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DN300~500mm大管径蒸汽计用阿牛巴流量计效果原理安装方式

时间:2017/10/20来源:未知

摘要:文章通过对一体化阿牛巴流量计的性能分析、应用优势、安装要点、注意事项以及维护要点进行阐述,说明了其在大管道蒸汽计量上的成功应用,为仪表工程师的选型、安装提供了参考依据。
  现场使用的流量计种类繁多,针对不同介质、不同的流量特性,选择合适的流量计是仪表工程师工作范畴之一。随着节能减排工作在全国范围的展开,能源计量的准确性和流量计的运行成本以及维护成本也越来越受到企业的重视。在石油和化工行业比较常见的蒸汽计量问题一直是大家工作的重点和难点。作为计量仪表工程师,如何做好现有蒸汽计量网络的管理工作是笔者一直以来在思考的问题。2010 年 7 月是我企业停电检修的生产间隙,大家就以此为契机对我企业二级蒸汽管网的关键设备———蒸汽供汽计量仪表进行全面更换。蒸汽供汽计量表是指热电分厂所产蒸汽输送到各个使用单位时,所配备的中间计量环节。理论上讲产汽计量和应等于供汽计量和加上热电分厂内部自用汽值,而供汽计量和同样也应等于所有用户的计量和。在 2010 年之前,我企业三块蒸汽供汽计量表选用的是插入式涡街流量计,并配有压力变送器作为测量补偿。但经过检验对于 300 ~ 500mm 口径的蒸汽计量来说,此类型仪表的使用效果不是很理想。所以借 2010 年停电检修之际,大家将供汽表全部更换为罗斯蒙特企业的 MassProBar 一体化流量计,它是由阿牛巴 Pak - Lok - 485 型节流装置和 3095MV 多参数变送器两部分组成的。
 
1、性能分析:
1.1、阿牛巴基本原理:
阿牛巴流量计亦称均速管流量计,是依托于皮托管测速原理进行检测的,基本测量原理如图 1 所示。
当充满管道的流体流经均速管流量计的检测杆时,检测杆迎面的开槽可以检测到流体的全压平均值,检测杆的背流面的静压孔感测到流体的静压值。全压平均值与静压值同流过的流体流量之间有确定的
图 1	阿牛巴测量原理图

图 1 阿牛巴测量原理图
关系,这个关系可以用下面的公式来表示:
 
QV = K × ! D2 2  p
4 ρ
   
  式中: QV 为流经测量管的流体流量,m3 /h; p 为全压与静压之差,kPa; ρ 为流体在工作状态下的密度, kg /m3 ; D 为测量管内径,mm; K 为校正系数。
  由公式可以看出,阿牛巴流量计系统的实质就是对差压 p 的测量,与其他差压式流量计有一定的共性,其技术是通用的,那么在大管道蒸汽测量中选择罗斯蒙特企业的 T 型阿牛巴流量计的优势究竟在哪里呢?

