摘 要:針對常(cháng)規的差壓型流量(liàng)計在大口徑管道(dào)氣體流量🔞測☎️量😍中(zhōng)受安裝位置等因(yin)素的限制,介紹了(le)🛀🏻錐形流量計的特(te)點、功能及其工作(zuo)原理,比較了孔闆(pǎn)流量計與錐形流(liu)量計的優缺點,指(zhi)出錐形流量🚶計具(jù)有壓📱損低、精度高(gāo)等特點,實踐證明(míng)錐形流量計
在工(gōng)藝風計量方面的(de)穩定性、可靠性和(hé)準确性。
在現代的(de)化工和石油化工(gong)裝置中,時常會遇(yù)到一些大口徑❄️管(guǎn)道,其中介質大多(duō)爲氣體,例如氮氣(qi)、工🌏藝風、煙道🌐氣、焦(jiāo)爐煤氣等介質。如(ru)何準确測量這些(xiē)管道中氣體流量(liang),有時是很重要的(de),例如在硫酸生産(chan)裝置中,工藝風流(liu)量是一個非常重(zhong)要的工藝參👅數。一(yi)方面工藝風量大(dà)小和分配直接關(guan)系到沸騰🛀🏻爐内硫(liú)是否能充分燃燒(shāo),避免爐内升華硫(liu)的⭕産生,防止爐膛(tang)燒結;另一方面還(hai)關系到整個裝置(zhì)的操作狀況和平(píng)穩運行,以及經濟(ji)指标的核算、标定(ding)。因🛀此,主風量❄️測量(liàng)儀表應具備高可(ke)靠性和較高測量(liàng)精度。
測量大口徑(jìng)管道的氣體流量(liang)通常爲
孔闆流量(liàng)計
、文丘裏管以及(ji)
阿牛巴流量計
等(deng)差壓節流元件,但(dan)是,節流裝置在某(mǒu)些場合卻難以采(cǎi)用👅。在某硫酸裝置(zhi)設計中,工藝風流(liu)量測量遇🤞到難題(tí),若采用常規🔴流量(liàng)⛱️儀表孔闆、文丘裏(lǐ)管或阿牛巴,則安(ān)裝位置受到限制(zhì)。工藝管道公稱直(zhí)徑700mm,其直管段前後(hou)僅有1m。對于大口徑(jìng)管道的流量測量(liàng),a方案采用孔闆流(liu)量計,其安裝要求(qiu)高,一般前10D、後5D應爲(wèi)直管段,滿足不了(le)這麽長的要求。b方(fāng)案采用文丘裏管(guǎn),其本身長度近5m,再(zài)加上滿足精度要(yào)求的最小安裝直(zhí)管段(前5.5D、後3.5D),共計💋11.3m,受(shòu)安裝條件限制😍,風(fēng)機出口管😘線根本(běn)滿足不了這麽長(zhang)的直😄管段要求。c方(fang)案采用阿牛巴,其(qi)安裝要求一般爲(wèi)前5D、後2D,也滿足不了(le)這麽👉長的直管段(duàn)要求。
随着測量技(ji)術的不斷發展,近(jin)期推出了先進的(de)流量測量⭐儀表———錐(zhui)形流量計。該流量(liàng)計不僅很好地解(jie)決了直管段長度(du)的要求,而且提高(gao)了測量精度,這❄️是(shì)由于錐形流🚩量計(ji)采🎯用獨特的中心(xīn)流線型結構設計(ji),巧妙地解決了長(zhang)直管段🌍整流的問(wèn)😍題。中心懸挂的流(liú)線型💯錐體能重塑(su)流速曲線,在緊靠(kao)錐體上⁉️遊和下遊(yóu)較窄的區域内(前(qian)0～3D、後😍0～1D),将流速不規則(ze)的流體直接整流(liu)成理想流體,獲得(dé)很高的測量精度(dù)和重複性,不需要(yao)直管段整流。因此(ci)在該管線的氣體(ti)流量測量中,設計(jì)采用了錐形流量(liang)計及差壓變送🌈器(qi)進行測量。本文将(jiāng)結合生産實際,着(zhe)重比較孔闆流量(liang)計與錐形流量計(jì)測🛀🏻量儀表的各自(zi)優缺點,供大家參(cān)考。
1 孔闆流量計的(de)特點及功能
