渦街流量計(jì)選型標(biāo)準(zhǔn)與應(yīng)用 發(fā)布時(shí)間:2019-02-19
摘要:介紹了渦街流量計(jì)的工作原理,并對(duì)渦街流量計(jì)的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行了分析;其次結(jié)合采油平臺(tái)實(shí)際工況進(jìn)行了流量儀表選型;并且介紹了針對(duì)渦街流量計(jì)的防振措施;最后通過計(jì)算對(duì)比分析,證明渦街流量計(jì)是一款相對(duì)節(jié)能的流量計(jì)。 0引言? 在工業(yè)生產(chǎn)過程中,為了有效地指導(dǎo)生產(chǎn)操作、監(jiān)視和控制生產(chǎn)過程,經(jīng)常需要檢測生產(chǎn)過程中各種流動(dòng)介質(zhì)(如液體、氣體或蒸汽)的流量,以便為管理和控制生產(chǎn)提供依據(jù)。同時(shí),工業(yè)生產(chǎn)的各環(huán)節(jié)之間經(jīng)常有物料的輸送,需要對(duì)它們進(jìn)行精確的計(jì)量,作為經(jīng)濟(jì)核算的重要依據(jù)。所以,流量監(jiān)測在現(xiàn)代化工業(yè)生產(chǎn)過程中顯得十分重要。 1工作原理 渦街流量計(jì)(又稱漩渦流量計(jì))是根據(jù)“卡門漩渦”原理研制成的一種流體振蕩式流量測量儀表!翱ㄩT漩渦”現(xiàn)象是在流動(dòng)的流體中插入一根(或多根)迎流面為非流線型柱狀物時(shí),流體在柱狀物兩側(cè)交替地分離釋放出兩列規(guī)則的漩渦。在測量管道的流體中設(shè)置非流線型的漩渦發(fā)生體,當(dāng)雷諾數(shù)達(dá)到一定值時(shí),從漩渦發(fā)生體下游兩側(cè)交替地分離釋放出兩串規(guī)則地交錯(cuò)排列的漩渦,這種漩渦稱為卡門渦街,在一定雷諾數(shù)范圍內(nèi)漩渦的分離頻率與漩渦發(fā)生體的幾何尺寸、管道的幾何尺寸有關(guān),漩渦的頻域正比于流量,并可由各種形式的傳感器檢出[1-3]。 流量計(jì)利用卡門渦街原理如圖1所示,有如下關(guān)系式: 式中d——阻流件的寬度,m; `U——流經(jīng)流量計(jì)的流體平均流速,m/s; f——漩渦的頻率Hz; Sr——斯特勞哈數(shù)(Strouhalnumber) m——漩渦發(fā)生體兩側(cè)弓形面積與管道橫截面面積之比,對(duì)于直徑為的圓柱形漩渦發(fā)生體: 式中K——流量計(jì)的儀表系數(shù),1/m2。 K除與漩渦發(fā)生體、管道的幾何尺寸有關(guān)外,還與斯特勞哈數(shù)有關(guān)。斯特勞哈數(shù)為無量綱參數(shù),它與漩渦發(fā)生體形狀及雷諾數(shù)有關(guān),圖2所示為三角柱狀漩渦發(fā)生體的斯特勞哈數(shù)與管道雷諾數(shù)的關(guān)系圖。由圖2可見,在46210~710DRe???范圍內(nèi),Sr可視為常數(shù),這是儀表正常工作范圍。 當(dāng)測量氣體流量時(shí),渦街流量計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)體積流量計(jì)算式為 式中Vnq,Vq——標(biāo)準(zhǔn)參比條件下(C?20,101.325kPa)工況下的體積流量m3/s; Pn,P——標(biāo)準(zhǔn)參比條件下和工況下的絕對(duì)壓力,Pa; Tn,T——標(biāo)準(zhǔn)參比條件下和工況下的熱力學(xué)溫度,K; Zn,Z——標(biāo)準(zhǔn)參比條件下和工況下的氣體壓縮系數(shù); 由式(5)可見,渦街流量計(jì)輸出的脈沖頻率信號(hào)不受流體物性和組分變化的影響,即儀表系數(shù)在一定雷諾數(shù)范圍內(nèi)僅與漩渦發(fā)生體及管道的形狀尺寸等有關(guān)。 