摘要:針對冶金工業煤氣在線流量測量裝置實際運行狀況,重點從地域環境、可測量介質適應性、測量裝置的工藝技術要求、量程范圍、耐磨性、直管段要求、設備維護及節能等方面,探討了彎管流量計與孔板流量計的性能比較,為工業煤氣測量計量設備的選型提供參考。
1.前言
冶金工業煤氣中含有大量的粉塵、水、焦油和萘,測量計量冶金工業煤氣的流量設備運行狀況不好,是國內外測量計量領域中公認的難題。目前,對冶金工業煤氣的測量計量,使用較多的是孔板流量計、質量流量計和渦節流量計。相比之下，孔板流量計相對穩定,使用也更為廣泛。但是,孔板流量計在使用過程中因有大量雜質堆積,焦油和萘附著在孔板流量計的測量刀口上、導壓管上,易造成堵塞及凍管現象。近年來,彎管流量計在冶金工業煤氣計量中得到應用,取得了較好的使用效果。對八鋼冶金工業煤氣流量計量中使用孔板流量計和彎管流量計的狀況進行分析,以供同行參考。
2工作原理
2.1彎管流量計的工作原理
彎管流量計是一種差壓式流量計,其差壓的產生是靠流體流經彎管時,由于彎管的約束和彎管管壁的導流作用,使流體在彎管內作近似于圓周運動產生慣性離心力,該離心力的大小與流體的流速、流體質量(密度)以及做圓周運動的曲率半徑等因素有關。在彎管的內側流速會逐步增大,而外側流速卻逐步減小,形成了各個過流面的近似梯形速度分布,這種梯形分布狀態在彎管45°截面處達到極限狀態。根據質量守恒定律、能量守恒定律和動量守恒定律,流體在管道中流動時,相同過流斷面各元流質點的能量不變,各質點流速的變化形成了彎管內的外側壓差△P,進而方便地測量出管道內流體的流速和流量值。彎管截面流速分布示意圖如圖1所示。
2.2孔板流量計的工作原理
當氣體流經管道內的節流件板片時,流體在節流件板片前后形成壓差,致使氣體在管道內的流速增加,靜壓力下降。氣體的流量增大時,產生的壓差值也隨著增大,根據流動連續性方程(質量守恒定律)和伯努力方程(能量守恒定律),測量出節流件板片差壓值的大小，計量出氣體流量值。孔板流量計測量原理見圖2。
流量方程為：
3.性能比較
在冶金工業煤氣測量計量中,彎管流量計較孔板流量計具有許多優越性。
3.1節能效果好
彎管流量計因其獨特的測量原理,沒有其他流量計必須具備的節流件或插入件,最大限度地減低了因計量檢測器具帶來的流體在管道內的壓力損失,減少了加壓設備的投入和加壓設備的電能消耗。由于孔板流量計是利用對流體節流裝置施行節.流產生的差壓來測量流體流量,流體在孔板上存在壓力損失,因此使用時為了保證孔板流量計的測量精度,在選定孔板流量計的工作壓差時都取高壓差值。通常情況下，該節流壓力損失(稱為不可恢復壓力損失)可達孔板運行流量下產生壓差值的30%～70% (與孔板的β值有關)。孔板流量計壓力損失等損耗量用見表1。
3.2設備使用狀況較好
冶金工業煤氣中，含有大量的粉塵、水、焦油和萘,使很多流量測量計量設備不能正常工作。彎管流量計的特殊結構和導壓管上的三通閥可在正常工作狀態下清除傳感器的堵塞附著物,實用便利,在現場試用4年來從未發生堵塞現象。
3.3彎管流量計結構簡單
彎管流量計的彎管傳感器,是一個90的標準彎管,內部沒有任何節流件和插入件,是測量元件中簡單實用的測量件。隨著機械加工業的快速發展和精度高數控機床用于機械加工業,彎管流量傳感器的加工精度不斷提高,質量越來越好。 彎管流量計的直管段要求前5D,后2D,孔板流量計的直管段要求前10D,后5D。彎管流量計的重復性好,可達0.2%。
3.4彎管流量計適應性強,量程范圍寬
彎管流量計在高溫、高壓、沖擊、振動、潮濕、粉塵等惡劣環境條件下,優于孔板流量計,震動和沖擊對彎管流量傳感器的正常工作幾乎沒有影響,高溫、高壓對彎管流量計來說只要采用與工藝管道相同的材質,就可以解決。
彎管流量傳感器的幾何尺寸幾乎沒有限制,管徑的大小從幾十毫米到2n以上,只要彎管的彎徑比符合規定要求,都可以做為傳感器進行流量測量。
彎管流量計的設計特點最適合在高溫、高壓狀態下(高溫蒸汽、高溫水)的流量計量,可降低能源損耗,降低壓力損失,提高供熱效率。
彎管流量計的量程比可達10: 1,孔板流量計的量程比一般為35: 1.
