摘要：介紹空分裝置中液氧、液氦流量采用渦街流量計測量的方法,探討使用現狀的優點,對不能測量較大流量以及渦街流量計小信號切除量較大的問題進行相關應用分析,對空分裝在產品核算、經濟效益分析、可靠運行的方面具有一定幫助。
目前，化工行業很多生產現場所使用的流量計選型不夠合理,有的存在安裝錯誤,造成計量誤差過大,還有些不能滿足生產或產品交接計量的需要,流量計是化工企業最常用的儀表。但僅靠經驗或單純考慮購置費進行選型，可能會失去選擇最適合儀表的機會。由此可見,正確選擇和使用流量計并非易事。要正確、有效地選擇合適的流量計,必須考慮5個方面的因素,即性能要求、介質物性、安裝要求、環境條件和費用。
煤基烯烴項目建設的空分裝置生產氣氧、氣氮、儀表空氣、工廠空氣、液氧和液氮。通過對該裝置的液氧、液氮產品流量計的使用情況進行摸索研究,從儀表測量原理出發,進行必要的分析和研究,并進行觀察評估,對實施效果:提出推廣建議,從而進一步提高管理和維護水平,使該裝置產品交接計量向更穩定、更可靠的方向發展。
1空分裝置液氧、液氨渦街流計使用現狀
1.1產品流量的測量方法
一般情況下,煤化工配套的空分裝置都較大,液氮、液氧產品在工藝系統負荷較低時可以作為產品銷售。為了準確測量這兩股產品的流量,保證貿易交接的準確性,考慮到這兩股產品低粘度、低溫,產品管線口徑小(僅為DN25mm), 以及一次儀表需安裝于冷箱內隔箱而變送器需要安裝于冷箱外部的特點,項目最初選用了分體式渦街流量計配以轉換器來測量液氮、液氧流量。
1.2渦街流量計測量液氧、液氮流量
1.2.1測量原理.
渦街流量計是一種典型的速度式流量計,可檢測Re在5 x103~7 x106范圍內的液體、氣體、蒸汽流體的流量。漩渦分離的穩定性受漩渦發生體上游流場畸變、漩渦流等的影響，所以安裝儀表應根據上游阻流件的不同形式,配備不同長度的上、下游直管段,或安裝流動調整器,為渦街流量計提供良好的流場條件,消除流場對儀表的不利影響。渦街流量計是應用流體振蕩原理來測量流量的,流體在管道中經過渦街流量變送器時,在三角柱的漩渦發生體后上下交替產生正比于流速的兩列漩渦,稱為卡曼漩渦。單側漩渦的釋放頻率與流過漩渦發生體的流體平均速度及漩渦發生體特征寬度有關,表示為":
f=(Srxv)/d
式中
d一漩渦發生 體特征寬度,m;
f一漩渦 的釋放頻率,Hz;
Sr一斯特勞哈爾數,無量綱， 它的數值范圍為0.14 ~0.27;
?一流過漩渦發生體的流體平均速度，m/s。
Sr是雷諾數的函數,Re與Sr的關系為Sr =f(l/Re),如圖1所示。
由上式可知，在斯特勞哈爾數Sr為常數時,流量qv與單側漩渦產生的頻率?成正比。
當雷諾數Re在102~ 105范圍內時,Sr值約為0.2,因此,在測量中要盡量保證流體的雷諾數在102~ 105 ,漩渦頻率?=0.2×?/d。由此可知，通過測量漩渦頻率就計算出流過漩渦發生體的流體平均速度u,再由式qv = ? ×A0求出流量qv,其中A。為流體流過漩渦發生體的截面積。
1.2.2渦街流量計測量空分裝置液氮、液氧的優劣
通過觀察裝置開車后近一年的使用情況，發現在這兩股產品處使用渦街流量計各存在一些優缺點。
1.2.2.1 優點
渦街流量計結構簡單牢固,安裝維護方便,測量元件直接安裝于管道上,克服了管路的泄漏現象。可根據測量對象選擇相應的檢測方式,儀表的適應性強。非常適用于干凈介質流體和部分混相流體。與其他脈沖輸出型流量計相比,渦街流量計的儀表系數K較低,且隨儀表測量管徑D的增大儀表系數K近似以直徑比的3次方速率下降(表1)。
