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    渦街流量計在石油化工行業中的應用
    發布時間:2022-2-17 08:35:37

    摘要:渦街流量計是現代石油化工行業中測量流量的重要工具之一;簡述了渦街流量計的測量原理和主要優點,提供了渦街流量計的選型、安裝、使用和維護的建議;通過規范設計、合理選型、正確的安裝和維護,讓渦街流量計在石油化工行業中發揮更大的作用。
      渦街流量計(VortexStreetFlowmeter,簡稱VSF)自20世紀70年代在工業上應用以來,由于它具有一些突出的特點,受到用戶歡迎,并得到迅速發展。但在實踐中經常會出現一些預料不到的問題,這就是用戶對渦街流量計存在一些疑慮的的原因,它亟需探索解決。
    1渦街流量計的測量原理
      在流體中設置旋渦發生體(阻流體),從旋渦發生體兩側交替地產生有規則的旋渦,這種旋渦稱為卡曼渦街,如圖1所示。
     
      旋渦列在旋渦發生體下游非對稱地排列。設旋渦的發生頻率為f,被測介質來流的平均速度為U,旋渦發生體迎面寬度為d,表體通徑為D,根據卡曼渦街原理,有如下關系式:
     
    式中:
    U1———旋渦發生體兩側平均流速,m/s
    Sr———斯特勞哈爾數;
    m———旋渦發生體兩側弓形面積與管道橫截面面積之比
     
    管道內體積流量qv為:
    qv=πD2U/4=πD2mdf/4Sr(2)
    K=f/qv=[πD2md/4Sr]-1(3)
    式中:K———流量計的儀表系數,脈沖數/m3(P/m3)
      K除與旋渦發生體、管道的幾何尺寸有關外,還與斯特勞哈爾數有關。斯特勞哈爾數為無量綱參數,它與旋渦發生體形狀及雷諾數有關。
     
      圖2所示為圓柱狀旋渦發生體的斯特勞哈爾數與管道雷諾數的關系圖。由圖2可見,在ReD=2×104~7×106范圍內,Sr可視為常數,這是儀表正常工作范圍。當測量氣體流量時,渦街流量計的流量計算式為:
     
