摘(zhai)要渦(wo)街流(liu)量計(ji)
因其(qi)儀表(biao)系數(shu)與流(liu)體特(te)性無(wu)關、精(jing)度高(gao)、寬量(liang)程比(bi)和低(di)壓損(sun)等優(you)點，在(zai)化工(gong)領域(yu)的應(ying)用越(yue)來越(yue)廣。以(yi)熱解(jie)分級(ji)煉制(zhi)新工(gong)藝對(dui)煤及(ji)液化(hua)殘渣(zha)進行(hang)煉制(zhi)利用(yong)中的(de)産品(pin)之一(yi)熱解(jie)氣爲(wei)例，介(jie)紹渦(wo)街流(liu)量計(ji)的選(xuan)型設(she)計。
我(wo)國低(di)階煤(mei)資源(yuan)儲藏(cang)豐富(fu)，占可(ke)采儲(chu)量40%以(yi)上。然(ran)而它(ta)的高(gao)效利(li)用一(yi)直是(shi)業内(nei)努力(li)攻克(ke)的難(nan)題。低(di)階煤(mei)含👨❤️👨水(shui)量高(gao)，熱值(zhi)低💘，機(ji)械強(qiang)度低(di)，化學(xue)穩定(ding)性差(cha)。爲此(ci)，北京(jing)❄️低碳(tan)清潔(jie)能源(yuan)研究(jiu)所承(cheng)擔國(guo)🥰家高(gao)技術(shu)研究(jiu)發展(zhan)計💞劃(hua)項目(mu)課⭕題(ti)“煤分(fen)級煉(lian)制清(qing)潔燃(ran)料關(guan)鍵技(ji)術研(yan)究”，采(cai)用熱(re)解分(fen)級🔱煉(lian)制新(xin)工藝(yi)對煤(mei)及液(ye)化殘(can)渣進(jin)行煉(lian)制利(li)用，在(zai)溫和(he)的條(tiao)件下(xia)對原(yuan)料進(jin)行加(jia)工處(chu)理，分(fen)步驟(zhou)地将(jiang)其💚中(zhong)有用(yong)的成(cheng)分充(chong)分提(ti)取出(chu)來，得(de)到的(de)産品(pin)之😍一(yi)爲熱(re)解氣(qi)，去除(chu)焦油(you)後的(de)熱解(jie)氣組(zu)成見(jian)表1，本(ben)工程(cheng)中采(cai)用渦(wo)街流(liu)量計(ji)對其(qi)進行(hang)測量(liang)。
1渦街(jie)流量(liang)計概(gai)述
渦(wo)街流(liu)量計(ji)是20世(shi)紀70年(nian)代發(fa)展起(qi)來的(de)一種(zhong)新型(xing)流量(liang)儀🤩表(biao)，80年代(dai)㊙️制定(ding)了渦(wo)街流(liu)量計(ji)專業(ye)标準(zhun)(ZBN12008－1989)和檢(jian)測規(gui)程🌈(JJG620－1989)。渦(wo)街🧡流(liu)量計(ji)目前(qian)已發(fa)展成(cheng)爲主(zhu)流流(liu)量儀(yi)表之(zhi)一，因(yin)其有(you)諸多(duo)優點(dian)，吸引(yin)了國(guo)内外(wai)衆多(duo)研究(jiu)者和(he)企業(ye)的關(guan)注。研(yan)究者(zhe)從多(duo)方面(mian)對其(qi)進行(hang)深入(ru)的研(yan)究:①旋(xuan)渦發(fa)生體(ti)的研(yan)究［1，2］;②壓(ya)電傳(chuan)感器(qi)探頭(tou)位置(zhi)的研(yan)究［3］;③數(shu)字信(xin)号處(chu)理方(fang)法的(de)研究(jiu)［4］;④渦街(jie)信号(hao)檢測(ce)方法(fa)的研(yan)究［5］;⑤數(shu)值仿(pang)真方(fang)法⛹🏻♀️的(de)研究(jiu)［6］
