[摘要]渦街流量計是一種重要的速度型流量計,由于測量不受介質物性參數的影響,輸出信號與流量成正比,目前工業管道流體主流的流量測量裝置是渦街流量計,其具有測量精度高、結構簡單、安裝維護方便等優勢。本文從闡述渦街流量計的測量原理著手,分析渦街流量計的優缺點,提出合理的適用范圍和安裝基本要求,以及在DMF回收裝置的應用,提供一定的實踐參考價值。
1引言
隨著化工行業智能化水平和要求的不斷提高,流量監測的重要性更加明顯,為了有效的控制和監測生產過程,需要檢測生產過程中各種流體的流量,便于管理和控制工藝參數。同時各車間對物料的轉運需要正確的計量,以作為經濟核算的依據,各種類型流量計層出不窮,亟需測量精度高,適用范圍廣:,儀表參數長期穩定,維修方便的流量計,因此需要選擇合適的流量計,在實際生產中是至關重要。
渦街流量計在化工行業應用相當廣泛,由于設備內沒有可動機械零件,降低了維護成本和人力成本,提高了整體可靠性。無論國內外皆已開發出多品種,實際應用中渦街流量計也存在一-些問題,大部分都是安裝和選型問題,亟需探索解決。
DMF(NN二甲基甲酰胺)是一種無色透明有機溶劑,化學式為C3HNO,主要應用于化工行業,車間回收量較大且難度高,一般采用連續精餾方式回收,需要在回收處理.上選擇合適的流量計進行正確計量和控制以。結合我們公司在回收DMF項目的應用案例,發現流量計選型的一些問題,提出采用渦街流量計來計量的整改方案,并得到了很好的應用。
本文針對渦街流量計的特點,從工作原理、儀表結構和一些實際安裝問題探討,同時結合在DMF回收裝置中的應用等方面,論述該流量計的技術特點和應用范圍。
2工作原理
渦街流量計是基于卡曼渦街原理進行測量,在均勻流體中,垂直設置阻流體,在一定流速范圍內,從阻流體兩側交替地釋放方向相反的旋渦,這種不對稱漩渦稱為卡曼渦街向,如圖1所示。
通過檢測元件檢出漩渦頻率后,可以推導出流體的流量,設被測介質的平均速度為v,漩渦的發生頻率為f,阻流體迎面寬度為d,根據卡曼渦街原理,發生頻率和流體速度成正比，如下式:
f=SrV/d??????(1)
式中:
V一阻流體兩側平均流速,m/s;
Sr一斯特勞哈爾數;
d一阻流體的寬度,m。
斯特勞哈爾數Sr為無量綱參數,它與阻流體的形狀及雷諾數有關,實驗數據得知,在Re=2x104-~7x106范圍內,Sr基.本保持不變,可視為常數。由.上式(1)可見,漩渦頻率f不受流體物性和組分變化的影響。
設管道內體積流量為qr .
qv=πD2V/4=πD2?df/4Sr?????(2)
K=f/qv=[πD2?d/4Sr]-1?????(3)
式中:
K一流量計的儀表,系數,m³。
K除與阻流體、管道的幾何尺寸有關外,還與斯特勞哈爾數Sr有關。由.上式(3)可見,流量qv和漩渦頻率f成正比關系,輸出信號與流量成正比,不受流體的溫度、壓力、粘度和密度.的影響,通過傳感器檢測前后壓降和頻率f,將信號送入放大器,再由通過整形得到電信號輸出,就可以測出qv。
3儀表結構
渦街流量計在化工行業應用比較廣泛,主流的渦街流量計由殼體、傳感器和轉換器三部分組成,如圖2所示。.
