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旋进流量计在石化装置中的应用
发布时间:2019-10-08

摘 要:旋进流量计是速度流量计的一种,基于漩涡进动原理。结合工程设计,针对几种气体和液体的流量计选型进行分析,分别研究了同一流量工况下不同流量计的适用性和优缺点,并得出下列结论:旋进流量计能够满足大部分所列出的流量工况,而且精度较高、量程范围较大、安装维护方便,但不适合低流速工况。
  在石化装置的工艺生产过程中,流量是一个非常重要的过程参数和监控对象,流量的测量显得尤为重要。随着流量检测技术的不断发展,可供选择的流量计很多。如何针对不同工况要求,选择合适的流量计来满足用户对精度、维护量、可靠性、经济性等要求。
  早期的旋进流量计在1967年由德国FISCHERPORTER公司发明。经过几十年的技术发展,此种类流量计已经从简单的、仅能测量气体流量的单一功能,发展到可以应用于气体、蒸汽和液体介质的流量测量,并且可以带温度、压力自动补偿,还可以进行流量累计计量[1]的多种功能。所输出的信号可以为支持HART协议的通讯信号、支持RS485通讯协议信号等。旋进流量计具有精度高、可靠性好、压力损失较小、对直管段要求短、安装维护方便等优点,可以适用于较为广泛的流量检测场合。
1结构及工作原理
1.1流量计的结构
  旋进流量计本体由漩涡发生体(起旋器)、壳体、压电传感器和整流器组成,如图1所示。
旋进流量计剖面结构如图2所示。
旋进漩涡流量计结构图
漩涡发生体(起旋器):螺旋状叶片安装在入口,用于产生漩涡流。
壳体:形状类似于文丘里管,用于产生二次漩涡。压电传感器:用于检测漩涡的振动频率。振动频率与流速成正比。
整流器:安装在流量计出口,用于消除漩涡流,减少对下游的影响。
旋进漩涡流量计剖面结构图
1.2工作原理[1-3]
  旋进流量计是速度流量计的一种,基于漩涡进动现象进行计量。流体进入漩涡发生体后产生剧烈的旋转运动形成漩涡流。漩涡流加速,沿流动方向经缩径段,流动强度增强。当漩涡流进入扩散段后,在导流体回流的作用下,该漩涡产生二次旋转运动,即漩涡进动。二次漩涡进动的频率与流体的流速成正比。因此漩涡的频率可以反映此流体的流速和流量大小。如果测量设备内部采用最佳的设计,漩涡的频率将在较宽的流量范围内呈线性。压电传感器测到此频率后,将信号传输到流量计传感器进行下游处理。
漩涡进动频率与介质流速成正比,与截流体几何尺寸成反比。

式中
f——漩涡进动频率;
St——斯特罗哈尔常数(通过实验得到的无因次数);
v——流速;
d——截流体因数(由截流体几何尺寸决定)。
以上公式可得出,测量出漩涡进动频率可测得流体流速和瞬时流量。
图3表示出斯特罗哈尔常数与雷诺Re的关系。曲线的线性区域对应的为旋进流量计的测量范围。

雷诺数(Re)的计算:
Re=?ρ?/(2827×V×D)
式中
ρ——工作密度,kg/m3;
V——运动黏度,m2/s;
D——管径,m。
2工程设计中的选型考虑
  工程设计中主要根据流量工况,按工艺要求(精度、测量范围、压力损失等),从适用性、可靠性、安装方便、经济性等方面考虑进行流量计的选型。本文列举的旋进流量计为某进口品牌产品,并有多种场合的应用。
2.1适用性方面的考虑
(1)流体介质旋进流量计适用于气体、蒸汽和液体介质。
(2)精度旋进流量计在最小雷诺数Remin和最大流量Qmax之间的线性范围测量精度为≤±0.5%。
(3)流速旋进流量计在测量介质时,要考虑流速不能过低(具体以厂家计算为准)。
(4)流量计口径市场上常见旋进流量计最大尺寸为DN400,最小为DN15。流量计口径的选择基于最大工作流量Qmax。建议最大工作流量应大于该口径允许量程一半时的流量。可以选择缩径,但最大工作流量不要低于该口径允许最大量程时流量的15%。
(5)材料的选择
a.测量管材料通常为不锈钢316/316L,HastelloyC。
b.内衬材料根据介质的腐蚀性、温度等要求来选择具体材料。
PTFE(-55~260℃)
石墨(-55~280℃)
Kalrez(-20~275℃)
2.2安装和应用
(1)被测介质的流动方向需要与流量计上的指示方向一致。
(2)避免管路的机械振动(如有必要,安装支架)。
(3)选择符合环境条件的流量计。流量计周围不能有强烈磁场干扰。
(4)输送设备的振动频率不得在流量计的测量频率范围以内。可以使用适当的阻尼装置减弱活塞泵或压缩机输送过程中的交替(脉动)流量。
(5)阀门通常布置在流量计的下游。如果通过活塞泵或压缩机输送测量介质(液体)压力10bar[145psi],当阀门闭合时,可能会产生液压振动,这时阀门必须安装在流量计上游,并且可能需要安装合适的阻尼装置(例如:空气罐)。
(6)流量计在测量液体时要避免气穴现象的产生。
(7)测量高温介质时
流量计在测量>150℃的高温介质时,传感器的安装必须是变送器朝向一侧或朝下,或者采用分体式安装。
(8)流量计传感器带保温层时,考虑保温层厚度,具体咨询厂家。
2.3直管段要求
  流量计安装直管段要求满足与否,直接影响流量测量的稳定性和精度。旋进流量计进出口直管段要求见表1。从表1可知,其直管段要求并不高,这一优势在旧装置扩容改造的应用中尤为突出。

