摘要：介紹空分裝置中液氧、液氦流量采用渦街流量計(jì)測(cè)量的方法,探討使用現(xiàn)狀的優(yōu)點(diǎn),對(duì)不能測(cè)量較大流量以及渦街流量計(jì)小信號(hào)切除量較大的問(wèn)題進(jìn)行相關(guān)應(yīng)用分析,對(duì)空分裝在產(chǎn)品核算、經(jīng)濟(jì)效益分析、可靠運(yùn)行的方面具有一定幫助。
目前，化工行業(yè)很多生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)所使用的流量計(jì)選型不夠合理,有的存在安裝錯(cuò)誤,造成計(jì)量誤差過(guò)大,還有些不能滿足生產(chǎn)或產(chǎn)品交接計(jì)量的需要,流量計(jì)是化工企業(yè)最常用的儀表。但僅靠經(jīng)驗(yàn)或單純考慮購(gòu)置費(fèi)進(jìn)行選型，可能會(huì)失去選擇最適合儀表的機(jī)會(huì)。由此可見(jiàn),正確選擇和使用流量計(jì)并非易事。要正確、有效地選擇合適的流量計(jì),必須考慮5個(gè)方面的因素,即性能要求、介質(zhì)物性、安裝要求、環(huán)境條件和費(fèi)用。
煤基烯烴項(xiàng)目建設(shè)的空分裝置生產(chǎn)氣氧、氣氮、儀表空氣、工廠空氣、液氧和液氮。通過(guò)對(duì)該裝置的液氧、液氮產(chǎn)品流量計(jì)的使用情況進(jìn)行摸索研究,從儀表測(cè)量原理出發(fā),進(jìn)行必要的分析和研究,并進(jìn)行觀察評(píng)估,對(duì)實(shí)施效果:提出推廣建議,從而進(jìn)一步提高管理和維護(hù)水平,使該裝置產(chǎn)品交接計(jì)量向更穩(wěn)定、更可靠的方向發(fā)展。
1空分裝置液氧、液氨渦街流計(jì)使用現(xiàn)狀
1.1產(chǎn)品流量的測(cè)量方法
一般情況下,煤化工配套的空分裝置都較大,液氮、液氧產(chǎn)品在工藝系統(tǒng)負(fù)荷較低時(shí)可以作為產(chǎn)品銷售。為了準(zhǔn)確測(cè)量這兩股產(chǎn)品的流量,保證貿(mào)易交接的準(zhǔn)確性,考慮到這兩股產(chǎn)品低粘度、低溫,產(chǎn)品管線口徑小(僅為DN25mm), 以及一次儀表需安裝于冷箱內(nèi)隔箱而變送器需要安裝于冷箱外部的特點(diǎn),項(xiàng)目最初選用了分體式渦街流量計(jì)配以轉(zhuǎn)換器來(lái)測(cè)量液氮、液氧流量。
1.2渦街流量計(jì)測(cè)量液氧、液氮流量
1.2.1測(cè)量原理.
渦街流量計(jì)是一種典型的速度式流量計(jì),可檢測(cè)Re在5 x103~7 x106范圍內(nèi)的液體、氣體、蒸汽流體的流量。漩渦分離的穩(wěn)定性受漩渦發(fā)生體上游流場(chǎng)畸變、漩渦流等的影響，所以安裝儀表應(yīng)根據(jù)上游阻流件的不同形式,配備不同長(zhǎng)度的上、下游直管段,或安裝流動(dòng)調(diào)整器,為渦街流量計(jì)提供良好的流場(chǎng)條件,消除流場(chǎng)對(duì)儀表的不利影響。渦街流量計(jì)是應(yīng)用流體振蕩原理來(lái)測(cè)量流量的,流體在管道中經(jīng)過(guò)渦街流量變送器時(shí),在三角柱的漩渦發(fā)生體后上下交替產(chǎn)生正比于流速的兩列漩渦,稱為卡曼漩渦。單側(cè)漩渦的釋放頻率與流過(guò)漩渦發(fā)生體的流體平均速度及漩渦發(fā)生體特征寬度有關(guān),表示為":
f=(Srxv)/d
式中
d一漩渦發(fā)生 體特征寬度,m;
f一漩渦 的釋放頻率,Hz;
Sr一斯特勞哈爾數(shù),無(wú)量綱， 它的數(shù)值范圍為0.14 ~0.27;
?一流過(guò)漩渦發(fā)生體的流體平均速度，m/s。
Sr是雷諾數(shù)的函數(shù),Re與Sr的關(guān)系為Sr =f(l/Re),如圖1所示。
