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V形锥流量计在特种材料中的应用
发布时间:2021-4-29 08:31:00

摘要:V形锥流量计是一种差压流量计,借助于V形锥体在流场中的节流效应,在对上下游压差实施检测后即可以实现对流量的测量。介绍特种材料在煤气、压缩空气、过热蒸汽等场合使用V形锥流量计的情况,重点突出了V形锥流量计自整流(所需直管段短)、自清扫(耐脏污)、永久压损小(节能)的特点,为其的进一步推广使用提供参考。
0引言
  V形锥流量计属于新型差压类流量测量仪表,其基本原理和传统差压类仪表一样,唯一的差别在于结构形式的不同,正因为结构形式的改变形成了其鲜明、独有的优点。与传统的流量测量仪表相比,V形锥流量计具有自整流、自混合、自清扫、自保护、量程比大、压损小、精度高、重复性好等优点。
  在建厂之初,通过参观、学习逐步了解了V形锥流量计的各种实用优点,通过和其他各种流量计的综合对比以及到V形锥流量计生产厂家的实地考察后,确定在焦炉煤气、压缩空气、过热蒸汽等场合使用V形锥流量计进行流量测量。公司在保证测量精度的前提下主要使用V形锥流量计的自整流(所需直管段短)、自清扫(耐脏污)、永久压损小(节能等特点,通过一段时间的实际应用,V形锥流量计的优点得到体现,也得到了全公司计量人员的认可。
1V形锥流量计几何结构设计
  V形锥流量计流量测量公式与其他差压式仪表有所类似,但是在几何结构方面差异较大,受到这一结构的影响,V形锥流量计具有传统差压流量计没有的应用优势。在很长管道中,若不存在阻挡物和干扰作用,出现流体则为充分发展流。若在管道截面上选取一条径向线,线上各点流速均具有差异。和管壁紧贴的流体,因为受到摩擦力的影响,速度趋近于零,但是在此过程中中心处存在有最大流速。若在管道中心悬挂一一个V形锥体,则会对中心处流速产生迫使作用,降低流速,同时管壁附近流速会不断加大,实现流速“匀化”。其他类型的差压式流量计中心位置为空,无法出现流速“匀化”效果。因此在V形锥流量计中这是一个显著优点,能够保障在低流速情况下出现足够的差压,尤其是在流速逐渐降低过程中,这一作用更加显著。但是如果采用的是传统差压仪表,在此情况下已经无法测量。
  传统差压流量计存在有“信号跳跃”(Signalbounce)现象。即为就算是在流动稳定情况下,也存在有信号脉动。由于流体在管道中流动,节流下游会出现旋涡,在差压流量加检测中节流件下游旋涡因为受到锥体下游的影响,出现高频低幅且具有对称性的小旋涡,孔板出现的是低频高幅大漩涡。如果在某一工况中,V形锥流量计和孔板出现的均是1kPa差压,孔板下游涡流高幅波动中可能会引发出现0.5kPa的干扰信号。简而言之,在这--情况下孔板
  有效信号在噪声信号中淹没量可能达到50%,但是V形锥流量计干扰信号只有0.1kPa。从这一点可以看出,V形锥流量计的信号噪声很低,就算是在流量和差压较低情况下,也具有一定的测量精度和稳定性,因此在低密度和低流速气体测量中非常适用。
2.V形锥流量计特点的应用
2.1自整流、自清扫特点的应用
  焦炉煤气自身的特点导致在测量方面存在两个最主要的难题:由于黏性导致固体物的堆积,从而引起截流件β值的改变,最终引起测量误差,不能进行连续的、长期的、有效的、精确的流量测量:造成差压测量取压孔的堵塞。考虑到V形锥流量计具有自清扫(耐脏污)的特点,决定在所有测量焦炉煤气的场合全部采用V形锥流量计,在半年的现场运行过程中,读数--直很稳定,和理论值的差别在误差允许范围之内。在停车例行检修时,在V形锥流量计供应商的配合”下,拆下一台V形锥流量计进行了实际观察,发现其边缘无明显磨损的痕迹,锥体和锥体部分的管道也无明显的固体物堆积现象。
  焦炉煤气的总输出采用DN1600mm管道,如果采用孔板等传统的测量仪表,受现场条件的限制,无法满足SY/T6143-2004标准中关于孔板等流量计上下游直管段的规定和要求。考虑到V形锥流量计具有自整流,所需直管段短的特点(只需前三后一的直管段),结合现场实际情况,在焦炉煤气的总.出口处安装了一台DN1600mm的V形锥流量计。在运行过程\中,这台V形锥流量计的读数指示和焦炉煤气总流量的理论计算值非常接近。V形锥流量计在设计过程中,采用的是置于管道中心的V形锥体流线型节流结构,实施检测之前也可以有效整流其不规则流体,即便不增加流体整流器也能实现对流体整流情况的有效处理。中心悬挂流体形锥体可以实现对流速曲线的重塑,在锥体上、下游较窄区域内(前0~3D,后0~1D),能够实现对流速不规则液体的整流,从而转变成为理想液体,有效满足伯努利定理的要求,提升测量精度以及重复性。测量过程中不用设置很长的直管段整流,对于流量计安装也具有重要意义。
  综合分支管道的流量读数指示和总流量读数指示对比,它们之间存在接受范围之内的误差。对造成这种误差的原因进行分析,认为是由于现场各种复杂工况条件的共同作用造成的,这种误差并不影响正常生产和各个环节的能源计量。之前采用的是孔板流量计以及均速管流量计,煤气中存在的杂质比较多,例如焦油、氨水等,因此需要对孔板或均速管定期进行清洗或者蒸汽吹扫,否则会导致上下游端面、上游侧直角入口边缘出现污染,进而会引发出现仪表导压管堵塞等,影响测量精度:孔板前后直管段积水,也会降低管道流通面积,提升流速以及差压,在测量中流量显示值会出现明显提升,严重时可能会导致出现导压管堵塞、变送器停止使用。为确保仪表稳定与性能,则需要定期对其实施维护,工作量非常大。V形锥流量计本身存在有自吹扫式结构,在设计过程中没有滞留死区。在通过锥体的时候介质会出现加速,正压取压孔、锥体外壁和锥体附近管壁会受到不断冲刷,一小段不流动介质也会对负压取压孔造成隔离作用,从而阻止脏污杂质进入,所以V形锥流量计在应用中无论是杂质还是易结晶脏污介质中均适用,特别是在焦炉煤气、炉煤气等介质中更加适用。公司自采用V形锥流量计以来,目前已经使用多年,未对其进行过维护,同时对其检查也未发现流量计中存在有节流装置污染管道积水等情况,显著降低了仪表应用的维护工作量,对于提升测量准确性和可靠性具有重要作用。
2.2永久压损小(节能)特点的应用
  节能减排已经深入到人们生活的各个方面,焦化行业是一个高耗能的行业,节能减排不仅是积极相应国家政策和号召,而且可以在无形之中为企业节省大笔的资金支出,节省的资金支出也就是企业多增加的利润空间。
  V形锥流量计和其他流量计相比有一个最显著的优点就是永久压损小,永久压损小也就意味着节能。在孙延祚教授的论文中已经很详细地论述了如何理解V形锥流量计永久压损小并且列出了V形锥流量计和其他9种流量计永久压损的对比。
  在空气管网设计之初计划采用孔板流量计进行测量,通过与V形锥流量计的对比,从长远来看,使用V形锥流量计是更经济更合算的计量方法。
列举一例,流体为压缩空气,其他工艺条件见表1。

