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一種新式差壓流量計的設計與應用

來源: 海洋石油工程股份有限公司 作者:趙笑寒,王乃民,劉 東 發布日期:2020-04-28

       摘要:該文分析了影響蒸汽流量準確計量的主要因素,介紹了傳統的蒸汽流量計如孔板流量計和渦街流量計的使用局限性,詳細介紹了一種基于皮托管原理的新式差壓式流量計的設計原理、結構特點及其標定方法,通過實例給出了典型蒸汽工況下選擇流量計的考慮因素,以及應用這種新式差壓式流量計的選型和計算過程。

 
引言
       目前世界能源日益枯竭,節能降耗已成為能源利用的一致訴求。對在能源領域占有重大比重的蒸氣進行準確計量,對于促進節能降耗、提高產品質量和企業能源管理水平起著關鍵的作用。蒸汽是一種特殊的汽液兩相流動的介質,它隨著溫度和壓力的變化,性質會發生變化。由鍋爐產生的蒸汽是飽和濕蒸汽,其蒸發速度等于冷凝速度,是工業上較好的熱源。蒸汽不同于其他流體如水、空氣等介質,其流量測量難度較大,在實際測量中影響其精確測量的因素較多,因此經常會出現流量計本身檢定合格,而實際卻感覺計量“不準”的現象。影響蒸汽流量準確計量的因素主要有以下3方面:一是實際蒸汽流量低于流量計的可精確計量的非常小流量,即量程比不足引起的小流量時測量不準;二是流量計上下游安裝的直管段不足,存在流動擾動;三是蒸汽的密度補償不正確,蒸汽的溫度和壓力的變化會引起密度的變化[1]。
 
1蒸汽測量儀表的選擇
 
       目前蒸汽流量測量大部分采用速度式測量方式,測量得到的是體積流量,若要得到質量流量,必須由積算儀進行實時的換算。測量蒸汽流量的一次儀表的選擇主要集中在孔板流量計和渦街流量計上,但這2種流量計在測量蒸汽工況時,都存在一定的局限性,選型使用時需要考慮其影響。
 
1.1孔板流量計
       孔板流量計是一種差壓式流量計,其通過在管道中插入一塊開有小孔的節流元件來限制流動,流體流經一個收縮截面,產生一定的壓差。為了測量流體流動時產生的壓差,在孔板的上下游開有壓力感應孔,壓力感應孔與二次儀表(差壓變送器)相連。孔板流量計測得的質量流量與差壓的關系用式(1)來確定:
質量流量與差壓的關系用式
       式中:qm為質量流量(kg/s);C為流出系數;β為直徑比,β=d/D;D為管道內徑(m);ε為可膨脹系數;d為工作條件下節流件的開孔直徑(m);Δp為差壓(Pa);ρ1為節流件正端取壓口平面上的流體密度(kg/m3)。
 
       式(1)中,β為常數,流量示值與ρ1密切相關,而蒸汽工況的變化,必然使ρ1產生相應的變化,因此對差壓進行測量的同時,必須對密度進行補償。飽和蒸汽的密度變化與其壓力或溫度成正比關系,在實際應用系統中,常用測量點附近的流體溫度、壓力,經查表和計算后求得相應的密度,與差壓變送器產生的信號一起輸出至積算儀,以求得瞬時質量流量。
 
孔板流量計結構簡單,能適用于各種均勻的、單一狀態的氣體、液體或蒸汽,且適用溫度區域廣。但其缺點也較為明顯,一是測量范圍窄(量程比僅為1∶3~1∶5),在小流量條件下容易計量不準,主要原因是引壓管線較長,很容易產生幾十帕的差壓疊加到孔板產生的差壓,導致非常終測量數據失真;二是壓力損失大(根據經驗,通常為0.5倍差壓),輸出能耗效率較低;三是安裝長度要求較高,為了保證精度,必須保證上下游至少有10D和5D的直管段。另外,當測量蒸汽流量時,由于水錘的作用,孔板可能會變形,會堵塞管道,影響測量精度,因此需要經常維護和檢定[3]。
 
