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  涡街流量计测量热解气选型设计
  发布时间:2018-07-09

摘要涡街流量计因其仪表系数与流体特性无关、精度高、宽量程比和低压损等优点,在化工领域的应用越来越广。以热解分级炼制新工艺对煤及液化残渣进行炼制利用中的产品之一热解气为例,介绍涡街流量计的选型设计。
  我国低阶煤资源储藏丰富,占可采储量40%以上。然而它的高效利用一直是业内努力攻克的难题。低阶煤含水量高,热值低,机械强度低,化学稳定性差。为此,北京低碳清洁能源研究所承担国家高技术研究发展计划项目课题“煤分级炼制清洁燃料关键技术研究”,采用热解分级炼制新工艺对煤及液化残渣进行炼制利用,在温和的条件下对原料进行加工处理,分步骤地将其中有用的成分充分提取出来,得到的产品之一为热解气,去除焦油后的热解气组成见表1,本工程中采用涡街流量计对其进行测量。

1涡街流量计概述
  涡街流量计是20世纪70年代发展起来的一种新型流量仪表,80年代制定了涡街流量计专业标准(ZBN12008-1989)和检测规程(JJG620-1989)。涡街流量计目前已发展成为主流流量仪表之一,因其有诸多优点,吸引了国内外众多研究者和企业的关注。研究者从多方面对其进行深入的研究:①旋涡发生体的研究[1,2];②压电传感器探头位置的研究[3];③数字信号处理方法的研究[4];④涡街信号检测方法的研究[5];⑤数值仿真方法的研究[6]
  在众多流量计中,涡街流量计的安装、运行、维护费低于节流式、容积式等,购置费低于容积式、质量式等,是一种实用性和经济性都较好的流量计,受到用户广泛欢迎。该流量计优点如下:
(1)在一定雷诺数Re范围内(2×104~2×106),输出频率信号不受流体物性(密度、粘度)和组分变化影响,即仪表系数仅与旋涡发生体的形状尺寸及管道的形状尺寸有关,可以在一种典型介质中校验而适用于各种介质。
(2)精确度较高(与差压式、浮子式流量计比较)。
(3)量程比可达10∶1或20∶1,目前已有厂家在研制适用于气体测量能达到80∶1的涡街流量计。
(4)压损小(约为孔板流量计的25%~50%),大幅度降低能耗。
(5)结构简单牢固,安装维护方便。
(6)使用范围广,可测量液体、气体、蒸汽和部分混相流体。
2涡街流量计的参数计算
2.1工作状态和标准状态下的体积流量换算
  涡街流量计的输出信号是与工作状态的体积流量成正比例,气体的体积流量受温度、压力影响较大,在流量计选型时,若提供的流量是标准状态下的体积流量或质量流量,应把它换算成工作状态下的体积流量。
qV=qn(PnTZ/PTnZn)?????? (1)
式中,qV、qn分别为工作状态和标准状态下的体积流量,m3/h;P、Pn分别为工作状态和标准状态下14的绝对压力,Pa;T、Tn分别为工作状态和标准状态下的热力学温度,K。
2.2雷诺数、压力损失和背压的计算
  在涡街流量计选择流量计通径时,主要是对流量下限值进行核算雷诺数,最小雷诺数不应低于下限雷诺数,即雷诺数Re≥2×104。在测量介质为液态时,还应检查最小工作压力是否高于工作温度下的饱和蒸汽压,即是否产生气穴现象。
(1)雷诺数Re是一个表针流体惯性力与粘性力之比的无量纲量:

式中,Q为体积流量,m3/h;D为流量计内径,mm;v为运动粘度,m2/s。
(2)压力损失:选择流量计时,通常可能会对流量计的通径进行适当缩小,以取得较大的流速和合适的流量量程。但是如果缩径过于严重,可能会导致较大的压力损失,能耗会增加,因此在选择流量计的通径时,也需要适当考虑压力损失,尽可能减小压力损失。压力损失△P计算:
△P=1.1×10-5ρ·V2????????????? (3)
式中,△P为压力损失,kg/m2;ρ为流体密度,kg/m3;V为流速,m/s。
(3)背压:测量液体的流量时,要确认工艺管道的压力对于较小的公称通径而言有足够大的背压,避免气穴产生。流量计下游的管道压力应满足:
P≥2.7△P+1.3P0(4)
式中,P为流量计下游3.5~7.5D的最小管道压力,kg/cm2(A);P0为液体的饱和蒸汽压,kg/cm2。
(4)根据工艺要求及现场安装环境选择耐压、耐温等级、防护等级、防爆等级、输出信号等。
3测量热解气的涡街流量计的选型设计
  热解气的组分如表1所述,其工艺参数:操作密度0.63kg/m3,运动粘度2×10-5m2/s,操作温度48.9℃,操作压力7.5kPa,管道DN80,最小流量50Nm3/h,正常流量100Nm3/h,最大流量150Nm3/h,仪表测量范围选择0~180Nm3/h。
  因为本装置为试验装置,在装置运行的过程中,业主可能会根据需要适当调整参数,因此选关键设备的工程可行性、优化工艺参数的关键参数之一,因此使用精度高一些的流量计也是有必要的;热解气的组分随着参数的调整也可能会发生变化,因此基于伯努利方程原理的,如孔板、喷嘴、阿牛巴、德尔塔巴、平衡式等都不能很好的测量,因为这类流量计受流体物性(密度、粘度)和组分变化影响,且最终的热解气产品或多或少都有焦油的存在,时间长了可能堵塞流量计。楔式流量计带自清洁的功能,如果采用法兰取压,变送器采用隔膜密封式变送器,其受焦油的影响较小,楔式流量计的计算结果分别见图1和图2。