孔闆(pan)流量計是一種差(cha)壓型的流量儀表(biǎo),也是使用曆史🏃🏻♂️悠(yōu)久、應用廣泛的一(yi)種。它是基于流體(tǐ)流動的節流原理(lǐ)㊙️,利用㊙️流體流經🥰節(jie)流元件時産生的(de)壓力❓差與其流量(liàng)有💃🏻關而實現測量(liang)的。
充滿管道的流(liu)體,當它流經管道(dao)内的節流元件孔(kǒng)❌闆🔞時,流束将在節(jie)流元件處形成局(jú)部收縮(見圖1)。此✂️時(shi)流速增大、靜🔴壓降(jiàng)低,在節流元件前(qian)後産生差壓,流量(liàng)愈大,差壓愈大,因(yin)而可根據差壓來(lái)衡量流量的大小(xiǎo)。這種測量方🤞法是(shi)以連❓續性方程🏃和(hé)伯努利方程爲基(ji)礎。
孔闆流量計由(yóu)節流元件、差壓變(biàn)送器和流量顯示(shì)儀表組成。儀表無(wú)可動部件,工作可(kě)靠,價格低,量程比(bǐ)約爲3∶1。應用範🌏圍廣(guang)泛,适🔴用于單相流(liu)體,包括液體、蒸汽(qì)、氣🙇♀️體皆可測量。檢(jian)測件,特🏒别是标準(zhun)型的爲全世界通(tōng)用💋。但現場安裝條(tiao)件要🛀🏻求較高,需較(jiào)長的直管段長度(dù),對大口徑工藝配(pei)管一般難以滿足(zu)。對小🐉口徑管道(小(xiǎo)💔于50mm)的流量測量有(you)困難,壓損較大,儀(yí)表刻度爲非線性(xing),測🌐量精度不很高(gāo),有時維護工作量(liàng)較大。
2 錐形流量計(ji)的特點及功能
錐(zhuī)形流量計是一種(zhǒng)新型的高精度差(chà)壓型流量計。它與(yu)孔闆💃節流相反,通(tōng)過在密閉管道中(zhōng)心線懸挂一個🔅特(te)制的流線型錐體(tǐ)來進行中央節流(liu),用上遊管壁和錐(zhuī)體尾部測量的差(cha)壓來計算流量。其(qí)特點:①沒有直管🏃段(duàn)安裝要求,可以解(jiě)決其他流量計安(an)裝時要求直管段(duàn)長度較長🌈給現場(chǎng)配管帶來的困難(nán),尤其适用于大🔞口(kou)徑管道單相流體(ti)的計量;②低壓損、高(gao)精度(≤0.5%),适♉用于需📧要(yao)控制全廠能耗的(de)公用工程流體流(liu)量的計量;③獨有的(de)雙法蘭取壓+密封(fēng)截流錐體結構設(she)計,适用于測量⚽高(gao)黏度(如油漿、原油(yóu)、回煉油✂️、渣油)、粉塵(chén)介質的流量;④耐髒(zang)污,不易堵,長🚩期穩(wen)定性🧑🏽🤝🧑🏻好。
2.1 工作原理(lǐ)
錐形流量計也是(shi)一種差壓型的流(liú)量儀表。
差壓型流(liu)量計
是基于密封(feng)管道中的能量轉(zhuan)換原理,也就是說(shuō)對✏️于穩定🔞流體,管(guan)道中流體的流速(sù)與差壓的平方根(gēn)㊙️成正比。當流體🏃接(jiē)近🌐錐體時,其壓力(lì)爲p1,在通過錐體的(de)節流區時,速度會(hui)增加,壓力會降低(di)至p2。如圖2所示,p1和p2都(dou)通過錐形流量計(ji)的取壓口引到後(hòu)接的
差壓變送器(qi)
上。流速發生變化(hua)時,錐形流量計的(de)兩個取壓口之間(jiān)的差壓😄值會增大(dà)或縮小。當流速相(xiang)同時,若節流面積(jī)♈大,則産生的差壓(yā)值也大。
錐形流量(liàng)計也遵循機械能(néng)能量守恒定律:
因管(guǎn)道内的流量相等(děng),則:
式中:p1———截面S1—S1處流(liu)體壓力,kPa;
p2———截面S2—S2處流(liú)體壓力,kPa;
ρ———介質密度(du),kg/m3;
v1———截面S1—S1處流體流速(sù),m/s;
v2———截面S2—S2處流體流速(sù),m/s;
g———重力加速度,m/s2;
A1———截面(miàn)S1—S1處流通面積,m2;
A2———截面(miàn)S2—S2處流通面積,m2;
