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涡街流量计的选型与应用

时间:2019/02/09来源:未知

摘要:本文首先先容了涡街流量计的工作原理, 并对涡街流量计的优缺点进行了分析;其次结合采油平台实际工况进行了流量仪表选型;并且先容了针对涡街流量计的防振措施;***后通过计算对比分析, 证明涡街流量计是一款相对节能的流量计。

0、引言:

  在工业生产过程中, 为了有效地引导生产操作、监视和控制生产过程, 经常需要检测生产过程中各种流动介质 (如液体、气体或蒸汽) 的流量, 以便为管理和控制生产提供依据。同时, 工业生产的各环节之间经常有物料的输送, 需要对它们进行的计量, 作为经济核算的重要依据。所以, 流量监测在现代化工业生产过程中显得十分重要。

1 、工作原理:

  涡街流量计 (又称漩涡流量计) 是根据“卡门漩涡”原理研制成的一种流体振荡式流量测量仪表。“卡门漩涡”现象是在流动的流体中插入一根 (或多根) 迎流面为非流线型柱状物时, 流体在柱状物两侧交替地分离释放出两列规则的漩涡。在测量管道的流体中设置非流线型的漩涡发生体, 当雷诺数达到一定值时, 从漩涡发生体下游两侧交替地分离释放出两串规则地交错排列的漩涡, 这种漩涡称为卡门涡街, 在一定雷诺数范围内漩涡的分离频率与漩涡发生体的几何尺寸、管道的几何尺寸有关, 漩涡的频域正比于流量, 并可由各种形式的传感器检出[1,2,3]

图1 卡门涡街

图1 卡门涡街

流量计利用卡门涡街原理如图1所示, 有如下关系式:

计算公式

 

式中d——阻流件的宽度, m;

u——流经流量计的流体平均流速, m/s;

f——漩涡的频率Hz;

Sr——斯特劳哈数 (Strouhal number)

m——漩涡发生体两侧弓形面积与管道横截面面积之比, 对于直径为的圆柱形漩涡发生体:

计算公式

 

式中D——测量管直径。

则管道内体积流量qv为

计算公式

 

式中K——流量计的仪表系数, 1/m2。

  K除与漩涡发生体、管道的几何尺寸有关外, 还与斯特劳哈数有关。斯特劳哈数为无量纲参数, 它与漩涡发生体形状及雷诺数有关, 图2所示为三角柱状漩涡发生体的斯特劳哈数与管道雷诺数的关系图。由图2可见, 在ReD2104~7106范围内, Sr可视为常数, 这是仪表正常工作范围。

图2 斯特劳哈尔数与雷诺数关系曲线

图2 斯特劳哈尔数与雷诺数关系曲线

  当测量气体流量时, 涡街流量计的标准体积流量计算式为

计算公式

 

式中计算公式——标准参比条件下 (20°C, 101.325 kPa) 工况下的体积流量m3/s;

Pn, P——标准参比条件下和工况下的压力, Pa;

Tn, T——标准参比条件下和工况下的热力学温度, K;

Zn, Z——标准参比条件下和工况下的气体压缩系数;

由式 (5) 可见, 涡街流量计输出的脉冲频率信号不受流体物性和组分变化的影响, 即仪表系数在一定雷诺数范围内仅与漩涡发生体及管道的形状尺寸等有关。

2、优势与局限性:

2.1、优点:

1) 涡街流量计结构简单, 安装维护方便。

2) 无可移动部件, 可靠性高。

3) 重量轻, 价格便宜, 在众多的流量计中, 涡街流量计的经济性较好, 是一种经济实惠的流量计。

4) 适应性强, 结构形式多种多样, 可计量多种流体介质, 如液体、气体、高温蒸汽、低温液体和部分混相流体[4]

5) 在一定的雷诺数范围, 输出频率信号不受流体物性 (密度、黏度) 和组分的影响。

6) 压力损失小。

7) 在一种典型介质中校验, 而适用于各种介质。

8) 可以通过确定斯特劳哈尔数与发生体几何参数之间的关系, 来实现干标定。

2.2、局限性:

1) 涡街流量计不适用于低雷诺数测量 (计算公式) , 因此不适用于低流速, 或者小口径, 或者高黏度的流体计量。

2) 漩涡分离的稳定性受流速分布畸变及旋转流的影响。

3) 除了热敏和超声式, 其他种类的涡街流量计对管道机械振动均较敏感, 不宜用于强震动场所。

4) 仪表口径不宜过大, 一般口径不超过300mm。

5) 涡街流量计适用的流体比较广泛, 但不适用于脏污流体。

6) 涡街流量计在混相流体中的应用经验还少。

3、涡街流量计的初步选型:

涡街流量计同样具有局限性, 也有其适用范围, 因此何种工况选用涡街流量计, 选用哪一类的涡街流量计, 选用多大口径都是需要重点研究的课题。下面本文根据已经投产的某油气生产平台实际工况 (表1) 进行了流量仪表的初步选型。

