摘要:介紹了多孔平衡流量計結構、特點和工作原理。與傳統(tǒng)差壓式流量計相比,多孔平衡流量計具有精度高、直管段要求低、永久壓力損失少、耐臟污不易堵、長期穩(wěn)定性好、流量測量范圍寬.可測量高溫.高壓介質等特點。可測管徑15~3000mm,直管段長度前0.5D~2D后0.5D~2D,精度等級可達0.3%~0.5%，量程比20:1~30:1。該流量計適合硫酸裝置副產蒸汽流量測量,既可確保精度,又能減少投資和運行維護費用。
在現(xiàn)代石油與化工裝置中,正確測量管道中介質流量是很重要的。例如在硫酸裝置中,蒸汽流量是一個非常重要的工藝參數,關系到整個系統(tǒng)的負荷核算及經濟指標的核算、標定。因此,蒸汽流量測量儀表應具備高的可靠性和測量精度。以孔板流量計、噴嘴流量計、文丘里流量計為代表的傳統(tǒng)差壓式流量計由于結構簡單、安裝牢固、性能穩(wěn)定可靠，是目前世界通用的流量檢測儀表。但傳統(tǒng)差壓式流量計存在精度低、永久壓力損失大等缺點,并且直管段要求較長，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,尤其對于較大管徑的管道而言,問題就更為突出。某硫酸裝置設計中就遇到這樣的問題，蒸汽管道規(guī)格DN400。由于受空間限制,工藝配管過程中很難滿足流量計安裝的直管段要求,容易出現(xiàn)蒸汽計量不準的狀況。采用了一種流量測量儀表一多孔平衡流量計及差壓變送器，很好地解決了蒸汽流量測量問題。在此簡單比較多孔平衡流量計與孔板流量計特點,為硫酸廠蒸汽流量測量用流量計的設計選型提供參考。
1多孔平衡流量計的功能和特點
多孔平衡流量計是一種新型的精度高差壓式流量計,它是在標準孔板流量計基礎上研發(fā)出的一種新型流量測量儀表。傳統(tǒng)孔板流量計只有一個流體節(jié)流孔，節(jié)流后流場平衡難以達到理想狀態(tài);而多孔平衡流量計設計有多個函數孔，能最大限度地將流場平衡調整為理想狀態(tài),從而將差壓式流量計的優(yōu)勢發(fā)揮到極致。多孔平衡流量計和標準孔板流量計的流場分布對比見圖1。
與傳統(tǒng)差壓式流量計一樣，多孔平衡流量計由引壓管、差壓變送器、流量傳感器組成。該流量計有以下特點:
a.線性度高,重復性好。多孔平衡流量計具.有對稱多孔結構特點,能對流場進行平衡,降低了渦流、振動和信號噪聲,流場穩(wěn)定性大大提高。多;孔平衡流量計線性度比孔板流量計提升了5~10倍,重復性提高了54%(可達0.1%)。經實際流體標定,多孔平衡流量計測量精度等級可達0.3%~0.5%,適用于需要控制全廠能耗的公用工程介質流量的計量。
b.直管段長度要求低。多孔平衡流量計由于流場穩(wěn)定,并且壓力恢復比孔板流量計快2倍,因此大大所短了對直管段長度的要求。直管段長度一般為前0.5D~2D、后0.5D~2D,從而使安裝位置的選定較容易。因此,多孔平衡流量計現(xiàn)，場配管簡單，尤其適用于大口徑管道內介質的計量。
c.永久壓力損失少。多孔平衡流量計采用多孔對稱的平衡設計減少了紊流剪切力和渦流的形成,降低了動能的損失。在同樣的測量工況下，選用同樣差壓值,與孔板流量計相比,多孔平衡流量計永久壓力損失可降低1/3~1/2。因此,多孔平衡流量計是一種典型的節(jié)能型儀表。
d.耐臟污,不易堵。多孔平衡流量計多孔對稱的平衡設計大大降低了滯留死區(qū)的形成,保證臟污介質順利通過多個孔,減小了流體孔被堵塞的機會。所以在較長的時間內無須維護清洗,可以保證正確測量。而孔板流量計一般3個月須清洗一次才能保證較好的測量精度。