K———儀表(biao)系數,1;
β———節流系數,1;
Q———管(guan)道中流體流量,m3/h;
D———管(guan)道内徑,m;
d———錐形流量(liang)計錐體的最大外(wai)徑,m。
由式(7)可見,管道(dào)中流體流量與差(cha)壓的平方根成正(zhèng)比。
2.2 系統組成
錐形(xing)流量計與傳統的(de)差壓型流量計一(yī)樣,由節流元件、引(yin)壓管🧑🏽🤝🧑🏻、差壓變送器(qì)、流量計算機組成(cheng)。流體爲幹燥氣體(tǐ)時,若水平安裝在(zai)管道上,取壓孔方(fang)向應垂直向上;在(zài)垂❗直管道上,應将(jiāng)高、低壓引壓管向(xiàng)上走平行後接入(ru)變送器。
2.3 性能特性(xing)
1、重塑流速曲線
重(zhòng)塑流速曲線是錐(zhui)形流量計的最大(dà)特點。節流錐體懸(xuán)挂在管線中心迫(pò)使管道中心的流(liu)體繞着錐體流動(dòng),從而改變了管道(dào)✂️中的流速曲線。如(ru)果流體在理想的(de)管道中沒有💋任何(he)阻🈲礙和幹擾,那它(tā)的流速分布将很(hen)均勻。靠近管壁的(de)流速幾乎爲零,而(er)管📐道中心的流速(su)将達到最大,見圖(tú)3。當将🤩錐體懸挂在(zài)🈲管線中心時,錐體(tǐ)将直接同流體的(de)高速區接觸,迫💁使(shi)高速區㊙️的流體同(tóng)近管壁低速區🌂的(de)流體相混合,從而(ér)使流速均勻化🐉,這(zhè)樣測出的流體流(liú)速更加準确。
在現(xian)實工況中,流速很(hen)難分布均勻,很多(duō)情況都會🧑🏾🤝🧑🏼造成流(liú)體分布的不均勻(yun)。管道上的任何變(biàn)化都可能對流體(tǐ)造成影響:如彎頭(tou)、閥門等,見圖4。而錐(zhuī)形流量計利💋用錐(zhuī)體對流速分布曲(qu)線進行重新塑造(zào),使得錐體“整流”後(hòu)的流體分布均勻(yun),從而保證較高的(de)📧測量精度。
2、長期性(xing)能穩定
錐體的外(wai)形設計應保證流(liú)體在流經錐體時(shi)是一種漸🈲變的過(guò)程,無突變。流體經(jīng)過錐體後到達錐(zhuī)體邊緣❤️,因此錐體(tǐ)🔱邊緣不會經常性(xing)地受到不潔流體(tǐ)的磨損,β值可保持(chí)不變,儀表可長期(qī)使📞用而勿需重新(xin)标定。錐形流量計(jì)所産生的信号有(you)較高的穩定💁性(見(jian)圖5)。它産生的是低(di)幅、高頻波動信号(hào),而孔闆流量計産(chan)生的📧是高幅、低頻(pin)信号。
3、永久壓力損失(shī)恒定
由于沒有銳(rui)利的緣口,錐形流(liú)量計引起的永久(jiu)性壓力損失恒定(ding)且比孔闆的小,接(jiē)近文丘裏管。同時(shí),極其穩定的信号(hào)使💃🏻得差壓的量程(chéng)下限遠比一般差(cha)壓流量計的低,因(yin)此量程得以向下(xia)🌈限擴展,量程比可(kě)達到15∶1,可測量最高(gao)雷諾數爲5×106,最低雷(lei)諾數爲1000仍👌可保持(chi)信号❌的線性。如果(guo)采用曲線修正,在(zai)更低的☎️雷諾數條(tiao)件下👄仍然可測量(liang),并可保證較好的(de)🙇♀️重複性。
4、無滞留死(si)區
錐體的這種“吹(chuī)掃式”設計不存在(zai)死區,因此在錐體(tǐ)上不會堆積流體(ti)的碎片、黏渣或雜(za)質。
3 錐形流量計與(yǔ)孔闆流量計性能(néng)比較
通過對孔闆(pan)流量計及錐形流(liu)量計的工作原理(li)和結構特✏️點的💰對(dui)比,不難看出他們(men)的具體差别如下(xià)。
1、精度
錐形流量計(jì)的測量精度高(讀(dú)數±0.5%),孔闆的測量精(jing)度低(讀數±1.5%)。
2、重複性(xìng)