1. 2、应用优势:
( 1) 一体化的差压流量计罗斯蒙特将压力变送器电子元件 ( 3095MV 多
参数压力变送器) 与阿牛巴平均皮托管 ( 485Pak - Lok 节流装置) 组合,实现一体化测量仪表,即阿牛巴 + 三阀组 + 温压补偿 + 变送器,组成一体化结构。所以此流量计无需另配其它仪表配件、仪表管线、阀门、接头、阀组和安装支架,安装和使用的过程非常方便,也因此缩短了焊接和安装、投运的时间。在大管径流量测量中,如果选用满管式涡街流量计和一体化孔板流量计,则其体积庞大,安装和使用极为不方便,由此更加凸显一体化阿牛巴的应用优势。
( 2)  采用创新测量技术提高测量性能T 型阿牛巴正面槽型设计和创新造型,T 型阿牛巴测量杆横断面形状如图 2 所示。经过不断改进设计,T 型阿牛巴彻底解决了不同雷诺数阿牛巴流量计的流量系数 K 不稳定的问题,提高了所有流量测量点的精度 ( 读数精度可以达到 ± 0. 9% )  和重复性 ( 达到 ± 0. 1% ) 。创新开槽和 T 型设计,产生的是独有的流束分布形状,又通过增加信号强度并降低信号噪声,保证了低压信号的稳定,从而产生的差压高于同类产品,不再是只有 1kPa 左右的微差压值,大大提高了量程比;  同时配备可靠性较高的差压变送器,真正做到确保计量的精度,实现严格的过程控制管理。同样如果选用插入式涡街流量计,由于测量集中于管道中心的一点,往往不能达到理想的测量精度和重复性,此时插入式涡街流量计远远不能满足大管径蒸汽流量的测量要求。
( 3)  采用高精度多参数变送器,实现全动态补偿在阿牛巴 Pak - Lok - 485 T 形传感器中包括密封的压力保护热电偶套管,这样在所有尺寸的管线上只需要一个管道贯穿孔就可实现实时质量流量测量。而后测量值经过 3095MV 多参数质量流量变送器,对压力和温度的波动进行动态实时补偿。大家选择传统的流量计往往是通过差压 ( DP)  的测量,再用一个简化的质量流量公式在 DCS 或流量显示仪中计算的,在此简化的公式中用一个常量代替流量计算中的许多参数,当然会造成计算的不准确。而经过 Rosemount 的3095MV 处理后的质量流量则采用的是全动态补偿的公式来计算的,经过测量的三个变量差压、压力、温度与配套的 EA 工程辅助App及 100 多种流体物理特性数据库相结合,进行实时流量计算,并可直接输出质量流量信号,直观而又准确地达到质量测量的目的。其计算公式演示如图 3 所示。
图 3  3095MV 质量计算模块图

图 3  3095MV 质量计算模块图
对于蒸汽流量的测量,3095MV 在整个操作范围内动态地计算过热蒸汽、饱和蒸汽的密度,蒸汽密度的计算符合 ASME ( 美国机械工程师协会)  的蒸汽数据表,从而保证了计量过程的准确性;  对于一般气体密度、气体膨胀系数等参数都会在变送器内实时计算,并应用于更新流量计计算结果,大大提高了计量的精度。
( 4)  采用免维护设计  降低维护成本阿牛巴传感器的测量元件设计巧妙,能够长期保持输出非常稳定的差压信号,保证输出差压信号与管道流量的映射关系。这是因为在使用过程中的磨损、腐蚀以及粘附的油污灰尘等因素对阿牛巴流量计系数影响不大,但这些因素对孔板的流量系数有很大影响,往往会增加到 20% 以上,由此产生的误差将也达到 20% 以上。从中大家可以看出阿牛巴流量计的准确度是长期稳定的。组成的 Pak - Lok - 485 型阿牛巴的电子元件在工业应用中的表现也非常稳定,标定周期长达 10 年,这样极大地节约了维护成本。
( 5)  节约能源阿牛巴传感器采用非收缩设计,通过使恒定压力损失降至较低实现节能,同时也使管线阻塞降至较低。根据压缩机的气体成本、抽送液体的用电成本以及产生蒸汽的燃料成本,可将恒定压力损失的降低直
接换算成节能效果。
 
孔板的压力损失大约为差压的 34% ~ 90% ,阿牛巴的压力损失小,约为差压的 2% ~ 15% 。并且其产生的差压值比孔板产生的差压值要小一个数量级,因此,阿牛巴探头的压力损失相对于孔板而言是微小的。以我企业电站 1# 蒸汽管道计量为例,说明如下:
 此饱和蒸汽测量点,管径 309 × 4. 5mm,压力1. 003MPa ( 绝 对 压 力 ) ,温 度 180  ,工 作 密 度5. 160kg /m3 ,冬季流量 98t /h,使用阿牛巴探头测量,产生的差压计算得 DP = 5. 46kPa。 阿牛巴测量系统的压力损失 ( 按差压的 5% 计算) 为: δp = 0. 05 × 5. 46 = 0. 273kPa蒸汽的体积流量为:
 
