[摘要]渦街流量計(jì)是一種重要的速度型流量計(jì),由于測(cè)量不受介質(zhì)物性參數(shù)的影響,輸出信號(hào)與流量成正比,目前工業(yè)管道流體主流的流量測(cè)量裝置是渦街流量計(jì),其具有測(cè)量精度高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、安裝維護(hù)方便等優(yōu)勢(shì)。本文從闡述渦街流量計(jì)的測(cè)量原理著手,分析渦街流量計(jì)的優(yōu)缺點(diǎn),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(yīng)用,提供一定的實(shí)踐參考價(jià)值。
1引言
隨著化工行業(yè)智能化水平和要求的不斷提高,流量監(jiān)測(cè)的重要性更加明顯,為了有效的控制和監(jiān)測(cè)生產(chǎn)過(guò)程,需要檢測(cè)生產(chǎn)過(guò)程中各種流體的流量,便于管理和控制工藝參數(shù)。同時(shí)各車間對(duì)物料的轉(zhuǎn)運(yùn)需要正確的計(jì)量,以作為經(jīng)濟(jì)核算的依據(jù),各種類型流量計(jì)層出不窮,亟需測(cè)量精度高,適用范圍廣:,儀表參數(shù)長(zhǎng)期穩(wěn)定,維修方便的流量計(jì),因此需要選擇合適的流量計(jì),在實(shí)際生產(chǎn)中是至關(guān)重要。
渦街流量計(jì)在化工行業(yè)應(yīng)用相當(dāng)廣泛,由于設(shè)備內(nèi)沒有可動(dòng)機(jī)械零件,降低了維護(hù)成本和人力成本,提高了整體可靠性。無(wú)論國(guó)內(nèi)外皆已開發(fā)出多品種,實(shí)際應(yīng)用中渦街流量計(jì)也存在一-些問(wèn)題,大部分都是安裝和選型問(wèn)題,亟需探索解決。
DMF(NN二甲基甲酰胺)是一種無(wú)色透明有機(jī)溶劑,化學(xué)式為C3HNO,主要應(yīng)用于化工行業(yè),車間回收量較大且難度高,一般采用連續(xù)精餾方式回收,需要在回收處理.上選擇合適的流量計(jì)進(jìn)行正確計(jì)量和控制以。結(jié)合我們公司在回收DMF項(xiàng)目的應(yīng)用案例,發(fā)現(xiàn)流量計(jì)選型的一些問(wèn)題,提出采用渦街流量計(jì)來(lái)計(jì)量的整改方案,并得到了很好的應(yīng)用。
本文針對(duì)渦街流量計(jì)的特點(diǎn),從工作原理、儀表結(jié)構(gòu)和一些實(shí)際安裝問(wèn)題探討,同時(shí)結(jié)合在DMF回收裝置中的應(yīng)用等方面,論述該流量計(jì)的技術(shù)特點(diǎn)和應(yīng)用范圍。
2工作原理
渦街流量計(jì)是基于卡曼渦街原理進(jìn)行測(cè)量,在均勻流體中,垂直設(shè)置阻流體,在一定流速范圍內(nèi),從阻流體兩側(cè)交替地釋放方向相反的旋渦,這種不對(duì)稱漩渦稱為卡曼渦街向,如圖1所示。
通過(guò)檢測(cè)元件檢出漩渦頻率后,可以推導(dǎo)出流體的流量,設(shè)被測(cè)介質(zhì)的平均速度為v,漩渦的發(fā)生頻率為f,阻流體迎面寬度為d,根據(jù)卡曼渦街原理,發(fā)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(cè)平均流速,m/s;
Sr一斯特勞哈爾數(shù);
d一阻流體的寬度,m。
斯特勞哈爾數(shù)Sr為無(wú)量綱參數(shù),它與阻流體的形狀及雷諾數(shù)有關(guān),實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)得知,在Re=2x104-~7x106范圍內(nèi),Sr基.本保持不變,可視為常數(shù)。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(shè)管道內(nèi)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(jì)的儀表,系數(shù),m³。
K除與阻流體、管道的幾何尺寸有關(guān)外,還與斯特勞哈爾數(shù)Sr有關(guān)。由.上式(3)可見,流量qv和漩渦頻率f成正比關(guān)系,輸出信號(hào)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(guò)傳感器檢測(cè)前后壓降和頻率f,將信號(hào)送入放大器,再由通過(guò)整形得到電信號(hào)輸出,就可以測(cè)出qv。
3儀表結(jié)構(gòu)
渦街流量計(jì)在化工行業(yè)應(yīng)用比較廣泛,主流的渦街流量計(jì)由殼體、傳感器和轉(zhuǎn)換器三部分組成,如圖2所示。.
