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旋進流量計在石化裝置中的應用
發布時間:2019-10-08

摘 要:旋進流量計是速度流量計的一種,基于漩渦進動原理。結合工程設計,針對幾種氣體和液體的流量計選型進行分析,分別研究了同一流量工況下不同流量計的適用性和優缺點,并得出下列結論:旋進流量計能夠滿足大部分所列出的流量工況,而且精度較高、量程范圍較大、安裝維護方便,但不適合低流速工況。
  在石化裝置的工藝生產過程中,流量是一個非常重要的過程參數和監控對象,流量的測量顯得尤為重要。隨著流量檢測技術的不斷發展,可供選擇的流量計很多。如何針對不同工況要求,選擇合適的流量計來滿足用戶對精度、維護量、可靠性、經濟性等要求。
  早期的旋進流量計在1967年由德國FISCHERPORTER公司發明。經過幾十年的技術發展,此種類流量計已經從簡單的、僅能測量氣體流量的單一功能,發展到可以應用于氣體、蒸汽和液體介質的流量測量,并且可以帶溫度、壓力自動補償,還可以進行流量累計計量[1]的多種功能。所輸出的信號可以為支持HART協議的通訊信號、支持RS485通訊協議信號等。旋進流量計具有精度高、可靠性好、壓力損失較小、對直管段要求短、安裝維護方便等優點,可以適用于較為廣泛的流量檢測場合。
1結構及工作原理
1.1流量計的結構
  旋進流量計本體由漩渦發生體(起旋器)、殼體、壓電傳感器和整流器組成,如圖1所示。
旋進流量計剖面結構如圖2所示。
旋進漩渦流量計結構圖
漩渦發生體(起旋器):螺旋狀葉片安裝在入口,用于產生漩渦流。
殼體:形狀類似于文丘里管,用于產生二次漩渦。壓電傳感器:用于檢測漩渦的振動頻率。振動頻率與流速成正比。
整流器:安裝在流量計出口,用于消除漩渦流,減少對下游的影響。
旋進漩渦流量計剖面結構圖
1.2工作原理[1-3]
  旋進流量計是速度流量計的一種,基于漩渦進動現象進行計量。流體進入漩渦發生體后產生劇烈的旋轉運動形成漩渦流。漩渦流加速,沿流動方向經縮徑段,流動強度增強。當漩渦流進入擴散段后,在導流體回流的作用下,該漩渦產生二次旋轉運動,即漩渦進動。二次漩渦進動的頻率與流體的流速成正比。因此漩渦的頻率可以反映此流體的流速和流量大小。如果測量設備內部采用最佳的設計,漩渦的頻率將在較寬的流量范圍內呈線性。壓電傳感器測到此頻率后,將信號傳輸到流量計傳感器進行下游處理。
漩渦進動頻率與介質流速成正比,與截流體幾何尺寸成反比。

式中
f——漩渦進動頻率;
St——斯特羅哈爾常數(通過實驗得到的無因次數);
v——流速;
d——截流體因數(由截流體幾何尺寸決定)。
以上公式可得出,測量出漩渦進動頻率可測得流體流速和瞬時流量。
圖3表示出斯特羅哈爾常數與雷諾Re的關系。曲線的線性區域對應的為旋進流量計的測量范圍。

雷諾數(Re)的計算:
Re=?ρ?/(2827×V×D)
式中
ρ——工作密度,kg/m3;
V——運動黏度,m2/s;
D——管徑,m。
2工程設計中的選型考慮
  工程設計中主要根據流量工況,按工藝要求(精度、測量范圍、壓力損失等),從適用性、可靠性、安裝方便、經濟性等方面考慮進行流量計的選型。本文列舉的旋進流量計為某進口品牌產品,并有多種場合的應用。
2.1適用性方面的考慮
(1)流體介質旋進流量計適用于氣體、蒸汽和液體介質。
(2)精度旋進流量計在最小雷諾數Remin和最大流量Qmax之間的線性范圍測量精度為≤±0.5%。
(3)流速旋進流量計在測量介質時,要考慮流速不能過低(具體以廠家計算為準)。
(4)流量計口徑市場上常見旋進流量計最大尺寸為DN400,最小為DN15。流量計口徑的選擇基于最大工作流量Qmax。建議最大工作流量應大于該口徑允許量程一半時的流量。可以選擇縮徑,但最大工作流量不要低于該口徑允許最大量程時流量的15%。
(5)材料的選擇
a.測量管材料通常為不銹鋼316/316L,HastelloyC。
b.內襯材料根據介質的腐蝕性、溫度等要求來選擇具體材料。
PTFE(-55~260℃)
石墨(-55~280℃)
Kalrez(-20~275℃)
2.2安裝和應用
(1)被測介質的流動方向需要與流量計上的指示方向一致。
(2)避免管路的機械振動(如有必要,安裝支架)。
(3)選擇符合環境條件的流量計。流量計周圍不能有強烈磁場干擾。
(4)輸送設備的振動頻率不得在流量計的測量頻率范圍以內。可以使用適當的阻尼裝置減弱活塞泵或壓縮機輸送過程中的交替(脈動)流量。
(5)閥門通常布置在流量計的下游。如果通過活塞泵或壓縮機輸送測量介質(液體)壓力10bar[145psi],當閥門閉合時,可能會產生液壓振動,這時閥門必須安裝在流量計上游,并且可能需要安裝合適的阻尼裝置(例如:空氣罐)。
(6)流量計在測量液體時要避免氣穴現象的產生。
(7)測量高溫介質時
流量計在測量>150℃的高溫介質時,傳感器的安裝必須是變送器朝向一側或朝下,或者采用分體式安裝。
(8)流量計傳感器帶保溫層時,考慮保溫層厚度,具體咨詢廠家。
2.3直管段要求
  流量計安裝直管段要求滿足與否,直接影響流量測量的穩定性和精度。旋進流量計進出口直管段要求見表1。從表1可知,其直管段要求并不高,這一優勢在舊裝置擴容改造的應用中尤為突出。