Q = ( 985.×1601000 )m3 /h = 18992m3 /h = 5. 28m3 /s
 
探头损失的功率折算为 ( 假定电动机效率为 0. 8) :
 W =  ( 5. 28 × 0. 273 ÷ 0. 8) kW = 1. 80kW
 假如一年运行 365 天,每天运行 24h,则探头一年耗电为 H = ( 365 ×24 ×1. 80) kWh / 年 =15768kWh / 年假如电费 0. 60 元 /kWh,则探头一年的电费为:Y =  ( 15768 × 0. 6) 元 / 年 = 9460. 8 元 / 年现将上述测点改用环室取压标准孔板测量,选孔板的直径比 β = 0. 7,产生的差压约为 p = 47. 6kPa。
 压力损失 ( 按差压的 50% 计算) δp = 23. 8kPa,功率损失折算为 ( 假定电动机效率为 0. 8) W = 157. 08kW,每年耗电为 H = 1376020. 8kWh / 年,每年运行电费为Y = 816151. 7 元。上述计算结果为: 每运行一年,阿牛巴探头比孔板节约 1376020. 8kWh 电能,折合节约电费 816151. 7 元。可见阿牛巴流量计是一种优良的节能型仪表,使用后经济效益非常显著。
 
2、安装要点:
 罗斯蒙特阿牛巴型节流装置与 3095MV 多参数压
图 4	阿牛巴节流装置在管道上的安装示意图

图 4 阿牛巴节流装置在管道上的安装示意图
力变送器的组合测量蒸汽有很多优势,笔者已在上文中进行了阐述,但是如果不能按照说明书进行正确的安装,则高精度的测量优势将不复存在,同时还有可能出现蒸汽泄漏等事故。所以认真阅读说明书进行正确安装是非常必要的。拿到说明书后快速浏览装配示意图,并在包装箱中找到相应的配件,确认节流装置的各组成部分与安装结构。然后开始按以下步骤安装。
 
( 1) 安装位置和方向对于阿牛巴等差压式流量计来说正确的安装方向和直管段是必不可少的条件。上游直管段一般为 8D到 30D,当然直管段越长越好,下游直管段为不小于4D,对于气体测量来说直管段的要求更高,一般要达到 12D 以上,当然如果安装了整流器可以适当减少直管段的要求。除了直管段外,485 阿牛巴的安装在 X、Y、Z 各方向上的偏心角度为 ± 3°,此要求对于安装和调试人员来说是比较高的,但由于 T 型阿牛巴流量装置的正面取压槽口跨越整个管道 ( 一般按照标准管道或客户提供的管道内径定制的) ,安装时可以较容易地判断出偏差。
 安装位置还要涉及到仪表朝向,水平方向的管道上,为了确保排气和排液,对于气体和空气的测量,传感器应该安装在管道的上半部分; 对于液体和蒸汽的测量,传感器应该安装在管道的下半部分。垂直方向的管道上,如果能保证正确地排气和排液,传感器可以在沿着管道圆周方向的任意位置安装。对于液体或蒸汽,当流体的方向是向上的时候可以获得***佳位置安装。对于空气或气体,***佳的流体方向是向下,但是向上也是可以接受的。下面对蒸汽和液体安装中,水平和垂直两种管道情况进行图示说明,见图 4。
( 2) 在管道上钻孔
 
按照说明书来确定在管道上钻孔的尺寸。对于在用管道要进行泄压并排空,而大家选择的是在操作间对管道短接进行钻孔,装上流量计后再将短接焊接到主管上。那么大家钻孔位置可以任意选择,但在焊接主管的过程中,要注意水平管道要按上图要求朝下安装。钻孔时要用孔锯或钻头钻孔,不能用烧切的方法。***后在钻孔的管带内侧要做一个倒角以便支架的安装和焊接。
 