由上式可知，在斯特勞哈爾數(shù)Sr為常數(shù)時(shí),流量qv與單側(cè)漩渦產(chǎn)生的頻率?成正比。
當(dāng)雷諾數(shù)Re在102~ 105范圍內(nèi)時(shí),Sr值約為0.2,因此,在測(cè)量中要盡量保證流體的雷諾數(shù)在102~ 105 ,漩渦頻率?=0.2×?/d。由此可知，通過(guò)測(cè)量漩渦頻率就計(jì)算出流過(guò)漩渦發(fā)生體的流體平均速度u,再由式qv = ? ×A0求出流量qv,其中A。為流體流過(guò)漩渦發(fā)生體的截面積。
1.2.2渦街流量計(jì)測(cè)量空分裝置液氮、液氧的優(yōu)劣
通過(guò)觀察裝置開(kāi)車后近一年的使用情況，發(fā)現(xiàn)在這兩股產(chǎn)品處使用渦街流量計(jì)各存在一些優(yōu)缺點(diǎn)。
1.2.2.1 優(yōu)點(diǎn)
渦街流量計(jì)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單牢固,安裝維護(hù)方便,測(cè)量元件直接安裝于管道上,克服了管路的泄漏現(xiàn)象。可根據(jù)測(cè)量對(duì)象選擇相應(yīng)的檢測(cè)方式,儀表的適應(yīng)性強(qiáng)。非常適用于干凈介質(zhì)流體和部分混相流體。與其他脈沖輸出型流量計(jì)相比,渦街流量計(jì)的儀表系數(shù)K較低,且隨儀表測(cè)量管徑D的增大儀表系數(shù)K近似以直徑比的3次方速率下降(表1)。
選擇流量計(jì)的通徑應(yīng)按被測(cè)管道使用的流量范圍和被選流量計(jì)的上、下限流量來(lái)選配,而不是簡(jiǎn)單地按管道通徑選用。通常設(shè)計(jì)管道流體最大流速是按經(jīng)濟(jì)流速來(lái)確定的,流速選擇過(guò)低,則管徑粗、投資大;而流速過(guò)高則輸送功率大,增加運(yùn)行費(fèi)用21。大部分流量計(jì)上限流量的流速接近或略高于管道經(jīng)濟(jì)流速,因此流量計(jì)通徑與管徑相同的可能性較大,安裝比較方便,如不相同也不應(yīng).相差太多,一般相鄰一檔規(guī)格,采用變徑管連接'。
若采用標(biāo)準(zhǔn)孔板流量計(jì)來(lái)測(cè)量液氮、液氧的流量存在一些不足之處，如:壓力損失較大;導(dǎo)壓管、三(五)閥組及連接接頭容易泄漏;導(dǎo)壓管、取壓口易堵塞;量程范圍小,一般為3:1,對(duì)流量波動(dòng)較大易造成測(cè)量值偏低;液氮、液氧溫度較低，需要采取復(fù)熱措施由液態(tài)恢復(fù)為氣態(tài)才可測(cè)量，否則易凍結(jié)。
量程比相對(duì)較寬，可達(dá)10:1或20: 1。使用的情況是實(shí)際最小流量可測(cè)到200Nm'/h,最大可測(cè)到1 865Nm'/h及以，上。實(shí)際情況是最大流量在閥門僅65%開(kāi)度時(shí)就達(dá)到了100% ,最小流量?jī)H可測(cè)到325Nm3/h,尤其上、下極限測(cè)量時(shí)基本很難用好。大多數(shù)渦街流量計(jì)具有較好的線性度,渦街流量計(jì)理論最大量程比可達(dá)300:1以上。但由于檢測(cè)元件的靈敏度、儀表的壓力損失及其他方面的限制,要達(dá)到這么高的量程比是非常困難的。因此實(shí)際大多數(shù)的渦街流量計(jì)的量程比僅為10:1以上,有的可達(dá)到20:1甚至30:1。而其他的流量計(jì)如差壓流量計(jì),卻沒(méi)有這么寬的量程范圍。一般的渦街選型,都會(huì)把所測(cè)流量范圍放在其全量程的5%~60%這個(gè)范圍內(nèi),如果要求的量程太寬,就必須把常用流量放在這個(gè)范圍的合適位置以選型。這樣選型出來(lái)的渦街才會(huì)好用、穩(wěn)定,精度才能得以保障.