1.2渦街流量計
 
       渦街流量計(旋渦流量計)是根據卡門(Karman)渦街原理生產的體積流量計,即流體雷諾數在一定范圍內,其輸出只與體積流量成反比。其特點是壓力損失小(只有孔板流量計的1/5),量程范圍大(量程比可達1∶20),精度高,在測量工況體積流量時幾乎不受流體密度、壓力、溫度、黏度等參數的影響。由于測量部分無可動部件,其工作可靠高,壽命長,維護量少。盡管渦街流量計克服了壓損大和量程比小的影響,但在測量蒸汽流量時仍有一定局限性,一是其在流速較低時,不產生旋渦,流量計讀數偏低甚至為零,計量會不準;二是由于是采用渦街發生(自激振蕩)原理進行測量,對周圍環境振動較為敏感,振動會引起誤差;三是安裝條件較苛刻,上游需要至少15D的直管段。另外,以目前的材料技術和生產水平,所測量流體的溫度不宜高于400℃,一般選擇在300℃以下較為合適。
 
2基于皮托管原理的新式差壓流量計
2.1皮托管流量測量原理
       皮托管插入式流量計屬于點流速計型插入式流量計,其基本結構如圖1所示,是根據插于管道中的測量頭所測流速,依據管道內的流速分布與傳感器的幾何尺寸等計算出管道內的流量。一次原件直接提取管道內流體中心流速,再換算成流體體積流量與質量流量的差壓式流量計。
皮托管基本結構
       皮托管是由2根同心圓管組成,內管前端敞開,外管前端封閉,但管側壁在距前端一定距離處開有一些小孔[4]。將傳感器插入管道中心,迎面測壓孔測量的是總壓,與總壓管相連通,引出總壓信號,背面測壓孔測量的是靜壓,與靜壓管相通,引出靜壓信號,2個壓力信號分別與差壓變送器“+”“-”端相通,傳感器探頭產生的差壓信號,由差壓變送器進行測量,然后進入流量積算儀或DCS系統進行處理,得到流量信號。和孔板流量計一樣,對于密度受溫壓變化的蒸汽流體,還要進行溫度、壓力修正補償,將溫度與壓力信號、差壓信號及流量系數等一同輸入智能積算儀中進行運算后,顯示相關數據。流量計算的基本公式為[5]:
流量 計算的基本公式
       式中:qv為流體的體積流量(m3/s);vp為介質在管道內各點流速的平均值(m/s);S為管道內的橫截面積(m2);k為流量計的修正系數。對于點流速計式插入式流量計,流量系數k是決定儀表計量精度的關鍵參數。它是指通過節流裝置的實際流量值與理論流量值之比,將它應用到理論流量方程中以獲得實際的流量。對于皮托管式差壓流量計,該值的計算式是以大量實驗所確定的數值為依據,與傳感器探頭的速度分布系數和風洞系數有關,并以標準的形式給出。
 
2.2新式差壓式流量計的設計
2.2.1傳感器防堵塞
       新式差壓式流量計對傳統的皮托管測量頭進行了改進,探頭部分采用開放式的取壓孔結構,V字型的斜面能夠有效的防堵,流量計從管道上部垂直向下安裝,流體流動時在總壓孔前部形成高壓區,撞擊在取壓孔上的固體塵粒受自身重力作用自然下落,從原理上解決了傳感器堵塞的問題,能長時間保持測量精度。新式差壓式流量計探頭形式如圖2所示。
新式差壓式流量計探頭形式
2.2.2測量精度高
       由于新式差壓式流量計的傳感器測出的是管道中心點的介質流速,不能直接作為平均流速進行流量計算,必須依據專用數據庫進行修正。該數據庫通過對不同管道狀態下的流速分布建成無數實驗模型,其中包括各種介質、壓力、溫度下的補償,以及管道直管段不足情況下的實驗修正值,從而確保測量數據準確。
 