由于錐體對流速(su)的整形,使流速達(da)到理想狀态,幹🚶擾(rao)源少,因此❌錐形流(liu)量計測量數據的(de)重複性好(優于±0.1%)。孔(kong)闆隻能依靠直管(guǎn)段對流體整形,直(zhi)管段整形隻能達(da)❄️到較爲接近的流(liú)體完全理想狀态(tài),并且孔🏃♀️闆本身的(de)節流又破壞流體(ti)理想狀态,因此幹(gan)擾源✨多,重複性差(chà)。
3、安裝要求
錐形流(liu)量計安裝要求低(dī)(前0～3D、後0～1D),無論是泵、壓(yā)縮機、閥門或者彎(wān)管(一個單彎管或(huò)兩個不在一個平(píng)面上🍓的雙彎管❄️),對(dui)測量精度都沒有(yǒu)影響。孔闆流量計(jì)安裝要求高(一般(ban)前10D、後5D),複雜工況😄還(hai)要加大到前20D、後5D。
4、長(zhang)期穩定性
錐形流(liú)量計長期穩定性(xìng)好。流體流經圓錐(zhui)體無突然✊波動,而(ér)是沿着錐形體形(xíng)成一個邊界層,并(bing)引導流體離開錐(zhui)體的後角。所以錐(zhuī)體夾角不受不清(qīng)潔流體的磨損,β值(zhi)可長期不變,并保(bao)證長🎯期精确測量(liang)。孔闆流量計長期(qī)穩定性差。由于流(liú)體流經孔闆銳♌利(li)緣口,截流産生高(gao)速摩擦,引起孔闆(pǎn)口磨損,髒污🌏改變(biàn)孔闆口🔴大小,使β值(zhi)發生變化,不能保(bao)持長期精确測量(liàng)。
5、信号穩定性
錐形(xíng)流量計信号穩定(ding),“信号波動”僅是孔(kǒng)闆的1/10。流體☀️流經錐(zhuī)體形🚶成非常短的(de)渦流,這些渦流使(shǐ)錐形流量計産生(shēng)高頻低幅💃🏻信号,并(bing)且信号在錐體尾(wei)部流向中央,相互(hu)抵消,因此幹擾小(xiǎo)。
孔闆流量計信号(hao)不穩定,流體流經(jīng)孔闆後産生的渦(wo)流較❓長,這些長渦(wō)流使孔闆産生低(dī)頻高幅的信号,信(xìn)号幹擾大,會嚴⛱️重(zhong)幹🏃🏻擾差壓變送器(qì)讀數的準确性。
6、壓(ya)損和量程
錐形流(liú)量計壓損低、量程(chéng)寬,量程比通常爲(wei)15∶1～50∶1。錐體的流線💁型設(shè)計🥵使壓損大大減(jiǎn)小,最小可至0.06kPa,在所(suo)有的差壓型流量(liang)計中,隻有錐形流(liu)量計的壓損與文(wen)丘裏接近。由于沒(mei)有銳利的緣口,錐(zhuī)形流量計引起的(de)永久性壓力損失(shī)恒定且比孔闆小(xiǎo)。同時,極其穩定的(de)信号使得差壓的(de)量程下限遠比一(yī)📱般差壓型流量計(ji)的低,因此量程得(dé)以向下限擴展,雷(lei)諾數低至8000仍可保(bǎo)持信号線性。如果(guǒ)采用曲線修正,在(zài)更低的雷諾數下(xià)仍然可測量并可(ke)得到較好的重複(fú)性。
孔闆流量計壓(yā)損大、量程小,量程(cheng)比通常爲3∶1～5∶1。由于是(shì)✨平面阻擋,加上銳(rui)利的緣口,因此壓(yā)損大,小信号波動(dòng)大、幹擾大,小🥰量程(cheng)無法測量。
7、β值範圍(wéi)和差壓
錐形流量(liàng)計獨特的幾何形(xíng)狀使其有很寬的(de)β值範圍☔。标準的β值(zhi)爲0.450、0.550、0.650、0.750和0.850,也可按用戶(hù)要求特定β值,以保(bao)證🔴用戶特定的差(cha)🙇♀️壓輸出。并且有較(jiào)大的差壓信号,滿(man)标尺差壓信号從(cóng)0.1kPa到幾🥰十kPa,保證👣測量(liàng)的準确性。
8、髒污的(de)影響和維護
