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渦街流量計

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渦街流量計测量热解气的选型设计

來源:作者:劉昇雲發表時間:2019-04-04

 摘要 渦街流量計因其仪表系数与流体特性无关、精度高、宽量程比和低压损等优点,在化工领域的应用越来越广。以热解分级炼制新工艺对煤及液化残渣进行炼制利用中的产品之一热解气为例,介绍渦街流量計的选型设计。

 
            我国低阶煤资源储藏丰富,占可采储量 40%以上。然而它的高效利用一直是业内努力攻克的难题。低 阶 煤 含 水 量 高, 热 值 低, 机 械 强 度低,化学稳定性差。为此,北京低碳清洁能源研究所承担国家高技术研究发展计划项目课题 “煤分级炼制清洁燃料关键技术研究”,采用热解分级炼制新工艺对煤及液化残渣进行炼制利用,在温和的条件下对原料进行加工处理,分步骤地将其中有用的成分充分提取出来,得到的产品之一为热解气,去除焦油后的热解气组成见表 1,本工程中采用渦街流量計对其进行测量。
热解气组成
1 渦街流量計概述
            渦街流量計是 20 世纪 70 年代发展起来的一种新型流量仪表,80 年代制定了渦街流量計专业标准 ( ZBN 12008 - 1989) 和 检 测 规 程 ( JJG 620 -1989) 。渦街流量計目前已发展成为主流流量仪表之一,因其有诸多优点,吸引了国内外众多研究者和企业的关注。研究者从多方面对其进行深入的研究: ① 旋涡发生体的研究[1,2]; ② 压电传感器探头位置的研究[3]; ③ 数字信号处理方法的研究[4]; ④涡街信号检测方法的研究[5]; ⑤ 数值仿真方法的研究[6]。
 
在众多流量计中,渦街流量計的安装、运行、维护费低于节流式、容积式等,购置费低于容积式、质量式等,是一种实用性和经济性都较好的流量计,受到用户广泛欢迎。该流量计优点如下:
( 1) 在一定雷诺数 Re 范围内 ( 2 × 104 ~ 2 ×106) ,输出频率信号不受流体物性 ( 密度、粘度)和组分变化影响,即仪表系数仅与旋涡发生体的形状尺寸及管道的形状尺寸有关,可以在一种典型介质中校验而适用于各种介质。
( 2) 精确度较高 ( 与差压式、浮子式流量计比较) 。
( 3) 量程比可达 10 ∶1 或 20 ∶1,目前已有厂家在研制适用于气体测量能达到 80 ∶1 的渦街流量計。
( 4 ) 压 损 小 ( 约为孔板流量计的 25% ~50%) ,大幅度降低能耗。
( 5) 结构简单牢固,安装维护方便。
( 6) 使用范围广,可测量液体、气体、蒸汽和部分混相流体。
 
2 渦街流量計的参数计算
2. 1 工作状态和标准状态下的体积流量换算
渦街流量計的输出信号是与工作状态的体积流量成正比例,气体的体积流量受温度、压力影响较大,在流量计选型时,若提供的流量是标准状态下的体积流量或质量流量,应把它换算成工作状态下的体积流量。
qV = qn PnTZ/P TnZn ( ) ( 1)
式中,qV、qn分别为工作状态和标准状态下的体积流量,m3 /h; P、Pn分别为工作状态和标准状态下的绝对压力,Pa; T、Tn分别为工作状态和标准状态下的热力学温度,K。
 
2. 2 雷诺数、压力损失和背压的计算
            在渦街流量計选择流量计通径时,主要是对流量下限值进行核算雷诺数,最小雷诺数不应低于下限雷诺数,即雷诺数 Re≥2×104。在测量介质为液态时,还应检查最小工作压力是否高于工作温度下的饱和蒸汽压,即是否产生气穴现象。
( 1) 雷诺数 Re 是一个表针流体惯性力与粘性力之比的无量纲量:
20190404102310.jpg
式 中,Q 为 体 积 流 量,m3 /h; D 为 流 量 计 内径,mm; v 为运动粘度,m2 /s。
 
( 2) 压力损失: 选择流量计时,通常可能会对流量计的通径进行适当缩小,以取得较大的流速和合适的流量量程。但是如果缩径过于严重,可能会导致较大的压力损失,能 耗 会 增加,因此在选择流量计的通径时,也需要适当考虑压力损失,尽可能减小压力损失。压力损失△P计算:
△P= 1. 1×10-5ρ·V2 ( 3)
式 中,△P 为 压 力 损 失,kg /m2; ρ 为 流 体 密度,kg /m3; V 为流速,m /s。
( 3) 背压: 测量液体的流量时,要确认工艺管道的压力对于较小的公称通径而言有足够大的背压,避免气穴产生。流量计下游的管道压力应满足:
P≥2. 7△P+1. 3 P0 ( 4)
式中,P 为流量计下游 3. 5 ~ 7. 5D 的最小管道压力,kg /cm2 ( A ) ; P0 为液体的饱和蒸汽压,kg /cm2。
 
