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动态补偿质量流量仪表在蒸汽流量计量上的应用

时间:2018/04/24来源:未知

 摘要:首先对蒸汽流量计量中两种不同类型的仪表选型(孔板流量计、涡街流量计)进行比较, 然后针对在蒸汽流量计量中 , 当实际状况偏离设计条件太多而必须进行温 、压补偿才能满足计量要求时 , 提出使用动态补偿质量流量计 , 并详细分析其基本结构 、工作原理和应用优点 。

1、引言:在化工生产中蒸汽流量的计量是经常遇到的问题 。蒸汽流量准确 、可靠的计量是蒸汽计量的基本要求。它关系到企业的整个生产过程 ,同时也关系到企业的能源消耗及生产成本的高低 ,因此提高企业蒸汽流量计量的准确性与可靠性是至关重要的。笔者对蒸汽计量仪表的选型进行一下比较。

2 、差压式孔板流量计:
  对于蒸汽流量的计量过去工程设计人员通常都选用差压式孔板流量计(以下简称孔板流量计),即便是现在它还是一种应用***普遍的测量方法[ 1]。由于孔板流量计具有结构易于复制 ,且简单、牢固 、使用期限长、价格低廉、可靠性高且稳定等优点,其标准检测元件———孔板符合全世界的工业标准,因而使其得以广泛应用 。但通过长期实际应用后发现该流量计在使用过程中存在以下局限性。
 a)孔板安装的精度 , 差压变送器的精度 、零漂,孔板与差压变送器之间安装引压管所引起的信号失真等使得孔板流量计计量准确性不太高 ,属中等水平,且要想提高难度较大 ,所以当计量精度要求较高时 ,孔板流量计已难以满足要求 。
 b)孔板与差压变送器之间需要安装引压管 ,容易产生泄露 、堵塞 、冻结及信号失真等故障 。另外为了防止导压管堵塞, 还应定期对导压管进行冲洗、排污等 ,给日常生产和维护带来较多麻烦 。
 c)孔板流量计量程比较小 , 一般为 3 ∶1 ~4 ∶1 。当蒸汽流量变化范围较大时 , 将影响计量的准确性。
 d)孔板入口边缘易磨损 , 测量精度降低 , 性能不稳定,需定期进行更换。
 e)对于脏污流 、含湿气体及蒸汽的介质较敏感, 易积垢造成取压孔堵塞, 从而引起测量误差[ 2]。

3、涡街流量计:
3 .1、涡街流量计的主要特点:

a)涡街流量计量程比较大 , 为 10 ∶1 ~ 20 ∶1 。
b)相比孔板流量计而言 , 涡街流量计的测量准确性要高, 属中上水平 。
c)涡街流量计压力损失小 , 仅为孔板流量计的 25 %~ 50 %, 这一点对于大口径测量尤为重要。
d)涡街流量计安装简单方便 。即在保证前后直管段要求的同时只要将其直接安装在工艺管道中即可, 无需安装导压管和伴热 ,而且当使用正常后基本上免于维护 。
e)涡街流量计的输出是与流量成正比的脉冲信号 ,适合总量计量 ,且无零点漂移。
f) 涡 街流 量 计的 口径 一 般为 D N 25 ~300 m m , 当口径过大时 , 信号分辨率降低 , 影响测量精度。且随着口径的增大 , 其性价比也将大大降低 。

3 .2、涡街流量计的实际应用情况:
  在实际应用中 ,有些用户认为涡街流量计不适用于蒸汽计量 。蒸汽计量应优先选用孔板流量计(口径小于 DN300 时)。针对这一情况笔者认为主要有以下几点原因。
 a)由于给定工艺参数不准确 , 造成仪表选型不当 。
 b)涡街流量计安装不符合要求 。 即涡街流量计应尽量安装在远离振动源和电磁干扰较强的地方。管道较大或有可能发生振动时必须采用加装支撑物等减振方法[ 3]。安装时要求管道无机械振动,并且总是充满流体,这一点要特别强调。
 c)涡街流量计作为速度式测量仪表 , 其安装时上下游侧需要保证足够长的直管段且要求与其相连的直管段内径应尽量与仪表的公称通径一致 ,以保证管道内流速分布为充分发展流, 无旋转流。
 d)许多情况下 , 实际使用流量偏离选型给定值,流体参数偏离设计值 , 因此现场投运时缺乏调整或调整不当也是其一。
  综上所述, 涡街流量计因其量程比大 、系统精度高 、安装方便 、维护简单等诸多优点现已逐步取代传统的节流装置———如孔板 、喷嘴等与差压变送器配合的蒸汽流量测量 。值得指出的是在蒸汽流量计量中 ,由于蒸汽受温度、压力的影响很大 ,因此当实际状况偏离设计值太多———温度、压力波动较大时 ,就必须进行温压补偿 ,此时无论是采用孔板流量计还是涡街流量计, 都将造成较大的测量误差 。

