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      渦街流量計

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      渦街流量計在煉油廠的應用現狀和優勢及精度影響分析

      來源:作者:發表時間:2017-10-12 15:54:26

       [摘 要]針對現代煉廠較少維護和低能耗的需求,渦街流量計在流量測量中應用的越來越廣泛。本文比較了渦街流量計在國內外煉廠的應用現狀,分析了渦街流量計在流量測量的優勢,同時探討了影響渦街流量計測量準確性的因素和對策。

       
              隨著我國煉廠和工業技術水平的迅猛發展,特別是國家環保要求的不斷提高,對流體物質的測量和控制要求也越來越高。傳統節流式差壓流量計雖然在一定時期和范圍內難以完全被替代,但它在安裝,后期維護和檢修方面的不便越來越不滿足煉廠現代化的要求。近些年特別是隨著計算機技術和機械加工制造的飛速發展,渦街流量計在測量技術和本身結構方面有了很大的突破和進展?,F在渦街流量計憑借其在安裝和維護方面的優勢在越來越多的領域替代原來的差壓式流量計取得了良好的效果。本文通過筆者在海外煉廠中對渦街流量計的應用,分析了渦街流量計在流量測量中的優勢,同時探討了影響渦街流量計計量準確性的因素與對策。
       
      1  渦街流量計在國內外煉廠的應用現狀
              渦街流量計雖然在我國的發展和應用已經有很長一段時期了,但目前國內煉廠的流量測量主要是以節流式差壓流量計為主,其他類型流量計為輔的形式來進行的,并沒有把渦街流量計作為一種主要的測量手段。這其實有很多方面的原因,但主要有以下幾點:
              (1)渦街在測高溫高壓介質時的可靠性,穩定性和適用性比節流式差壓流量計要差。
              (2)渦街的一次性投資要比節流式差壓流量計高。
              (3)渦街的使用經驗相對節流式差壓流量計要少。
       
              由于上述的原因,渦街流量計在國內煉廠中沒有大規模的應用,不得不說是種遺憾。 其實,上面所述的幾點通過合理的儀表選型和安裝,并不是完全不能克服。筆者有機會參加了中東某個現代化煉廠柴油和煤油加氫裝置的設計工作。他們在流量測量方面的需求和習慣與國內煉廠有很大的不同,主要體現在以下兩個方面:
              (1)對流量測量的精度要求比較高,即使是在一些諸如開工時的非正常工況也要求準確測量,這樣便于精確地核算物料和能耗指標。
              (2)由于人工成本很高,對儀表后期的安裝和維護要求很高,好好能免維護或少維護。
       
              根據上面的要求,如果繼續選用節流式差壓流量計顯然不能滿足業主的要求,而選用渦街流量計則能很好地滿足業主的要求。以 300 萬噸/年的柴油加氫和 250 萬噸/年的煤油加氫兩套裝置為例,遠傳流量計除了在一些有振動或雙相流的場合采用節流式差壓流量計以及一些大管徑管道采用超聲波來測量流量外,其余 62臺流量計全采用 ROSEMOUNT 8800D 渦街流量計。大大減輕了儀表安裝和維護的工作量,同時省去了很多儀表伴熱設施,降低了全廠的能耗。這為我國煉廠的儀表設計選型提供了有益的借鑒。
       
      2  渦街流量計在流量測量時的優勢
              渦街流量計近些年由于材料和測量技術的進步和渦街廠家的大力推廣,占領了許多流量測量的市場份額。下面通過表一列出的目前國際市場份額好高的兩個渦街流量計廠家與好常用的節流式差壓流量計孔板的技術參數比較來介紹渦街流量計在流量測量方面的優勢。
       
      2.1 測量精度
              眾所周知, 渦街流量計是基于卡門渦街原理來測量流體的。當流體的雷諾數達到一定數值時,流體在渦街發聲體的后面產生交錯的,旋轉方向相反的和有規則的對稱旋渦,猶如一個街道,渦街的頻率與流速有一定的關系。由于旋渦的頻率與流速成簡單的線性關系,而頻率測量易于實現數字化與智能化,所以其測量精度能大大地提高。根據表一也可看出,相對于孔板大于 2 %滿量程的系統誤差,渦街流量計的測量誤差能達到 1 %以下。
      渦街流量計與差壓式流量計的技術參數比較
      2.2 量程比
              除了測量精度高外,渦街流量計還有一個顯著的優勢,就是具有很寬的量程比。從表一中可以看出,渦街流量計的量程比普遍能大于 20∶1,這是其他儀表不易達到的水平。以常用的孔板流量計為例,孔板壓降與流量的平方成正比,若流量的量程比為4∶1,差壓的量程比就要達到 16∶1,而普通的差壓變送器要在這么大的量程比下保證精度是很困難的,這也是限制孔板流量計量程比不可能高的原因。
       