渦街流量計(jì)屬測(cè)量精度中等偏上的流量計(jì),通常測(cè)量液體的精度為土(0.5% ~1.0%),測(cè)量氣體的精度為土(1.0% ~1.5%),這種精度比渦輪流量計(jì)科氏力質(zhì)量流量計(jì)低,但與傳統(tǒng)的差壓流量計(jì)、浮子流量計(jì)相比,測(cè)量精度較高2]。考慮到這兩股產(chǎn)品既要計(jì)量總流量,又要應(yīng)用在流量控制系統(tǒng)中，流量計(jì)精度的確定要在整個(gè)系統(tǒng)控制精度要求下進(jìn)行，因?yàn)檎麄�(gè)系統(tǒng)不僅有流量檢測(cè)的誤差,還包含有信號(hào)傳輸、控制調(diào)節(jié)等環(huán)節(jié)的誤差和各種影響因素,對(duì)測(cè)量?jī)x表確定過(guò)高的精度是不合理和不經(jīng)濟(jì)的,因此綜合精度、經(jīng)濟(jì)性一同考慮是選型的要素之一。
正常情況下壓損約為孔板流量計(jì)的1/4~1/2，但內(nèi)縮徑渦街流量計(jì)不適用于此處。近似的長(zhǎng)期.壓損( PPL)計(jì)算公式為
以液氮產(chǎn)品為例，經(jīng)過(guò)計(jì)算，DN25mm的渦街流量計(jì)適用于此處,圖2為液氮DN25mm渦街流量計(jì)性能對(duì)照?qǐng)D。從圖2可以看出，在保證精度的情況下,壓損是相當(dāng)小的。
輸出與流量成正比的脈沖信號(hào),適用于總量計(jì)量,無(wú)零點(diǎn)漂移[4。在一定雷諾數(shù)范圍內(nèi),輸出頻率信號(hào)不受流體物性(密度、粘度)和組分的影.響,即儀表系數(shù)僅與漩渦發(fā)生體和管道的形狀尺寸有關(guān),只需在一種典型介質(zhì)中校驗(yàn)而適用于各種介質(zhì)。在各種流量計(jì)中渦街流量計(jì)是一種較有可能成為僅需干式校驗(yàn)的流量計(jì)。
對(duì)流量變化在一定的雷諾數(shù)范圍內(nèi)，漩渦分離的頻率僅與流體工作狀態(tài)下的體積流量成正比;而對(duì)被測(cè)流體壓力、溫度、粘度和組分變化不敏感。因此，在幾何相似和動(dòng)力相似條件下，渦街流量計(jì)可用一種典型介質(zhì)(如水或空氣)標(biāo)定，就可確定它的儀表系數(shù)，并可在其他介質(zhì)中使用。渦街流量計(jì)的這一特點(diǎn)，對(duì)生產(chǎn)廠和用戶提供了很大的便利。對(duì)用于高壓氣體的渦街流量計(jì)，使用常壓條件下標(biāo)定的儀表系數(shù)，用戶完全可以放心，生產(chǎn)廠不必為沒(méi)有高壓標(biāo)定設(shè)備而憂慮;用于氣體的渦街流量計(jì)，也可在水流量標(biāo)準(zhǔn)裝置中校驗(yàn)，提高標(biāo)定精度。渦街流量計(jì)這一特點(diǎn)，為它實(shí)現(xiàn)干標(biāo)定、發(fā)生體標(biāo)準(zhǔn)化提供了有利條件。
通常渦街流量計(jì)的儀表系數(shù)K是通過(guò)液體或氣體流量校準(zhǔn)裝置在常溫、常壓條件下標(biāo)定后確定的。如果儀表用于高溫流體(例如蒸汽)或低雷諾數(shù)區(qū)域的流量測(cè)量時(shí),還照用實(shí)驗(yàn)室標(biāo)定的儀表系數(shù)的話,則會(huì)產(chǎn)生一定的測(cè)量偏差。因此,當(dāng)儀表的工作條件偏離標(biāo)定條件較遠(yuǎn)時(shí),需對(duì)該系數(shù)進(jìn)行修正。
儀表標(biāo)定時(shí),根據(jù)校準(zhǔn)裝置給出的標(biāo)準(zhǔn)流量、流體密度ρ、粘度μ和被測(cè)渦街流量計(jì)輸出的頻率,計(jì)算出儀表系數(shù)K和對(duì)應(yīng)的雷諾數(shù)。先進(jìn)行雷諾數(shù)Re>2 x 104的各流量測(cè)試點(diǎn)的標(biāo)定,再進(jìn)行Re≤2x104各點(diǎn)流量的標(biāo)定。然后算出Re>2x104各流量測(cè)試點(diǎn)的平均儀表系數(shù)K,以K作為標(biāo)準(zhǔn)儀表系數(shù),再分別計(jì)算Re<2x104各流量測(cè)試點(diǎn)的儀表系數(shù)Ki與K的比值E作為雷諾數(shù)修正系數(shù),這樣就得到與表2相似的各雷諾數(shù)所對(duì)應(yīng)的修正系數(shù)，然后把這些數(shù)據(jù)寫人儀表中。