  当H/D比为0.2时,其压力损失达到4kPa,已经大于操作压力的一半,此种方案不可取,当H/D比为0.3时,其压力损失为1.09kPa,可以接受,但最小流量时的差压只有0.11kPa,甚至正常流量时的差压也只有0.45kPa,由于采用的是隔膜密封式变送器,此时的精度无法保证;另一类是基于线性连续方程原理的,如涡街流量计、质量流量计等,考虑到本装置为一个实验装置,质量流量计价格昂贵,因此综合考虑介质和装置的特殊性、压损、精度和费用等因素,本工程中选用涡街流量计测量热解气的流量。
由式(1)可得最小流量对应的工作状态下的体积流量:

由上述计算结果可知,当流量计缩径至DN40时,雷诺数即可满足要求。
按式(3)可以核算下DN50和DN40口径下的最大压损:
DN50时:
△P=1.1×10-5×0.63×262=4.7×10-3kg/m2=0.46kPaDN40时:
△P=1.1×10-5×0.63×402=11.1×10-3kg/m2=1.09kPa
利用横河公司计算软件计算出来的结果见图3。
涡街流量计口径核算图示
  从图3可见,出流量计口径为DN80时,最小流量无法测量;流量计口径缩径至DN50时,最小流量可测(此时流体的雷诺数非常接近2×104),但此时的测量精度稍微差些;流量计口径缩径至DN40时,最小流量可测,且精度也能得到保证。用上述公式计算的压损与软件计算出来的也基本一致,差别来自计算时流速及流量计口径均采用的是估算值。如果流量计缩径至DN25时,流量计的压损已经达到7.6kPa,压损较大,无法满足工艺要求。因此选择DN40口径的流量计能满足要求。对于DN50口径的方案,如果流量大于54Nm3/h时,流量计的精度为此款流量计的最佳精度,为1.0%,当流量为50Nm3/h时,此时流量可测,只是精度稍差些,约为1.81%,但流量计的压损会小很多,从节能降耗方面考虑,选择DN50口径的流量计也是可以的。综上,选择DN40和DN50口径的涡街流量计都能满足要求。
  操作温度为48.9℃,没有特殊性,选择普通的涡街流量计即可;根据现场情况,流量计为露天安装,防护等级选择IP65即可;根据《爆炸危险环境电力装置设计规范》GB50058-2014,本装置中各介质所在组别属于危险物料,见表2。因此仪表的防爆标志选择ExiaⅡCT4Gb即能满足要求。根据项目统一要求输出信号选择为4~20mA+HART。

  至此,涡街流量计的选型已完成,但考虑到热解气中焦油的存在,选择涡街流量计时,需要注意:①不能选用因为技术需要而在涡街流量计中设计了小孔结构的流量计,因为焦油有可能堵塞这些孔,从而失去其原有的作用;②焦油有可能附着在旋涡发生体上,从而改变其结构,影响测量精度,因此需要采用带防粘附作用的发生体,另外考虑到热解气中焦油的含量较小,且由于旋涡的存在,其有剥离附着在发生体上的焦油的作用,因此认为其对测量精度的影响比较小。
4结语
  目前项目已经开车成功,涡街流量计现场使用效果特别好,在整个实验的过程中,都能很精确地测出热解气的流量,深受业主好评。现场的使用结果表明,在发生体带防粘附作用的情况下,低含量的焦油对流量计的测量精度影响不大。目前化工厂常用的流量计节流装置(孔板等),其受流体物性影响大,量程比一般只有3:1,且容易出现堵塞,直管段要求甚至高达50倍管径,另外导压系统还容易出现泄漏。涡街流量计因其仪表系数与流体特性无关(气液通用)、精度高、宽量程比和低压损等优点,是节流装置的理想替代品,但只有正确设计、正确选型以及正确安装的条件下才能发挥其应有的作用。

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