( 3) 焊接安装支架
 此焊接是指 Pak - Lok 安装支架的焊接,所以也是焊接专业人员来完成的,作为仪表工程师,大家只提出要沿着流体的轴线相平行的方向来焊接,并在安装前进行适当的冷却。 
( 4) 安装阿牛巴
 
① 将螺杆 ( 都是厂家配套提供的) 拧入 Pak - Lok 的部件里。
 
② 为了使流量计接触到了对面侧管壁,用记号笔在传感器的末端做记号。因为大家是在短接上焊接,可以清楚看到流量计是否接触对面侧管壁,所以此步省略。
 
③ 将流量计插入到 Pak - Lok 主体中,直到传感器的末端接触到对面管壁,来回旋转流量计。
 
④ 取出流量计。
 
⑤ 通过检查所做的记号是否部分消失来断定传感器末端接触到对面侧的管道内壁。 ( ② - ⑤步骤在短接安装中可省略。)
 
⑥ 按照阿牛巴上流量箭头所指方向与流量方向对齐。重新将流量计插入 Pak - Lok 焊接支架力,在止动环和套管之间安装个密封圈。小心不要损坏了开口的密封圈。
 
⑦ 将密封圈沿焊接止动换方向推入。用同样的方法将另外两个密封圈安装到位,相邻密封圈的开口方向成 180°。
 
⑧ 将螺母拧紧到螺杆上,压住密封圈完成阿牛巴流量装置的安装。 
( 5) 安装变送器变送器直接安装在顶部阀组上,此时注意变送器的高压侧要对准传感器的高压侧 ( “Hi”标识在顶部对应的高压侧) 。由于温度压力和差压一体化安装,所以没有引压管设计的问题,由此简化了安装步骤,同时也减小了安装带来的测量误差。
 
3、注意事项和维护要点:
 三台阿牛巴一体化流量计已经安装使用了一年的时间,经过这段时间的使用、数据的比对,可以认为罗斯蒙特企业的阿牛巴一体化流量计确实是计量可靠、准确性高,从使用的情况来看,有以下几个方面要注意:
 
( 1) 阿牛巴流量计的机械尺寸是根据要安装的管道尺寸量身订做的,其流量测量范围也是根据客户提供的流量数据计算和标定的。因此提供的流量数据和管道数据一定要正确无误,否则会造成大的测量误差,甚至无法使用。另外介质温度高于 260  的应选用分体流量计,我企业的蒸汽温度一般在 190  左右,所以可以选用一体化流量计。
 
( 2) 应该指出,阿牛巴流量计的重复性和可靠性非常高,计量的准确性则是建立在微差压变送器的正确选用、在线实时补偿、选型和安装的正确性等各个环节的基础之上的,所以选用阿牛巴流量计一定要对每个环节予以足够的重视,按要求做好每个环节,这样仪表一旦安装到位、投入使用,则维护量非常低,而消耗的能源则非常小,又因为测量系统无可动部件,是一体化的标准节流装置,所以其校验和标定基本上可以每年只对差压变送器、压力变送器进行校验即可,大大降低了维护和检修的工作强度,有效地延长了在线使用的时间。
 
( 3) 要注意变送器的防冻与保温。北方地区的冬季也常常出现极端低气温,为了保证变送器在测量蒸汽时,不会发生因为冷凝液结冰而损坏的现象,一定要重视保温工作,大家采用冬季使用时在管道下方做一保温盒,利用蒸汽管道本身的温度保持变送器温度适当,防止出现冰冻现象。
 
4、结束语:
 流量仪表由于影响因素较多,相应的品种也十分多,当前还没有哪一种流量仪表可取代其他仪表而一统天下,对于每一种仪表的正确使用,正是发挥仪表工程师作用的时刻。经实践检验,T 型阿牛巴流量计和 3095MV 多参数变送器组合在一起,进行大管道蒸汽流量的测量,是一项非常成功的组合。

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