在衆(zhong)多流(liu)量計(ji)中，渦(wo)街流(liu)量計(ji)的安(an)裝、運(yun)行、維(wei)護費(fei)低于(yu)節流(liu)式、容(rong)積式(shi)等，購(gou)置費(fei)低于(yu)容積(ji)式、質(zhi)量式(shi)等，是(shi)一種(zhong)實用(yong)♈性和(he)經濟(ji)性都(dou)較好(hao)的流(liu)量計(ji)，受到(dao)用戶(hu)廣泛(fan)歡迎(ying)。該流(liu)量計(ji)優點(dian)如下(xia):
(1)在一(yi)定雷(lei)諾數(shu)Ｒe範圍(wei)内(2×104～2×106)，輸(shu)出頻(pin)率信(xin)号不(bu)受流(liu)體物(wu)性(密(mi)度、粘(zhan)度)和(he)組分(fen)變化(hua)影響(xiang)，即儀(yi)表系(xi)數僅(jin)與旋(xuan)渦發(fa)生體(ti)的形(xing)狀尺(chi)寸及(ji)管道(dao)的形(xing)狀尺(chi)寸有(you)關，可(ke)以在(zai)一種(zhong)典型(xing)介質(zhi)中☎️校(xiao)驗而(er)适用(yong)于❄️各(ge)種介(jie)質。
(2)精(jing)度較(jiao)高(與(yu)差壓(ya)式、浮(fu)子式(shi)流量(liang)計比(bi)較)。
(3)量(liang)程比(bi)可達(da)10∶1或20∶1，目(mu)前已(yi)有廠(chang)家在(zai)研制(zhi)适用(yong)于氣(qi)體測(ce)量能(neng)達到(dao)80∶1的渦(wo)街流(liu)量計(ji)。
(4)壓損(sun)小(約(yue)爲孔(kong)闆流(liu)量計(ji)的25%～50%)，大(da)幅度(du)降低(di)能耗(hao)。
(5)結構(gou)簡單(dan)牢固(gu)，安裝(zhuang)維護(hu)方便(bian)。
(6)使用(yong)範圍(wei)廣，可(ke)測量(liang)液體(ti)、氣體(ti)、蒸汽(qi)和部(bu)分混(hun)相流(liu)體。
2渦(wo)街流(liu)量計(ji)的參(can)數計(ji)算
2.1工(gong)作狀(zhuang)态和(he)标準(zhun)狀态(tai)下的(de)體積(ji)流量(liang)換算(suan)
渦街(jie)流量(liang)計的(de)輸出(chu)信号(hao)是與(yu)工作(zuo)狀态(tai)的體(ti)積流(liu)量🌂成(cheng)正比(bi)例，氣(qi)體的(de)體積(ji)流量(liang)受溫(wen)度、壓(ya)力影(ying)響較(jiao)大，在(zai)流量(liang)計選(xuan)型時(shi)🈲，若提(ti)💋供的(de)流量(liang)是标(biao)準狀(zhuang)态下(xia)的體(ti)積🌐流(liu)量或(huo)質量(liang)流量(liang)，應把(ba)🔴它換(huan)算🔞成(cheng)工作(zuo)狀态(tai)下的(de)體積(ji)流量(liang)。
qV=qn(PnTZ/PTnZn)?????? (1)
式中(zhong)，qV、qn分别(bie)爲工(gong)作狀(zhuang)态和(he)标準(zhun)狀态(tai)下的(de)體積(ji)流量(liang)，m3/h;P、Pn分别(bie)☎️爲工(gong)作狀(zhuang)态和(he)标準(zhun)狀态(tai)下14的(de)絕對(dui)壓力(li)，Pa;T、Tn分别(bie)爲工(gong)作狀(zhuang)态和(he)标準(zhun)🌈狀态(tai)下的(de)熱力(li)學溫(wen)度，K。
2.2雷(lei)諾數(shu)、壓力(li)損失(shi)和背(bei)壓的(de)計算(suan)