傳感器包括漩渦發(fā)生體(阻流體)、檢測(cè)元件和儀表表體等,轉(zhuǎn)換器包括前置放大器、濾波整形電路、D/A轉(zhuǎn)換電路、輸出接口電路、端子、支架和防護(hù)罩等。
根據(jù)卡曼渦街工作原理,通過(guò)漩渦發(fā)生體產(chǎn)生漩渦,傳感器測(cè)量漩渦頻率,主要采用壓力傳感器進(jìn)行測(cè)量,通過(guò)檢測(cè)信號(hào),再通過(guò)放大器,信號(hào)顯示并遠(yuǎn)程傳輸至DCS系統(tǒng),就可以計(jì)算出流體的流速及流量,整個(gè)測(cè)量過(guò)程可靠程度高。
4優(yōu)點(diǎn)和局限性
4.1優(yōu)點(diǎn)
(1)渦街流量計(jì)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單牢固,一體化安裝無(wú)可動(dòng)機(jī)械零件,安裝方便,水平或垂直安裝均可,維修費(fèi)用低;
(2)信號(hào)輸出與實(shí)際體積流量成正比,測(cè)量幾乎不受流體參數(shù)(溫度、壓力、密度和粘度等)變化影響;
(3)精度較高(±0.5 %~±1 %),測(cè)量范圍寬(10: 1),?壓力損失小;
(4)儀表系數(shù)和管道形狀尺寸有關(guān),傳感器不接觸介質(zhì),校驗(yàn)后可以適用各種流體。
4.2局限性
(1)不適用于低雷諾數(shù)測(cè)量(ReD=2x104),故在高粘度、低密度、低流速、小口徑情況下應(yīng)用受到限制。
(2)對(duì) 管道機(jī)械振動(dòng)較敏感,抗振能力差,不宜用于強(qiáng)振動(dòng)場(chǎng)所,需要增加防振措施。
(3)當(dāng)介質(zhì)為粘附流體時(shí),檢測(cè)元件易受流體中的污物及顆粒的影響。
(4)熱敏測(cè)量元件適用溫度低于200℃,標(biāo)準(zhǔn)型壓力等級(jí)低于6.4 MPa.
5流體適用范圍
渦街流量計(jì)對(duì)于大多數(shù)流體都是適用的,針對(duì)一些特殊的流體,需要考慮流體的特性對(duì)流量計(jì)的干擾及影響,下面根據(jù)不同流體的適用范圍進(jìn)行描述:
5.1低雷諾流體
渦街流量計(jì)不適用于測(cè)量低雷諾數(shù)(Re≤2x104的流體。流體處于低雷諾數(shù)時(shí),斯特勞哈爾數(shù)Sr隨著雷諾數(shù)而變,儀表線性度變差,流體粘度高會(huì)顯著影響甚至阻礙旋渦的產(chǎn)生,選型的一個(gè)適用條件是在使用于臨界限雷諾數(shù)之上。
5.2含固體微粒流體
雖然適用的流體比較廣泛,但對(duì)于含固體微粒的流體要注意。固體微粒對(duì)漩渦發(fā)生體沖刷會(huì)產(chǎn)生無(wú)關(guān)的噪聲,從而磨損漩渦發(fā)生體,可在上游安裝過(guò)濾器或?qū)x表定期校驗(yàn)。
5.3氣液兩相流體
對(duì)于含分散、均勻的微小氣泡,但容積含氣率應(yīng)小于7 %的氣、液兩相流,若超出2 %就應(yīng)對(duì)儀表系數(shù)進(jìn)行修正。對(duì)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(duì)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(jié)垢流體
對(duì)于易結(jié)垢的流體,污垢會(huì)附著漩渦發(fā)生體表面,影響其形狀和尺寸,從而使儀表系數(shù)發(fā)生變化,需要定期清洗污垢:采用取壓孔或插入式檢測(cè)元件感應(yīng)漩渦,.-旦介質(zhì)雜質(zhì)嵌入縫隙,對(duì)信號(hào)造成干擾和不穩(wěn)定,影響其測(cè)量精度。
5.5氣體或者蒸汽
在測(cè)量氣體或者蒸汽時(shí),一定要考慮溫度和壓力補(bǔ)償問(wèn)題,將工況下的流量轉(zhuǎn)換成質(zhì)量流量或標(biāo)況體積流量,--般補(bǔ)償由DCS控制系統(tǒng)通過(guò)專用補(bǔ)償功能模塊實(shí)現(xiàn)。
