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          一种新式差压流量计的设计与应用

          来源: 海洋石油工程股份有限公司 作者:赵笑寒,王乃民,刘 东 发布日期:2020-04-28

                 摘要:该文分析了影响蒸汽流量准确计量的主要因素,介绍了传统的蒸汽流量计如孔板流量计和涡街流量计的使用局限性,详细介绍了一种基于皮托管原理的新式差压式流量计的设计原理、结构特点及其标定方法,通过实例给出了典型蒸汽工况下选择流量计的考虑因素,以及应用这种新式差压式流量计的选型和计算过程。

           
          引言
                 目前世界能源日益枯竭,节能降耗已成为能源利用的一致诉求。对在能源领域占有重大比重的蒸气进行准确计量,对于促进节能降耗、提高产品质量和企业能源管理水平起着关键的作用。蒸汽是一种特殊的汽液两相流动的介质,它随着温度和压力的变化,性质会发生变化。由锅炉产生的蒸汽是饱和湿蒸汽,其蒸发速度等于冷凝速度,是工业上较好的热源。蒸汽不同于其他流体如水、空气等介质,其流量测量难度较大,在实际测量中影响其精确测量的因素较多,因此经常会出现流量计本身检定合格,而实际却感觉计量“不准”的现象。影响蒸汽流量准确计量的因素主要有以下3方面:一是实际蒸汽流量低于流量计的可精确计量的非常小流量,即量程比不足引起的小流量时测量不准;二是流量计上下游安装的直管段不足,存在流动扰动;三是蒸汽的密度补偿不正确,蒸汽的温度和压力的变化会引起密度的变化[1]。
           
          1蒸汽测量仪表的选择
           
                 目前蒸汽流量测量大部分采用速度式测量方式,测量得到的是体积流量,若要得到质量流量,必须由积算仪进行实时的换算。测量蒸汽流量的一次仪表的选择主要集中在孔板流量计和涡街流量计上,但这2种流量计在测量蒸汽工况时,都存在一定的局限性,选型使用时需要考虑其影响。
           
          1.1孔板流量计
                 孔板流量计是一种差压式流量计,其通过在管道中插入一块开有小孔的节流元件来限制流动,流体流经一个收缩截面,产生一定的压差。为了测量流体流动时产生的压差,在孔板的上下游开有压力感应孔,压力感应孔与二次仪表(差压变送器)相连。孔板流量计测得的质量流量与差压的关系用式(1)来确定:
          质量流量与差压的关系用式
                 式中:qm为质量流量(kg/s);C为流出系数;β为直径比,β=d/D;D为管道内径(m);ε为可膨胀系数;d为工作条件下节流件的开孔直径(m);Δp为差压(Pa);ρ1为节流件正端取压口平面上的流体密度(kg/m3)。
           
                 式(1)中,β为常数,流量示值与ρ1密切相关,而蒸汽工况的变化,必然使ρ1产生相应的变化,因此对差压进行测量的同时,必须对密度进行补偿。饱和蒸汽的密度变化与其压力或温度成正比关系,在实际应用系统中,常用测量点附近的流体温度、压力,经查表和计算后求得相应的密度,与差压变送器产生的信号一起输出至积算仪,以求得瞬时质量流量。
           
          孔板流量计结构简单,能适用于各种均匀的、单一状态的气体、液体或蒸汽,且适用温度区域广。但其缺点也较为明显,一是测量范围窄(量程比仅为1∶3~1∶5),在小流量条件下容易计量不准,主要原因是引压管线较长,很容易产生几十帕的差压叠加到孔板产生的差压,导致非常终测量数据失真;二是压力损失大(根据经验,通常为0.5倍差压),输出能耗效率较低;三是安装长度要求较高,为了保证精度,必须保证上下游至少有10D和5D的直管段。另外,当测量蒸汽流量时,由于水锤的作用,孔板可能会变形,会堵塞管道,影响测量精度,因此需要经常维护和检定[3]。
           
