摘要:针对冶金工业煤气在线流量测量装置实际运行状况,重点从地域环境、可测量介质适应性、测量装置的工艺技术要求、量程范围、耐磨性、直管段要求、设备维护及节能等方面,探讨了弯管流量计与孔板流量计的性能比较,为工业煤气测量计量设备的选型提供参考。
1.前言
冶金工业煤气中含有大量的粉尘、水、焦油和萘,测量计量冶金工业煤气的流量设备运行状况不好,是国内外测量计量领域中公认的难题。目前,对冶金工业煤气的测量计量,使用较多的是孔板流量计、质量流量计和涡节流量计。相比之下，孔板流量计相对稳定,使用也更为广泛。但是,孔板流量计在使用过程中因有大量杂质堆积,焦油和萘附着在孔板流量计的测量刀口上、导压管上,易造成堵塞及冻管现象。近年来,弯管流量计在冶金工业煤气计量中得到应用,取得了较好的使用效果。对八钢冶金工业煤气流量计量中使用孔板流量计和弯管流量计的状况进行分析,以供同行参考。
2工作原理
2.1弯管流量计的工作原理
弯管流量计是一种差压式流量计,其差压的产生是靠流体流经弯管时,由于弯管的约束和弯管管壁的导流作用,使流体在弯管内作近似于圓周运动产生惯性离心力,该离心力的大小与流体的流速、流体质量(密度)以及做圓周运动的曲率半径等因素有关。在弯管的内侧流速会逐步增大,而外侧流速却逐步减小,形成了各个过流面的近似梯形速度分布,这种梯形分布状态在弯管45°截面处达到极限状态。根据质量守恒定律、能量守恒定律和动量守恒定律,流体在管道中流动时,相同过流断面各元流质点的能量不变,各质点流速的变化形成了弯管内的外侧压差△P,进而方便地测量出管道内流体的流速和流量值。弯管截面流速分布示意图如图1所示。
2.2孔板流量计的工作原理
当气体流经管道内的节流件板片时,流体在节流件板片前后形成压差,致使气体在管道内的流速增加,静压力下降。气体的流量增大时,产生的压差值也随着增大,根据流动连续性方程(质量守恒定律)和伯努力方程(能量守恒定律),测量出节流件板片差压值的大小，计量出气体流量值。孔板流量计测量原理见图2。
流量方程为：
3.性能比较
在冶金工业煤气测量计量中,弯管流量计较孔板流量计具有许多优越性。
3.1节能效果好
弯管流量计因其独特的测量原理,没有其他流量计必须具备的节流件或插入件,最大限度地减低了因计量检测器具带来的流体在管道内的压力损失,减少了加压设备的投入和加压设备的电能消耗。由于孔板流量计是利用对流体节流装置施行节.流产生的差压来测量流体流量,流体在孔板上存在压力损失,因此使用时为了保证孔板流量计的测量精度,在选定孔板流量计的工作压差时都取高压差值。通常情况下，该节流压力损失(称为不可恢复压力损失)可达孔板运行流量下产生压差值的30%～70% (与孔板的β值有关)。孔板流量计压力损失等损耗量用见表1。
3.2设备使用状况较好
冶金工业煤气中，含有大量的粉尘、水、焦油和萘,使很多流量测量计量设备不能正常工作。弯管流量计的特殊结构和导压管上的三通阀可在正常工作状态下清除传感器的堵塞附着物,实用便利,在现场试用4年来从未发生堵塞现象。
3.3弯管流量计结构简单
弯管流量计的弯管传感器,是一个90的标准弯管,内部没有任何节流件和插入件,是测量元件中简单实用的测量件。随着机械加工业的快速发展和精度高数控机床用于机械加工业,弯管流量传感器的加工精度不断提高,质量越来越好。 弯管流量计的直管段要求前5D,后2D,孔板流量计的直管段要求前10D,后5D。弯管流量计的重复性好,可达0.2%。
3.4弯管流量计适应性强,量程范围宽
弯管流量计在高溫、高压、冲击、振动、潮湿、粉尘等恶劣环境条件下,优于孔板流量计,震动和冲击对弯管流量传感器的正常工作几乎没有影响,高温、高压对弯管流量计来说只要采用与工艺管道相同的材质,就可以解决。
弯管流量传感器的几何尺寸几乎没有限制,管径的大小从几十毫米到2n以上,只要弯管的弯径比符合规定要求,都可以做为传感器进行流量测量。
弯管流量计的设计特点最适合在高温、高压状态下(高温蒸汽、高溫水)的流量计量,可降低能源损耗,降低压力损失,提高供热效率。
弯管流量计的量程比可达10: 1,孔板流量计的量程比一般为35: 1.
