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旋進流量計在石化裝置中的應(yīng)用
發(fā)布時間:2019-10-08

摘 要:旋進流量計是速度流量計的一種,基于漩渦進動原理。結(jié)合工程設(shè)計,針對幾種氣體和液體的流量計選型進行分析,分別研究了同一流量工況下不同流量計的適用性和優(yōu)缺點,并得出下列結(jié)論:旋進流量計能夠滿足大部分所列出的流量工況,而且精度較高、量程范圍較大、安裝維護方便,但不適合低流速工況。
  在石化裝置的工藝生產(chǎn)過程中,流量是一個非常重要的過程參數(shù)和監(jiān)控對象,流量的測量顯得尤為重要。隨著流量檢測技術(shù)的不斷發(fā)展,可供選擇的流量計很多。如何針對不同工況要求,選擇合適的流量計來滿足用戶對精度、維護量、可靠性、經(jīng)濟性等要求。
  早期的旋進流量計在1967年由德國FISCHERPORTER公司發(fā)明。經(jīng)過幾十年的技術(shù)發(fā)展,此種類流量計已經(jīng)從簡單的、僅能測量氣體流量的單一功能,發(fā)展到可以應(yīng)用于氣體、蒸汽和液體介質(zhì)的流量測量,并且可以帶溫度、壓力自動補償,還可以進行流量累計計量[1]的多種功能。所輸出的信號可以為支持HART協(xié)議的通訊信號、支持RS485通訊協(xié)議信號等。旋進流量計具有精度高、可靠性好、壓力損失較小、對直管段要求短、安裝維護方便等優(yōu)點,可以適用于較為廣泛的流量檢測場合。
1結(jié)構(gòu)及工作原理
1.1流量計的結(jié)構(gòu)
  旋進流量計本體由漩渦發(fā)生體(起旋器)、殼體、壓電傳感器和整流器組成,如圖1所示。
旋進流量計剖面結(jié)構(gòu)如圖2所示。
旋進漩渦流量計結(jié)構(gòu)圖
漩渦發(fā)生體(起旋器):螺旋狀葉片安裝在入口,用于產(chǎn)生漩渦流。
殼體:形狀類似于文丘里管,用于產(chǎn)生二次漩渦。壓電傳感器:用于檢測漩渦的振動頻率。振動頻率與流速成正比。
整流器:安裝在流量計出口,用于消除漩渦流,減少對下游的影響。
旋進漩渦流量計剖面結(jié)構(gòu)圖
1.2工作原理[1-3]
  旋進流量計是速度流量計的一種,基于漩渦進動現(xiàn)象進行計量。流體進入漩渦發(fā)生體后產(chǎn)生劇烈的旋轉(zhuǎn)運動形成漩渦流。漩渦流加速,沿流動方向經(jīng)縮徑段,流動強度增強。當漩渦流進入擴散段后,在導流體回流的作用下,該漩渦產(chǎn)生二次旋轉(zhuǎn)運動,即漩渦進動。二次漩渦進動的頻率與流體的流速成正比。因此漩渦的頻率可以反映此流體的流速和流量大小。如果測量設(shè)備內(nèi)部采用最佳的設(shè)計,漩渦的頻率將在較寬的流量范圍內(nèi)呈線性。壓電傳感器測到此頻率后,將信號傳輸?shù)搅髁坑媯鞲衅鬟M行下游處理。
漩渦進動頻率與介質(zhì)流速成正比,與截流體幾何尺寸成反比。

式中
f——漩渦進動頻率;
St——斯特羅哈爾常數(shù)(通過實驗得到的無因次數(shù));
v——流速;
d——截流體因數(shù)(由截流體幾何尺寸決定)。
以上公式可得出,測量出漩渦進動頻率可測得流體流速和瞬時流量。
圖3表示出斯特羅哈爾常數(shù)與雷諾Re的關(guān)系。曲線的線性區(qū)域?qū)?yīng)的為旋進流量計的測量范圍。

