渦街流量計測量熱解氣選型設(shè)計 發(fā)布時間:2018-07-09
摘要渦街流量計因其儀表系數(shù)與流體特性無關(guān)、精度高、寬量程比和低壓損等優(yōu)點,在化工領(lǐng)域的應(yīng)用越來越廣。以熱解分級煉制新工藝對煤及液化殘渣進行煉制利用中的產(chǎn)品之一熱解氣為例,介紹渦街流量計的選型設(shè)計。 我國低階煤資源儲藏豐富,占可采儲量40%以上。然而它的高效利用一直是業(yè)內(nèi)努力攻克的難題。低階煤含水量高,熱值低,機械強度低,化學(xué)穩(wěn)定性差。為此,北京低碳清潔能源研究所承擔(dān)國家高技術(shù)研究發(fā)展計劃項目課題“煤分級煉制清潔燃料關(guān)鍵技術(shù)研究”,采用熱解分級煉制新工藝對煤及液化殘渣進行煉制利用,在溫和的條件下對原料進行加工處理,分步驟地將其中有用的成分充分提取出來,得到的產(chǎn)品之一為熱解氣,去除焦油后的熱解氣組成見表1,本工程中采用渦街流量計對其進行測量。 1渦街流量計概述 渦街流量計是20世紀70年代發(fā)展起來的一種新型流量儀表,80年代制定了渦街流量計專業(yè)標準(ZBN12008-1989)和檢測規(guī)程(JJG620-1989)。渦街流量計目前已發(fā)展成為主流流量儀表之一,因其有諸多優(yōu)點,吸引了國內(nèi)外眾多研究者和企業(yè)的關(guān)注。研究者從多方面對其進行深入的研究:①旋渦發(fā)生體的研究[1,2];②壓電傳感器探頭位置的研究[3];③數(shù)字信號處理方法的研究[4];④渦街信號檢測方法的研究[5];⑤數(shù)值仿真方法的研究[6] 在眾多流量計中,渦街流量計的安裝、運行、維護費低于節(jié)流式、容積式等,購置費低于容積式、質(zhì)量式等,是一種實用性和經(jīng)濟性都較好的流量計,受到用戶廣泛歡迎。該流量計優(yōu)點如下: (1)在一定雷諾數(shù)Re范圍內(nèi)(2×104~2×106),輸出頻率信號不受流體物性(密度、粘度)和組分變化影響,即儀表系數(shù)僅與旋渦發(fā)生體的形狀尺寸及管道的形狀尺寸有關(guān),可以在一種典型介質(zhì)中校驗而適用于各種介質(zhì)。 (2)精度較高(與差壓式、浮子式流量計比較)。 (3)量程比可達10∶1或20∶1,目前已有廠家在研制適用于氣體測量能達到80∶1的渦街流量計。 (4)壓損小(約為孔板流量計的25%~50%),大幅度降低能耗。 (5)結(jié)構(gòu)簡單牢固,安裝維護方便。 (6)使用范圍廣,可測量液體、氣體、蒸汽和部分混相流體。 2渦街流量計的參數(shù)計算 2.1工作狀態(tài)和標準狀態(tài)下的體積流量換算 渦街流量計的輸出信號是與工作狀態(tài)的體積流量成正比例,氣體的體積流量受溫度、壓力影響較大,在流量計選型時,若提供的流量是標準狀態(tài)下的體積流量或質(zhì)量流量,應(yīng)把它換算成工作狀態(tài)下的體積流量。 qV=qn(PnTZ/PTnZn)?????? (1) 式中,qV、qn分別為工作狀態(tài)和標準狀態(tài)下的體積流量,m3/h;P、Pn分別為工作狀態(tài)和標準狀態(tài)下14的絕對壓力,Pa;T、Tn分別為工作狀態(tài)和標準狀態(tài)下的熱力學(xué)溫度,K。 2.2雷諾數(shù)、壓力損失和背壓的計算 在渦街流量計選擇流量計通徑時,主要是對流量下限值進行核算雷諾數(shù),最小雷諾數(shù)不應(yīng)低于下限雷諾數(shù),即雷諾數(shù)Re≥2×104。在測量介質(zhì)為液態(tài)時,還應(yīng)檢查最小工作壓力是否高于工作溫度下的飽和蒸汽壓,即是否產(chǎn)生氣穴現(xiàn)象。 (1)雷諾數(shù)Re是一個表針流體慣性力與粘性力之比的無量綱量: 式中,Q為體積流量,m3/h;D為流量計內(nèi)徑,mm;v為運動粘度,m2/s。 (2)壓力損失:選擇流量計時,通常可能會對流量計的通徑進行適當縮小,以取得較大的流速和合適的流量量程。但是如果縮徑過于嚴重,可能會導(dǎo)致較大的壓力損失,能耗會增加,因此在選擇流量計的通徑時,也需要適當考慮壓力損失,盡可能減小壓力損失。壓力損失△P計算: △P=1.1×10-5ρ·V2 (3) 式中,△P為壓力損失,kg/m2;ρ為流體密度,kg/m3;V為流速,m/s。 (3)背壓:測量液體的流量時,要確認工藝管道的壓力對于較小的公稱通徑而言有足夠大的背壓,避免氣穴產(chǎn)生。流量計下游的管道壓力應(yīng)滿足: P≥2.7△P+1.3P0(4) 式中,P為流量計下游3.5~7.5D的最小管道壓力,kg/cm2(A);P0為液體的飽和蒸汽壓,kg/cm2。 (4)根據(jù)工藝要求及現(xiàn)場安裝環(huán)境選擇耐壓、耐溫等級、防護等級、防爆等級、輸出信號等。 3測量熱解氣的渦街流量計的選型設(shè)計 熱解氣的組分如表1所述,其工藝參數(shù):操作密度0.63kg/m3,運動粘度2×10-5m2/s,操作溫度48.9℃,操作壓力7.5kPa,管道DN80,最小流量50Nm3/h,正常流量100Nm3/h,最大流量150Nm3/h,儀表測量范圍選擇0~180Nm3/h。 