          1.2涡街流量计
           
                 涡街流量计(旋涡流量计)是根据卡门(Karman)涡街原理生产的体积流量计,即流体雷诺数在一定范围内,其输出只与体积流量成反比。其特点是压力损失小(只有孔板流量计的1/5),量程范围大(量程比可达1∶20),精度高,在测量工况体积流量时几乎不受流体密度、压力、温度、黏度等参数的影响。由于测量部分无可动部件,其工作可靠高,寿命长,维护量少。尽管涡街流量计克服了压损大和量程比小的影响,但在测量蒸汽流量时仍有一定局限性,一是其在流速较低时,不产生旋涡,流量计读数偏低甚至为零,计量会不准;二是由于是采用涡街发生(自激振荡)原理进行测量,对周围环境振动较为敏感,振动会引起误差;三是安装条件较苛刻,上游需要至少15D的直管段。另外,以目前的材料技术和生产水平,所测量流体的温度不宜高于400℃,一般选择在300℃以下较为合适。
           
          2基于皮托管原理的新式差压流量计
          2.1皮托管流量测量原理
                 皮托管插入式流量计属于点流速计型插入式流量计,其基本结构如图1所示,是根据插于管道中的测量头所测流速,依据管道内的流速分布与传感器的几何尺寸等计算出管道内的流量。一次原件直接提取管道内流体中心流速,再换算成流体体积流量与质量流量的差压式流量计。
          皮托管基本结构
                 皮托管是由2根同心圆管组成,内管前端敞开,外管前端封闭,但管侧壁在距前端一定距离处开有一些小孔[4]。将传感器插入管道中心,迎面测压孔测量的是总压,与总压管相连通,引出总压信号,背面测压孔测量的是静压,与静压管相通,引出静压信号,2个压力信号分别与差压变送器“+”“-”端相通,传感器探头产生的差压信号,由差压变送器进行测量,然后进入流量积算仪或DCS系统进行处理,得到流量信号。和孔板流量计一样,对于密度受温压变化的蒸汽流体,还要进行温度、压力修正补偿,将温度与压力信号、差压信号及流量系数等一同输入智能积算仪中进行运算后,显示相关数据。流量计算的基本公式为[5]:
          流量 计算的基本公式
                 式中:qv为流体的体积流量(m3/s);vp为介质在管道内各点流速的平均值(m/s);S为管道内的横截面积(m2);k为流量计的修正系数。对于点流速计式插入式流量计,流量系数k是决定仪表计量精度的关键参数。它是指通过节流装置的实际流量值与理论流量值之比,将它应用到理论流量方程中以获得实际的流量。对于皮托管式差压流量计,该值的计算式是以大量实验所确定的数值为依据,与传感器探头的速度分布系数和风洞系数有关,并以标准的形式给出。
           
          2.2新式差压式流量计的设计
          2.2.1传感器防堵塞
                 新式差压式流量计对传统的皮托管测量头进行了改进,探头部分采用开放式的取压孔结构,V字型的斜面能够有效的防堵,流量计从管道上部垂直向下安装,流体流动时在总压孔前部形成高压区,撞击在取压孔上的固体尘粒受自身重力作用自然下落,从原理上解决了传感器堵塞的问题,能长时间保持测量精度。新式差压式流量计探头形式如图2所示。
          新式差压式流量计探头形式
          2.2.2测量精度高
                 由于新式差压式流量计的传感器测出的是管道中心点的介质流速,不能直接作为平均流速进行流量计算,必须依据专用数据库进行修正。该数据库通过对不同管道状态下的流速分布建成无数实验模型,其中包括各种介质、压力、温度下的补偿,以及管道直管段不足情况下的实验修正值,从而确保测量数据准确。
           