選擇流量計的通徑應按被測管道使用的流量范圍和被選流量計的上、下限流量來選配,而不是簡單地按管道通徑選用。通常設計管道流體最大流速是按經濟流速來確定的,流速選擇過低,則管徑粗、投資大;而流速過高則輸送功率大,增加運行費用21。大部分流量計上限流量的流速接近或略高于管道經濟流速,因此流量計通徑與管徑相同的可能性較大,安裝比較方便,如不相同也不應.相差太多,一般相鄰一檔規格,采用變徑管連接'。
若采用標準孔板流量計來測量液氮、液氧的流量存在一些不足之處，如:壓力損失較大;導壓管、三(五)閥組及連接接頭容易泄漏;導壓管、取壓口易堵塞;量程范圍小,一般為3:1,對流量波動較大易造成測量值偏低;液氮、液氧溫度較低，需要采取復熱措施由液態恢復為氣態才可測量，否則易凍結。
量程比相對較寬，可達10:1或20: 1。使用的情況是實際最小流量可測到200Nm'/h,最大可測到1 865Nm'/h及以，上。實際情況是最大流量在閥門僅65%開度時就達到了100% ,最小流量僅可測到325Nm3/h,尤其上、下極限測量時基本很難用好。大多數渦街流量計具有較好的線性度,渦街流量計理論最大量程比可達300:1以上。但由于檢測元件的靈敏度、儀表的壓力損失及其他方面的限制,要達到這么高的量程比是非常困難的。因此實際大多數的渦街流量計的量程比僅為10:1以上,有的可達到20:1甚至30:1。而其他的流量計如差壓流量計,卻沒有這么寬的量程范圍。一般的渦街選型,都會把所測流量范圍放在其全量程的5%~60%這個范圍內,如果要求的量程太寬,就必須把常用流量放在這個范圍的合適位置以選型。這樣選型出來的渦街才會好用、穩定,精度才能得以保障.
渦街流量計屬測量精度中等偏上的流量計,通常測量液體的精度為土(0.5% ~1.0%),測量氣體的精度為土(1.0% ~1.5%),這種精度比渦輪流量計科氏力質量流量計低,但與傳統的差壓流量計、浮子流量計相比,測量精度較高2]。考慮到這兩股產品既要計量總流量,又要應用在流量控制系統中，流量計精度的確定要在整個系統控制精度要求下進行，因為整個系統不僅有流量檢測的誤差,還包含有信號傳輸、控制調節等環節的誤差和各種影響因素,對測量儀表確定過高的精度是不合理和不經濟的,因此綜合精度、經濟性一同考慮是選型的要素之一。
正常情況下壓損約為孔板流量計的1/4~1/2，但內縮徑渦街流量計不適用于此處。近似的長期.壓損( PPL)計算公式為
以液氮產品為例，經過計算，DN25mm的渦街流量計適用于此處,圖2為液氮DN25mm渦街流量計性能對照圖。從圖2可以看出，在保證精度的情況下,壓損是相當小的。
輸出與流量成正比的脈沖信號,適用于總量計量,無零點漂移[4。在一定雷諾數范圍內,輸出頻率信號不受流體物性(密度、粘度)和組分的影.響,即儀表系數僅與漩渦發生體和管道的形狀尺寸有關,只需在一種典型介質中校驗而適用于各種介質。在各種流量計中渦街流量計是一種較有可能成為僅需干式校驗的流量計。
對流量變化在一定的雷諾數范圍內，漩渦分離的頻率僅與流體工作狀態下的體積流量成正比;而對被測流體壓力、溫度、粘度和組分變化不敏感。因此，在幾何相似和動力相似條件下，渦街流量計可用一種典型介質(如水或空氣)標定，就可確定它的儀表系數，并可在其他介質中使用。渦街流量計的這一特點，對生產廠和用戶提供了很大的便利。對用于高壓氣體的渦街流量計，使用常壓條件下標定的儀表系數，用戶完全可以放心，生產廠不必為沒有高壓標定設備而憂慮;用于氣體的渦街流量計，也可在水流量標準裝置中校驗，提高標定精度。渦街流量計這一特點，為它實現干標定、發生體標準化提供了有利條件。