因為本裝置為試驗裝置,在裝置運行的過程中,業(yè)主可能會根據(jù)需要適當調(diào)整參數(shù),因此選關(guān)鍵設(shè)備的工程可行性、優(yōu)化工藝參數(shù)的關(guān)鍵參數(shù)之一,因此使用精度高一些的流量計也是有必要的;熱解氣的組分隨著參數(shù)的調(diào)整也可能會發(fā)生變化,因此基于伯努利方程原理的,如孔板、噴嘴、阿牛巴、德爾塔巴、平衡式等都不能很好的測量,因為這類流量計受流體物性(密度、粘度)和組分變化影響,且最終的熱解氣產(chǎn)品或多或少都有焦油的存在,時間長了可能堵塞流量計。楔式流量計帶自清潔的功能,如果采用法蘭取壓,變送器采用隔膜密封式變送器,其受焦油的影響較小,楔式流量計的計算結(jié)果分別見圖1和圖2。 當H/D比為0.2時,其壓力損失達到4kPa,已經(jīng)大于操作壓力的一半,此種方案不可取,當H/D比為0.3時,其壓力損失為1.09kPa,可以接受,但最小流量時的差壓只有0.11kPa,甚至正常流量時的差壓也只有0.45kPa,由于采用的是隔膜密封式變送器,此時的精度無法保證;另一類是基于線性連續(xù)方程原理的,如渦街流量計、質(zhì)量流量計等,考慮到本裝置為一個實驗裝置,質(zhì)量流量計價格昂貴,因此綜合考慮介質(zhì)和裝置的特殊性、壓損、精度和費用等因素,選用渦街流量計測量熱解氣的流量。 由式(1)可得最小流量對應(yīng)的工作狀態(tài)下的體積流量: 由上述計算結(jié)果可知,當流量計縮徑至DN40時,雷諾數(shù)即可滿足要求。 按式(3)可以核算下DN50和DN40口徑下的最大壓損: DN50時: △P=1.1×10-5×0.63×262=4.7×10-3kg/m2=0.46kPaDN40時: △P=1.1×10-5×0.63×402=11.1×10-3kg/m2=1.09kPa 利用橫河公司計算軟件計算出來的結(jié)果見圖3。 從圖3可見,出流量計口徑為DN80時,最小流量無法測量;流量計口徑縮徑至DN50時,最小流量可測(此時流體的雷諾數(shù)非常接近2×104),但此時的測量精度稍微差些;流量計口徑縮徑至DN40時,最小流量可測,且精度也能得到保證。用上述公式計算的壓損與軟件計算出來的也基本一致,差別來自計算時流速及流量計口徑均采用的是估算值。如果流量計縮徑至DN25時,流量計的壓損已經(jīng)達到7.6kPa,壓損較大,無法滿足工藝要求。因此選擇DN40口徑的流量計能滿足要求。對于DN50口徑的方案,如果流量大于54Nm3/h時,流量計的精度為此款流量計的精度,為1.0%,當流量為50Nm3/h時,此時流量可測,只是精度稍差些,約為1.81%,但流量計的壓損會小很多,從節(jié)能降耗方面考慮,選擇DN50口徑的流量計也是可以的。綜上,選擇DN40和DN50口徑的渦街流量計都能滿足要求。 操作溫度為48.9℃,沒有特殊性,選擇普通的渦街流量計即可;根據(jù)現(xiàn)場情況,流量計為露天安裝,防護等級選擇IP65即可;根據(jù)《爆炸危險環(huán)境電力裝置設(shè)計規(guī)范》GB50058-2014,本裝置中各介質(zhì)所在組別屬于危險物料,見表2。因此儀表的防爆標志選擇ExiaⅡCT4Gb即能滿足要求。根據(jù)項目統(tǒng)一要求輸出信號選擇為4~20mA+HART。 至此,渦街流量計的選型已完成,但考慮到熱解氣中焦油的存在,選擇渦街流量計時,需要注意:①不能選用因為技術(shù)需要而在渦街流量計中設(shè)計了小孔結(jié)構(gòu)的流量計,因為焦油有可能堵塞這些孔,從而失去其原有的作用;②焦油有可能附著在旋渦發(fā)生體上,從而改變其結(jié)構(gòu),影響測量精度,因此需要采用帶防粘附作用的發(fā)生體,另外考慮到熱解氣中焦油的含量較小,且由于旋渦的存在,其有剝離附著在發(fā)生體上的焦油的作用,因此認為其對測量精度的影響比較小。 4結(jié)語 目前項目已經(jīng)開車成功,渦街流量計現(xiàn)場使用效果特別好,在整個實驗的過程中,都能很準確地測出熱解氣的流量,深受業(yè)主好評,F(xiàn)場的使用結(jié)果表明,在發(fā)生體帶防粘附作用的情況下,低含量的焦油對流量計的測量精度影響不大。目前化工廠常用的流量計節(jié)流裝置(孔板等),其受流體物性影響大,量程比一般只有3:1,且容易出現(xiàn)堵塞,直管段要求甚至高達50倍管徑,另外導(dǎo)壓系統(tǒng)還容易出現(xiàn)泄漏。渦街流量計因其儀表系數(shù)與流體特性無關(guān)(氣液通用)、精度高、寬量程比和低壓損等優(yōu)點,是節(jié)流裝置的理想替代品,但只有正確設(shè)計、正確選型以及正確安裝的條件下才能發(fā)揮其應(yīng)有的作用。
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