3.5彎管流量傳感器的耐磨性好
因彎管流量傳感器的特殊結構,內部沒有任何節流件和插入件,固彎管流量傳感器幾乎不存在磨損,是保證彎管流量計長期運行精度不變的重要條件。孔板流量計入口邊緣尖銳度對磨損十分敏感,只要有微量的磨損,就會直接影響到測量精度,在氣體的長期高度沖刷下,也會使孔板開孔直角入口的邊緣很快鈍化,使測量精度系統發生變化造成誤差。
3.6彎管流量計安裝方便,維護量小
彎管流量計具有良好的耐磨性,長期運行的穩定性和可在線進行清污等特點,可采用直接焊接的方法進行安裝,避免了流量測量裝置現場跑、冒、滴、漏,令人頭痛的問題,降低了安裝費用。
由于彎管流量計一次測量件長期運行無磨損件,大大降低了維護費用,幾乎是免維護,一般可達到被測氣體管道的使用壽命。
孔板流量計的插入件和節流件容易堵塞,附著臟物,影響測量正確率。為保證孔板流量計的測量精度,必須經常進行拆除檢查清污,這樣頻繁的拆裝、檢查、清污維修,在連續作業的冶金企業難以做到,特別是對在較大管道上的孔板流量計就更難以做到,可見在工業煤氣計量中具有多種不確定因素影響測量誤差。
3.7彎管流量計不易凍管
孔板流量計的結構、工作原理達到的測量精度,節流件起到了決定性的作用。節流件對氣體在管道的流動具有非常大的阻力,一般只能利用輸氣管道.截面的1/3,大量潮濕含水的氣體在節流件截面上形成了大量的水珠,遇冷后結霜、結凍堵管。為解決煤氣供應的凍管問題,必須給每套孔板加裝保溫伴.熱裝置,來保證新疆地區5個月的冬季運行。表2為孔板流量計運行費用。
彎管流量計由于特殊結構和安裝的多樣性(水平轉水平,水平轉垂直向下，垂直向下轉水平,垂直直管,水平直管等安裝方式,見圖3),可以有效防止煤氣計量中凍管的發生，節省熱能源和運行費用。
4.應用對比
盡管孔板流量計在工業煤氣測量計量中存在不少缺點,但是孔板流量計仍是測量計量行業使用廣泛的一種流量計量裝置,它已有100多年的歷史,經過各國科學工作者潛心研究,第一個流量測量節流裝置國際標準ISO5167在1980年頒布實施,經過多年的發展ISO5167在1993年、2003年分別進行了改版,使孔板流量計更具有完備的標準和規范,得到了計量管理部門檢定許可。
彎管流量計在工業測量計量中的優勢巴凸顯,但也需要不斷改進:(1)彎管流量計對低壓低流速的流體不易測量; (2)彎管流量計只能在帶有彎管的管道上安裝,具有一定的局限性; (3)在 氣體的測量時取壓截面上的密度變化難以修定。
5.結束語
用于各類流量測量計量設備很多。實踐證明,在選擇測量計量器具的過程中,要高度關注被測量介質的多變性,工藝參數的正確率,使用環境的特殊性及整體系統考慮的科學性,并不是說流量測量計量設備的價格越高越好,也不是精度越高越好,關鍵是要達到被測介質數據真實所需。為此,工程技術人員在選擇流量測量設備時要遵循合理、正確、綜合系統的原則: (1)滿足基本功能(2)避 免采用模擬信號傳輸的系統; (3)既要考慮未來的更新和發展,又要與原系統匹配; (4)根據需要確定精度等級、價格性能比, (5)既要考慮安裝、維護的便利性,又要注重后期維護費用和可檢定的可行性。
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