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涡街流量计在氧化铝生产蒸汽计量中应用
发布时间:2016-11-14

   拜耳法生产氧化铝过程中,蒸汽是氧化铝企业运行中的重要能源,用于加热苛性钠溶液与铝土矿石,同时也用于加热浓缩分解后的母液。据统计蒸汽消耗占氧化铝能源成本的40%~60%。对于氧化铝企业,蒸汽消耗成为企业成本的重要组成部分,在氧化铝企业的发展和生存中起着决定性因素。
1 氧化铝生产中蒸汽消耗分布及目前的现状
   在拜耳法氧化铝生产中,工艺综合能耗主要由蒸汽、电力、水、压缩空气和燃料组成,其中蒸汽是氧化铝生产的主要能源消耗指标之一,汽耗的高低直接反映这个企业的生产管理和驾驭生产的能力。以某一氧化铝为例,工艺综合能耗约15.72GJ/t-Al2O3,蒸汽约占42%,其中蒸汽由高压蒸汽和低压蒸汽两部分组成。表1为某氧化铝企业高低压蒸汽消耗点。以表1为例,氧化铝企业蒸汽需要计量点一般在8~10个,用汽量从3.5~206t/h不等,温度和压力也不尽相同。

   目前,在氧化铝企业蒸汽计量仪表通常采用两大类,一类是基于伯努力方程原理的,如差压孔板﹑音速喷嘴、阿牛巴、德尔塔巴、平衡式等,在这类仪表中,又以差压孔板流量计阿牛巴流量计、德尔塔巴占比较多;另一类是基于线性连续方程原理的,如涡流量计、质量流量计,由于质量流量计价格昂贵,且高温状态下精度丧失,故而又多以涡流量计计量为主。

   基于伯努力方程原理的蒸汽计量仪表,其流量计量方程式为(1):
   公式(1)说明,一方面由于方程式中存在着介质蒸汽的密度ρf,因此,计量仪表的标定在氧化铝企业中是个很麻烦而且往往不准确的,一般生产厂大都采用水标定,这种方法标定出来的精度,不代表测量蒸汽的精度。另一方面由于方程式(1)中还有一个气体的膨胀系数τ,对于不同的蒸汽,不同的压力,不同的温度条件下的膨胀系数都不尽相同,因此,即使用压缩空气进行标定出来的精度也不代表测量蒸汽的精度。
2 涡街流量计工作原理
涡街流量计是基于线性连续方程原理:

   在这个公式(2)中有2个函数,一个是流体流速v,另一个是斯特劳哈尔数St,而斯特劳哈尔数St是雷诺数Re的函数,当雷诺数Re到达20000后,斯特劳哈尔数St就是一个常数。当涡街流量计测量发生体形状固定,迎流面宽度就一定,这样一来,频率仅仅取决于流体流速,是线性连续方程,通过图1示涡街流量计测量模型推导,得到流量计量方程式(3):


   涡街流量计是基于线性连续方程原理,只要雷诺数大于20000,测量与流体的性质无关,与密度、黏度等均无关。用水标定出来的流量系数同样适用于蒸汽计量,在常温下标定出的流量系数同样适用于低温和高温蒸汽。这样,涡街流量计更能适应氧化铝企业内高低压、不同温度蒸汽计量的需求。

K为流量系数,含义是每升流量由几个脉冲表示,即是P/L,经过公式变换,实际运用中的涡街流量计计算公式(4):

   一般,涡街流量计的流量系数,其实在设计时就已经定下来了,但是每个生产厂都要对每一台流量计进行标定,就是为了检验制造误差。但不管这个数是什么数,标定合格了的流量系数就是正确计量的常数,适用于不同工况状态的蒸汽。
   另外要注意,从公式(4)可以看出,涡街流量计只能测流体的工况体积方,质量方和标准体积方是根据密度或压力温度换算出来的。
3 氧化铝生产中蒸汽计量设计选型
   以表1为例,氧化铝企业蒸汽需要计量点在 8~10个左右,且一般均为过热蒸汽,数学模式为二 元函数,因此,设计时需要考虑压力、温度双补偿。
3.1 工艺参数的选择
设计选型时要考虑的因素包括:流量参数范围、压力参数范围、温度参数范围,以流量选通径。同时遵循如下原则:
(1)最高压力情况下考虑最小流量是否在该通径的工作范围之内;
(2)最低压力情况下考虑最大流量是否超出该通径的工作范围之内;
   另外,最高温度对应脉冲输出时应考虑发生体宽度的膨胀系数,工况温度条件下的流量系数Kt:

其中:T为工况温度;K为标准流量系数(一般在仪表铭牌上)。
3.2 通径的选择
设计选型时,考虑到减少压力损失,在进行蒸汽计量时,对流量下限有一定要求,要根据蒸汽流量的大小来选取流量计的通径,而不能根据原管道内径来选取流量计通径。蒸汽流量计通径选择可以采用查表法及计算验证。
查表法即是在产品样本上,根据工况压力下蒸汽可测流量范围表查取流量通径;然后计算验证流速、雷诺数是否在一定范围内。
(1)流速计算:蒸汽流速范围一般2m/s~60m/s,最高应<80m/s。

其中:V为流速;
Q为体积流量:D为流量计通径。(2)雷诺数计算法:①最低流量时的雷诺数不得小于5000;②保证精度最低流量时的雷诺数不得小于20000。Re》

其中:V为流速;ρ为密度;μ介质黏度;D为流量计通径。当然有的产品能提供计算机选型软件,直接把相关工艺参数输入,就能得到理想的结果。
3.3 注意事项
(1)选择信号输出时建议使用脉冲(频率)输出方式,如果要求输出电流信号,转换过程将丧失±0.2%~0.4%精度。
(2)在氧化铝企业中,蒸汽的温度一般都大于150℃,建议采用分体型涡街流量计,另外一定要考虑温度和压力补偿问题。
4 安装要求
在氧化铝企业蒸汽测量过程中,被测蒸汽具有稳定流态是保证涡街流量计精确测量的前提条件,要使涡街流量计的测量值更稳定、准确,安装时需注意以下几点。
(1)安装确保传感器铭牌上的箭头指向与流体流向一致。
(2)安装建议遵循直管段的要求,见表2,当现场无法满足直管段要求时,建议采用与涡街流量计配套的流量镇流器。

(3)安装传感器避开振动源或者在振动较小的地方,远离大功率用电设备。
(4)安装带焊接时要注意搭铁的位置,防止压电晶片的损坏,一般要件焊左搭左,焊右搭右。
5 常见问题及注意事项
5.1 无流量有信号
   首先检测判断是否有振动,如有轻微振动,处理方法是外部机械消振措施,如用橡胶软接头,橡胶软垫等消振,用支架固定管道;或者是根据产品说明书调整参数设置,消除振动。如严重振动,则是更改流量计安装位置、加固管线、流量计前后加软连接。
   其次检测判断是否有50Hz工频干扰通常采用频率计测量或电流值计算方法。这里介绍电流值计算方法,计算公式(8):

   如果计算出的结果是或者接近50Hz,可采取保证转换器的外壳接地螺钉可靠接地或者把整个转换器浮地。
5.2 有流量无信号
   首先检测接线是否正确,供电电源的电压等级是否符合要求,电源极性是否接正确,分体式的还要检测专用电缆是否连接正确,再有就是检查发生体、转换器是否损坏。其次判断实际工艺蒸汽流量是否太小,判断方法是在靠近流量计的管道旁有规律地连续敲击,无论何种型号的流量计均会出现流量显示。处理办法就是更换通径小一些的流量计或在工艺条件允许的情况下加大流量。
5.3 流量不稳定
   现场观察流量计安装时垫片是否同心或伸人管道,工艺管道是否符合表2氧化铝企业安装要求或者产品说明书的最大要求。处理办法就是正确选用配套垫片并正确装配,更改流量计安装位置或加流量镇流器。
6 小结
   涡街流量计是基于线性连续方程原理进行测量的新型流量计,因具有良好的介质适应能力,是节流式流量计的理想替代产品。它可以测量氧化铝企业高低压蒸汽,在氧化铝行业中广泛应用。但只有在正确设计、正确选型以及正确安装的条件下才能保证其测量准确稳定,为降低氧化铝能源消耗发挥其应有的作用。

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