e.長期穩(wěn)定性好。多孔平衡流量計設計有多個流通孔，平衡流場大幅度降低了介質與節(jié)流件直接的摩擦;孔邊緣結構為直角,不易磨損,其直徑比β長期保持不變,大大延長檢定周期,節(jié)省檢定費用。整個儀表無可動部件,因此可長期保持穩(wěn)定性,使用壽命比傳統(tǒng)差壓式流量計長。
f.流量測量范圍寬。根據試驗結果,多孔平衡流量計通常量程比為10:1,某些場合選擇合適的參數可做到量程比20:1~30:1。根據試驗結果,流體流速可達到音速,流體雷諾數在200~1×107,直徑比β可選0.25~0.90。
g.可測量高溫、高壓介質。與傳統(tǒng)差壓式流量計一樣,多孔平衡流量計的工作溫度壓力取決于管道和法蘭的材質和等級。最高工作溫度可達850℃,最高工作壓力可達42MPa。
h.可測量復雜工況介質。由于多孔平衡流量計特殊的結構設計，可以進行氣-液兩相介質(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、震動水流、電磁干擾介質、雙向流介質的測量。
2多孔平衡流量計的工作原理
多孔平衡流量計的工作原理與其他差壓式流量計一樣,都是基于密封管道中的能量轉換原理。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,用測出差壓值根據伯努利方程即可計算出管道中的流量。平衡流量傳感器是一個多孔的圓盤節(jié)流整流器,安裝在管道的截面上，每個孔的尺寸和分布是基于特殊的公式和測試數據而定制的,稱為函數孔。當流體穿過圓盤的函數孔時,流體將被平衡整流,渦流被最小化，形成近似理想流體。通過取壓裝置可獲得穩(wěn)定的差壓信號,根據伯努利方程計算出體積流量和質量流量。
式中:m一質量流量,kg/s;
Ɛ一流束膨脹系數;
d一工作條件下節(jié)流件孔徑,m;
C一流出系數;
β一直徑比,β=d/D;
D一工作條件下上游管道內徑,m;
ρ一被測流體密度,kg/m³;
△p一差壓,Pa;
Q一體積流量,m³/s。
3多孔平衡流量計與傳統(tǒng)差壓式流量計性能對比
多孔平衡流量計與傳統(tǒng)差壓式流量計性能對比情況見表1。
4多孔平衡流量計在硫酸裝置中的應用
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�？装辶髁坑媽駳猱a生阻擋,在孔板中央產生滴露;同時,管壁濕氣受到阻擋,流速減慢。正取壓口附近產生的凝露會影響取壓信號。濕氣流經孔板,產生的渦流向管壁作波動性發(fā)散，也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。而多孔平衡流量計四周有孔,使?jié)駳庵兴蟛糠炙畯南虏靠琢鬟^,從而避免了凝水,濕氣中少量水分對多孔平衡流量計取壓口千擾信號少,測量精度高。
硫酸裝置廢熱鍋爐產生蒸汽流量測量如果采用標準孔板流量計,一方面計量正確率不高;另一方面,開停車時,帶壓蒸汽沖擊凝水會產生水錘效應,嚴重時將使孔板沖擊變形。而采用多孔平衡流量計既可提高測量正確率,又可防止水錘效應發(fā)生,避免孔板彎曲變形。
某硫酸裝置副產蒸汽參數為:最大流量10t/h,平均流量5.9t/h,工作壓力2.1MPa,工作溫度216℃,上游碳鋼材質管道內徑150mm。該蒸汽測量多孔平衡流量計和標準孔板流量計選型參數見表2。.
由表2可見，與標準孔板流量計相比,選用多孔平衡流量計壓力損失可減少12.4kPa,直管段長度可節(jié)省2.85m。在硫酸項目中,直管段長度增加除一次性投資費用增加外,管道施工、運行維護費用及土地占用都會增加。因此,蒸汽測量采用多孔平衡流量計既可確保精度,又能減少投資和運行維護費用。該流量計值得在蒸汽流量測量中推廣使用。
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