2.2.3壓力損失小
       傳感器探頭截面積很小,幾乎無壓力損失,運行成本大大減少,與孔板流量計相比,具有明顯的節能效果。該新式差壓式流量計可以逐臺設計校驗,壓力損失僅為0.03倍差壓,在相同的差壓下,經過計算,該流量計與孔板流量計的能耗比約為1∶16。
2.2.4安裝方便
       安裝時只需在管道合適的位置(直管段來流方向70%處),開一個適當的孔,把傳感器的頭部插到管道中心即可,對有些工況還可實現帶壓在線安裝。由于傳感器屬于差壓式測量原理,本身無需維護,只需按計量器具定期檢定要求,對差壓變送器進行零點和滿度校驗,以及二次表輸入相應的電流進行檢驗即可。
2.2.5直管段要求短
       不同于孔板流量計和渦街流量計對安裝條件的嚴苛性,該新式差壓式流量計僅需要非常短前直管段3D。若不滿足此條件,也可根據現場管段長度進行現場實標,保證測量的準確度。
 
2.3系統構成
       新式差壓式流量計測量蒸汽流量的系統構成如圖3所示。
新式差壓式流量計測量蒸汽流量的系統構成
       1)傳感器的總、靜壓接口處各安裝一個截止閥,安裝此閥的目的是為了在必要時,隔離傳感器和差壓變送器等儀表,可以在線維修校驗。
       2)該新式差壓式流量計與其他差壓式流量計相比,其突出特點在于其中的“一體化冷凝罐”。冷凝罐的作用是使導壓管內被測量的蒸汽冷凝成水,并充滿導壓管內,使高溫蒸汽與變送器隔離,達到保護變送器的目的。2個冷凝罐亦須處于同一水平上,使正、負導壓管中冷凝液面有相等高度及保持長期穩定,保證測量精度。
       3)在差壓變送器前安裝一個三閥組,用于保護差壓變送器,并起到使總、靜壓平衡,達到調零的功能。
 
2.4流量計的標定
       流量計的標定技術和設備是保證流量計計量準確的重要環節。根據JJG518《皮托管檢定規程》,風洞試驗是對皮托管流量計流體測量校驗的非常有效手段,標準皮托管安裝在風洞工作段的一側,被檢皮托管安裝在另一側。標準皮托管和被檢皮托管的總壓孔應處于風洞工作段同一截面上,且必須對準氣流來向。
 
       針對上述新式差壓式流量計,設計了流量計專用閉口直流式風洞設備,如圖4所示,對流量計各項性能指標進行檢測。需校驗的傳感器放入風洞中,設定不同的風速(范圍0~100m/s),將流量計的設計流量與風洞的標準流量進行校驗對比,根據取得的數據對流量計進行修正,進一步提高流量計質量,保證流量計精準。
新式差壓式流量計專用風洞試驗裝置
3應用實例
       某海上熱采平臺3英寸(D=0.08m)蒸汽管道設計溫度400℃,設計壓力19.5MPa,流量范圍為qm=10~18t/h,介質黏度v=0.06cP,允許壓力損失10kPa。工況溫度為357℃,工況壓力為18.1MPa,查表得工況下蒸汽密度為90.94kg/m3。經研究和初步計算,孔板流量計壓損較大,約為50kPa,不滿足上述壓損要求;渦街流量計不適用于400℃高溫。因此,擬選擇皮托管式新式差壓式流量計,下面將根據工況和流量范圍進行差壓變送器的選擇和壓力損失的驗證。
差壓變送器 的選擇和壓力損失的驗證
 
       該流量計采用風洞標定裝置,其流量系數根據雷諾數、速度分布系數α=0.858和風洞系數γ=0.85確定。流量系數K=α×γ=0.858×0.85=0.729。非常大流量中心流速:
0200428110442.jpg
 
       選擇羅斯蒙特3051DP2A系列差壓變送器,量程為-62.2~62.2kPa。4結論該文介紹的新式差壓式流量計較好地克服了傳統的孔板流量計和渦街流量計測量蒸汽時的壓力損失大、量程比小和溫度適用范圍窄等缺點。該系統結構的組成和嚴格的標定流程進一步提高了測量精度,是既達到工藝要求,又具有高可靠性、低造價的蒸汽流量計量系統。選用合適的蒸汽測量儀表不僅能節約能源,還從根本上提高了企業的經濟效益。
 

 

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