( 4) 根据工艺要求及现场安装环境选择耐压、耐温等级、防护等级、防爆等级、输出信号等。
 
3 测量热解气的渦街流量計的选型设计
            热解气的组分如表 1 所述,其工艺参数: 操作密度 0. 63kg /m3,运动粘度 2×10-5 m2 /s,操作温度48. 9℃,操作压力 7. 5kPa,管道 DN80,最小流量50Nm3 /h, 正 常 流 量 100Nm3 /h, 最 大 流 量150Nm3 /h,仪表测量范围选择 0~180 Nm3 /h。因为本装置为试验装置,在装置运行的过程中,业主可能会根据需要适当调整参数,因此选择量程比宽一些的流量计会有助于调整后的测量;另外热解气作为产品之一,其流量是验证工艺与关键设备的工程可行性、优化工艺参数的关键参数之一,因此使用精度高一些的流量计也是有必要的; 热解气的组分随着参数的调整也可能会发生变化,因此基于伯努利方程原理的,如孔板、喷嘴、阿牛巴、德尔塔巴、平衡式等都不能很好的测量,因为这类流量计受流体物性 ( 密度、粘度) 和组分变化影响,且最终的热解气产品或多或少都有焦油的存在,时间长了可能堵塞流量计。楔式流量 计 带 自 清 洁 的 功 能,如果采用法兰取压,变送器采用隔膜密封式变送器,其受焦油的影响较小,楔式流量计的计算结果分别见图 1 和图 2。
楔式流量计计算结果
            当 H /D 比 为 0. 2 时, 其压力损失达到4kPa,已经大于操作压力的一半,此种方案不可取,当 H /D 比 为 0. 3 时, 其 压 力 损 失 为1. 09kPa,可以接 受,但最小流量时的差压只有0. 11kPa,甚至正常流量时的差 压也只有0. 45kPa,由于采用的是隔膜密封式变送器,此时的精度无法保证; 另一类是基于线性连续方程原理的,如渦街流量計、质量流量计等,考虑到本装置为一个实验装置,质量流量计价格昂贵,因此综合考虑介质和装置的特殊性、压损、精度和费用等因素,本工程中选用渦街流量計测量热解气的流量。
 
由式 ( 1) 可得最小流量对应的工作状态下的体积流量:
20190404102425.jpg
由式 ( 2) 可得流量计口径为 DN80 时 的 雷诺数:
20190404102545.jpg
因此需适当缩小流量计尺寸,缩小至 DN50 时的雷诺数:
20190404102559.jpg
流量计缩小至 DN40 时的雷诺数:
20190404102616.jpg
由上述计算结果可知,当流量计缩径至 DN40时,雷诺数即可满足要求。
按式 ( 3) 可以核算下 DN50 和 DN40 口径下的最大压损:
 
DN50 时:
△P= 1. 1×10-5×0. 63×262 = 4. 7×10-3kg /m2 = 0. 46 kPa
DN40 时:
△P= 1. 1×10-5×0. 63×402 = 11. 1×10-3kg /m2 = 1. 09 kPa
 
利用横河公司计 算 软 件 计 算 出 来 的 结 果 见图 3。
流量计口径核算
            从图 3 可见,出流量计口径为 DN80 时,最小流量无法测量; 流量计口径缩径至 DN50 时,最小流量 可 测 ( 此时流体的雷 诺数非常接近 2 ×104) ,但此时的测量精度稍微差些; 流量计口径缩径至 DN40 时,最小流量可测,且精度也能得到保证。用上述公式计算的压损与软件计算出来的也基本一致,差别来自计算时流速及流量计口径均采 用 的 是 估 算 值。如果流量计缩径至 DN25时,流量计的压损已经达到 7. 6kPa,压 损 较大,无法满足工艺要求。因此选择 DN40 口径的流量计能满足要求。对于 DN50 口径的方案,如果流量大于 54Nm3 /h 时,流量计的精度为此款流量计的 最 佳 精 度, 为 1. 0%, 当 流 量 为 50 Nm3 /h时,此 时 流 量 可 测,只是精度稍差些, 约 为1. 81%,但流量计的压损会小很多,从节能降耗方面考虑,选择 DN50 口径的流量计也是可以的。综上,选择 DN40 和 DN50 口径的渦街流量計都能满足要求。
 
            操作温度为 48. 9℃,没有特殊性,选择普通的渦街流量計即可; 根据现场情况,流量计为露天安装,防护等级选择 IP65 即可; 根据 《爆炸危险环境电力装置设计规范》GB 50058-2014,本装置中各介质所在组别属于危险物料,见表 2。因此仪表的防爆标志选择 ExiaⅡCT4 Gb 即能满足要求。根据项目统一要求输出信号选择为 4~20mA+HART。
 
            至此,渦街流量計的选型已完成,但考虑到热解气中焦油的存在,选择渦街流量計时,需要注意: ① 不能选用因为技术需要而在渦街流量計中设计了小孔结构的流量计,因为焦油有可能堵塞这些孔,从而失去其原有的作用; ② 焦油有可能附着在旋涡发生体上,从而改变其结构,影响测量精度,因此需要采用带防粘附作用的发生体,另外考虑到热解气中焦油的含量较小,且由于旋涡的存在,其有剥离附着在发生体上的焦油的作用,因此认为其对测量精度的影响比较小。
 
4 结语
            目前项目已经开车成功,渦街流量計现场使用效果特别好,在整个实验的过程中,都能很精确地测出热解气的流量,深受业主好评。现场的使用结 果 表 明,在发生体带防粘附作用的情况下,低含量的焦油对流量计的测量精度影响不大。目前化工厂常用的流量计节流装置 ( 孔板等) ,其受流体物性影响大,量程比一般只有 3: 1,且容易出现堵塞,直管段要求甚至高达 50 倍管径,另外导压系统还容易出现泄漏。渦街流量計因其仪表系数与流体特性无关 ( 气液通用) 、精度高、宽量程比和低压损等优点,是节流装置的理想替代品,但只有正确设计、正确选型以及正确安装的条件下才能发挥其应有的作用。