錐形(xíng)流量計無停滞區(qū),長期免維護。錐形(xíng)流線型徹♍底吹掃(sǎo)式設計避免了流(liu)體中的殘渣、凝結(jié)物或顆粒的滞留(liu),可以保持錐體長(zhang)期清潔。由于錐體(ti)對流體整形,加速(su)了🔅管壁流體的流(liu)速,因此減少了正(zheng)取🏃♂️壓口的髒污停(tíng)留;倒角的設計🔴使(shǐ)流體流經錐體後(hòu)加速離去,故負取(qǔ)壓孔不會污損。所(suǒ)以在較長的時間(jian)内(2～3年)無須維護清(qīng)洗,可以保證精确(que)測量。
孔闆流量計(ji)由于是平面阻擋(dǎng),髒污容易堆積,一(yī)般3個月✔️須清洗一(yī)次,才能保證較好(hao)的精度。
9、氣液兩相(xiang)介質(濕氣)
對濕氣(qi)(氣體中含有水分(fen))的流體測量始終(zhōng)是流量🌈測量中的(de)一個難點。錐形流(liu)量計采用獨特的(de)錐體設計,使氣體(tǐ)中所含有的大部(bù)分水分,沿錐體從(cong)管道中央溫度較(jiao)✨高的地方向周‼️圍(wéi)溫度📐較低的地方(fāng)快速移動,産生的(de)凝🔞露沿錐體向管(guan)道底部下滴。由于(yu)錐體對流體整形(xíng),加速了管壁流體(tǐ)的流速,水分也快(kuài)速通過,不會在取(qǔ)壓口産生大量凝(níng)露。所以氣體含有(you)少量水分🏃♀️對錐形(xíng)流量計取🈲壓口産(chan)生的幹擾信号少(shǎo),提高了測☎️量準确(que)性。通常要⭕求氣體(tǐ)中含水量不超🏃♀️過(guò)5%爲好,最大不超過(guo)10%。
孔闆對流體産生(sheng)阻擋,在孔闆中央(yāng)産生滴露,同時💛管(guǎn)壁☂️流體受到阻擋(dǎng),流速減慢,正取壓(ya)口附近産生的凝(ning)露會影響取壓信(xin)号🐕;流體流經孔闆(pan)後,産生的渦流向(xiang)管壁作波動性發(fa)散,會影響負取壓(yā)口取壓信号。因此(ci),濕氣對孔闆的測(ce)量精度會産生較(jiao)大的負面影響,從(cong)而影響測量💚精度(du)。因此,孔闆及其他(tā)方♊式測量濕氣往(wang)🥵往難以達到預✏️期(qī)的效果。
10、錐形流量(liang)計安裝調試注意(yì)事項
每台錐形流(liu)量計上均有箭頭(tóu)指示流體流過設(shè)備的方向,高壓孔(kǒng)位于上遊,低壓孔(kǒng)位于下遊,在安裝(zhuang)差壓✔️變送器前需(xū)确認高💚壓孔的具(ju)體位置。
4 孔闆與錐(zhui)形流量計的壓損(sǔn)和精度
已知條件(jiàn):
被測流體 工藝風(fēng)
流量(标準狀況)??????? Q20max=5750m3/h,
Q20com=4950m3/h,
Q20min=2500m3/h
工(gong)作壓力 p1=3MPa
工作溫度(du) t1=40℃
相對濕度 φ=0
管道内(nei)徑 D20=300mm
管道材質 15碳鋼(gang),無縫管
有關孔闆(pǎn)流量計與錐形流(liú)量計的壓損及精(jing)度的計算過程,在(zài)此簡略,現将計算(suàn)結果列于表1。
從表(biǎo)1可看出:孔闆流量(liàng)計的壓損要遠大(da)于錐形流量計,而(ér)精度🐅也不及錐形(xing)流量計的高。
5 結束(shù)語
該錐形流量計(jì)自開車以來,一直(zhí)運行較好,不僅解(jiě)決了設計💛過程中(zhōng)遇到直管段短,普(pǔ)通流量儀表難以(yi)檢測的問題,同時(shi)也提高了測量精(jīng)度,由原來的1.25%提高(gāo)到0.5%,壓損由9.37kPa降到1.28kPa,滿(man)足了生産要求.但(dan)錐形流量計價格(gé)比孔闆流量計要(yao)高,建議在重要場(chang)所或不能有壓損(sun)的地方使用。
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