流向管壁作波動(dòng)性發(fā)散，也會(huì)影響負(fù)取壓口取壓信號(hào)。因此,濕氣對(duì)孔板的測(cè)量精度會(huì)產(chǎn)生較大的負(fù)面影響。而多孔平衡流量計(jì)四周有孔,使?jié)駳庵兴蟛糠炙畯南虏靠琢鬟^(guò),從而避免了凝水,濕氣中少量水分對(duì)多孔平衡流量計(jì)取壓口千擾信號(hào)少,測(cè)量精度高。
硫酸裝置廢熱鍋爐產(chǎn)生蒸汽流量測(cè)量如果采用標(biāo)準(zhǔn)孔板流量計(jì),一方面計(jì)量正確率不高;另一方面,開(kāi)停車時(shí),帶壓蒸汽沖擊凝水會(huì)產(chǎn)生水錘效應(yīng),嚴(yán)重時(shí)將使孔板沖擊變形。而采用多孔平衡流量計(jì)既可提高測(cè)量正確率,又可防止水錘效應(yīng)發(fā)生,避免孔板彎曲變形。
某硫酸裝置副產(chǎn)蒸汽參數(shù)為:最大流量10t/h,平均流量5.9t/h,工作壓力2.1MPa,工作溫度216℃,上游碳鋼材質(zhì)管道內(nèi)徑150mm。該蒸汽測(cè)量多孔平衡流量計(jì)和標(biāo)準(zhǔn)孔板流量計(jì)選型參數(shù)見(jiàn)表2。.
由表2可見(jiàn)，與標(biāo)準(zhǔn)孔板流量計(jì)相比,選用多孔平衡流量計(jì)壓力損失可減少12.4kPa,直管段長(zhǎng)度可節(jié)省2.85m。在硫酸項(xiàng)目中,直管段長(zhǎng)度增加除一次性投資費(fèi)用增加外,管道施工、運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用及土地占用都會(huì)增加。因此,蒸汽測(cè)量采用多孔平衡流量計(jì)既可確保精度,又能減少投資和運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用。該流量計(jì)值得在蒸汽流量測(cè)量中推廣使用。
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