在渦(wo)街流(liu)量計(ji)選擇(ze)流量(liang)計通(tong)徑時(shi)，主要(yao)是對(dui)流量(liang)下限(xian)值進(jin)行核(he)算雷(lei)諾數(shu)，最小(xiao)雷諾(nuo)數不(bu)應低(di)于下(xia)限雷(lei)諾數(shu)，即雷(lei)🔴諾數(shu)Ｒe≥2×104。在測(ce)🔴量介(jie)質爲(wei)液态(tai)時，還(hai)應檢(jian)查最(zui)小工(gong)作壓(ya)力是(shi)否🛀高(gao)于工(gong)作溫(wen)度下(xia)的飽(bao)和蒸(zheng)汽壓(ya)，即是(shi)否産(chan)生氣(qi)🔆穴現(xian)象。
(1)雷(lei)諾數(shu)Ｒe是一(yi)個表(biao)針流(liu)體慣(guan)性力(li)與粘(zhan)性力(li)之比(bi)的🛀無(wu)量綱(gang)❓量🏃🏻:
式(shi)中，Q爲(wei)體積(ji)流量(liang)，m3/h;D爲流(liu)量計(ji)内徑(jing)，mm;v爲運(yun)動粘(zhan)度，m2/s。
(2)壓(ya)力損(sun)失:選(xuan)擇流(liu)量計(ji)時，通(tong)常可(ke)能會(hui)對流(liu)量計(ji)的通(tong)徑🤞進(jin)行适(shi)當縮(suo)小，以(yi)取得(de)較大(da)的流(liu)速和(he)合适(shi)的流(liu)量量(liang)程。但(dan)是如(ru)果縮(suo)徑過(guo)于嚴(yan)重，可(ke)能會(hui)導緻(zhi)較大(da)的壓(ya)力損(sun)失，能(neng)耗會(hui)增加(jia)，因此(ci)在選(xuan)擇流(liu)量計(ji)的🔞通(tong)徑時(shi)，也需(xu)要适(shi)當考(kao)慮壓(ya)力損(sun)失，盡(jin)可🤞能(neng)減小(xiao)壓力(li)損失(shi)。壓力(li)🤟損失(shi)△P計算(suan):
△P=1.1×10－5ρ·V2 (3)
式中(zhong)，△P爲壓(ya)力損(sun)失，kg/m2;ρ爲(wei)流體(ti)密度(du)，kg/m3;V爲流(liu)速，m/s。
(3)背(bei)壓:測(ce)量液(ye)體的(de)流量(liang)時，要(yao)确認(ren)工藝(yi)管道(dao)的壓(ya)力對(dui)于較(jiao)小的(de)公稱(cheng)通徑(jing)而言(yan)有足(zu)夠大(da)的背(bei)壓，避(bi)免氣(qi)穴産(chan)生。流(liu)量計(ji)下遊(you)的👌管(guan)道壓(ya)力應(ying)滿足(zu):
P≥2.7△P+1.3P0(4)
式中(zhong)，P爲流(liu)量計(ji)下遊(you)3.5～7.5D的最(zui)小管(guan)道壓(ya)力，kg/cm2(A);P0爲(wei)液體(ti)的飽(bao)和蒸(zheng)👌汽壓(ya)，kg/cm2。
（4）根據(ju)工藝(yi)要求(qiu)及現(xian)場安(an)裝環(huan)境選(xuan)擇耐(nai)壓、耐(nai)溫等(deng)級🌍、防(fang)護🏒等(deng)級、防(fang)爆等(deng)級、輸(shu)出信(xin)号等(deng)。
3測量(liang)熱解(jie)氣的(de)渦街(jie)流量(liang)計的(de)選型(xing)設計(ji)
熱解(jie)氣的(de)組分(fen)如表(biao)1所述(shu)，其工(gong)藝參(can)數:操(cao)作密(mi)度0.63kg/m3，運(yun)動粘(zhan)度2×10－5m2/s，操(cao)作溫(wen)度48.9℃，操(cao)作壓(ya)力7.5kPa，管(guan)道DN80，最(zui)小流(liu)量50Nm3/h，正(zheng)常流(liu)量100Nm3/h，最(zui)大流(liu)量150Nm3/h，儀(yi)表測(ce)量範(fan)圍選(xuan)擇0～180Nm3/h。