由表1中的工艺参数可知, 管道介质为生产水。它由原油处理系统的生产污水经过斜板除油器除掉浮油后产生。除掉浮油后的生产污水进入溶气式气浮进一步去除污水中的小油滴。首先从管道尺寸考虑, 由于管道尺寸为8*25.4=203.2mm, 超出靶式流量计 (15~50 mm) 和科氏流量计 (150~200 mm) 的常用测量管道尺寸范围, 排除靶式、浮子流量计和科氏流量计;从压损方面考虑, 排除孔板流量计 (压损:20~50 kPaG) ;从安装方式方面考虑, 排除浮子流量计 (需要垂直安装) ;容积式、超声式、电磁式、涡街流量计满足上述要求。***后从购置考虑, 由于涡街流量计的购置、安装、运行、维护费用较低的特点, 因此在此选择涡街流量计作为初步选型仪表。

表1 某油气生产平台生产污水处理工况

表1 某油气生产平台生产污水处理工况

4、防振措施探讨:

海洋平台本身空间比较紧凑, 在较小的空间内布置了大量的工艺和生产设备。一些振动源比如空气压缩机和泵会对涡街流量计的使用产生影响。在此先容几种减振措施[5,6]:

1) 在仪表选型之初, 就要确保涡街流量计安装环境无振动或振动较小, 不影响涡街流量计的正常工作;

2) 抗振接头耐压、耐腐蚀、价格低、安装简单易行, 可以扩大涡街流量计的使用范围, 也适用于其他减振场所, 此方法在海洋平台中的涡街流量计的选型和使用过程中值得借鉴;

3) 当管道振动速度大于1 g或者振动频率达到500 Hz以上时, 在传感器2倍口径处安装固定支撑点;

4) 将涡街流量计轴向旋转适当角度, 适当调整涡街流量计触发电平;

5) 在小管径流量测量中可以采用弹性软管连接涡街流量计。

5、涡街流量计的能耗分析:

  涡街流量计属于阻力型流量计。它们阻碍流体的流动, 使流体流经流量计时产生压力损失, 从而引起输送单位流体所用的推动功的增加, 即需要多消耗能量, 实际使用的流量计多为阻力型流量计。

  不同的阻力型流量计对流体阻碍作用的大小不同, 阻碍作用的大小可由压力损失表示。阻碍作用大的引起的能耗就大, 如孔板、喷嘴流量计, 涡街流量计次之。通常把能耗相对较小的流量计叫节能型流量计, 相对于孔板、喷嘴流量计, 涡街流量计能耗较小。从这三种流量计看, 孔板流量计的压损***大, 通常为20~50 kPa;涡街流量计***小, 通常为2~15 kPa。只有通过对流量计的能耗计算, 才能了解每种流量计的能耗, 也才能进一步比较节能型流量计节能量的大小。

5.1、测量液体时压损及能耗计算[7]:

  由于液体介质可看作是不可压缩性流体, 压力变化但密度不变。

1) 用孔板时, 压损计算

计算公式

 

式中△w—压力损失Pa;△p—孔板前后的压差Pa;计算公式—孔径比;能耗计算

计算公式

 

式中W—功率W;△w—压力损失Pa;qv—工况体积流量;m3/s;η—电机和泵效率。

2) 用涡街时

由于不同资料上的压损计算公式略有不同, 主要区别在于所用阻力系数不同, 因此结果也不同, 但差别不大, 这里大家以下式计算:

计算公式

 

式中△p—压力损失, Pa;p—流体密度, kg/m3;V—流体速度, m/s;

5.2 、测量气体时压损及能耗分析计算:

由于气体具有很强的可压缩性, 经过流量计后压力由于损失而由p1变为p2, 这时的比容。也发生了变化, 由计算公式变为计算公式, 相应地体积流量由计算公式, 变为区qu2, 能耗的计算按下式计算:

计算公式

 

式中W—功率W;P1—压损前流体压力, Pa;P2—压损后流体压力;计算公式—压损前流体体积流量, m3/s;计算公式—压损后流体体积流量, m3/s;η—电机和风机效率。

若把气体看作理想气体, 通过流量计的过程看作绝热过程, 则由工程热力学可知:

计算公式

 

压损仍由式 (6) , 式 (8) 计算。

表2 不同工况表格  表3 能耗对比
表2 不同工况表格  表3 能耗对比 

 

5.3 、举例计算:

  由表3和表4中的涡街流量计和孔板流量计在不同工况下的压损和能耗对比可知, 涡街流量计有相对较小的压损和能耗, 在孔板流量计和涡街流量计同时适用的工况下优先选用涡街流量计。

6、结束语:

  本文在先容涡街流量计的工作原理和优点与局限性的基础上, 结合海洋生产平台实际工况进行了选型并提出了具体防振措施。***后, 先容了一种压损与能耗的计算方法, 并通过与孔板流量计的对比, 证明涡街流量计是一款相对节能的流量计。希翼本文能对今后涡街流量计在海洋平台中的选型和应用提供借鉴和参考。


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