    式中:qVn,qV———標準狀態下(0℃或20℃,101.325kPa)和工況下的體積流量,m3/h
    Pn,P———標準狀態下和工況下的絕對壓力,Pa
    Tn,T———標準狀態下和工況下的熱力學溫度,K
    Zn,Z———標準狀態下和工況下氣體壓縮系數
      由式(4)可見,渦街流量計輸出的脈沖頻率信號不受流體物性和組分變化的影響,即儀表系數在一定雷諾數范圍內僅與旋渦發生體及管道的形狀尺寸等有關。但是作為流量計在物料平衡及能源計量中需檢測質量流量,這時流量計的輸出信號應同時監測體積流量和流體密度,流體物性和組分對流量計量還是有直接影響的。
    2渦街流量計的主要優點
    (1)渦街流量計結構簡單,安裝維護方便(與節流式差壓流量計相比較,不需要導壓管和三閥組等,在設計過程中無需考慮伴熱、密閉排放以及引壓所需要考慮的一系列問題);
    (2)輸出為脈沖頻率,其頻率與被測量流體的實際體積流量成正比,它不受流體組分、密度、壓力、溫度的影響;
    (3)量程比寬,可達10∶1或20∶1(適用于工藝介質流量變化范圍較大);
    (4)壓損小(約為孔板流量計1/4~1/2),無可動部件,可靠性高;
    (5)精確度為中上水平,可適用液體、氣體和蒸汽。
    3渦街流量計的選型
      根據SH3005-1999《石油化工自動化儀表選型設計規范》中規定渦街流量計的選用,應符合下列規定[2]:
    (1)潔凈氣體、蒸汽和液體的流量測量。
    (2)低流速及粘度大于20mPa·s液體的測量,不宜采用渦街流量計。
    在工程設計中宜考慮下列情況:
    (1)一般液體平均流速下限為0.5m/s,氣體為4~5m/s。渦街流量計的正常流量最好在正常測量范圍的1/2~2/3處。
    (2)液體適合于雷諾數20000以上,氣體和蒸汽適合于15000以上。
    (3)口徑不宜過大,大口徑儀表系數較低,頻率分辨率低,口徑愈大愈低。
    (4)介質溫度不宜過高,影響電子元件的使用壽命。
    (5)脈動流和旋轉流、兩相流的情況不適合使用渦街流量計。
    (6)儀表縮徑不宜過大,縮徑將流速提高,同時也增加了阻力和背壓,容易出現空穴現象。4
    4.渦街流量計的安裝
    4.1渦街流量計的安裝要求
    根據SH/T3104-2000《石油化工儀表安裝設計規范》中規定渦街流量計的安裝要求如下:
    (1)測量液體時渦街流量計應安裝于被測介質完全充滿的管道上。
    (2)渦街流量計在水平敷設的管道上安裝時,應充分考慮介質溫度對變送器的影響。
    (3)渦街流量計在垂直管道上安裝時,應符合以下規定:
    ①測量氣體時,流體可取任意流向
    ②測量液體時,液體應自下而向上流動。
    (4)渦街流量計下游應具有不小于5D(流量計直徑)的直管段長度,渦街流量計上游直管段長度應符合以下規定:
    ①當工藝管道直徑大于儀表直徑(D)需縮徑時,不小于15D;
    ②當工藝管道直徑小于儀表直徑(D)需擴徑時,不小于18D;
    ③流量計前具有一個90°彎頭或三通時,不小于20D;
    ④流量計前具有在同一平面內的連續兩個90°彎頭時,不小于40D;
    ⑤流量計前具有不同平面內的連接兩個90°彎頭時,不小于40D;
    ⑥流量計裝于調節閥下游時,不小于50D;
    ⑦流量計前裝有不小于2D長度的整流器,整流器前應有2D,整流器后應有不小于8D的直管段長度。
    (5)被測液體中可能出現氣體時,應安裝除氣器。
    (6)渦街流量計應安裝于不會引起液體產生氣化的位置。
    (7)渦街流量計前后直管段內徑與流量計內徑的偏差應不大于3%。
    (8)對有可能損壞檢測元件(旋渦發生體)的場所,管道安裝的渦街流量計應加前后截止閥和旁路閥,插入式渦街流量計應安裝切斷球閥。
    (9)渦街流量計不宜安裝在有震動的場所。
    4.2渦街流量計的安裝要求
      根據GB50093-2002《自動化儀表工程施工及驗收規范》中規定渦街流量計的安裝要求如下:
      渦街流量計信號線應使用屏蔽線,上下游直管段的長度應符合設計文件要求,放大器與流量計分開安裝時,兩者之間的距離不應超過20m。
    在工程設計中宜考慮下列情況:
    (1)垂直安裝時,向上流動的流體能夠確保儀表總是滿管,且介質中的固態成分能夠均勻分布。
    (2)水平安裝時,液體避免U型安裝方式,氣體避免倒U型安裝方式。不同廠家的產品分體安裝有不同的參考溫度,還有的廠家帶散熱片。
    (3)在設計過程中應根據上游情況具體要求每臺渦街流量計的直管段。
    (4)渦街流量計對安裝點上下游配管的直徑偏差和同軸度等有相應要求,配管內徑d與儀表的通徑D相同,滿足0.95d≤D≤1.1d。配管與流量計同心,同軸度應小于0.05D。流量計與法蘭之間的密封墊不能凸入管道內,其內徑可比流量計內徑略大。
    (5)當需要將實測壓力和溫度信號用于補償質量流量或標準流量時,在渦街流量計下游安裝壓力(下游4D)和溫度變送器(下游6D)。
    (6)當管道振動時,應加裝支撐物對管道進行固定。(7)避免電磁干擾,應考慮儀表等電位接地。
    5渦街流量計的使用和維護
      在使用渦街流量計過程中可能出現以下問題:①指示長期不準;②始終無指示;③小流量時無指示;④大流量時指示還可以,小流量時指示不準;⑤儀表K系數無法確定。
    總結引起這些問題的主要原因,主要涉及到以下方面:
    (1)選型方面的問題。有些渦街傳感器在口徑選型上或者在設計選型之后由于工藝條件變動,使得選擇大了—個規格,實際選型應選擇盡可能小的口徑,以提高測量精度,這方面的原因主要同問題①、②、③、④有關。例如,一條渦街管線設計上供幾個設備使用,由于工藝部分設備有時候不使用,造成目前實際使用流量減小,實際使用造成原設計選型口徑過大,相當于提高了可測的流量下限,工藝管道小流量時指示無法保證,流量大時還可以使用。宜使用縮徑型渦街流量計。(2)安裝方面的問題。主要是傳感器前面的直管段長度不夠,影響測量精度,這方面的原因主要同問題①有關。例如:當傳感器前面直管段明顯不足,用于控制時精度下降,用于計量時誤差較大。應使用整流器。
    (3)工藝參數的問題。由于參數錯誤,導致儀表指示有誤.這方面的原因主要同問題①有關。應與工藝系統專業協商,對選型參數進行核實。由于理論工況與實際工況不可能完全一致,故小范圍的誤差是有可能的。
    (4)線路連接的問題。部分回路表面上看線路連接很好,仔細檢查,有的接頭實際已松動造成回路中斷,有的接頭雖連接很緊但緊固螺釘卻緊固在線皮上,也使得回路中斷,這部分原因主要同問題②有關。宜選擇業績好的產品
    (5)使用環境的問題。尤其是安裝在地井中的傳感器部分,由于環境濕度大,造成線路板受潮,這部分原因主要同問題②有關。應使用分體式安裝方式。
    (6)K系數標定的問題。K系數只能依據廠家提供的資料,由于廠家本身的一些變動,造成提供的幾處資料上K系數不—致,影響了問題解決。建議供貨商提供最終的標定校核書,并根據標定校核書對相應的儀表量程范圍做最后修訂(最好寫到標書中,要求標定校核書隨供貨清單一起發到施工現場)。
    6結語
      通過多個工程項目的實踐證明,只要對渦街流量計的性能、特點有了全面深入的了解,有了應付各種情況的方法,渦街流量計一定會成為流量測量中的得力助手;在全廠的公用工程設計中,選用渦街流量計或其它管道式流量計,具有相當的合理性,可以有效的減少設計的工程量和提高整體的設計水平。

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