[摘要]涡街流量计是一种重要的速度型流量计,由于测量不受介质物性参数的影响,输出信号与流量成正比,目前工业管道流体主流的流量测量装置是涡街流量计,其具有测量精度高、结构简单、安装维护方便等优势。本文从阐述涡街流量计的测量原理着手,分析涡街流量计的优缺点,提出合理的适用范围和安装基本要求,以及在DMF回收装置的应用,提供一定的实践参考价值。
1引言
随着化工行业智能化水平和要求的不断提高,流量监测的重要性更加明显,为了有效的控制和监测生产过程,需要检测生产过程中各种流体的流量,便于管理和控制工艺参数。同时各车间对物料的转运需要正确的计量,以作为经济核算的依据,各种类型流量计层出不穷,亟需测量精度高,适用范围广:,仪表参数长期稳定,维修方便的流量计,因此需要选择合适的流量计,在实际生产中是至关重要。
涡街流量计在化工行业应用相当广泛,由于设备内没有可动机械零件,降低了维护成本和人力成本,提高了整体可靠性。无论国内外皆已开发出多品种,实际应用中涡街流量计也存在一-些问题,大部分都是安装和选型问题,亟需探索解决。
DMF(NN二甲基甲酰胺)是一种无色透明有机溶剂,化学式为C3HNO,主要应用于化工行业,车间回收量较大且难度高,一般采用连续精馏方式回收,需要在回收处理.上选择合适的流量计进行正确计量和控制以。结合我们公司在回收DMF项目的应用案例,发现流量计选型的一些问题,提出采用涡街流量计来计量的整改方案,并得到了很好的应用。
本文针对涡街流量计的特点,从工作原理、仪表结构和一些实际安装问题探讨,同时结合在DMF回收装置中的应用等方面,论述该流量计的技术特点和应用范围。
2工作原理
涡街流量计是基于卡曼涡街原理进行测量,在均匀流体中,垂直设置阻流体,在一定流速范围内,从阻流体两侧交替地释放方向相反的旋涡,这种不对称漩涡称为卡曼涡街向,如图1所示。
通过检测元件检出漩涡频率后,可以推导出流体的流量,设被测介质的平均速度为v,漩涡的发生频率为f,阻流体迎面宽度为d,根据卡曼涡街原理,发生频率和流体速度成正比，如下式:
f=SrV/d??????(1)
式中:
V一阻流体两侧平均流速,m/s;
Sr一斯特劳哈尔数;
d一阻流体的宽度,m。
斯特劳哈尔数Sr为无量纲参数,它与阻流体的形状及雷诺数有关,实验数据得知,在Re=2x104-~7x106范围内,Sr基.本保持不变,可视为常数。由.上式(1)可见,漩涡频率f不受流体物性和组分变化的影响。
设管道内体积流量为qr .
qv=πD2V/4=πD2?df/4Sr?????(2)
K=f/qv=[πD2?d/4Sr]-1?????(3)
式中:
K一流量计的仪表,系数,m³。
K除与阻流体、管道的几何尺寸有关外,还与斯特劳哈尔数Sr有关。由.上式(3)可见,流量qv和漩涡频率f成正比关系,输出信号与流量成正比,不受流体的温度、压力、粘度和密度.的影响,通过传感器检测前后压降和频率f,将信号送入放大器,再由通过整形得到电信号输出,就可以测出qv。
3仪表结构
涡街流量计在化工行业应用比较广泛,主流的涡街流量计由壳体、传感器和转换器三部分组成,如图2所示。.