2優(yōu)勢與局限性 2.1優(yōu)點(diǎn) 1)渦街流量計(jì)結(jié)構(gòu)簡單,安裝維護(hù)方便。 2)無可移動(dòng)部件,可靠性高。 3)重量輕,價(jià)格便宜,在眾多的流量計(jì)中,渦街流量計(jì)的經(jīng)濟(jì)性較好,是一種經(jīng)濟(jì)實(shí)惠的流量計(jì)。 4)適應(yīng)性強(qiáng),結(jié)構(gòu)形式多種多樣,可計(jì)量多種流體介質(zhì),如液體、氣體、高溫蒸汽、低溫液體和部分混相流體[4]。 5)在一定的雷諾數(shù)范圍,輸出頻率信號(hào)不受流體物性(密度、黏度)和組分的影響。 6)壓力損失小。 7)在一種典型介質(zhì)中校驗(yàn),而適用于各種介質(zhì)。 8)可以通過確定斯特勞哈爾數(shù)與發(fā)生體幾何參數(shù)之間的關(guān)系,來實(shí)現(xiàn)干標(biāo)定。 2.2局限性 1)渦街流量計(jì)不適用于低雷諾數(shù)測量(ReD≥2×104),因此不適用于低流速,或者小口徑,或者高黏度的流體計(jì)量。 2)漩渦分離的穩(wěn)定性受流速分布畸變及旋轉(zhuǎn)流的影響。 3)除了熱敏和超聲式,其他種類的渦街流量計(jì)對(duì)管道機(jī)械振動(dòng)均較敏感,不宜用于強(qiáng)震動(dòng)場所。 4)儀表口徑不宜過大,一般口徑不超過300mm。 5)渦街流量計(jì)適用的流體比較廣泛,但不適用于臟污流體。 6)渦街流量計(jì)在混相流體中的應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)還少。 3渦街流量計(jì)的初步選型 渦街流量計(jì)同樣具有局限性,也有其適用范圍,因此何種工況選用渦街流量計(jì),選用哪一類的渦街流量計(jì),根據(jù)已經(jīng)投產(chǎn)的某油氣生產(chǎn)平臺(tái)實(shí)際工況(表1)進(jìn)行了流量儀表的初步選型。 由表1中的工藝參數(shù)可知,管道介質(zhì)為生產(chǎn)水。它由原油處理系統(tǒng)的生產(chǎn)污水經(jīng)過斜板除油器除掉浮油后產(chǎn)生。除掉浮油后的生產(chǎn)污水進(jìn)入溶氣式氣浮進(jìn)一步去除污水中的小油滴。首先從管道尺寸考慮,由于管道尺寸為8*25.4=203.2mm,超出靶式流量計(jì)(15~50mm)和科氏流量計(jì)(150~200mm)的常用測量管道尺寸范圍,排除靶式、浮子流量計(jì)和科氏流量計(jì);從壓損方面考慮,排除孔板流量計(jì)(壓損:20~50kPaG);從安裝方式方面考慮,排除浮子流量計(jì)(需要垂直安裝);容積式、超聲式、電磁式、渦街流量計(jì)滿足上述要求。最后從購置考慮,由于渦街流量計(jì)的購置、安裝、運(yùn)行、維護(hù)費(fèi)用較低的特點(diǎn),因此在此選擇渦街流量計(jì)作為初步選型儀表。 4防振措施探討 海洋平臺(tái)本身空間比較緊湊,在較小的空間內(nèi)布置了大量的工藝和生產(chǎn)設(shè)備。一些振動(dòng)源比如空氣壓縮機(jī)和泵會(huì)對(duì)渦街流量計(jì)的使用產(chǎn)生影響。