雷諾數(shù)(Re)的計算:
Re=?ρ?/(2827×V×D)
式中
ρ——工作密度,kg/m3;
V——運動黏度,m2/s;
D——管徑,m。
2工程設(shè)計中的選型考慮
  工程設(shè)計中主要根據(jù)流量工況,按工藝要求(精度、測量范圍、壓力損失等),從適用性、可靠性、安裝方便、經(jīng)濟性等方面考慮進行流量計的選型。本文列舉的旋進流量計為某進口品牌產(chǎn)品,并有多種場合的應(yīng)用。
2.1適用性方面的考慮
(1)流體介質(zhì)旋進流量計適用于氣體、蒸汽和液體介質(zhì)。
(2)精度旋進流量計在最小雷諾數(shù)Remin和最大流量Qmax之間的線性范圍測量精度為≤±0.5%。
(3)流速旋進流量計在測量介質(zhì)時,要考慮流速不能過低(具體以廠家計算為準)。
(4)流量計口徑市場上常見旋進流量計最大尺寸為DN400,最小為DN15。流量計口徑的選擇基于最大工作流量Qmax。建議最大工作流量應(yīng)大于該口徑允許量程一半時的流量?梢赃x擇縮徑,但最大工作流量不要低于該口徑允許最大量程時流量的15%。
(5)材料的選擇
a.測量管材料通常為不銹鋼316/316L,HastelloyC。
b.內(nèi)襯材料根據(jù)介質(zhì)的腐蝕性、溫度等要求來選擇具體材料。
PTFE(-55~260℃)
石墨(-55~280℃)
Kalrez(-20~275℃)
2.2安裝和應(yīng)用
(1)被測介質(zhì)的流動方向需要與流量計上的指示方向一致。
(2)避免管路的機械振動(如有必要,安裝支架)。
(3)選擇符合環(huán)境條件的流量計。流量計周圍不能有強烈磁場干擾。
(4)輸送設(shè)備的振動頻率不得在流量計的測量頻率范圍以內(nèi)?梢允褂眠m當?shù)淖枘嵫b置減弱活塞泵或壓縮機輸送過程中的交替(脈動)流量。
(5)閥門通常布置在流量計的下游。如果通過活塞泵或壓縮機輸送測量介質(zhì)(液體)壓力10bar[145psi],當閥門閉合時,可能會產(chǎn)生液壓振動,這時閥門必須安裝在流量計上游,并且可能需要安裝合適的阻尼裝置(例如:空氣罐)。
(6)流量計在測量液體時要避免氣穴現(xiàn)象的產(chǎn)生。
(7)測量高溫介質(zhì)時
流量計在測量>150℃的高溫介質(zhì)時,傳感器的安裝必須是變送器朝向一側(cè)或朝下,或者采用分體式安裝。
(8)流量計傳感器帶保溫層時,考慮保溫層厚度,具體咨詢廠家。
2.3直管段要求
  流量計安裝直管段要求滿足與否,直接影響流量測量的穩(wěn)定性和精度。旋進流量計進出口直管段要求見表1。從表1可知,其直管段要求并不高,這一優(yōu)勢在舊裝置擴容改造的應(yīng)用中尤為突出。