4、蒸汽流量测量温压补偿原理及补偿:
  公式孔板的计算公式 :
计算公式
  式中  qm0———设计温度、压力(p0、T0)下的质量流量;qm ———实际温度 、压力 (T 、p)下的质 量流量。式(6)即为蒸汽流量测量温度 、压力补偿公式 。以下举例对蒸汽流量测量温压补偿进行说明例:测量过热蒸汽流量,设计压力 p0=0 .6 MPa ,设计温度 T0=240 ℃,当温度、压力发生变化:即实际压力 p1=0 .65 M Pa , 实际温度 T1=250 ℃时 ,假设未经温压补偿时其显示的流量为 5 t/h , 那么经温压补偿后其流量:
计算公式
  其相对误差 Δ=4 .8 %, 可见误差较大 。因此在实际生产中 ,当要计量的蒸汽流量受温度、压力的影响很大时 ,其体积流量的计量必须进行温压补偿。而通常解决的方法是采用分离式补偿 ,即为测量系统增设温度传感器和压力传感器 ,在二次表或DCS 中通过温压补偿 , 从而计算出实际温度 、压力下的蒸汽流量 。虽说是大大提高了蒸汽计量的准确性 ,但却给安装、维护以及成本带来了麻烦,同时也使得整个测量系统变得复杂,而关键还在于它不能进行实时、动态的补偿 。随着科技的发展, 人们迫切需要有一种集 T , p , Δp(温度、压力、差压)与一体的集成流量传感器 ,即这种智能流量传感器能直接输出经过温度、压力补偿后的流量信号, 温压补偿在一次表中进行 , 而非二次表 ,从而使整个测量系统变得更加简单 、可靠、准确 。M ass Probar 动态补偿质量流量仪表———一体化差压式 T 型阿牛巴流量计, 就是这样一种高精度仪表(以下简称M ass P robar)。

5 、T 型阿牛巴流量计:
  阿牛巴流量计是基于伯努利能量守恒原理和皮托管测量原理而发展起来的差压式均速管流量计。是依据动压转变成静压的原理而工作的 。T型阿牛巴完美地解决了 K 值不够稳定、差压信号比较小、信噪比比较低等[ 4 , 5]的实际问题 。
5 .1、良好的抗堵性能:
  T 型阿牛巴流量计正面高压取压槽口跨越整个管道 , 在管道中流体的流线如图 1 所示 。从图 1中可以看到 , 流体在阿牛巴正面能形成一个大的高压区, 流体中的微粒偏转绕过这个高压区 ,并流离 T 型阿牛巴背后低压取压口的滞留区 ,使得杂质不会进入阿牛巴的内部 , 获得了良好的抗堵性能。
图 1  T 型阿牛巴取压方式
图 1  T 型阿牛巴取压方式
5 .2、精度高 、稳定性好:
   K 值是差压流量计***重要的表征系数 , T 型阿牛巴的 K 值在各个雷诺数范围内能够保持恒定,保证了流量测量精度 。
5 .3、突出的信噪比和量程比:
  在同样的工艺条件下 , T 型阿牛巴流量计产生的差压信号要比以往各种形状的均速管流量计大 80 %以上 ,这样不但使得测量精度得到提高 ,而且能使其使用在其他低流速场合, 这个特性使它具有 10 ∶1 甚至 20 ∶1 的量程比 。
5 .4 、一体化安装实现温压补偿:
  只需在管线上钻孔一次即可同时测量 T , p ,Δp ,无需安装引压管 ,在一次表 ———多参数变送器中就已经完成了温压补偿 ,直接输出一个质量流量信号 。

