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  时间:2022-12-8 08:31:47

多孔平衡流量计在硫酸装置中应用

摘要:介绍了多孔平衡流量计结构、特点和工作原理。与传统差压式流量计相比,多孔平衡流量计具有精度高、直管段要求低、永久压力损失少、耐脏污不易堵、长期稳定性好、流量测量范围宽.可测量高温.高压介质等特点。可测管径15~3000mm,直管段长度前0.5D~2D后0.5D~2D,精度等级可达0.3%~0.5%,量程比20:1~30:1。该流量计适合硫酸装置副产蒸汽流量测量,既可确保精度,又能减少投资和运行维护费用。
  在现代石油与化工装置中,准确测量管道中介质流量是很重要的。例如在硫酸装置中,蒸汽流量是一个非常重要的工艺参数,关系到整个系统的负荷核算及经济指标的核算、标定。因此,蒸汽流量测量仪表应具备高的可靠性和测量精度。以孔板流量计、喷嘴流量计、文丘里流量计为代表的传统差压式流量计由于结构简单、安装牢固、性能稳定可靠,是目前世界通用的流量检测仪表。但传统差压式流量计存在精度低、永久压力损失大等缺点,并且直管段要求较长,通常为前10D~20D、后5D~10D(D为管道直径)。一般直管段管径都难以满足此要求,尤其对于较大管径的管道而言,问题就更为突出。笔者在某硫酸装置设计中就遇到这样的问题,蒸汽管道规格DN400。由于受空间限制,工艺配管过程中很难满足流量计安装的直管段要求,容易出现蒸汽计量不准的状况。笔者设计采用了一种先进的流量测量仪表一多孔平衡流量计及差压变送器,很好地解决了蒸汽流量测量问题。笔者在此简单比较多孔平衡流量计与孔板流量计特点,为硫酸厂蒸汽流量测量用流量计的设计选型提供参考。
1多孔平衡流量计的功能和特点
  多孔平衡流量计是一种新型的高精度差压式流量计,它是在标准孔板流量计基础上研发出的一种新型流量测量仪表。传统孔板流量计只有一个流体节流孔,节流后流场平衡难以达到理想状态;而多孔平衡流量计设计有多个函数孔,能最大限度地将流场平衡调整为理想状态,从而将差压式流量计的优势发挥到极致。多孔平衡流量计和标准孔板流量计的流场分布对比见图1。
多孔平衡流量计和标准孔板流量计的流场
分布对比
图示 
  与传统差压式流量计一样,多孔平衡流量计由引压管、差压变送器、流量传感器组成。该流量计有以下特点:
a.线性度高,重复性好。多孔平衡流量计具.有对称多孔结构特点,能对流场进行平衡,降低了涡流、振动和信号噪声,流场稳定性大大提高。多;孔平衡流量计线性度比孔板流量计提升了5~10倍,重复性提高了54%(可达0.1%)。经实际流体标定,多孔平衡流量计测量精度等级可达0.3%~0.5%,适用于需要控制全厂能耗的公用工程介质流量的计量。
b.直管段长度要求低。多孔平衡流量计由于流场稳定,并且压力恢复比孔板流量计快2倍,因此大大所短了对直管段长度的要求。直管段长度一般为前0.5D~2D、后0.5D~2D,从而使安装位置的选定较容易。因此,多孔平衡流量计现,场配管简单,尤其适用于大口径管道内介质的计量。
c.永久压力损失少。多孔平衡流量计采用多孔对称的平衡设计减少了紊流剪切力和涡流的形成,降低了动能的损失。在同样的测量工况下,选用同样差压值,与孔板流量计相比,多孔平衡流量计永久压力损失可降低1/3~1/2。因此,多孔平衡流量计是一种典型的节能型仪表。
d.耐脏污,不易堵。多孔平衡流量计多孔对称的平衡设计大大降低了滞留死区的形成,保证脏污介质顺利通过多个孔,减小了流体孔被堵塞的机会。所以在较长的时间内无须维护清洗,可以保证精确测量。而孔板流量计一般3个月须清洗一次才能保证较好的测量精度。
e.长期稳定性好。多孔平衡流量计设计有多个流通孔,平衡流场大幅度降低了介质与节流件直接的摩擦;孔边缘结构为直角,不易磨损,其直径比β长期保持不变,大大延长检定周期,节省检定费用。整个仪表无可动部件,因此可长期保持稳定性,使用寿命比传统差压式流量计长。
f.流量测量范围宽。根据试验结果,多孔平衡流量计通常量程比为10:1,某些场合选择合适的参数可做到量程比20:1~30:1。根据试验结果,流体流速可达到音速,流体雷诺数在200~1×107,直径比β可选0.25~0.90。
g.可测量高温、高压介质。与传统差压式流量计一样,多孔平衡流量计的工作温度压力取决于管道和法兰的材质和等级。最高工作温度可达850℃,最高工作压力可达42MPa。
h.可测量复杂工况介质。由于多孔平衡流量计特殊的结构设计,可以进行气-液两相介质(如湿气)、各种混合气体(如瓦斯、沼气、煤气等).各种低温气体(如LNG、液氮、液氧、液氢、液氯、液化乙烯、液化石油气等)及浆料、多相水.流、震动水流、电磁干扰介质、双向流介质的测量。
2多孔平衡流量计的工作原理
  多孔平衡流量计的工作原理与其他差压式流量计一样,都是基于密封管道中的能量转换原理。即在理想流体的情况下管道中的流量与差压的平方根成正比,用测出差压值根据伯努利方程即可计算出管道中的流量。平衡流量传感器是一个多孔的圆盘节流整流器,安装在管道的截面上,每个孔的尺寸和分布是基于特殊的公式和测试数据而定制的,称为函数孔。当流体穿过圆盘的函数孔时,流体将被平衡整流,涡流被最小化,形成近似理想流体。通过取压装置可获得稳定的差压信号,根据伯努利方程计算出体积流量和质量流量。
 
