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节流型流量计的比较选型及应用

时间:2017/12/06来源:未知

摘要: 从原理、计算方法和性能等方面对目前应用广泛的几种流量计进行比较和分析,得出了节流型流量计是一种经济性好、稳定性好、使用方便的流量计的结论。先容了几种节流型流量计的选型方法,具体先容了新型节流装置德尔塔巴流量计在某选矿厂浮选作业空气流量检测中的应用情况。

0、引言:
  流量检测在工业生产、运输、科学研究、国防事业中都发挥着重要作用,检测对象可以是气体、液体和混合流体 3 种不同特性的流体。随着自动化水平的不断提高,流量测量和控制已经由原来的保证基本生产功能过渡到实现优化控制。当前,我国节能减排形式严峻,为了提高资源利用率和实现生产指标的增长,高质量流量仪表就成为了自动化控制中不可缺少的检测仪表之一。

1、流量计的种类:
  流量检测的方法可以划分为以下几种: 利用伯努利原理,通过测量流体差压信号来反映流量的差压式流量测量法; 利用标准小容积来连续测量流量的容积式测量方法; 通过直接测量流体流速来测量流量的速度式测量法; 以测量流体质量流量的质量流量测量法。
  流量计是指用以测量管路流体流量即单位时间内通过的流体体积的仪表,种类繁多。但按照测量方法和结构进行分类,大致可以分为两类: 测体积流量和测质量流量。体积流量计又可以分为容积式流量计和速度式流量计。具体分类如表 1 所示。

2、几种常用流量计的比较:
2.1、从经济角度比较:

  对于涡街流量计,仪表购置费用高,安装费用和运行费用低,维护费用中等; 对于节流型流量计,仪表购置费用比涡街流量计低,安装费用和运行费用较低,维护费用中等; 对于转子流量计,仪表购置费用、安装费用、运行费用、维护费用均低。所以从经济指标上看,转子流量计比较优越。

2.2、从使用环境角度比较:
  涡街流量计受温度影响***小,但是受电磁干扰、射频干扰***大; 在差压计良好的情况下,节流型流量计和转子流量计均能很好地防爆和防水,但是节流型流量计的抗电磁干扰、射频干扰能力明显优于转子流量计。故从环境因素上看,选用节流型流量计比较合适。
表 1 流量计的分类
 

  类别 工作原理   仪表名称
           
      在单位时间内以标准小体积对流动介质连 椭圆齿轮流量计; 腰轮流量计; 旋转活塞和
    容积式流量计 续不断的进行测量,以排出流体的固定容积
    刮板流量计; 伺服式流量计; 转筒流量计
      数来计算流量。  
  体积流量计      
  先测出管道内的平均流速,再乘以管道截面 节流型流量计; 均速管; 转子流量计; 涡街
     
    速度式流量计 积求得流体的体积流量。此方法受管路条 流量计; 涡轮流量计; 电磁流量计; 超声波
      件影响大,流动产生的涡流等会影响精度。 流量计; 巴式流量计
    直接式 直接测得质量流量。   热式质量流量计; 冲量式质量流量计
  质量流量计 先测得体积流量,再乘以密度得到质量流量 体积式质量流量计( 温度、压力补偿)
    间接式
         

2.3、安装条件的比较:
  节流型流量计的公称直径范围***广,可以从 50 ~1 200 mm,且对上下游直管段长度要求较小; 转子流量计虽然可以测量小流量流体的流量,但是可测量范围***小,且传感器安装方位只能是垂直由下向上; 涡街流量计测量范围适中,但其不能测双向流。

2.4、仪表性能方面的比较:
  涡街流量计结构简单,适用的流体种类多,与节流型、转子式比较具有较高的精度,但是其不适用于低雷诺数测量,在高黏度、低流速、小口径情况下使用受到限制; 转子流量计可用于小口径和低流速,多用于现场指示,但玻璃转子流量计容易碎,且不能在高温高压下工作,大流量仪表结构笨重,当使用炉体和出厂标定不一致时需要重新进行流量示值标定;节流型流量计中的标准孔板使用广泛,结构易于复制,简单牢固,稳定性好,使用寿命长,并且价格低廉。
  节流型流量计性能优越,液体、气体、蒸汽皆可测量,便于形成专业化规模生产,标准节流装置无需实际校准即可使用。综上所述,节流型流量计由于性能优越、价格适中、安装和使用方便,故实际应用广泛。

3、几种节流型流量计的应用选型:
  节流型流量计的节流装置有孔板、喷嘴、文丘里管等,根据取压方式,安装的管道条件,测量的流体性质等可以选用不同的节流装置。企业主要能源消耗的水、风、燃气、蒸汽、氧等流体的计量,如天然气、水或企业自产能源总量等,尽量选用标准节流装置,因标准节流装置有国际和标准作支撑。