6安裝要求
6.1 安裝方式
渦街流量計(jì)分為法蘭式、夾持式和插入式,優(yōu)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(shè)計(jì)和選型都很完美,若安裝不合理,同樣會(huì)影響測(cè)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(yùn)行的最佳環(huán)境是至關(guān)重要的。
渦街流量計(jì)在管道上可以水平、垂直或傾斜安裝,但測(cè)量混相流體時(shí),測(cè)量精度得不到保障,需保證測(cè)量流體充滿管道,避免產(chǎn)生混相流,根據(jù)混相流體的特點(diǎn),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(jì)必須在穩(wěn)定的流束場(chǎng)內(nèi),有一.定的直管段要求,直管的長(zhǎng)度會(huì)影響精度,必須保證上、下游直管段有一定的長(zhǎng)度,通常是.上游直管段>10D,下游直管段> 5D,還要結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)安裝情況進(jìn)行調(diào)整,如果_上游有彎頭或者閥門,直管段相應(yīng)的需要加長(zhǎng),具體的安裝要求如圖4所示。
管道振動(dòng)是工業(yè)生產(chǎn)中的普遍現(xiàn)象,如泵產(chǎn)生的流體壓力脈沖,大幅度的開關(guān)閥門引起的負(fù)荷突變等,由于所形成的振動(dòng)干擾對(duì)檢測(cè)是不利的,嚴(yán)重時(shí)會(huì)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(jì)對(duì)振動(dòng)很敏感,振幅通常是<3%,目前一些渦街流量計(jì)采用質(zhì)量平衡傳感系統(tǒng)和自適應(yīng)數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)(ADSP),提供極佳的抗振性能,但是不能從根本解決消除振動(dòng)0。為了避免管道振動(dòng),在儀表傳感器上下游2D管道處設(shè)置管道支撐緊固或固定架,并設(shè)置防振支座和防振墊。
在項(xiàng)目施工安裝過(guò)程中,渦街流量計(jì)應(yīng)該在管道清洗及吹掃后再安裝,對(duì)于連續(xù)生產(chǎn)的管線建議安裝旁路,開車時(shí)物料走旁路運(yùn)行一段時(shí)間,待介質(zhì)干凈后再開表,防止管道內(nèi)焊渣等異物對(duì)傳感器造成損壞。對(duì)于需要調(diào)節(jié)的管道,調(diào)節(jié)閥一般安裝在流量計(jì)后方,避免出現(xiàn)射流的情況;對(duì)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(jì)的安裝方式,對(duì)測(cè)量的準(zhǔn)確性會(huì)得到很大的提高。
6.2故障及維護(hù)
渦街流量計(jì)是-種免維護(hù)儀表,可長(zhǎng)期穩(wěn)定可靠運(yùn)行,實(shí)際應(yīng)用中很多問(wèn)題來(lái)自安裝方式不合理,針對(duì)產(chǎn)生不同現(xiàn)象分析原因,在項(xiàng)目建設(shè)和生產(chǎn)過(guò)程中,還會(huì)遇到更多的問(wèn)題,需要慢慢發(fā)掘后分析原因并找到解決方案,現(xiàn)列舉目前渦街流量計(jì)在安裝及運(yùn)行過(guò)程中常見的一些問(wèn)題及其處理方法,如表1所示。
7應(yīng)用案例