傳感器包括漩渦發生體(阻流體)、檢測元件和儀表表體等,轉換器包括前置放大器、濾波整形電路、D/A轉換電路、輸出接口電路、端子、支架和防護罩等。
根據卡曼渦街工作原理,通過漩渦發生體產生漩渦,傳感器測量漩渦頻率,主要采用壓力傳感器進行測量,通過檢測信號,再通過放大器,信號顯示并遠程傳輸至DCS系統,就可以計算出流體的流速及流量,整個測量過程可靠程度高。
4優點和局限性
4.1優點
(1)渦街流量計結構簡單牢固,一體化安裝無可動機械零件,安裝方便,水平或垂直安裝均可,維修費用低;
(2)信號輸出與實際體積流量成正比,測量幾乎不受流體參數(溫度、壓力、密度和粘度等)變化影響;
(3)精度較高(±0.5 %~±1 %),測量范圍寬(10: 1),?壓力損失小;
(4)儀表系數和管道形狀尺寸有關,傳感器不接觸介質,校驗后可以適用各種流體。
4.2局限性
(1)不適用于低雷諾數測量(ReD=2x104),故在高粘度、低密度、低流速、小口徑情況下應用受到限制。
(2)對 管道機械振動較敏感,抗振能力差,不宜用于強振動場所,需要增加防振措施。
(3)當介質為粘附流體時,檢測元件易受流體中的污物及顆粒的影響。
(4)熱敏測量元件適用溫度低于200℃,標準型壓力等級低于6.4 MPa.
5流體適用范圍
渦街流量計對于大多數流體都是適用的,針對一些特殊的流體,需要考慮流體的特性對流量計的干擾及影響,下面根據不同流體的適用范圍進行描述:
5.1低雷諾流體
渦街流量計不適用于測量低雷諾數(Re≤2x104的流體。流體處于低雷諾數時,斯特勞哈爾數Sr隨著雷諾數而變,儀表線性度變差,流體粘度高會顯著影響甚至阻礙旋渦的產生,選型的一個適用條件是在使用于臨界限雷諾數之上。
5.2含固體微粒流體
雖然適用的流體比較廣泛,但對于含固體微粒的流體要注意。固體微粒對漩渦發生體沖刷會產生無關的噪聲,從而磨損漩渦發生體,可在上游安裝過濾器或對儀表定期校驗。
5.3氣液兩相流體
對于含分散、均勻的微小氣泡,但容積含氣率應小于7 %的氣、液兩相流,若超出2 %就應對儀表系數進行修正。對于含分散、均勻的固體微粒,固體含量小于2 %的氣固、液固兩相流;對于互不溶解的液液(如油和水)兩組分流等,流速需要保證>0.5 m/s。
5.4 易結垢流體
對于易結垢的流體,污垢會附著漩渦發生體表面,影響其形狀和尺寸,從而使儀表系數發生變化,需要定期清洗污垢:采用取壓孔或插入式檢測元件感應漩渦,.-旦介質雜質嵌入縫隙,對信號造成干擾和不穩定,影響其測量精度。
5.5氣體或者蒸汽
在測量氣體或者蒸汽時,一定要考慮溫度和壓力補償問題,將工況下的流量轉換成質量流量或標況體積流量,--般補償由DCS控制系統通過專用補償功能模塊實現。
6安裝要求
6.1 安裝方式
渦街流量計分為法蘭式、夾持式和插入式,優先選擇法蘭式,其余兩者類型精度受安裝影響較大口,正確的選擇安裝方式非常重要,即使設計和選型都很完美,若安裝不合理,同樣會影響測量精度,甚至影響傳感器的使用壽命,因此合理的選型和選擇合適儀表運行的最佳環境是至關重要的。
渦街流量計在管道上可以水平、垂直或傾斜安裝,但測量混相流體時,測量精度得不到保障,需保證測量流體充滿管道,避免產生混相流,根據混相流體的特點,選擇合適的安裝方式,具體的安裝方式如圖3所示。
渦街流量計必須在穩定的流束場內,有一.定的直管段要求,直管的長度會影響精度,必須保證上、下游直管段有一定的長度,通常是.上游直管段>10D,下游直管段> 5D,還要結合現場安裝情況進行調整,如果_上游有彎頭或者閥門,直管段相應的需要加長,具體的安裝要求如圖4所示。
管道振動是工業生產中的普遍現象,如泵產生的流體壓力脈沖,大幅度的開關閥門引起的負荷突變等,由于所形成的振動干擾對檢測是不利的,嚴重時會影響儀表使用壽命,因此采用有效的減振措施非常重要回。