因(yin)爲本(ben)裝置(zhi)爲試(shi)驗裝(zhuang)置，在(zai)裝置(zhi)運行(hang)的過(guo)程中(zhong)，業主(zhu)⛷️可能(neng)會根(gen)據需(xu)要适(shi)當調(diao)整參(can)數，因(yin)此選(xuan)關鍵(jian)設🔴備(bei)的工(gong)程可(ke)行🌈性(xing)、優化(hua)工藝(yi)參數(shu)的關(guan)鍵參(can)數之(zhi)一，因(yin)此使(shi)用精(jing)度📞高(gao)一些(xie)💘的流(liu)量計(ji)也是(shi)有必(bi)要的(de);熱✉️解(jie)氣的(de)組分(fen)随着(zhe)參數(shu)的調(diao)整也(ye)可能(neng)會發(fa)生變(bian)化🏃，因(yin)此基(ji)于伯(bo)努利(li)方程(cheng)原❗理(li)的，如(ru)孔闆(pan)、噴嘴(zui)、阿牛(niu)巴❤️、德(de)爾塔(ta)巴、平(ping)衡式(shi)等都(dou)不能(neng)很好(hao)的測(ce)量，因(yin)爲這(zhe)類流(liu)量計(ji)受流(liu)體物(wu)性(密(mi)度、粘(zhan)度)和(he)組分(fen)變化(hua)影響(xiang)，且最(zui)終的(de)熱解(jie)氣産(chan)品或(huo)多或(huo)少都(dou)有焦(jiao)油的(de)存在(zai)，時間(jian)長了(le)可能(neng)堵塞(sai)流量(liang)計。楔(xie)式流(liu)量計(ji)帶自(zi)清✔️潔(jie)的功(gong)能，如(ru)果采(cai)用法(fa)蘭取(qu)壓，變(bian)送器(qi)采用(yong)隔膜(mo)密封(feng)式🈲變(bian)送器(qi)，其受(shou)焦油(you)的影(ying)響較(jiao)小，楔(xie)式流(liu)量計(ji)的計(ji)算結(jie)果分(fen)别見(jian)圖1和(he)圖2。
當(dang)H/D比爲(wei)0.2時，其(qi)壓力(li)損失(shi)達到(dao)4kPa，已經(jing)大于(yu)操作(zuo)壓力(li)的一(yi)半，此(ci)🍉種方(fang)案不(bu)可取(qu)，當H/D比(bi)爲0.3時(shi)，其壓(ya)力損(sun)失爲(wei)1.09kPa，可以(yi)接受(shou)，但最(zui)小流(liu)量時(shi)的差(cha)壓隻(zhi)有0.11kPa，甚(shen)至正(zheng)常流(liu)量時(shi)的差(cha)📱壓也(ye)隻💁有(you)0.45kPa，由于(yu)采用(yong)的✉️是(shi)隔膜(mo)☀️密封(feng)式變(bian)送器(qi)，此時(shi)的精(jing)度無(wu)法保(bao)證;另(ling)一類(lei)是基(ji)于線(xian)性連(lian)續方(fang)程原(yuan)理的(de)，如渦(wo)街流(liu)量計(ji)、質量(liang)流量(liang)計等(deng)，考慮(lü)到本(ben)裝置(zhi)爲一(yi)個實(shi)驗裝(zhuang)置，質(zhi)量🔞流(liu)量計(ji)價格(ge)昂貴(gui)，因此(ci)綜合(he)考慮(lü)介質(zhi)和裝(zhuang)置🌈的(de)特殊(shu)性、壓(ya)損、精(jing)度和(he)費用(yong)等因(yin)素，選(xuan)用渦(wo)街流(liu)量計(ji)測量(liang)熱解(jie)氣的(de)流量(liang)。
由式(shi)(1)可得(de)最小(xiao)流量(liang)對應(ying)的工(gong)作狀(zhuang)态下(xia)的體(ti)積流(liu)量:
由(you)上述(shu)計算(suan)結果(guo)可知(zhi)，當流(liu)量計(ji)縮徑(jing)至DN40時(shi)，雷諾(nuo)數🧑🏾🤝🧑🏼即(ji)可滿(man)🌂足💛要(yao)求。
按(an)式(3)可(ke)以核(he)算下(xia)DN50和DN40口(kou)徑下(xia)的最(zui)大壓(ya)損:
DN50時(shi):
△P=1.1×10－5×0.63×262=4.7×10－3kg/m2=0.46kPaDN40時:
△P=1.1×10－5×0.63×402=11.1×10－3kg/m2=1.09kPa
利(li)用橫(heng)河公(gong)司計(ji)算軟(ruan)件計(ji)算出(chu)來的(de)結果(guo)見圖(tu)3。
從(cong)圖3可(ke)見，出(chu)流量(liang)計口(kou)徑爲(wei)DN80時，最(zui)小流(liu)量無(wu)法測(ce)量;流(liu)量計(ji)口徑(jing)縮徑(jing)至DN50時(shi)，最小(xiao)流量(liang)可測(ce)(此時(shi)流體(ti)的🤞雷(lei)諾數(shu)非常(chang)接近(jin)2×104)，但此(ci)時的(de)測量(liang)精度(du)稍微(wei)差些(xie);流量(liang)計口(kou)徑縮(suo)徑🏃🏻♂️至(zhi)DN40時，最(zui)小流(liu)量可(ke)測，且(qie)精度(du)也能(neng)得到(dao)保證(zheng)。用上(shang)述公(gong)式計(ji)算的(de)壓🐆損(sun)與軟(ruan)件計(ji)算出(chu)來🌈的(de)也基(ji)本一(yi)緻，差(cha)别來(lai)自✨計(ji)算時(shi)流速(su)及流(liu)量計(ji)口徑(jing)均采(cai)用的(de)是估(gu)算值(zhi)。如果(guo)流量(liang)計縮(suo)徑至(zhi)DN25時，流(liu)量計(ji)的壓(ya)損已(yi)經達(da)🏒到7.6kPa，壓(ya)損較(jiao)大，無(wu)法滿(man)足工(gong)藝要(yao)求。因(yin)此選(xuan)擇DN40口(kou)徑的(de)流量(liang)計能(neng)滿足(zu)要求(qiu)。對于(yu)DN50口徑(jing)的方(fang)案，如(ru)果流(liu)量大(da)于54Nm3/h時(shi)👅，流量(liang)計的(de)精度(du)爲此(ci)款🥰流(liu)量計(ji)的精(jing)度，爲(wei)1.0%，當流(liu)🛀量爲(wei)50Nm3/h時，此(ci)時流(liu)量可(ke)測，隻(zhi)是精(jing)度稍(shao)差些(xie)，約爲(wei)1.81%，但流(liu)量計(ji)的壓(ya)損會(hui)小很(hen)多，從(cong)節能(neng)降耗(hao)方面(mian)考慮(lü)，選擇(ze)DN50口徑(jing)的⭐流(liu)量計(ji)也是(shi)可以(yi)的。綜(zong)上，選(xuan)擇DN40和(he)DN50口💔徑(jing)的渦(wo)街流(liu)量計(ji)都能(neng)滿足(zu)要求(qiu)。
操作(zuo)溫度(du)爲48.9℃，沒(mei)有特(te)殊性(xing)，選擇(ze)普通(tong)的渦(wo)街流(liu)量計(ji)即可(ke)♊;根💋據(ju)現場(chang)情況(kuang)，流量(liang)計爲(wei)露天(tian)安裝(zhuang)，防護(hu)等級(ji)選擇(ze)IP65即可(ke);根據(ju)《爆炸(zha)🏃♂️危險(xian)🔞環境(jing)電力(li)裝置(zhi)設計(ji)規範(fan)》GB50058－2014，本裝(zhuang)置👨❤️👨中(zhong)各介(jie)質所(suo)在組(zu)别屬(shu)于危(wei)險物(wu)料，見(jian)表2。因(yin)👈此儀(yi)表的(de)防爆(bao)标志(zhi)選擇(ze)ExiaⅡCT4Gb即能(neng)滿足(zu)要求(qiu)。根據(ju)項目(mu)統一(yi)要求(qiu)輸出(chu)信号(hao)選擇(ze)✂️爲4～20mA+HAＲT。
