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蒸汽流量測量的比較與分析
發(fā)布時間:2020-4-23 08:31:22

摘要:結(jié)合差壓式流量計渦街流量計的原理,對節(jié)流裝置、巴類流量元件和渦街流量計測量蒸汽流量的主要影響因素進(jìn)行分析,并根據(jù)幾種不同儀表的特點(diǎn),分別就選型、安裝、經(jīng)濟(jì)效益等方面進(jìn)行分析,并總結(jié)幾種測量儀表的優(yōu)點(diǎn)與不足。
蒸汽是使用最廣泛的載熱工質(zhì),是重要的二次能源,蒸汽流量的測量對加強(qiáng)管理、公平貿(mào)易、節(jié)約能源、提高經(jīng)濟(jì)效益等方面都有重要意義。蒸汽流量測量方法按工作原理,可分為直接式和推導(dǎo)式兩大類,F(xiàn)在廣泛使用的蒸汽流量計為推導(dǎo)式,包括節(jié)流裝置、巴類流量元件及渦街流量計等,這些測量方法有各自的優(yōu)缺點(diǎn),適用于不同場合。
1節(jié)流裝置
  節(jié)流式差壓流量元件是一種歷史悠久、用量最大的流量計。節(jié)流式差壓流量計依據(jù)流體流過節(jié)流裝置,使部分壓力能轉(zhuǎn)變?yōu)閯幽墚a(chǎn)生差壓的原理來工作。節(jié)流裝置分為標(biāo)準(zhǔn)型和非標(biāo)準(zhǔn)型兩大類。標(biāo)準(zhǔn)型節(jié)流元件按照GB/T2624設(shè)計、制造、安裝和使用,無需實(shí)流校準(zhǔn)。節(jié)流式差壓流量計可測量所有單向流,包括液、氣、蒸汽等。標(biāo)準(zhǔn)節(jié)流裝置世界通用,并得到國際計量組織的認(rèn)可。
  節(jié)流裝置見圖1。當(dāng)流體通過標(biāo)準(zhǔn)節(jié)流裝置時,在1-I截面前,流體未受節(jié)流件的影響,管道內(nèi)流速分布均勻。管道軸心處和管壁處的靜壓相等。I-I截面后(約0.5D~2D),流體開始受節(jié)流件影響,靠近管壁處的流體向中心加速,平均流速逐漸升高,直至II-II截面,流束收縮到最小,平均流速達(dá)到最大值。自II-II截面后,流束開始膨脹,直至川-I截面,又恢復(fù)到I-I截面前的情況,此時平均流速逐漸降低,與平均流速相對應(yīng)的靜壓也由低到高再恢復(fù)到低值。流體在節(jié)流件前、后的管壁附近形成渦流,渦流即有橫向脈動,還有逆向運(yùn)動,孔板或噴嘴的壓力損失高,就是因?yàn)闇u流能量耗散造成的。

  式中,Z、p/ρ、Kv2/2分別表示單位質(zhì)量流體在過流斷面上的位能、壓力能和動能的平均值。εv212表示單位質(zhì)量流體的平均能量損失。
推導(dǎo)出不可壓縮流體的流量方程式:

按照GB/T2624,流出系數(shù)C的定義式為:

  在一定的安裝條件下給定的節(jié)流裝置,該C值僅與雷諾數(shù)有關(guān),即C=f(ReD,節(jié)流件類型,D,β)。由此,可以算出流出系數(shù),進(jìn)而得到節(jié)流裝置的選型計算。
  流出系數(shù)與雷諾數(shù)的關(guān)系見圖2。低雷諾數(shù)區(qū)域?qū)儆趯恿鲄^(qū),流體繞過限流孔后不會形成噴射現(xiàn)象,流出系數(shù)隨雷諾數(shù)增高而增大;中雷諾數(shù)區(qū)域內(nèi)流動從層流發(fā)展到紊流,流出系數(shù)隨雷諾數(shù)增高而增大的速度緩慢。對于孔板,由于慣性作用加強(qiáng),孔口處開始形成噴射,流束在孔口外產(chǎn)生縮流,因此C值下降;在高雷諾數(shù)區(qū)域,C值都趨于穩(wěn)定,對于孔板,β值越高,趨于穩(wěn)定時的雷諾數(shù)就越高。

2巴類流量元件
  巴類流量元件是一-種新型的差壓式流量元件,采用差壓式的工作原理,插入式的安裝方法。其通過一-根直徑為十幾毫米的探頭取壓,探頭前后有二排不均勻分布的、若干個幾毫米的引壓孔。通過這兩排孔將管道從上到下的不同壓力在孔內(nèi)取平均以構(gòu)成差壓。巴類流量元件精度高,壓損小,對探頭磨損小,在安裝合適的情況下,可以長期保持精度。
巴類流量元件質(zhì)量流量的計算公式:

  阻斷系數(shù)ζ只與探頭結(jié)構(gòu)有關(guān)。對于不可壓縮.介質(zhì),由于壓損不會影響密度的變化,膨脹系數(shù)ε為1。對于可壓縮的介質(zhì),隨著管道內(nèi)壓力損失增.加和管道內(nèi)靜壓的減小,膨脹系數(shù)ε從1開始,按照比例下降。

  式中,Pp為設(shè)計壓力,pg為工況壓力,εg為設(shè)計膨脹系數(shù),dp,為設(shè)計差壓,當(dāng)前工況密度為ρg。若介質(zhì)的實(shí)際工作狀態(tài)與設(shè)計狀態(tài)相近,使用理想氣體方程可以得到足夠精度的結(jié)果:

3渦街流量計
  渦街流量計根據(jù)卡門(Karman)渦街原理研究生產(chǎn),渦街流量計壓損小,量程范圍大,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、粘度等參數(shù)的影響,無可動機(jī)械零件,維護(hù)量小。渦街流量計在流體中設(shè)置三角柱型旋渦發(fā)生體,流體在管道中經(jīng)過渦街流量計時,在三角柱的旋渦發(fā)生體后,上下交替產(chǎn)生正比于流速的兩列旋渦,旋渦的釋放頻率與流過旋渦發(fā)生體的流體平均速度及旋渦發(fā)生體特征寬度有關(guān):

  式中,f為旋渦的釋放頻率;v為流過旋渦發(fā)生體的流體平均速度;d為旋渦發(fā)生體特征寬度;St為斯特勞哈爾數(shù),范圍為0.14~0.27,是雷諾數(shù)的函數(shù)。

  當(dāng)雷諾數(shù)Re在102~10時范圍內(nèi),St值約為0.2。在測量中,需滿足流體的雷諾數(shù)在102~105,此時旋渦頻率:

  由此,通過測量旋渦頻率就可以計算出流過旋渦發(fā)生體的流體平均速度v,再由式q=vA,可以求出流量q,其中A為流體流過旋渦發(fā)生體的截面積。
4三種流量計比較
4.1選型比較
  標(biāo)準(zhǔn)節(jié)流裝置只有在滿足以下條件下,流量系數(shù)才與規(guī)范中提供的數(shù)據(jù)相符:①被測介質(zhì)應(yīng)充滿全部管道截面連續(xù)地流動;②管道內(nèi)的流速(流動狀態(tài))應(yīng)是穩(wěn)定的;③被測介質(zhì)在通過節(jié)流裝置時,應(yīng)不發(fā)生相變;④節(jié)流裝置前后有足夠長度的直管段。
  巴類流量元件運(yùn)用廣泛,可以測量干燥氣體、潮濕氣體、液體或蒸汽的介質(zhì),不受介電常數(shù)的影響,適用通徑廣。一-般用于大口徑管道上蒸汽流量測量。
  渦街流量計可以在測量介質(zhì)流速0.5~12m/s范圍內(nèi)選用。渦街流量計的口徑不一定與工藝管道相同,選型時考慮測量流量范圍是否在流速范圍內(nèi),當(dāng)管道流速偏低,需縮小儀表口徑,提高流速,從而得到滿意的測量結(jié)果。
4.2安裝比較
  節(jié)流裝置和巴類流量元件都需要與差壓顯示儀表連接,測量蒸汽時都采用伴熱保溫來應(yīng)對蒸汽冬季凝結(jié)的情況,見圖3、圖4。節(jié)流裝置的現(xiàn)場安裝條件要求較高,需較長的直管段,一般為前20D,后15D。巴類流量元件的前后直管段要求相對短一些,一般為前7D,后3D。節(jié)流裝置或巴類流量元件與差壓顯示儀表之間引壓管線亦為薄弱環(huán)節(jié),易產(chǎn)生泄漏、堵塞及凍結(jié)、信號失真等故障。

  巴類流量元件安裝工作量小。該探頭采用的是插入式的工作方式,安裝方便、簡單。安裝的時候只要在現(xiàn)場直接開孔焊接即可,見圖5。


  渦街流量計結(jié)構(gòu)簡單、安裝維護(hù)方便、無需導(dǎo)壓管和三閥組,減少了泄漏、堵塞和凍結(jié)等。但是,渦街流量計對管道機(jī)械振動敏感,不宜用于強(qiáng)振動.的場所。渦街流量計的前后直管段要求前15D,后10D,通常用于管徑在300mm以下的工況,見圖6。