6、Mass Probar 动态补偿质量流量仪表:
6 .1、Mass Probar 工作原理:

  M ass P robar 是将多参数变送器与 T 型阿牛巴(均速管)传感器完美结合组成的一体化的 T型阿牛巴差压流量仪表。 这种多参数变送器内置了高精度的差压变送器 , 温度变送器 、高速CP U 和大容量数据存储器 。 该存储器存储了各种流体在不同压力 、温度下在温度补偿公式中所需要使用的物性参数 , 包括密度 、黏度、气体常数、压缩系数 、等容比热等数据, 根据流体实际变化的工作压力、温度进行实时 、动态的***完全的补偿计算 。对于蒸汽流量测量会自动判断蒸汽处于饱和 、不饱和还是过热状态 , 并自动进行温压补偿计算。
  它其实就是一种插入式差压流量计 ,即由一根横贯管道直径的中空金属杆———T 型阿牛巴、取压装置 、变送器、测温元件等组成。中空的金属杆迎流面有多个测压孔测量总压, 背流面有 1 个或多个测压孔测静压, 由总压和静压的差值反映流量 。多参数变送器通过测得 T , p , Δp 三个过程参数动态计算流量系数C ,然后输出一个正比于质量流量的4 ~ 20 m A DC 信号到 D CS 或积算仪 。

6 .2、Mass Probar 补偿公式:
  由差压与流量的关系可知:qm =C Δp而 C =Fna K D2Fra Y a Fm Faa F1 ρ即 qm =Fna KD2Fra Y a Fm Faa F1 Δpρ (7)式中  C ———流量系数 ;F na ———单位转换系数 ;K ———T 巴系数 ;D2 ———管道内径 ;F ra ———雷诺数修正系数 ;Y a ———气体膨胀系数 ;Fm ———变送器系数 ;Faa ———热膨胀系数 ;F1 ———大气压修正系数 ;ρ———密度 ;Δp ———差压 ;qm ———质量流量 

6 .3、传统的分离式差压测量与全补偿差压测量的区别:
  传统的分离式差压测量是当流体的流动情况可用相当的 Re D 来表征时, 其 C 是相等的 。即将 C值当作一个常数, 用一个简化的质量流量公式(式(6))在二次表或 DCS 中进行表示 。而事实上 C 值并不是一个常数,它与气体膨胀系数、渐进系数、热膨胀系数等有关。而全补偿差压 p 测量通过实时地、动态地测量蒸汽的 T , p , 从而测得蒸汽在工作状态下的密度, 进而实时地、动态地计算 C 而得到真实的质量流量(式(7)), 并在一次表———多参数变送器中就已经完成了温压补偿 ,直接输出一个质量流量信号。

7、Mass Probar 使用中应注意的问题:
  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制的 ,其流量测量范围也是根据用户提供的流量数据计算、标定的 。因此提供的流量数据和管道数据一定要正确无误,否则会造成较大的测量误差 。差压式均速管流量计产生的差压一般都比较小, ***小可能只有 20 ~ 30 Pa。对小于 1 k Pa 的差压测量, 特别是小于 0 .5 k Pa 的差压, 需要特别关注。各种均速管流量计在这样低的流速条件下 K的波动非常大 ,影响测量精度 。建议仪表选型时需通过专业计算App来确定阿牛巴尺寸及差压范围 ,以确保选型正确。

8、结束语:
  随着均速管流量测量技术的日趋完善 , 其应用的前景是广阔的 。 T 型阿牛巴流量计不仅具有高稳定性和高测量精度 , 而且可与高精度的多参数变送器实现一体化安装 , 自动实现温度 、压力补偿 ,运行能耗低 、性价比高 。在中石化南化企业外供蒸汽计量中 , 尤其是在饱和蒸汽和过热蒸汽的计量中 , 选用了 Mass Probar 动态补偿质量流量仪表 。运行后没有发现任何问题 , 计量精度高(优于任何传统的分离式补偿差压测量技术)且基本免维护。

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