摘要:介紹了多孔平衡流量計結(jié)構(gòu)、特點和工作原理。與傳統(tǒng)差壓式流量計相比,多孔平衡流量計具有精度高、直管段要求低、永久壓力損失少、耐臟污不易堵、長期穩(wěn)定性好、流量測量范圍寬.可測量高溫.高壓介質(zhì)等特點。可測管徑15~3000mm,直管段長度前0.5D~2D后0.5D~2D,精度等級可達(dá)0.3%~0.5%，量程比20:1~30:1。該流量計適合硫酸裝置副產(chǎn)蒸汽流量測量,既可確保精度,又能減少投資和運行維護(hù)費用。
在現(xiàn)代石油與化工裝置中,正確測量管道中介質(zhì)流量是很重要的。例如在硫酸裝置中,蒸汽流量是一個非常重要的工藝參數(shù),關(guān)系到整個系統(tǒng)的負(fù)荷核算及經(jīng)濟(jì)指標(biāo)的核算、標(biāo)定。因此,蒸汽流量測量儀表應(yīng)具備高的可靠性和測量精度。以孔板流量計、噴嘴流量計、文丘里流量計為代表的傳統(tǒng)差壓式流量計由于結(jié)構(gòu)簡單、安裝牢固、性能穩(wěn)定可靠，是目前世界通用的流量檢測儀表。但傳統(tǒng)差壓式流量計存在精度低、永久壓力損失大等缺點,并且直管段要求較長，通常為前10D~20D、后5D~10D(D為管道直徑)。一般直管段管徑都難以滿足此要求,尤其對于較大管徑的管道而言,問題就更為突出。某硫酸裝置設(shè)計中就遇到這樣的問題，蒸汽管道規(guī)格DN400。由于受空間限制,工藝配管過程中很難滿足流量計安裝的直管段要求,容易出現(xiàn)蒸汽計量不準(zhǔn)的狀況。采用了一種流量測量儀表一多孔平衡流量計及差壓變送器，很好地解決了蒸汽流量測量問題。在此簡單比較多孔平衡流量計與孔板流量計特點,為硫酸廠蒸汽流量測量用流量計的設(shè)計選型提供參考。
1多孔平衡流量計的功能和特點
多孔平衡流量計是一種新型的精度高差壓式流量計,它是在標(biāo)準(zhǔn)孔板流量計基礎(chǔ)上研發(fā)出的一種新型流量測量儀表。傳統(tǒng)孔板流量計只有一個流體節(jié)流孔，節(jié)流后流場平衡難以達(dá)到理想狀態(tài);而多孔平衡流量計設(shè)計有多個函數(shù)孔，能最大限度地將流場平衡調(diào)整為理想狀態(tài),從而將差壓式流量計的優(yōu)勢發(fā)揮到極致。多孔平衡流量計和標(biāo)準(zhǔn)孔板流量計的流場分布對比見圖1。
與傳統(tǒng)差壓式流量計一樣，多孔平衡流量計由引壓管、差壓變送器、流量傳感器組成。該流量計有以下特點:
a.線性度高,重復(fù)性好。多孔平衡流量計具.有對稱多孔結(jié)構(gòu)特點,能對流場進(jìn)行平衡,降低了渦流、振動和信號噪聲,流場穩(wěn)定性大大提高。多;孔平衡流量計線性度比孔板流量計提升了5~10倍,重復(fù)性提高了54%(可達(dá)0.1%)。經(jīng)實際流體標(biāo)定,多孔平衡流量計測量精度等級可達(dá)0.3%~0.5%,適用于需要控制全廠能耗的公用工程介質(zhì)流量的計量。
b.直管段長度要求低。多孔平衡流量計由于流場穩(wěn)定,并且壓力恢復(fù)比孔板流量計快2倍,因此大大所短了對直管段長度的要求。直管段長度一般為前0.5D~2D、后0.5D~2D,從而使安裝位置的選定較容易。因此,多孔平衡流量計現(xiàn)，場配管簡單，尤其適用于大口徑管道內(nèi)介質(zhì)的計量。
c.永久壓力損失少。多孔平衡流量計采用多孔對稱的平衡設(shè)計減少了紊流剪切力和渦流的形成,降低了動能的損失。在同樣的測量工況下，選用同樣差壓值,與孔板流量計相比,多孔平衡流量計永久壓力損失可降低1/3~1/2。因此,多孔平衡流量計是一種典型的節(jié)能型儀表。
d.耐臟污,不易堵。多孔平衡流量計多孔對稱的平衡設(shè)計大大降低了滯留死區(qū)的形成,保證臟污介質(zhì)順利通過多個孔,減小了流體孔被堵塞的機(jī)會。所以在較長的時間內(nèi)無須維護(hù)清洗,可以保證正確測量。而孔板流量計一般3個月須清洗一次才能保證較好的測量精度。