(1)选用孔板测量,计算结果如下:孔板的β=0.5146,常用流量下的差压值△P-=27.396kPao
(2)选用V形锥流量计进行测量,计算结果如下:V形锥的β=0.5577,常用流量下的差压值△P=10.904kPa。
孔板的压损:△?=(1-β")×△P或△?=(1-0.24β-0.52β2-0.16β2)×△P
V形锥流量计的压损:△?=(1.3-1.25β)×△P
  根据上面的计算公式,常用流量下孔板的永久压损为19.61kPa,常用流量下V形锥的永久压损为6.57kPa。
  所以,常用流量下永久压损的差值Ao=19.61.-6.57=13.04kPa。
  在常用流量下,使用V形锥流量计比使用孔板流量计少消耗的功率为:
W=(△?Qkph)/(3.6ηpfl)
式中:
W一能耗值,W
△?一永久压损值,kPa.
Qkph一质量流量,kg/h
η一泵和电机的效率,通常取η=0.8
pfl一在工况下,在上游取压孔处,流动液体或气体(蒸气的密度,kg/m3
  把上面的计算结果代入功率公式得W=21733.3W。所以,用V形锥代替孔板,每年可节约的耗能费=(W/1000(每年的运.行时数)(电费)。在常用流量下,年节省耗能费=21733.3/1000×24×365×1=190383.7元。也就是说,用V形锥流量计代替孔板测量压缩空气后,每年可节省的耗能费为19万元左右。
  在过热蒸汽测量方面,采用同样的计算方法可以得出每年节省的耗能费。同时,V形锥流量计在应用中也非常适合应用在低压、低流速介质流程测量中。在应用均速管流量计实施测量过程中,如果管道中煤气流速较低,差压信号较小情况下,则会直接降低系统检测精度。均速管流量计检测中的最大差压为120Pa,正常情况下为2~5Pa.相对来讲系统精度偏低。如果差压信号比较小,则会对变送器校验以及适用精度造成影响。也会直接导致孔板出现污染、仪表导压管不畅等问题,直接影响测量精度。V形锥流量计在设计中采用的是类似孔板的节流件,和均速管流量计相比差压值明显偏高,和孔板相比因为管道边缘出现--定的收缩,降低了阻力损失,所以就算是在阻力损失--致情况下,设计中采用存在有较大差压值的V形锥形流量计,和孔板测量时的差压值相比也明显偏大,对于差压信号具有显著提升作用,也便于进行变送器校验.进而提升系统测量精度。
  压缩空气和过热蒸汽的测量点有数十个,随着企业的发展和规模的扩大.测量点还会逐步增多,如果全部使用V形锥流量计进行测量,则每年的节能费将非常可观,同时也为企业自身创造了更多的经济效益和社会效益。
3结束语
  随着在各种不同工矿条件下的广泛应用,V形锥流量计的各种优点得到了明显的体现。更多的从事计量方面的人员认识并认可了V形锥流量计。自从公司使用V形锥流量计以来,大大减少了维护人员的维护量,而且保证了各种介质计量的准确性和运行的稳定性。随着国家节能减排政策的逐步深入,V形锥流量计将会有更加广阔的发展空间。

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