4.3經(jīng)濟(jì)性比較
  節(jié)流式差壓流量計中的標(biāo)準(zhǔn)孔板結(jié)構(gòu)易于復(fù)制,性能可靠,價格低,無需實(shí)流校準(zhǔn)就能夠使用;其測量精度在流量計中屬于中等水平。由于很多因素影響錯綜復(fù)雜,精度難以提高;測量范圍窄,差壓信號與流量為平方關(guān)系,量程比僅為3:1~4:1;孔板或噴嘴的壓損較大,能耗高。
  巴類流量元件壓損較孔板大幅減少,只有孔板的5%~10%,減小了系統(tǒng)的運(yùn)營成本。由于壓差小,則對應(yīng)的差壓變送器選擇要求提高,相應(yīng)增大了差壓變送器的采購成本。
  渦街流量計壓損小,約為節(jié)流式元件的1/4,其儀表購置費(fèi)用高,安裝費(fèi)用和運(yùn)行費(fèi)用較低。
4.4精度與小流量切除性能比較
  滿足規(guī)范GB/T2426生產(chǎn)的節(jié)流式差壓流量計的精度在+0.55%左右;巴類流量元件的精度與前后直管段有關(guān),當(dāng)前直管段長度為14D,后直管段長度為3D時,精度可以達(dá)到+0.5%,當(dāng)前直管段為7D,后直管段為3D時,精度可以達(dá)到+1%;而渦街流量計的精度在土1.0%,對于內(nèi)縮徑型的渦街流量計,其精度在士1.35%左右。
  當(dāng)某測點(diǎn)由開車工況變化至正常工況時,其測點(diǎn)往往流量值逐步由小流量遞增至正常流量。當(dāng)工況流量低于三種儀表可以測量的范圍內(nèi),會出現(xiàn)測量不準(zhǔn)確的現(xiàn)象。對于節(jié)流裝置,當(dāng)雷諾數(shù)小于5000時,精度就會遠(yuǎn)超0.55%;巴類流量元件對雷諾數(shù)的要求不高,在保證滿管的情況下,若雷諾數(shù)低,巴類流量元件的輸出差壓會偏小,影響差壓變送器的測量精度;渦街流量計的最小雷諾數(shù)極限為10000。
4.5案例比較
  針對某精餾工段換熱器的蒸汽流量測量,做了計算對比:
  該位置點(diǎn)管道壓力等級為150#,管徑250mm,蒸汽操作壓力為0.4MPa,操作溫度為151℃,蒸汽流量為4000kg/h,允許壓損為20kPao
  節(jié)流裝置經(jīng)過選型計算,采用滿刻度壓差10kPa,正常差壓為5kPa,開孔直徑比為0.44,最大壓損為7.9kPa。一整套節(jié)流裝置的采購安裝費(fèi)用大致在2.5萬元左右。
  巴類流量元件經(jīng)計算,其滿刻度差壓為0.3kPa,正常差壓為0.18kPa,最大壓損為0.02kPa。其采購安裝費(fèi)用大致在4.2萬元左右。該處非振動管道,因此可以采用渦街流量計。渦街流量計經(jīng)過計算,選用縮徑為150mm管徑的法蘭式流量計,其最大壓損為2.9kPa。其采購安裝費(fèi)用大致在5萬元左右。
  通過比較,可得結(jié)論:①節(jié)流裝置壓損最大,巴類流量元件壓損最小?紤]長期運(yùn)行能耗,巴類流量元件經(jīng)濟(jì)性最好,渦街次之;②節(jié)流裝置選用差壓變送器可采用普通量程范圍型,巴類流量元件選用差壓變送器需采用微小差壓測量型變送器,③當(dāng)該測點(diǎn)由開車工況變化至正常工況時,流量高于51.57kg/h,節(jié)流式差壓流量元件才能確保應(yīng)有的精度;流量高于802kg/h,渦街流量計可以達(dá)到應(yīng)有的精度;流量高于1500kg/h,巴類流量元件輸出能達(dá)到差壓變送器的精度下限值;④若考慮總承包采購成本的限制,可選用節(jié)流裝置測量蒸汽流量。若考慮綜合采購及運(yùn)行成本,包括長期運(yùn)行蒸汽壓力損失成本和冬季保溫伴熱蒸汽成本,可選用渦街流量計。若遇到蒸汽管線口徑增大至300mm以上,可考慮采用巴類流量元件,此時巴類流量元件的采購成本將比其余兩種流量計低得多。
5結(jié)語
  蒸汽流量儀表的選用非常重要,準(zhǔn)確測量蒸汽流量是生產(chǎn)部門的需要。隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展,提高測量水平的呼聲越來越高。在實(shí)際選用中,設(shè)計人員需根據(jù)蒸汽的性質(zhì)和工況精度的要求、成本核算等條件來選擇適合的蒸汽儀表。節(jié)流裝置、巴類流量元件和渦街流量計各有利弊,需要充分考慮工藝、環(huán)境要求,合理地選擇流量計,才能保證蒸汽計量的準(zhǔn)確性。

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