1.2.2.2缺點(diǎn)
渦街流量計(jì)小信號(hào)切除量較大,使下限流量不能太低，因此不能滿足較小流量測(cè)量的要求。渦街流量計(jì)的下限流量受雷諾數(shù)和檢測(cè)元件靈敏度的制約。
雷諾數(shù)的影響。渦街流量計(jì)不適用于低雷諾數(shù)測(cè)量(Re≥2 x104),故在高粘度、低流速、小口徑情況下應(yīng)用受到限制。大多數(shù)渦街流量計(jì)的下限雷諾數(shù)為(1 ~2) x104 ,只有當(dāng)儀表工作在下限雷諾數(shù)以.上區(qū)域時(shí),斯特勞哈爾數(shù)Sr或儀表系數(shù)K才進(jìn)人平直區(qū),儀表也才能進(jìn)人線性工作區(qū)域，否則當(dāng)雷諾數(shù)Re低于渦街流量計(jì)線性工作區(qū)的臨界雷諾數(shù)時(shí),儀表系數(shù)K將出現(xiàn)嚴(yán)重的非線性,產(chǎn)生非線性誤差。在粘度高、口徑小的工作條件下工作的渦街流量計(jì)，下限流量不能太低。以液氮產(chǎn)品為例,經(jīng)過(guò)計(jì)算,DN25mm的渦街流量計(jì)所測(cè)流量為全量程流量的15%及以下時(shí),流速下降迅速,已經(jīng)不能保證精度了， 即使?jié)M足了可測(cè)量程上限的要求也滿足不了可測(cè)較小流量的需要(表3)。
另外,從圖3還可以清楚地看到,流量達(dá)到量程上限以后精度和壓損明顯呈比例上升。這也就不難解釋為什么渦街流量計(jì)往往未用到全量程就很難用好了
檢測(cè)元件靈敏度的限制。漩渦強(qiáng)度越強(qiáng)對(duì)信號(hào)檢測(cè)越有利。而漩渦強(qiáng)度與流速平方是成正比的，所以在量程下限的低速區(qū)，漩渦信號(hào)很微弱，能否有效地檢測(cè)出漩渦信號(hào),取決于檢測(cè)元件的靈敏度[2]
受以上兩方面因素的制約，渦街流量計(jì)的下限流速不能太低，這點(diǎn)可以參考表3。一般情況下,測(cè)量液體流量時(shí),下限流速為0.3 ~0. 5m/s;測(cè)量氣體時(shí)下限流速為3.0 ~5.0m/s。不能采用內(nèi)縮徑渦街流量計(jì)測(cè)量較小流量，否則無(wú)法保證流體的穩(wěn)定狀態(tài)，畢竟渦街靠的是穩(wěn)流才能準(zhǔn)確測(cè)量,內(nèi)縮徑多少會(huì)造成壓損增加,影響渦街的測(cè)量,尤其測(cè)到70%以上很難保證精度,特點(diǎn)是精度隨流量增大而產(chǎn)生偏差。
正常情況下渦街流量計(jì)壓損僅比差壓流量計(jì)小(約為孔板流量計(jì)1/4~1/2),但是由于這兩股產(chǎn)品的正常壓力都在0.5MPa以下，因此測(cè)量值達(dá)不到精度偏離點(diǎn)就壓損太高無(wú)法使用了。以液氮產(chǎn)品為例,經(jīng)過(guò)計(jì)算,DN15mm的內(nèi)縮徑渦街流量計(jì)不適用于此處，流量為全量程50%及以上時(shí),壓損上升迅速,如圖4所示。但是優(yōu)點(diǎn)是可以滿足較小流量測(cè)量的需要,這時(shí)幾乎沒(méi)有壓損(表4)。.
2結(jié)束語(yǔ)
對(duì)空分裝置的液氧、液氮產(chǎn)品流量測(cè)量結(jié)合實(shí)際使用情況進(jìn)行了研究與分析,對(duì)其測(cè)量原理技術(shù)難點(diǎn)以及優(yōu)缺點(diǎn)等進(jìn)行了全面的統(tǒng)計(jì)、綜述和評(píng)價(jià)。當(dāng)然對(duì)于量程比適中、只保證流量上限其中一端即可的液氧、液氮產(chǎn)品流量測(cè)量,使用這類低溫型分體式渦街流量計(jì)還是相當(dāng)可靠的。
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