2.4多探頭的選擇
  基于旋進流量計的漩渦特點,并在其本體尺寸允許的條件下,旋進流量計可以采用多探頭的測量方式。這種選擇為用戶實現三取二流量聯鎖提供了經濟可行的實施方案。
3應用分析
  適用于氣體、蒸汽和液體介質測量的流量計有多種可選,在此選擇精度較好的4種流量計與旋進流量計做對比,主要針對測量范圍、精度和壓損是否符合工藝條件進行對比分析。所選流量計如下,均為在國內外石化裝置上有多年應用的國外產品。
旋進流量計(精度為液體±0.5%,氣體±5%)
(精度為液體±0.75%,氣體±0.9%)
渦街流量計科里奧利質量流量計(精度為液體±0.075%~0.1%,氣體±0.5%)
熱式質量流量計(精度為±0.5%,主要測氣體介質)
電磁流量計(精度±0.5%,主要測量導電類液體)
  以上渦街流量計的精度低于其他流量計,但是也屬于精度較好且常用的流量計。并且由于渦街流量計和旋進流量計的原理類似,在下列對比中渦街流量計的精度雖然不能達到本文所列的工藝條件,但可以對比渦街流量計和旋進流量計的測量范圍和壓損。
3.1氣體測量
(1)當測量介質為氫氣,工藝要求精度高時,不能低于±0.5%。市場上測量氣體精度較好的流量計有熱式質量流量計和科里奧利質量流量計(我們選擇測量氣體精度為±0.5%的產品),這里選擇這2種流量計與旋進流量計做對比。表2為工藝條件,表3~表5為3種流量計的選型后的量程范圍和壓力損失,通過表6對比流量計是否滿足工藝條件。



  通過以上對比,可知旋進流量計在流速大于一定值時,測量時的精度和流量范圍可以與科里奧利質量流量計和熱式質量流量計相媲美。但是在流速很小的情況下,旋進流量計與這兩種流量計相比則遜色很多。
  這3種流量計在價格方面,科里奧利質量流量計是旋進流量計價格的3~5倍。熱式質量流量計和科里奧利質量流量計針對不同工況下的應用選型,在價格方面各有優勢。
(2)測量介質為氣體(除氫氣外)時,在此選擇旋進流量計(精度為氣體±0.5%)、渦街流量計(精度為氣體±0.9%)和科里奧利質量流量計(精度為氣體±0.5%)做對比分析,以下主要對比3種流量計的測量范圍(3種流量計都為同一品牌產品)。表7為工藝條件,表8~表10為3種流量計的選型后的量程范圍和壓力損失,通過表11對比流量計是否滿足工藝條件。

  通過列表可以看出旋進流量計在測量氣體時,保證精度±0.5%的情況下,量程比較大,可以滿足1∶30的量程比。
3.2測量介質為液體
  測量液體時,選擇旋進流量計(精度為液體±0.5%)、渦街流量計(精度為液體±0.75%)、科里奧利質量流量計(精度為液體±0.1%)和電磁流量計(精度為液體±0.5%)進行對比分析。表12為工藝條件,表13~表16為3種流量計的選型后的量程范圍和壓力損失,通過表17的對比,可知流量計是否滿足工藝條件要求。



  通過以上比較,可知旋進流量計在測量液體時也有很大的優勢,量程比大,精度較高,還可以測量非導電類類液體。
在產品的價格方面,以渦街流量計的價格作為標準來衡量,科里奧利流量計(精度液體為±0.1%.氣體±0.5%)是渦街的3~5倍左右,旋進流量計是渦街流量計的1.3~1.7倍左右,電磁流量計是渦街流量計的0.8~1倍左右(以上4種流量計價格均以同一廠家產品的價格作為基礎)。
4結束語
  旋進流量計精度(±0.5%)較高,可以滿足大多數應用場合的測量要求;可達1:30的量程比,滿足寬測量范圍的應用;直管段要求不高,在工藝裝置配管緊湊的場合,應用優勢明顯。尤其在可實現多探頭傳感器應用方面,為安全儀表系統流量測量子系統的可靠性/可用性冗余架構設計提供了一種便利的實施方案,具有較為突出的優勢。

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