传感器包括漩涡发生体(阻流体)、检测元件和仪表表体等,转换器包括前置放大器、滤波整形电路、D/A转换电路、输出接口电路、端子、支架和防护罩等。
根据卡曼涡街工作原理,通过漩涡发生体产生漩涡,传感器测量漩涡频率,主要采用压力传感器进行测量,通过检测信号,再通过放大器,信号显示并远程传输至DCS系统,就可以计算出流体的流速及流量,整个测量过程可靠程度高。
4优点和局限性
4.1优点
(1)涡街流量计结构简单牢固,一体化安装无可动机械零件,安装方便,水平或垂直安装均可,维修费用低;
(2)信号输出与实际体积流量成正比,测量几乎不受流体参数(温度、压力、密度和粘度等)变化影响;
(3)精度较高(±0.5 %~±1 %),测量范围宽(10: 1),?压力损失小;
(4)仪表系数和管道形状尺寸有关,传感器不接触介质,校验后可以适用各种流体。
4.2局限性
(1)不适用于低雷诺数测量(ReD=2x104),故在高粘度、低密度、低流速、小口径情况下应用受到限制。
(2)对 管道机械振动较敏感,抗振能力差,不宜用于强振动场所,需要增加防振措施。
(3)当介质为粘附流体时,检测元件易受流体中的污物及颗粒的影响。
(4)热敏测量元件适用温度低于200℃,标准型压力等级低于6.4 MPa.
5流体适用范围
涡街流量计对于大多数流体都是适用的,针对一些特殊的流体,需要考虑流体的特性对流量计的干扰及影响,下面根据不同流体的适用范围进行描述:
5.1低雷诺流体
涡街流量计不适用于测量低雷诺数(Re≤2x104的流体。流体处于低雷诺数时,斯特劳哈尔数Sr随着雷诺数而变,仪表线性度变差,流体粘度高会显著影响甚至阻碍旋涡的产生,选型的一个适用条件是在使用于临界限雷诺数之上。
5.2含固体微粒流体
虽然适用的流体比较广泛,但对于含固体微粒的流体要注意。固体微粒对漩涡发生体冲刷会产生无关的噪声,从而磨损漩涡发生体,可在上游安装过滤器或对仪表定期校验。
5.3气液两相流体
对于含分散、均匀的微小气泡,但容积含气率应小于7 %的气、液两相流,若超出2 %就应对仪表系数进行修正。对于含分散、均匀的固体微粒,固体含量小于2 %的气固、液固两相流;对于互不溶解的液液(如油和水)两组分流等,流速需要保证>0.5 m/s。
5.4 易结垢流体
对于易结垢的流体,污垢会附着漩涡发生体表面,影响其形状和尺寸,从而使仪表系数发生变化,需要定期清洗污垢:采用取压孔或插入式检测元件感应漩涡,.-旦介质杂质嵌入缝隙,对信号造成干扰和不稳定,影响其测量精度。
5.5气体或者蒸汽
在测量气体或者蒸汽时,一定要考虑温度和压力补偿问题,将工况下的流量转换成质量流量或标况体积流量,--般补偿由DCS控制系统通过专用补偿功能模块实现。
6安装要求
6.1 安装方式
涡街流量计分为法兰式、夹持式和插入式,优先选择法兰式,其余两者类型精度受安装影响较大口,正确的选择安装方式非常重要,即使设计和选型都很完美,若安装不合理,同样会影响测量精度,甚至影响传感器的使用寿命,因此合理的选型和选择合适仪表运行的最佳环境是至关重要的。
涡街流量计在管道上可以水平、垂直或倾斜安装,但测量混相流体时,测量精度得不到保障,需保证测量流体充满管道,避免产生混相流,根据混相流体的特点,选择合适的安装方式,具体的安装方式如图3所示。
涡街流量计必须在稳定的流束场内,有一.定的直管段要求,直管的长度会影响精度,必须保证上、下游直管段有一定的长度,通常是.上游直管段>10D,下游直管段> 5D,还要结合现场安装情况进行调整,如果_上游有弯头或者阀门,直管段相应的需要加长,具体的安装要求如图4所示。
管道振动是工业生产中的普遍现象,如泵产生的流体压力脉冲,大幅度的开关阀门引起的负荷突变等,由于所形成的振动干扰对检测是不利的,严重时会影响仪表使用寿命,因此采用有效的减振措施非常重要回。