DMF是一種常見的溶劑,在化工應(yīng)用比較多,而且回收量也比較大,一般采用精餾連續(xù)回收方式,要求控制進(jìn)出料和回流量,這樣對(duì)流量計(jì)選型有一-定要求,在DMF回收項(xiàng)目中,DMF采用精餾方式回收,其中對(duì)設(shè)計(jì)量需要正確的計(jì)量和控制,由于項(xiàng)目前期沒有選擇合適的流量計(jì),導(dǎo)致精餾塔運(yùn)行過(guò)程中不穩(wěn)定,后來(lái)停車排查分析原因,找到問(wèn)題是部分流量計(jì)的選型不合理。
DMF回收工藝過(guò)程為: DMF原料進(jìn)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(xiàng)目運(yùn)行一段時(shí)間后,部分流量計(jì)顯示不正常,波動(dòng)性比較大,針對(duì)存在的問(wèn)題對(duì)流量計(jì)進(jìn)行改造更換,最終將部分流量計(jì)換成渦街流量計(jì),DCS可以正常顯示,流量測(cè)量曲線更穩(wěn)定,波動(dòng)性更小,生產(chǎn)可以正常穩(wěn)定運(yùn)行,渦街流量計(jì)在該DMF回收項(xiàng)目中發(fā)揮其重要作用,項(xiàng)目如期正常運(yùn)轉(zhuǎn),主要的改進(jìn)點(diǎn)分析如下。
脫水塔釜采出流量計(jì)(F103)之前采用轉(zhuǎn)子流量計(jì),由于轉(zhuǎn)子流量計(jì)測(cè)量的波動(dòng)性比較大,而且浮子經(jīng)常容易卡死,測(cè)量誤差偏大,使用效果不佳,經(jīng)過(guò)改造后換成渦街流量計(jì)后,流量顯示更穩(wěn)定可靠。
DMF精制塔回流流量計(jì)(F104)輸送介質(zhì)的主要成分是DMF,之前采用電磁流量計(jì)一直顯示不正常,一直沒找到原因,后來(lái)取樣測(cè)電導(dǎo)率<5 us/cm,?沒有達(dá)到電磁流量計(jì)電導(dǎo)率最低要求指標(biāo),后來(lái)?yè)Q成渦街流量計(jì)后,流量可以正常顯示。
DMF精制塔塔釜流量計(jì)(F105)之前采用渦輪流量計(jì),由于內(nèi)部采用葉輪機(jī)械零件,隨著使用時(shí)間長(zhǎng),渦輪葉片經(jīng)常會(huì)卡死,流量顯示不正常,需要經(jīng)常拆下維修清理,改造后換成渦街流量計(jì),設(shè)備運(yùn)行穩(wěn)定,故障率比較低。
整個(gè)DMF回收車間經(jīng)過(guò)改造后,采用渦街流量計(jì)替代了部分流量計(jì),更新后的DMF回收工藝流程的PFD圖如圖6所示。
通過(guò)上述項(xiàng)目案例分析,可以判斷不同類型的流量計(jì)適用于不同的場(chǎng)合,要根據(jù)流體特性來(lái)選擇合適的流量計(jì)。在DMF回收工藝中,渦街流量計(jì)發(fā)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(shù)。只要對(duì)流量計(jì)的性能和特點(diǎn)全面掌握,在實(shí)際生產(chǎn)中才能應(yīng)對(duì)自如并解決問(wèn)題。
8結(jié)束語(yǔ)
在眾多的流量計(jì)中,渦街流量計(jì)是-.種經(jīng)濟(jì)實(shí)用的流量計(jì),可在很寬的流量范圍內(nèi)測(cè)量流體。基本性能處于中等偏上水平,購(gòu)置費(fèi)低于電磁式、質(zhì)量式、容積式等,而安裝、長(zhǎng)期處于復(fù)雜的環(huán)境中,應(yīng)充分分析導(dǎo)致其腐蝕的原因采取合理有效的防腐措施來(lái)減少腐蝕的程度,進(jìn)而延長(zhǎng)其使用壽命,提高電力系統(tǒng)運(yùn)行的安全性,在提出表面防腐措施的同時(shí)考慮節(jié)能技術(shù)以及材料的經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行實(shí)施方案,對(duì)于燃煤電廠電力系統(tǒng)本身更具普遍價(jià)值。
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