通常渦街流量計的儀表系數K是通過液體或氣體流量校準裝置在常溫、常壓條件下標定后確定的。如果儀表用于高溫流體(例如蒸汽)或低雷諾數區域的流量測量時,還照用實驗室標定的儀表系數的話,則會產生一定的測量偏差。因此,當儀表的工作條件偏離標定條件較遠時,需對該系數進行修正。
儀表標定時,根據校準裝置給出的標準流量、流體密度ρ、粘度μ和被測渦街流量計輸出的頻率,計算出儀表系數K和對應的雷諾數。先進行雷諾數Re>2 x 104的各流量測試點的標定,再進行Re≤2x104各點流量的標定。然后算出Re>2x104各流量測試點的平均儀表系數K,以K作為標準儀表系數,再分別計算Re<2x104各流量測試點的儀表系數Ki與K的比值E作為雷諾數修正系數,這樣就得到與表2相似的各雷諾數所對應的修正系數，然后把這些數據寫人儀表中。
1.2.2.2缺點
渦街流量計小信號切除量較大,使下限流量不能太低，因此不能滿足較小流量測量的要求。渦街流量計的下限流量受雷諾數和檢測元件靈敏度的制約。
雷諾數的影響。渦街流量計不適用于低雷諾數測量(Re≥2 x104),故在高粘度、低流速、小口徑情況下應用受到限制。大多數渦街流量計的下限雷諾數為(1 ~2) x104 ,只有當儀表工作在下限雷諾數以.上區域時,斯特勞哈爾數Sr或儀表系數K才進人平直區,儀表也才能進人線性工作區域，否則當雷諾數Re低于渦街流量計線性工作區的臨界雷諾數時,儀表系數K將出現嚴重的非線性,產生非線性誤差。在粘度高、口徑小的工作條件下工作的渦街流量計，下限流量不能太低。以液氮產品為例,經過計算,DN25mm的渦街流量計所測流量為全量程流量的15%及以下時,流速下降迅速,已經不能保證精度了， 即使滿足了可測量程上限的要求也滿足不了可測較小流量的需要(表3)。
另外,從圖3還可以清楚地看到,流量達到量程上限以后精度和壓損明顯呈比例上升。這也就不難解釋為什么渦街流量計往往未用到全量程就很難用好了
檢測元件靈敏度的限制。漩渦強度越強對信號檢測越有利。而漩渦強度與流速平方是成正比的，所以在量程下限的低速區，漩渦信號很微弱，能否有效地檢測出漩渦信號,取決于檢測元件的靈敏度[2]
受以上兩方面因素的制約，渦街流量計的下限流速不能太低，這點可以參考表3。一般情況下,測量液體流量時,下限流速為0.3 ~0. 5m/s;測量氣體時下限流速為3.0 ~5.0m/s。不能采用內縮徑渦街流量計測量較小流量，否則無法保證流體的穩定狀態，畢竟渦街靠的是穩流才能準確測量,內縮徑多少會造成壓損增加,影響渦街的測量,尤其測到70%以上很難保證精度,特點是精度隨流量增大而產生偏差。
正常情況下渦街流量計壓損僅比差壓流量計小(約為孔板流量計1/4~1/2),但是由于這兩股產品的正常壓力都在0.5MPa以下，因此測量值達不到精度偏離點就壓損太高無法使用了。以液氮產品為例,經過計算,DN15mm的內縮徑渦街流量計不適用于此處，流量為全量程50%及以上時,壓損上升迅速,如圖4所示。但是優點是可以滿足較小流量測量的需要,這時幾乎沒有壓損(表4)。.
2結束語
對空分裝置的液氧、液氮產品流量測量結合實際使用情況進行了研究與分析,對其測量原理技術難點以及優缺點等進行了全面的統計、綜述和評價。當然對于量程比適中、只保證流量上限其中一端即可的液氧、液氮產品流量測量,使用這類低溫型分體式渦街流量計還是相當可靠的。
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