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渦街流量計(jì)測量熱解氣的選型設(shè)計(jì)

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蘇州華陸儀器儀表有限公司

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產(chǎn)品簡介

渦街流量計(jì)測量熱解氣的選型設(shè)計(jì)，渦街流量計(jì)因其儀表系數(shù)與流體特性無關(guān)、精度高、寬量程比和低壓損等優(yōu)點(diǎn)，在化工領(lǐng)域的應(yīng)用越來越廣，以熱解分級煉制新工藝對煤及液化殘?jiān)M(jìn)行煉制利用中的產(chǎn)品之一熱解氣為例，介紹渦街流量計(jì)的選型設(shè)計(jì)。

詳細(xì)介紹

渦街流量計(jì)測量熱解氣的選型設(shè)計(jì)，渦街流量計(jì)因其儀表系數(shù)與流體特性無關(guān)、精度高、寬量程比和低壓損等優(yōu)點(diǎn)，在化工領(lǐng)域的應(yīng)用越來越廣，以熱解分級煉制新工藝對煤及液化殘?jiān)M(jìn)行煉制利用中的產(chǎn)品之一熱解氣為例，介紹渦街流量計(jì)的選型設(shè)計(jì)。

我國低階煤資源儲藏豐富，占可采儲量40%以上。然而它的高效利用一直是業(yè)內(nèi)努力攻克的難題。低階煤含水量高，熱值低，機(jī)械強(qiáng)度低，化學(xué)穩(wěn)定性差。為此，北京低碳清潔能源研究所承擔(dān)國家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃項(xiàng)目課題“煤分級煉制清潔燃料關(guān)鍵技術(shù)研究"，采用熱解分級煉制新工藝對煤及液化殘?jiān)M(jìn)行煉制利用，在溫和的條件下對原料進(jìn)行加工處理，分步驟地將其中有用的成分充分提取出來，得到的產(chǎn)品之一為熱解氣，去除焦油后的熱解氣組成見表1，本工程中采用渦街流量計(jì)對其進(jìn)行測量。

1渦街流量計(jì)概述
渦街流量計(jì)是20世紀(jì)70年代發(fā)展起來的一種新型流量儀表，80年代制定了渦街流量計(jì)專業(yè)標(biāo)準(zhǔn)(ZBN12008－1989)和檢測規(guī)程(JJG620－1989)。渦街流量計(jì)目前已發(fā)展成為主流流量儀表之一，因其有諸多優(yōu)點(diǎn)，吸引了國內(nèi)外眾多研究者和企業(yè)的關(guān)注。研究者從多方面對其進(jìn)行深入的研究:①旋渦發(fā)生體的研究［1，2］;②壓電傳感器探頭位置的研究［3］;③數(shù)字信號處理方法的研究［4］;④渦街信號檢測方法的研究［5］;⑤數(shù)值仿真方法的研究［6］
在眾多流量計(jì)中，渦街流量計(jì)的安裝、運(yùn)行、維護(hù)費(fèi)低于節(jié)流式、容積式等，購置費(fèi)低于容積式、質(zhì)量式等，是一種實(shí)用性和經(jīng)濟(jì)性都較好的流量計(jì)，受到用戶廣泛歡迎。該流量計(jì)優(yōu)點(diǎn)如下:
(1)在一定雷諾數(shù)Ｒe范圍內(nèi)(2×104～2×106)，輸出頻率信號不受流體物性(密度、粘度)和組分變化影響，即儀表系數(shù)僅與旋渦發(fā)生體的形狀尺寸及管道的形狀尺寸有關(guān)，可以在一種典型介質(zhì)中校驗(yàn)而適用于各種介質(zhì)。
(2)精度較高(與差壓式、浮子式流量計(jì)比較)。
(3)量程比可達(dá)10∶1或20∶1，目前已有廠家在研制適用于氣體測量能達(dá)到80∶1的渦街流量計(jì)。
(4)壓損小(約為孔板流量計(jì)的25%～50%)，大幅度降低能耗。
(5)結(jié)構(gòu)簡單牢固，安裝維護(hù)方便。
(6)使用范圍廣，可測量液體、氣體、蒸汽和部分混相流體。
2渦街流量計(jì)的參數(shù)計(jì)算
2.1工作狀態(tài)和標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的體積流量換算
渦街流量計(jì)的輸出信號是與工作狀態(tài)的體積流量成正比例，氣體的體積流量受溫度、壓力影響較大，在流量計(jì)選型時，若提供的流量是標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的體積流量或質(zhì)量流量，應(yīng)把它換算成工作狀態(tài)下的體積流量。
qV=qn(PnTZ/PTnZn)(1)
式中，qV、qn分別為工作狀態(tài)和標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的體積流量，m3/h;P、Pn分別為工作狀態(tài)和標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下14的絕壓力，Pa;T、Tn分別為工作狀態(tài)和標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的熱力學(xué)溫度，K。
2.2雷諾數(shù)、壓力損失和背壓的計(jì)算
在渦街流量計(jì)選擇流量計(jì)通徑時，主要是對流量下限值進(jìn)行核算雷諾數(shù)，zui小雷諾數(shù)不應(yīng)低于下限雷諾數(shù)，即雷諾數(shù)Ｒe≥2×104。在測量介質(zhì)為液態(tài)時，還應(yīng)檢查zui小工作壓力是否高于工作溫度下的飽和蒸汽壓，即是否產(chǎn)生氣穴現(xiàn)象。
(1)雷諾數(shù)Ｒe是一個表針流體慣性力與粘性力之比的無量綱量:

式中，Q為體積流量，m3/h;D為流量計(jì)內(nèi)徑，mm;v為運(yùn)動粘度，m2/s。
(2)壓力損失:選擇流量計(jì)時，通?？赡軙α髁坑?jì)的通徑進(jìn)行適當(dāng)縮小，以取得較大的流速和合適的流量量程。但是如果縮徑過于嚴(yán)重，可能會導(dǎo)致較大的壓力損失，能耗會增加，因此在選擇流量計(jì)的通徑時，也需要適當(dāng)考慮壓力損失，盡可能減小壓力損失。壓力損失△P計(jì)算:
△P=1.1×10－5ρ·V2(3)
式中，△P為壓力損失，kg/m2;ρ為流體密度，kg/m3;V為流速，m/s。
(3)背壓:測量液體的流量時，要確認(rèn)工藝管道的壓力對于較小的公稱通徑而言有足夠大的背壓，避免氣穴產(chǎn)生。流量計(jì)下游的管道壓力應(yīng)滿足:
P≥2.7△P+1.3P0(4)
式中，P為流量計(jì)下游3.5～7.5D的zui小管道壓力，kg/cm2(A);P0為液體的飽和蒸汽壓，kg/cm2。
（4）根據(jù)工藝要求及現(xiàn)場安裝環(huán)境選擇耐壓、耐溫等級、防護(hù)等級、防爆等級、輸出信號等。
3測量熱解氣的渦街流量計(jì)的選型設(shè)計(jì)
熱解氣的組分如表1所述，其工藝參數(shù):操作密度0.63kg/m3，運(yùn)動粘度2×10－5m2/s，操作溫度48.9℃，操作壓力7.5kPa，管道DN80，zui小流量50Nm3/h，正常流量100Nm3/h，zui大流量150Nm3/h，儀表測量范圍選擇0～180Nm3/h。
因?yàn)楸狙b置為試驗(yàn)裝置，在裝置運(yùn)行的過程中，業(yè)主可能會根據(jù)需要適當(dāng)調(diào)整參數(shù)，因此選關(guān)鍵設(shè)備的工程可行性、優(yōu)化工藝參數(shù)的關(guān)鍵參數(shù)之一，因此使用精度高一些的流量計(jì)也是有必要的;熱解氣的組分隨著參數(shù)的調(diào)整也可能會發(fā)生變化，因此基于伯努利方程原理的，如孔板、噴嘴、阿牛巴、德爾塔巴、平衡式等都不能很好的測量，因?yàn)檫@類流量計(jì)受流體物性(密度、粘度)和組分變化影響，且zui終的熱解氣產(chǎn)品或多或少都有焦油的存在，時間長了可能堵塞流量計(jì)。楔式流量計(jì)帶自清潔的功能，如果采用法蘭取壓，變送器采用隔膜密封式變送器，其受焦油的影響較小，楔式流量計(jì)的計(jì)算結(jié)果分別見圖1和圖2。

當(dāng)H/D比為0.2時，其壓力損失達(dá)到4kPa，已經(jīng)大于操作壓力的一半，此種方案不可取，當(dāng)H/D比為0.3時，其壓力損失為1.09kPa，可以接受，但zui小流量時的差壓只有0.11kPa，甚至正常流量時的差壓也只有0.45kPa，由于采用的是隔膜密封式變送器，此時的精度無法保證;另一類是基于線性連續(xù)方程原理的，如渦街流量計(jì)、質(zhì)量流量計(jì)等，考慮到本裝置為一個實(shí)驗(yàn)裝置，質(zhì)量流量計(jì)價(jià)格昂貴，因此綜合考慮介質(zhì)和裝置的特殊性、壓損、精度和費(fèi)用等因素，本工程中選用渦街流量計(jì)測量熱解氣的流量。
由式(1)可得zui小流量對應(yīng)的工作狀態(tài)下的體積流量:

由上述計(jì)算結(jié)果可知，當(dāng)流量計(jì)縮徑至DN40時，雷諾數(shù)即可滿足要求。
按式(3)可以核算下DN50和DN40口徑下的zui大壓損:
DN50時:
△P=1.1×10－5×0.63×262=4.7×10－3kg/m2=0.46kPaDN40時:
△P=1.1×10－5×0.63×402=11.1×10－3kg/m2=1.09kPa
利用橫河公司計(jì)算軟件計(jì)算出來的結(jié)果見圖3。
渦街流量計(jì)口徑核算圖示

從圖3可見，出流量計(jì)口徑為DN80時，zui小流量無法測量;流量計(jì)口徑縮徑至DN50時，zui小流量可測(此時流體的雷諾數(shù)非常接近2×104)，但此時的測量精度稍微差些;流量計(jì)口徑縮徑至DN40時，zui小流量可測，且精度也能得到保證。用上述公式計(jì)算的壓損與軟件計(jì)算出來的也基本一致，差別來自計(jì)算時流速及流量計(jì)口徑均采用的是估算值。如果流量計(jì)縮徑至DN25時，流量計(jì)的壓損已經(jīng)達(dá)到7.6kPa，壓損較大，無法滿足工藝要求。因此選擇DN40口徑的流量計(jì)能滿足要求。對于DN50口徑的方案，如果流量大于54Nm3/h時，流量計(jì)的精度為此款流量計(jì)的*精度，為1.0%，當(dāng)流量為50Nm3/h時，此時流量可測，只是精度稍差些，約為1.81%，但流量計(jì)的壓損會小很多，從節(jié)能降耗方面考慮，選擇DN50口徑的流量計(jì)也是可以的。綜上，選擇DN40和DN50口徑的渦街流量計(jì)都能滿足要求。
操作溫度為48.9℃，沒有特殊性，選擇普通的渦街流量計(jì)即可;根據(jù)現(xiàn)場情況，流量計(jì)為露天安裝，防護(hù)等級選擇IP65即可;根據(jù)《爆炸危險(xiǎn)環(huán)境電力裝置設(shè)計(jì)規(guī)范》GB50058－2014，本裝置中各介質(zhì)所在組別屬于危險(xiǎn)物料，見表2。因此儀表的防爆標(biāo)志選擇ExiaⅡCT4Gb即能滿足要求。根據(jù)項(xiàng)目統(tǒng)一要求輸出信號選擇為4～20mA+HAＲT。

至此，渦街流量計(jì)的選型已完成，但考慮到熱解氣中焦油的存在，選擇渦街流量計(jì)時，需要注意:①不能選用因?yàn)榧夹g(shù)需要而在渦街流量計(jì)中設(shè)計(jì)了小孔結(jié)構(gòu)的流量計(jì)，因?yàn)榻褂陀锌赡芏氯@些孔，從而失去其原有的作用;②焦油有可能附著在旋渦發(fā)生體上，從而改變其結(jié)構(gòu)，影響測量精度，因此需要采用帶防粘附作用的發(fā)生體，另外考慮到熱解氣中焦油的含量較小，且由于旋渦的存在，其有剝離附著在發(fā)生體上的焦油的作用，因此認(rèn)為其對測量精度的影響比較小。
4結(jié)語
目前項(xiàng)目已經(jīng)開車成功，渦街流量計(jì)現(xiàn)場使用效果特別好，在整個實(shí)驗(yàn)的過程中，都能很精地測出熱解氣的流量，深受業(yè)主好評。現(xiàn)場的使用結(jié)果表明，在發(fā)生體帶防粘附作用的情況下，低含量的焦油對流量計(jì)的測量精度影響不大。目前化工廠常用的流量計(jì)節(jié)流裝置(孔板等)，其受流體物性影響大，量程比一般只有3:1，且容易出現(xiàn)堵塞，直管段要求甚至高達(dá)50倍管徑，另外導(dǎo)壓系統(tǒng)還容易出現(xiàn)泄漏。渦街流量計(jì)因其儀表系數(shù)與流體特性無關(guān)(氣液通用)、精度高、寬量程比和低壓損等優(yōu)點(diǎn)，是節(jié)流裝置的理想替代品，但只有正確設(shè)計(jì)、正確選型以及正確安裝的條件下才能發(fā)揮其應(yīng)有的作用。

關(guān)鍵詞：渦街流量計(jì) 儀表標(biāo)準(zhǔn) 壓電傳感器

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