3.1、孔板流量计:
  孔板结构简单,易于批量生产,节省材料,价格低廉,是实际应用中的优选类型,在测量大流量高温蒸汽或者混合液体时具有比较大的优势。但是压力损失大,且不适用于测量含颗粒纤维浆或腐蚀性流体。
  我国常选用孔板作为测量给水、中低压蒸汽流量的节流件。在被测流体为脏污介质时使用圆缺孔板和偏心孔板,如对焦炉煤气、高炉煤气、湿气体的测量。孔板流量计亦在天然气流量测量和高温蒸汽测量等领域被视为主力仪表之一,占有不可替代的地位。

3.2、喷嘴流量计:
  喷嘴是廊形节流装置,无尖锐的棱角,耐高流速冲击与磨损,流量特性长期稳定,因此比容易边缘钝化的孔板流量计检定周期长。喷嘴节流装置适用于腐蚀性流体或高速流体,对于脏污流体也有比较长的寿命。与孔板相比,喷嘴的加工成本高,所需直管段比孔板短,而成本又比文丘里管低。当被测量流体为高压蒸汽时,常选用喷嘴作为节流装置。
  喷嘴流量计曾被广泛的使用在真空行业中。但在实际应用中,应尽量避免在小于 3 k Pa 压力的情况下使用,因为此时气流的均匀和稳定性变差,将对测量产生较大的偏差。喷嘴流量计结构牢固,检定周期长,维护量少,从而减少了运行成本。因此近年来,业内更提出使用一体化定值喷嘴流量计对天然气流量进行检测。

3.3、文丘里管流量计:
  文丘里管结构复杂,加工困难,比孔板和喷嘴浪费材料,因此造价高。在同样差压下,经典文丘里管比孔板和喷嘴的压力损失要小很多,且对上下游直管段要求小,比较适合于低压损和狭小地段的中大流量测量。在测量中要求低压损时,可以选用文丘里管或者文丘里喷嘴。

3.4、德尔塔巴流量计:
  德尔塔巴属于差压式流量计,插入式工作方式是一种精度高、量程比大、压损小的匀速流量探头,可用于气体、液体、蒸汽的流量测量。德尔塔巴具有使用寿命长、长期运行费用低、安装费用低廉、不易磨损、受油脂的影响小等特点,可以在不停产的情况下进行安装、拆卸和检修,特别适用于无法停产安装的测点或介质很脏需定期检修的测点,在各冶炼厂熔炼炉氧气流量检测中得到了广泛应用。

4、德尔塔巴流量计的工作原理及计算方法:
4.1、结构:

  德尔塔巴流量计由德尔塔巴节流装置、安装支架、温度传感器、压力变送器、差压变送器组成。其中差压探头是关键部件,决定着流量检测精度。
  如图 1 所示,德尔塔巴节流装置为独特的对称曲面设计,可以进行双向测量。德尔塔巴探头长度为流体管道内径,两侧分布不均匀 8 mm 取压孔。面向流体进入的曲面上的取压孔为高压取压孔,另一面的为低压取压孔。德尔塔巴低压取压孔在传感器侧后两边,在传感器与被测流体分开前避免了低压取压孔被堵塞和受到涡流的影响。德尔塔巴传感器表面粗糙处理,使流体流速变化大时仍能使流体在传感器表面保持紊流状态,使德尔塔巴可以稳定地测得被测流体低流速时的流量。
图 1 德尔塔巴探头截面图


图 1 德尔塔巴探头截面图

4.2、工作原理:
  德尔塔巴流量计用差压式工作原理进行流量检测,将一定直径的测量管插入被测介质管道。流体流经测量管时,首先经过一个压力大于管道静压的高压区域,流体在高压孔后的加速段速度迅速增大,高压区域的压力上升,在经过高低压分界点后,阻力消失,在测量管后部的低压区域产生部分真空,使测量管前后的压力差增大。德尔塔巴流量计利用高、低压区按科学计算有规律的分布在测量管两侧的取压孔来检测流体的差压,得出由平均流速产生的平均差压,把这个差压传送给差压变送器并进行分析计算。德尔塔巴采用了不均匀分布的两排取压孔进行取压,避免了单一取压孔只能取得某一点流速而不是平均流速,这样能更好地反映被测管道的真实流量。

4.3、计算方法:
  德尔塔巴的流量计算基本是按照 ENISO 5167 -1标准中指定的方法计算。计算方法如下:qm=1槡ζεπ4d22槡ΔPρ式中: qm为质量流量( kg /s) ; ζ 为探头的阻断系数; ε为流体膨胀系数; d 为管道内径( m) ; ΔP 为压差( Pa) ; ρ 为工作状态下介质密度( kg /m3) 。德尔塔巴的阻断系数 ζ 只与探头的结构有关,与介质无关,可在每个探头的计算书中找到。下标为 B 表示工作状态下,下标为 D 表示设计时的状态。
  由于德尔塔巴引起的压力损失极小,所以膨胀系数 ε 非常接近于 1,但在计算时 ε 是一个常数,在被测量介质为可压缩介质比如氧气时,要按当前工作状态下的可膨胀系数计算。一般可按照***大流量的 2 /3 时的可膨胀系数计算:ε = 1 -49( 1 - εD)式中: εD可在计算书中查找。
  流量计算的度受管道内径的影响大,需要确定管道内径的取值。管道内径受材料和温度影响与设计尺寸发生偏离,需要在线计算管道内径:dB= dD[1 + α( TB- TD) ]式中: α 表示管道材料的纵向膨胀系数。工作情况下介质的密度与当时的温度、压力和介质的性质有关。若设计状态与工作状态相近时,也可按照以下公式计算:ρB= ρDPBTDPDTB