在此介紹幾種減振措施[5,6]: 1)在儀表選型之初,就要確保渦街流量計(jì)安裝環(huán)境無振動(dòng)或振動(dòng)較小,不影響渦街流量計(jì)的正常工作; 2)抗振接頭耐壓、耐腐蝕、價(jià)格低、安裝簡單易行,可以擴(kuò)大渦街流量計(jì)的使用范圍,也適用于其他減振場所,此方法在海洋平臺(tái)中的渦街流量計(jì)的選型和使用過程中值得借鑒; 3)當(dāng)管道振動(dòng)速度大于1g或者振動(dòng)頻率達(dá)到500Hz以上時(shí),在傳感器2倍口徑處安裝固定支撐點(diǎn); 4)將渦街流量計(jì)軸向旋轉(zhuǎn)適當(dāng)角度,適當(dāng)調(diào)整渦街流量計(jì)觸發(fā)電平; 5)在小管徑流量測量中可以采用彈性軟管連接渦街流量計(jì)。 5渦街流量計(jì)的能耗分析 渦街流量計(jì)屬于阻力型流量計(jì)。它們阻礙流體的流動(dòng),使流體流經(jīng)流量計(jì)時(shí)產(chǎn)生壓力損失,從而引起輸送單位流體所用的推動(dòng)功的增加,即需要多消耗能量,實(shí)際使用的流量計(jì)多為阻力型流量計(jì)。 不同的阻力型流量計(jì)對(duì)流體阻礙作用的大小不同,阻礙作用的大小可由壓力損失表示。阻礙作用大的引起的能耗就大,如孔板流量計(jì)、噴嘴流量計(jì),渦街流量計(jì)次之。通常把能耗相對(duì)較小的流量計(jì)叫節(jié)能型流量計(jì),相對(duì)于孔板、噴嘴流量計(jì),渦街流量計(jì)能耗較小。從這三種流量計(jì)看,孔板流量計(jì)的壓損最大,通常為20~50kPa;渦街流量計(jì)最小,通常為2~15kPa。只有通過對(duì)流量計(jì)的能耗計(jì)算,才能了解每種流量計(jì)的能耗,也才能進(jìn)一步比較節(jié)能型流量計(jì)節(jié)能量的大小。 5.1測量液體時(shí)壓損及能耗計(jì)算[7] 由于液體介質(zhì)可看作是不可壓縮性流體,壓力變化但密度不變。 1)用孔板時(shí),壓損計(jì)算 5.2測量氣體時(shí)壓損及能耗分析計(jì)算 由于氣體具有很強(qiáng)的可壓縮性,經(jīng)過流量計(jì)后壓力由于損失而由P1變?yōu)镻2,這時(shí)的比容。也發(fā)生了變化,由n1變?yōu)閚2,相應(yīng)地體積流量由qn1,變?yōu)閝n2,能耗的計(jì)算按下式計(jì)算: 式中W—功率W;P1—壓損前流體壓力,Pa;P2—壓損后流體壓力;qn1—壓損前流體體積流量,m3/s;qn2—壓損后流體體積流量,m3/s;?h—電機(jī)和風(fēng)機(jī)效率。 若把氣體看作理想氣體,通過流量計(jì)的過程看作絕熱過程,則由工程熱力學(xué)可知: P2=P1-△W(10) 壓損仍由式(6),式(8)計(jì)算。 5.3舉例計(jì)算 由表3和表4中的渦街流量計(jì)和孔板流量計(jì)在不同工況下的壓損和能耗對(duì)比可知,渦街流量計(jì)有相對(duì)較小的壓損和能耗,在孔板流量計(jì)和渦街流量計(jì)同時(shí)適用的工況下優(yōu)先選用渦街流量計(jì)。 6結(jié)束語 渦街流量計(jì)的工作原理和優(yōu)點(diǎn)與局限性的基礎(chǔ)上,結(jié)合海洋生產(chǎn)平臺(tái)實(shí)際工況進(jìn)行了選型并提出了具體防振措施。最后,介紹了一種壓損與能耗的計(jì)算方法,并通過與孔板流量計(jì)的對(duì)比,證明渦街流量計(jì)是一款相對(duì)節(jié)能的流量計(jì)。
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