3.5弯管流量传感器的耐磨性好
因弯管流量传感器的特殊结构,内部没有任何节流件和插入件,固弯管流量传感器几乎不存在磨损,是保证弯管流量计长期运行精度不变的重要条件。孔板流量计入口边缘尖锐度对磨损十分敏感,只要有微量的磨损,就会直接影响到测量精度,在气体的长期高度冲刷下,也会使孔板开孔直角入口的边缘很快钝化,使测量精度系统发生变化造成误差。
3.6弯管流量计安装方便,维护量小
弯管流量计具有良好的耐磨性,长期运行的稳定性和可在线进行清污等特点,可采用直接焊接的方法进行安装,避免了流量测量装置现场跑、冒、滴、漏,令人头痛的问题,降低了安装费用。
由于弯管流量计一次测量件长期运行无磨损件,大大降低了维护费用,几乎是免维护,一般可达到被测气体管道的使用寿命。
孔板流量计的插入件和节流件容易堵塞,附着脏物,影响测量正确率。为保证孔板流量计的测量精度,必须经常进行拆除检查清污,这样频繁的拆装、检查、清污维修,在连续作业的冶金企业难以做到,特别是对在较大管道上的孔板流量计就更难以做到,可见在工业煤气计量中具有多种不确定因素影响测量误差。
3.7弯管流量计不易冻管
孔板流量计的结构、工作原理达到的测量精度,节流件起到了决定性的作用。节流件对气体在管道的流动具有非常大的阻力,一般只能利用输气管道.截面的1/3,大量潮湿含水的气体在节流件截面上形成了大量的水珠,遇冷后结霜、结冻堵管。为解决煤气供应的冻管问题,必须给每套孔板加装保温伴.热装置,来保证新疆地区5个月的冬季运行。表2为孔板流量计运行费用。
弯管流量计由于特殊结构和安装的多样性(水平转水平,水平转垂直向下，垂直向下转水平,垂直直管,水平直管等安装方式,见图3),可以有效防止煤气计量中冻管的发生，节省热能源和运行费用。
4.应用对比
尽管孔板流量计在工业煤气测量计量中存在不少缺点,但是孔板流量计仍是测量计量行业使用广泛的一种流量计量装置,它已有100多年的历史,经过各国科学工作者潜心研究,第一个流量测量节流装置国际标准ISO5167在1980年颁布实施,经过多年的发展ISO5167在1993年、2003年分别进行了改版,使孔板流量计更具有完备的标准和规范,得到了计量管理部门检定许可。
弯管流量计在工业测量计量中的优势巴凸显,但也需要不断改进:(1)弯管流量计对低压低流速的流体不易测量; (2)弯管流量计只能在带有弯管的管道上安装,具有一定的局限性; (3)在 气体的测量时取压截面上的密度变化难以修定。
5.结束语
用于各类流量测量计量设备很多。实践证明,在选择测量计量器具的过程中,要高度关注被测量介质的多变性,工艺参数的正确率,使用环境的特殊性及整体系统考虑的科学性,并不是说流量测量计量设备的价格越高越好,也不是精度越高越好,关键是要达到被测介质数据真实所需。为此,工程技术人员在选择流量测量设备时要遵循合理、正确、综合系统的原则: (1)满足基本功能(2)避 免采用模拟信号传输的系统; (3)既要考虑未来的更新和发展,又要与原系统匹配; (4)根据需要确定精度等级、价格性能比, (5)既要考虑安装、维护的便利性,又要注重后期维护费用和可检定的可行性。
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