式中:m一质量流量,kg/s;
Ɛ一流束膨胀系数;
d一工作条件下节流件孔径,m;
C一流出系数;
β一直径比,β=d/D;
D一工作条件下上游管道内径,m;
ρ一被测流体密度,kg/m³;
△p一差压,Pa;
Q一体积流量,m³/s。
3多孔平衡流量计与传统差压式流量计性能对比
  多孔平衡流量计与传统差压式流量计性能对比情况见表1。
 
4多孔平衡流量计在硫酸装置中的应用
  对湿气(气体中含有水分)的流体测量始终是流量测量中的一个难点。孔板流量计对湿气产生阻挡,在孔板中央产生滴露;同时,管壁湿气受到阻挡,流速减慢。正取压口附近产生的凝露会影响取压信号。湿气流经孔板,产生的涡流向管壁作波动性发散,也会影响负取压口取压信号。因此,湿气对孔板的测量精度会产生较大的负面影响。而多孔平衡流量计四周有孔,使湿气中所含大部分水从下部孔流过,从而避免了凝水,湿气中少量水分对多孔平衡流量计取压口千扰信号少,测量精度高。
  硫酸装置废热锅炉产生蒸汽流量测量如果采用标准孔板流量计,一方面计量准确性不高;另一方面,开停车时,带压蒸汽冲击凝水会产生水锤效应,严重时将使孔板冲击变形。而采用多孔平衡流量计既可提高测量准确性,又可防止水锤效应发生,避免孔板弯曲变形。
  某硫酸装置副产蒸汽参数为:最大流量10t/h,平均流量5.9t/h,工作压力2.1MPa,工作温度216℃,上游碳钢材质管道内径150mm。该蒸汽测量多孔平衡流量计和标准孔板流量计选型参数见表2。.
多孔平街流量计和标准孔板流量计选型参数
表示 
  由表2可见,与标准孔板流量计相比,选用多孔平衡流量计压力损失可减少12.4kPa,直管段长度可节省2.85m。在硫酸项目中,直管段长度增加除一次性投资费用增加外,管道施工、运行维护费用及土地占用都会增加。因此,蒸汽测量采用多孔平衡流量计既可确保精度,又能减少投资和运行维护费用。该流量计值得在蒸汽流量测量中推广使用。

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