          2.2.3压力损失小
                 传感器探头截面积很小,几乎无压力损失,运行成本大大减少,与孔板流量计相比,具有明显的节能效果。该新式差压式流量计可以逐台设计校验,压力损失仅为0.03倍差压,在相同的差压下,经过计算,该流量计与孔板流量计的能耗比约为1∶16。
          2.2.4安装方便
                 安装时只需在管道合适的位置(直管段来流方向70%处),开一个适当的孔,把传感器的头部插到管道中心即可,对有些工况还可实现带压在线安装。由于传感器属于差压式测量原理,本身无需维护,只需按计量器具定期检定要求,对差压变送器进行零点和满度校验,以及二次表输入相应的电流进行检验即可。
          2.2.5直管段要求短
                 不同于孔板流量计和涡街流量计对安装条件的严苛性,该新式差压式流量计仅需要非常短前直管段3D。若不满足此条件,也可根据现场管段长度进行现场实标,保证测量的准确度。
           
          2.3系统构成
                 新式差压式流量计测量蒸汽流量的系统构成如图3所示。
          新式差压式流量计测量蒸汽流量的系统构成
                 1)传感器的总、静压接口处各安装一个截止阀,安装此阀的目的是为了在必要时,隔离传感器和差压变送器等仪表,可以在线维修校验。
                 2)该新式差压式流量计与其他差压式流量计相比,其突出特点在于其中的“一体化冷凝罐”。冷凝罐的作用是使导压管内被测量的蒸汽冷凝成水,并充满导压管内,使高温蒸汽与变送器隔离,达到保护变送器的目的。2个冷凝罐亦须处于同一水平上,使正、负导压管中冷凝液面有相等高度及保持长期稳定,保证测量精度。
                 3)在差压变送器前安装一个三阀组,用于保护差压变送器,并起到使总、静压平衡,达到调零的功能。
           
          2.4流量计的标定
                 流量计的标定技术和设备是保证流量计计量准确的重要环节。根据JJG518《皮托管检定规程》,风洞试验是对皮托管流量计流体测量校验的非常有效手段,标准皮托管安装在风洞工作段的一侧,被检皮托管安装在另一侧。标准皮托管和被检皮托管的总压孔应处于风洞工作段同一截面上,且必须对准气流来向。
           
                 针对上述新式差压式流量计,设计了流量计专用闭口直流式风洞设备,如图4所示,对流量计各项性能指标进行检测。需校验的传感器放入风洞中,设定不同的风速(范围0~100m/s),将流量计的设计流量与风洞的标准流量进行校验对比,根据取得的数据对流量计进行修正,进一步提高流量计质量,保证流量计精准。
          新式差压式流量计专用风洞试验装置
          3应用实例
                 某海上热采平台3英寸(D=0.08m)蒸汽管道设计温度400℃,设计压力19.5MPa,流量范围为qm=10~18t/h,介质黏度v=0.06cP,允许压力损失10kPa。工况温度为357℃,工况压力为18.1MPa,查表得工况下蒸汽密度为90.94kg/m3。经研究和初步计算,孔板流量计压损较大,约为50kPa,不满足上述压损要求;涡街流量计不适用于400℃高温。因此,拟选择皮托管式新式差压式流量计,下面将根据工况和流量范围进行差压变送器的选择和压力损失的验证。
          差压变送器 的选择和压力损失的验证
           
                 该流量计采用风洞标定装置,其流量系数根据雷诺数、速度分布系数α=0.858和风洞系数γ=0.85确定。流量系数K=α×γ=0.858×0.85=0.729。非常大流量中心流速:
          0200428110442.jpg
           
                 选择罗斯蒙特3051DP2A系列差压变送器,量程为-62.2~62.2kPa。4结论该文介绍的新式差压式流量计较好地克服了传统的孔板流量计和涡街流量计测量蒸汽时的压力损失大、量程比小和温度适用范围窄等缺点。该系统结构的组成和严格的标定流程进一步提高了测量精度,是既达到工艺要求,又具有高可靠性、低造价的蒸汽流量计量系统。选用合适的蒸汽测量仪表不仅能节约能源,还从根本上提高了企业的经济效益。
           

           

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