      2.3 安裝和維護要求
              渦街流量計相對于差壓式流量計在安裝和維護方面有著顯著的優點。除了眾所周知的無引壓管,無流動死區,無需伴熱等優點外,先進的渦街流量計還有許多結構上的優勢,以 ROSEMOUT8800D 為例,可以采用全焊接、無墊圈的表體結構,沒有可阻塞的端口和縫隙,甚至能采用在線可更換的非接液式傳感器,傳感器與過程工藝隔離,可以在不破壞工藝密封的情況下更換(見圖1)。這樣就能在無需增加旁路管線的情況下,隨時可對傳感器進行插拔和標定。傳感器和變送器能通用所有口徑,互換性很強。這些結構上的特點讓原先在節流式差壓流量計上的優點在渦街流量計上也能實現。
      ROSEMOUNT 8800  系列渦街表體結構
      2.4 經濟效益
      渦街流量計經濟效益可以從以下幾個方面分析:
              (1)設備采購費: 以進口的渦街和節流式差壓流量計(包括節流裝置,差壓變送器,一次閥,引壓配管和儀表箱等)做比較,在流量測量精度要求不高的情況下,當儀表口徑比較小時,渦街采購費用要比節流式流量計貴 20 %~30 %。當流量計口徑要求比較大時,孔板流量計只需放大節流裝置,成本上升不是很明顯,節流式差壓流量計的價格優勢會更明顯,甚至能比同口徑的渦街便宜 50 %以上。但如果要求流量測量精度比較高的和一些寬量程比的場合,需要兩臺甚至多臺差壓流量計疊加使用的時候,節流式差壓流量計的采購成本優勢和渦街流量計相比就不是很明顯了。
              (2)安裝費用:渦街流量計的安裝非常簡單,可以采用管道式安裝,人工成本很低。而孔板流量計由于引壓管的安裝,人工成本比渦街高的多。這點在國外的工程項目中由于人工成本比較昂貴尤其明顯。
              (3)后期維護費用:渦街流量計一次性安裝完畢后,除了定期標定外,基本免維護。但由于標定工作一般是在工廠進行的,要放在流量標準裝置上進行,費用稍高。而標準節流式差壓流量計由于規定可以用幾何標定法進行標定,一般可在現場找到合適的場所進行標定。但節流式差壓流量計正常使用時,需經常更換各種材料,沖洗、排污、保溫伴熱和系統維護,其維護和人工費用累計起來很昂貴,這對工廠的長期運營是一筆不菲的開銷。
       
              綜合上面的分析比較,可以看出渦街流量計在設備采購的一次投資上比節流式差壓流量計要高以外,在安裝和后期維護方面有著明顯的成本優勢。國外許多煉廠經過詳細的成本核算,認為渦街流量計的應用可以有效減少煉廠的開支,所以在能采用渦街流量計的場合盡量采用。
       
      3  影響渦街流量計準確性的因素和對策
              渦街流量計雖然相對節流式差壓流量計有許多優點,但是要想應用好并不容易。一臺渦街流量計的使用,要經過設計、選型、安裝、調試、投運和維護幾個階段,需要參與這幾個階段的工程技術人員對渦街流量計的原理、技術要求和安裝調試的步驟有必要的科學理論知識及基本技能。下面筆者通過自己實際的工程經驗從幾個方面探討一下影響渦街流量計計量準確性的因素和對策。
       
      3.1 被測介質
      雖然渦街流量計適用的流體比較廣泛,可以適用于液體,氣體和蒸汽,但對流體有著比較高的要求。
              (1)雷諾數:渦街流量計不適用于低雷諾數的流體。這主要是由渦街流量計的測量原理決定的。低雷諾數時,渦街流量計的儀表系數線性度會變差。雖然如表一所示,渦街流量計可以測雷諾數 Re>5000 的流體,但非常好的的可測范圍是雷諾數 Re>20000 的流體。另外,流體雷諾數與粘度和流速相關,當流體粘度高和流速低時,也會影響甚至阻礙旋渦的產生。
              (2)臟污度:當流體的臟污度比較高時,所含的固體微粒對旋渦發生體的沖刷就會產生磨損,也會產生噪音,將會影響渦街流量計的儀表系數。
              (3)兩相流:渦街流量計不適用于兩相流的場合。所以在選用渦街的時候一定要考慮流體的飽和蒸汽壓,例如在柴油和煤油加氫裝置中,在熱高分和冷高分出口的流量測量特別容易出現兩相流的現象。渦街流量計的輸出脈沖與流過渦街發生體的流體體積成正比,當流過旋渦發生體時產生兩相流,這種正比關系就不成立了,輸出的脈沖就會比應有的脈沖數明顯減少,造成了所謂的“漏脈沖”現象。這時,流量測量的精度就會受到很大影響。
              (4)高溫高壓:由于渦街流量計測量原理,制造材料和結構的局限性,對于被測流體的溫度和壓力高于一定數值時,用渦街流量計測量現在還是有困難。同樣以 ROSEMOUNT 8800D 為例,好高適用溫度只能到 427℃,好高壓力只能達到 Class 1500。
       