5、德尔塔巴流量计在浮选作业空气流量检测中的应用:
5.1、应用条件:

  某选矿厂浮选作业设有 7 组压缩空气支管,用于浮选槽的充气。全部选用德尔塔巴流量计进行流量检测,并通过气动单座调节阀对压缩空气流量进行控制,压缩空气从浮选槽底部喷出,形成浮选槽泡沫,压缩空气流量是否合理直接关系到浮选槽的生产指标。压缩空气管径为 DN50,工作状态下气体温度约为 40 ℃,压力为 0. 6 MPa。德尔塔巴流量计的检测信号输入 PLC 控制系统,进行流量的计算、累计和控制。

5.2、德尔塔巴流量计的组成及选型:
1) 德尔塔巴检测
  件德尔塔巴的检测件为德尔塔巴探头,探头由探头套管和探头本体组成。探头套管即探头支架,是与管道焊接的部件,探头本体安装在管道内部,可以单/双面支撑。本体与套管用法兰或焊接的方式连接。某选矿厂浮选作业 7 组压缩空气支管流量检测采用的德尔塔巴检测件,型号为 HLVD25,量程 0 ~2 000 N·m3/ h,工作温度 40 ℃ ,工作压力 0. 6 MPa,量程比大于 30 ∶ 1,探头材料为 316L 不锈钢。在此应用条件下,德尔塔巴检测件形成的差压范围大约为0 ~ 1. 3 k Pa。德尔塔巴检测件后带三阀组,可以直接安装差压变送器。
2) 差压变送器
  选用西门子企业的差压变送器作为德尔塔巴检测件 的 差 压 检 测。选 用 的 差 压 变 送 器 型 号 为7MF4433 - 1FA02 - 2AB6 - ZA01 + Y01,量程 0 ~ 2k Pa,二线制,电源 24 VDC,带表头,精度 0. 5 级,输出 4 ~ 20 m A 信号到 PLC 进行处理。
3) 温度传感器
  温度传感器用于压缩空气温度的检测,在总管上设置一个温度传感器即可。温度传感器为 Pt100热电阻,型号为 WZP - 230 /LXl = 300 × 150 /?6 /,
304套管,M27 × 2 螺纹。热电阻信号通过三线制方式接入 PLC。
4) 压力变送器
  选用西门子企业的压力变送器作为管道压力的检测。压 力 变 送 器 型 号 为 7MF4033 - 1DA01 -2AB6 - ZA01 + Y01,量程 0 ~ 1. 0 MPa,二线制,输出4 ~ 20 m A,电源 24 VDC,带表头,管道压力通过导压管经截止阀引到压力变送器。

5.3、现场安装:
  德尔塔巴探头安装示意图如图 2 所示。德尔塔巴探头必须根据管道尺寸选型,确保检测杆的尺寸必须与管道直径一致。为了使德尔塔巴探头更有效地工作,现场安装时需要注意以下几个细节: 1) 在探头上标有流体流向和差压极性的标牌,安装时确认探头极性; 2) 必须保证探头的高压侧与变送器的正极连接,低压侧与变送器的负极连接; 3) 将差压变送器按照手册进行线路连接。
  由于被测介质是压缩空气,差压信号通过气体介质传递到差压变送器,所以安装差压变送器时应尽量由上往下插入,或者倾斜 3°,使冷凝水能顺利返回管道中。现场安装时,三阀组和差压变送器的位置必须高于探头差压输出端口,否则将影响测量效果。
图 2 德尔塔巴探头安装图

图 2 德尔塔巴探头安装图


6、结束语:
  以节流装置为检测元件的节流型流量计是历史悠久,理论底蕴深厚,实践经验丰富,应用成熟,性价比很高的一类流量计,在满足检测要求的条件下节流型流量计应该是优选产品。目前节流型流量计的种类有上百种,应用选型时需要根据实际工艺要求综合考虑。与涡街流量计比较,该文选择德尔塔巴节流型流量计检测压缩空气流量,可节省大约 2 /3的投资,并且检测精度达到 1. 5% 左右,与新的涡街流量计精 度 ( 1% ~ 2% ) 相 当,而对于大 型管道( DN200 以上) 的流量检测,选择德尔塔巴流量计的经济性更加显著。

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