至(zhi)此，渦(wo)街流(liu)量計(ji)的選(xuan)型已(yi)完成(cheng)，但考(kao)慮到(dao)熱解(jie)氣中(zhong)焦油(you)的存(cun)在，選(xuan)擇渦(wo)街流(liu)量計(ji)時，需(xu)要注(zhu)意:①不(bu)能選(xuan)用因(yin)爲技(ji)術需(xu)要而(er)在渦(wo)街流(liu)量計(ji)中設(she)計了(le)小孔(kong)結構(gou)的流(liu)量🐉計(ji)，因爲(wei)焦油(you)有可(ke)能堵(du)塞這(zhe)些孔(kong)，從而(er)失去(qu)其原(yuan)有的(de)作用(yong);②焦油(you)有可(ke)能附(fu)着在(zai)旋渦(wo)發🏃🏻生(sheng)體上(shang)，從而(er)改變(bian)其結(jie)構🐆，影(ying)響測(ce)量精(jing)度，因(yin)此需(xu)要采(cai)用帶(dai)防粘(zhan)附作(zuo)用的(de)發生(sheng)體，另(ling)外考(kao)慮到(dao)熱解(jie)氣中(zhong)焦油(you)的含(han)量較(jiao)小，且(qie)由于(yu)旋渦(wo)的存(cun)在，其(qi)有剝(bao)離附(fu)着在(zai)發生(sheng)體上(shang)的焦(jiao)油的(de)作用(yong)，因此(ci)認爲(wei)其對(dui)測量(liang)精度(du)的影(ying)響比(bi)較小(xiao)。
4結語(yu)
目前(qian)項目(mu)已經(jing)開車(che)成功(gong)，渦街(jie)流量(liang)計現(xian)場使(shi)用效(xiao)果特(te)别好(hao)，在整(zheng)個實(shi)驗的(de)過程(cheng)中，都(dou)能很(hen)準确(que)地測(ce)出熱(re)解氣(qi)的流(liu)🎯量，深(shen)☂️受業(ye)主好(hao)評。現(xian)場的(de)使用(yong)結果(guo)表明(ming)，在發(fa)生體(ti)帶防(fang)粘附(fu)作用(yong)的情(qing)況下(xia)，低含(han)量的(de)焦油(you)對流(liu)量計(ji)的測(ce)量精(jing)度影(ying)響不(bu)大。目(mu)前化(hua)工廠(chang)常用(yong)的流(liu)量計(ji)節流(liu)裝置(zhi)(孔闆(pan)等)，其(qi)受流(liu)體物(wu)性影(ying)響大(da)，量程(cheng)比一(yi)般隻(zhi)有3:1，且(qie)容易(yi)出現(xian)堵塞(sai)，直管(guan)🌐段要(yao)求甚(shen)至高(gao)達50倍(bei)管徑(jing)，另外(wai)導壓(ya)系統(tong)✉️還容(rong)易出(chu)現洩(xie)漏。渦(wo)街流(liu)量計(ji)因其(qi)儀表(biao)系數(shu)與流(liu)體特(te)性無(wu)關(氣(qi)🈲液通(tong)用)、精(jing)度高(gao)、寬量(liang)程比(bi)和低(di)壓損(sun)等優(you)點，是(shi)節流(liu)裝置(zhi)的理(li)想替(ti)代品(pin)，但隻(zhi)有正(zheng)确設(she)計、正(zheng)确選(xuan)型以(yi)及正(zheng)确安(an)裝的(de)條件(jian)下才(cai)能發(fa)揮其(qi)應有(you)的作(zuo)用。
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