2.4多探头的选择
  基于旋进流量计的漩涡特点,并在其本体尺寸允许的条件下,旋进流量计可以采用多探头的测量方式。这种选择为用户实现三取二流量联锁提供了经济可行的实施方案。
3应用分析
  适用于气体、蒸汽和液体介质测量的流量计有多种可选,在此选择精度较好的4种流量计与旋进流量计做对比,主要针对测量范围、精度和压损是否符合工艺条件进行对比分析。所选流量计如下,均为在国内外石化装置上有多年应用的国外产品。
旋进流量计(精度为液体±0.5%,气体±5%)
(精度为液体±0.75%,气体±0.9%)
涡街流量计科里奥利质量流量计(精度为液体±0.075%~0.1%,气体±0.5%)
热式质量流量计(精度为±0.5%,主要测气体介质)
电磁流量计(精度±0.5%,主要测量导电类液体)
  以上涡街流量计的精度低于其他流量计,但是也属于精度较好且常用的流量计。并且由于涡街流量计和旋进流量计的原理类似,在下列对比中涡街流量计的精度虽然不能达到本文所列的工艺条件,但可以对比涡街流量计和旋进流量计的测量范围和压损。
3.1气体测量
(1)当测量介质为氢气,工艺要求精度高时,不能低于±0.5%。市场上测量气体精度较好的流量计有热式质量流量计和科里奥利质量流量计(我们选择测量气体精度为±0.5%的产品),这里选择这2种流量计与旋进流量计做对比。表2为工艺条件,表3~表5为3种流量计的选型后的量程范围和压力损失,通过表6对比流量计是否满足工艺条件。



  通过以上对比,可知旋进流量计在流速大于一定值时,测量时的精度和流量范围可以与科里奥利质量流量计和热式质量流量计相媲美。但是在流速很小的情况下,旋进流量计与这两种流量计相比则逊色很多。
  这3种流量计在价格方面,科里奥利质量流量计是旋进流量计价格的3~5倍。热式质量流量计和科里奥利质量流量计针对不同工况下的应用选型,在价格方面各有优势。
(2)测量介质为气体(除氢气外)时,在此选择旋进流量计(精度为气体±0.5%)、涡街流量计(精度为气体±0.9%)和科里奥利质量流量计(精度为气体±0.5%)做对比分析,以下主要对比3种流量计的测量范围(3种流量计都为同一品牌产品)。表7为工艺条件,表8~表10为3种流量计的选型后的量程范围和压力损失,通过表11对比流量计是否满足工艺条件。

  通过列表可以看出旋进流量计在测量气体时,保证精度±0.5%的情况下,量程比较大,可以满足1∶30的量程比。
3.2测量介质为液体
  测量液体时,选择旋进流量计(精度为液体±0.5%)、涡街流量计(精度为液体±0.75%)、科里奥利质量流量计(精度为液体±0.1%)和电磁流量计(精度为液体±0.5%)进行对比分析。表12为工艺条件,表13~表16为3种流量计的选型后的量程范围和压力损失,通过表17的对比,可知流量计是否满足工艺条件要求。



  通过以上比较,可知旋进流量计在测量液体时也有很大的优势,量程比大,精度较高,还可以测量非导电类类液体。
在产品的价格方面,以涡街流量计的价格作为标准来衡量,科里奥利流量计(精度液体为±0.1%.气体±0.5%)是涡街的3~5倍左右,旋进流量计是涡街流量计的1.3~1.7倍左右,电磁流量计是涡街流量计的0.8~1倍左右(以上4种流量计价格均以同一厂家产品的价格作为基础)。
4结束语
  旋进流量计精度(±0.5%)较高,可以满足大多数应用场合的测量要求;可达1:30的量程比,满足宽测量范围的应用;直管段要求不高,在工艺装置配管紧凑的场合,应用优势明显。尤其在可实现多探头传感器应用方面,为安全仪表系统流量测量子系统的可靠性/可用性冗余架构设计提供了一种便利的实施方案,具有较为突出的优势。

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