2.4多探頭的選擇
  基于旋進流量計的漩渦特點,并在其本體尺寸允許的條件下,旋進流量計可以采用多探頭的測量方式。這種選擇為用戶實現(xiàn)三取二流量聯(lián)鎖提供了經(jīng)濟可行的實施方案。
3應(yīng)用分析
  適用于氣體、蒸汽和液體介質(zhì)測量的流量計有多種可選,在此選擇精度較好的4種流量計與旋進流量計做對比,主要針對測量范圍、精度和壓損是否符合工藝條件進行對比分析。所選流量計如下,均為在國內(nèi)外石化裝置上有多年應(yīng)用的國外產(chǎn)品。
旋進流量計(精度為液體±0.5%,氣體±5%)
(精度為液體±0.75%,氣體±0.9%)
渦街流量計科里奧利質(zhì)量流量計(精度為液體±0.075%~0.1%,氣體±0.5%)
熱式質(zhì)量流量計(精度為±0.5%,主要測氣體介質(zhì))
電磁流量計(精度±0.5%,主要測量導電類液體)
  以上渦街流量計的精度低于其他流量計,但是也屬于精度較好且常用的流量計。并且由于渦街流量計和旋進流量計的原理類似,在下列對比中渦街流量計的精度雖然不能達到本文所列的工藝條件,但可以對比渦街流量計和旋進流量計的測量范圍和壓損。
3.1氣體測量
(1)當測量介質(zhì)為氫氣,工藝要求精度高時,不能低于±0.5%。市場上測量氣體精度較好的流量計有熱式質(zhì)量流量計和科里奧利質(zhì)量流量計(我們選擇測量氣體精度為±0.5%的產(chǎn)品),這里選擇這2種流量計與旋進流量計做對比。表2為工藝條件,表3~表5為3種流量計的選型后的量程范圍和壓力損失,通過表6對比流量計是否滿足工藝條件。



  通過以上對比,可知旋進流量計在流速大于一定值時,測量時的精度和流量范圍可以與科里奧利質(zhì)量流量計和熱式質(zhì)量流量計相媲美。但是在流速很小的情況下,旋進流量計與這兩種流量計相比則遜色很多。
  這3種流量計在價格方面,科里奧利質(zhì)量流量計是旋進流量計價格的3~5倍。熱式質(zhì)量流量計和科里奧利質(zhì)量流量計針對不同工況下的應(yīng)用選型,在價格方面各有優(yōu)勢。
(2)測量介質(zhì)為氣體(除氫氣外)時,在此選擇旋進流量計(精度為氣體±0.5%)、渦街流量計(精度為氣體±0.9%)和科里奧利質(zhì)量流量計(精度為氣體±0.5%)做對比分析,以下主要對比3種流量計的測量范圍(3種流量計都為同一品牌產(chǎn)品)。表7為工藝條件,表8~表10為3種流量計的選型后的量程范圍和壓力損失,通過表11對比流量計是否滿足工藝條件。

  通過列表可以看出旋進流量計在測量氣體時,保證精度±0.5%的情況下,量程比較大,可以滿足1∶30的量程比。
3.2測量介質(zhì)為液體
  測量液體時,選擇旋進流量計(精度為液體±0.5%)、渦街流量計(精度為液體±0.75%)、科里奧利質(zhì)量流量計(精度為液體±0.1%)和電磁流量計(精度為液體±0.5%)進行對比分析。表12為工藝條件,表13~表16為3種流量計的選型后的量程范圍和壓力損失,通過表17的對比,可知流量計是否滿足工藝條件要求。



  通過以上比較,可知旋進流量計在測量液體時也有很大的優(yōu)勢,量程比大,精度較高,還可以測量非導電類類液體。
在產(chǎn)品的價格方面,以渦街流量計的價格作為標準來衡量,科里奧利流量計(精度液體為±0.1%.氣體±0.5%)是渦街的3~5倍左右,旋進流量計是渦街流量計的1.3~1.7倍左右,電磁流量計是渦街流量計的0.8~1倍左右(以上4種流量計價格均以同一廠家產(chǎn)品的價格作為基礎(chǔ))。
4結(jié)束語
  旋進流量計精度(±0.5%)較高,可以滿足大多數(shù)應(yīng)用場合的測量要求;可達1:30的量程比,滿足寬測量范圍的應(yīng)用;直管段要求不高,在工藝裝置配管緊湊的場合,應(yīng)用優(yōu)勢明顯。尤其在可實現(xiàn)多探頭傳感器應(yīng)用方面,為安全儀表系統(tǒng)流量測量子系統(tǒng)的可靠性/可用性冗余架構(gòu)設(shè)計提供了一種便利的實施方案,具有較為突出的優(yōu)勢。

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