涡街流量计对振动很敏感,振幅通常是<3%,目前一些涡街流量计采用质量平衡传感系统和自适应数字信号处理技术(ADSP),提供极佳的抗振性能,但是不能从根本解决消除振动0。为了避免管道振动,在仪表传感器上下游2D管道处设置管道支撑紧固或固定架,并设置防振支座和防振垫。
在项目施工安装过程中,涡街流量计应该在管道清洗及吹扫后再安装,对于连续生产的管线建议安装旁路,开车时物料走旁路运行一段时间,待介质干净后再开表,防止管道内焊渣等异物对传感器造成损坏。对于需要调节的管道,调节阀一般安装在流量计后方,避免出现射流的情况;对于高温管道,传感器要垂直向下安装。只要合理的掌握了涡街流量计的安装方式,对测量的准确性会得到很大的提高。
6.2故障及维护
涡街流量计是-种免维护仪表,可长期稳定可靠运行,实际应用中很多问题来自安装方式不合理,针对产生不同现象分析原因,在项目建设和生产过程中,还会遇到更多的问题,需要慢慢发掘后分析原因并找到解决方案,现列举目前涡街流量计在安装及运行过程中常见的一些问题及其处理方法,如表1所示。
7应用案例
DMF是一种常见的溶剂,在化工应用比较多,而且回收量也比较大,一般采用精馏连续回收方式,要求控制进出料和回流量,这样对流量计选型有一-定要求,在DMF回收项目中,DMF采用精馏方式回收,其中对设计量需要正确的计量和控制,由于项目前期没有选择合适的流量计,导致精馏塔运行过程中不稳定,后来停车排查分析原因,找到问题是部分流量计的选型不合理。
DMF回收工艺过程为: DMF原料进入脱水塔,塔顶脱除.水分,塔釜采出水分合格的DMF至DMF精制塔,DMF精制塔塔顶采出合格的DMF,塔釜排出少量废液去处理,工艺流程见图5。
DMF回收项目运行一段时间后,部分流量计显示不正常,波动性比较大,针对存在的问题对流量计进行改造更换,最终将部分流量计换成涡街流量计,DCS可以正常显示,流量测量曲线更稳定,波动性更小,生产可以正常稳定运行,涡街流量计在该DMF回收项目中发挥其重要作用,项目如期正常运转,主要的改进点分析如下。
脱水塔釜采出流量计(F103)之前采用转子流量计,由于转子流量计测量的波动性比较大,而且浮子经常容易卡死,测量误差偏大,使用效果不佳,经过改造后换成涡街流量计后,流量显示更稳定可靠。
DMF精制塔回流流量计(F104)输送介质的主要成分是DMF,之前采用电磁流量计一直显示不正常,一直没找到原因,后来取样测电导率<5 us/cm,?没有达到电磁流量计电导率最低要求指标,后来换成涡街流量计后,流量可以正常显示。
DMF精制塔塔釜流量计(F105)之前采用涡轮流量计,由于内部采用叶轮机械零件,随着使用时间长,涡轮叶片经常会卡死,流量显示不正常,需要经常拆下维修清理,改造后换成涡街流量计,设备运行稳定,故障率比较低。
整个DMF回收车间经过改造后,采用涡街流量计替代了部分流量计,更新后的DMF回收工艺流程的PFD图如图6所示。
通过上述项目案例分析,可以判断不同类型的流量计适用于不同的场合,要根据流体特性来选择合适的流量计。在DMF回收工艺中,涡街流量计发挥其卓越的性能,完全契合该流体特性,正确的控制工艺参数。只要对流量计的性能和特点全面掌握,在实际生产中才能应对自如并解决问题。
8结束语
在众多的流量计中,涡街流量计是-.种经济实用的流量计,可在很宽的流量范围内测量流体。基本性能处于中等偏上水平,购置费低于电磁式、质量式、容积式等,而安装、长期处于复杂的环境中,应充分分析导致其腐蚀的原因采取合理有效的防腐措施来减少腐蚀的程度,进而延长其使用寿命,提高电力系统运行的安全性,在提出表面防腐措施的同时考虑节能技术以及材料的经济性进行实施方案,对于燃煤电厂电力系统本身更具普遍价值。
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