渦街流量計對振動很敏感,振幅通常是<3%,目前一些渦街流量計采用質量平衡傳感系統和自適應數字信號處理技術(ADSP),提供極佳的抗振性能,但是不能從根本解決消除振動0。為了避免管道振動,在儀表傳感器上下游2D管道處設置管道支撐緊固或固定架,并設置防振支座和防振墊。
在項目施工安裝過程中,渦街流量計應該在管道清洗及吹掃后再安裝,對于連續生產的管線建議安裝旁路,開車時物料走旁路運行一段時間,待介質干凈后再開表,防止管道內焊渣等異物對傳感器造成損壞。對于需要調節的管道,調節閥一般安裝在流量計后方,避免出現射流的情況;對于高溫管道,傳感器要垂直向下安裝。只要合理的掌握了渦街流量計的安裝方式,對測量的準確性會得到很大的提高。
6.2故障及維護
渦街流量計是-種免維護儀表,可長期穩定可靠運行,實際應用中很多問題來自安裝方式不合理,針對產生不同現象分析原因,在項目建設和生產過程中,還會遇到更多的問題,需要慢慢發掘后分析原因并找到解決方案,現列舉目前渦街流量計在安裝及運行過程中常見的一些問題及其處理方法,如表1所示。
7應用案例
DMF是一種常見的溶劑,在化工應用比較多,而且回收量也比較大,一般采用精餾連續回收方式,要求控制進出料和回流量,這樣對流量計選型有一-定要求,在DMF回收項目中,DMF采用精餾方式回收,其中對設計量需要正確的計量和控制,由于項目前期沒有選擇合適的流量計,導致精餾塔運行過程中不穩定,后來停車排查分析原因,找到問題是部分流量計的選型不合理。
DMF回收工藝過程為: DMF原料進入脫水塔,塔頂脫除.水分,塔釜采出水分合格的DMF至DMF精制塔,DMF精制塔塔頂采出合格的DMF,塔釜排出少量廢液去處理,工藝流程見圖5。
DMF回收項目運行一段時間后,部分流量計顯示不正常,波動性比較大,針對存在的問題對流量計進行改造更換,最終將部分流量計換成渦街流量計,DCS可以正常顯示,流量測量曲線更穩定,波動性更小,生產可以正常穩定運行,渦街流量計在該DMF回收項目中發揮其重要作用,項目如期正常運轉,主要的改進點分析如下。
脫水塔釜采出流量計(F103)之前采用轉子流量計,由于轉子流量計測量的波動性比較大,而且浮子經常容易卡死,測量誤差偏大,使用效果不佳,經過改造后換成渦街流量計后,流量顯示更穩定可靠。
DMF精制塔回流流量計(F104)輸送介質的主要成分是DMF,之前采用電磁流量計一直顯示不正常,一直沒找到原因,后來取樣測電導率<5 us/cm,?沒有達到電磁流量計電導率最低要求指標,后來換成渦街流量計后,流量可以正常顯示。
DMF精制塔塔釜流量計(F105)之前采用渦輪流量計,由于內部采用葉輪機械零件,隨著使用時間長,渦輪葉片經常會卡死,流量顯示不正常,需要經常拆下維修清理,改造后換成渦街流量計,設備運行穩定,故障率比較低。
整個DMF回收車間經過改造后,采用渦街流量計替代了部分流量計,更新后的DMF回收工藝流程的PFD圖如圖6所示。
通過上述項目案例分析,可以判斷不同類型的流量計適用于不同的場合,要根據流體特性來選擇合適的流量計。在DMF回收工藝中,渦街流量計發揮其卓越的性能,完全契合該流體特性,正確的控制工藝參數。只要對流量計的性能和特點全面掌握,在實際生產中才能應對自如并解決問題。
8結束語
在眾多的流量計中,渦街流量計是-.種經濟實用的流量計,可在很寬的流量范圍內測量流體�；拘阅芴幱谥械绕纤�,購置費低于電磁式、質量式、容積式等,而安裝、長期處于復雜的環境中,應充分分析導致其腐蝕的原因采取合理有效的防腐措施來減少腐蝕的程度,進而延長其使用壽命,提高電力系統運行的安全性,在提出表面防腐措施的同時考慮節能技術以及材料的經濟性進行實施方案,對于燃煤電廠電力系統本身更具普遍價值。
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