e.長期穩(wěn)定性好。多孔平衡流量計設(shè)計有多個流通孔，平衡流場大幅度降低了介質(zhì)與節(jié)流件直接的摩擦;孔邊緣結(jié)構(gòu)為直角,不易磨損,其直徑比β長期保持不變,大大延長檢定周期,節(jié)省檢定費用。整個儀表無可動部件,因此可長期保持穩(wěn)定性,使用壽命比傳統(tǒng)差壓式流量計長。
f.流量測量范圍寬。根據(jù)試驗結(jié)果,多孔平衡流量計通常量程比為10:1,某些場合選擇合適的參數(shù)可做到量程比20:1~30:1。根據(jù)試驗結(jié)果,流體流速可達(dá)到音速,流體雷諾數(shù)在200~1×107,直徑比β可選0.25~0.90。
g.可測量高溫、高壓介質(zhì)。與傳統(tǒng)差壓式流量計一樣,多孔平衡流量計的工作溫度壓力取決于管道和法蘭的材質(zhì)和等級。最高工作溫度可達(dá)850℃,最高工作壓力可達(dá)42MPa。
h.可測量復(fù)雜工況介質(zhì)。由于多孔平衡流量計特殊的結(jié)構(gòu)設(shè)計，可以進(jìn)行氣-液兩相介質(zhì)(如濕氣)、各種混合氣體(如瓦斯、沼氣、煤氣等).各種低溫氣體(如LNG、液氮、液氧、液氫、液氯、液化乙烯、液化石油氣等)及漿料、多相水.流、震動水流、電磁干擾介質(zhì)、雙向流介質(zhì)的測量。
2多孔平衡流量計的工作原理
多孔平衡流量計的工作原理與其他差壓式流量計一樣,都是基于密封管道中的能量轉(zhuǎn)換原理。即在理想流體的情況下管道中的流量與差壓的平方根成正比,用測出差壓值根據(jù)伯努利方程即可計算出管道中的流量。平衡流量傳感器是一個多孔的圓盤節(jié)流整流器,安裝在管道的截面上，每個孔的尺寸和分布是基于特殊的公式和測試數(shù)據(jù)而定制的,稱為函數(shù)孔。當(dāng)流體穿過圓盤的函數(shù)孔時,流體將被平衡整流,渦流被最小化，形成近似理想流體。通過取壓裝置可獲得穩(wěn)定的差壓信號,根據(jù)伯努利方程計算出體積流量和質(zhì)量流量。
式中:m一質(zhì)量流量,kg/s;
Ɛ一流束膨脹系數(shù);
d一工作條件下節(jié)流件孔徑,m;
C一流出系數(shù);
β一直徑比,β=d/D;
D一工作條件下上游管道內(nèi)徑,m;
ρ一被測流體密度,kg/m³;
△p一差壓,Pa;
Q一體積流量,m³/s。
3多孔平衡流量計與傳統(tǒng)差壓式流量計性能對比
多孔平衡流量計與傳統(tǒng)差壓式流量計性能對比情況見表1。
4多孔平衡流量計在硫酸裝置中的應(yīng)用
對濕氣(氣體中含有水分)的流體測量始終是流量測量中的一個難點。孔板流量計對濕氣產(chǎn)生阻擋,在孔板中央產(chǎn)生滴露;同時,管壁濕氣受到阻擋,流速減慢。正取壓口附近產(chǎn)生的凝露會影響取壓信號。濕氣流經(jīng)孔板,產(chǎn)生的渦流向管壁作波動性發(fā)散，也會影響負(fù)取壓口取壓信號。因此,濕氣對孔板的測量精度會產(chǎn)生較大的負(fù)面影響。而多孔平衡流量計四周有孔,使?jié)駳庵兴蟛糠炙畯南虏靠琢鬟^,從而避免了凝水,濕氣中少量水分對多孔平衡流量計取壓口千擾信號少,測量精度高。
硫酸裝置廢熱鍋爐產(chǎn)生蒸汽流量測量如果采用標(biāo)準(zhǔn)孔板流量計,一方面計量正確率不高;另一方面,開停車時,帶壓蒸汽沖擊凝水會產(chǎn)生水錘效應(yīng),嚴(yán)重時將使孔板沖擊變形。而采用多孔平衡流量計既可提高測量正確率,又可防止水錘效應(yīng)發(fā)生,避免孔板彎曲變形。
某硫酸裝置副產(chǎn)蒸汽參數(shù)為:最大流量10t/h,平均流量5.9t/h,工作壓力2.1MPa,工作溫度216℃,上游碳鋼材質(zhì)管道內(nèi)徑150mm。該蒸汽測量多孔平衡流量計和標(biāo)準(zhǔn)孔板流量計選型參數(shù)見表2。.
由表2可見，與標(biāo)準(zhǔn)孔板流量計相比,選用多孔平衡流量計壓力損失可減少12.4kPa,直管段長度可節(jié)省2.85m。在硫酸項目中,直管段長度增加除一次性投資費用增加外,管道施工、運行維護(hù)費用及土地占用都會增加。因此,蒸汽測量采用多孔平衡流量計既可確保精度,又能減少投資和運行維護(hù)費用。該流量計值得在蒸汽流量測量中推廣使用。
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