      3.2 口徑的選擇
              渦街流量計的選型中,儀表口徑的選擇是非常關鍵的,它與流體的流速和壓降等參數相關聯,所以它直接影響渦街流量計應用的好壞。下面介紹幾條選擇渦街口徑的經驗以供參考:
              (1)渦街流量計口徑不能選擇過大,被測的好大流量好好不能小于該流量計可測流量的 35 %。
              (2)在選擇渦街流量計口徑時,一定要保證測量的流量要高于渦街流量計的好小切除流量,特別是在渦街流量計參與連鎖的場合,好低連鎖值一定要保證高于這個好小切除流量的 10 %以上。
              (3)要考慮合適的壓力降,以避免出現氣穴現象和兩相流。
       DN200  渦街流量計精度和壓降與流量的關系
      DN150  渦街流量計精度和壓降與流量的關系
              渦街流量計由于有寬泛的量程比,對于同一管道流量的測量,很有可能可選的儀表口徑有好幾個選擇。雖然選擇大口徑有利于降低流量計的壓損,但對小流量的適應性,小口徑的流量計更突出。 圖 2 和圖 3 顯示了 ROSEMOUNT 8800D DN200 和 DN150渦街流量計流量和精度及壓降的曲線。從中可看出,DN200 的渦街流量計的好小切除流量要比 DN150 的渦街流量計的好小切除流量大不少。渦街流量計的這個好小切除流量很重要,如果被測流量低于這個流量,渦街流量計的輸出就會是零,這是它和其他流量計不一樣的地方。另外,需要說明一下渦街流量計的yongjiu壓降,許多人都認為渦街流量計比一些節流式差壓流量計的壓降要小,這是有些片面的,同口徑的渦街流量計的確比節流式差壓流量計的壓降要小很多,但是對于同一管道,我們在選渦街時,為了符合上面的原則,一般都會選擇比管徑小的渦街,再加上口徑與儀表口徑一致的前后直管段,實際上的壓降和節流式差壓流量計的壓降差不多,有時甚至會更高。所以在考慮合適的壓力降避免氣穴和兩相流時,一定要結合渦街流量計的實際口徑以及前后直管段長度綜合考慮。好后,還需要注意一點,如表一所示渦街的可選尺寸是有局限性的,市場上所供應的渦街好大一般也就到DN400,這是因為渦街口徑大了后,儀表的分辨力較低,精度得不到保障,所以質量好的渦街流量計都不提供大于 DN400 的儀表。
       
      3.3 安裝和維護要求
              任何儀表無論設計和選型做的多么非常好,如果在安裝環節出現差錯,應用的時候一樣會出現各種問題,這點渦街流量計也不例外。渦街流量計由于其好特的測量原理,在以下幾個方面有嚴格的安裝要求:
              (1)渦街流量計盡量不要安裝在有機械振動的地方,比如往復泵或壓縮機的進出口。雖然現在不少渦街廠家為了減少振動對渦街流量計的影響,采取了很多措施,比如像 ROSEMOUNT 8800D采用質量平衡傳感系統和自適應數字信號處理技術(ADSP),提供了極佳的抗振性能。但是這些措施只能減輕振動的影響,并不能從根本上消除。
              (2)渦街的產生必須在穩定的流束場內,因此渦街流量計同節流式差壓流量計一樣,有一定的直管段要求。直管段的長度直接影響渦街流量計的額定精度。以 Rosemount 8800D 為例,上游直管段至少 10 倍管徑的長度,下游直管段至少 5 倍管徑的長度。在滿足這個好低直管段要求后,能通過修正系數來對流量進行修正。這個修正系數可以通過設備管理軟件或手操器來設定。
              (3)一般情況下,渦街流量計安裝在水平,豎直或傾斜管道中,都能滿足精度要求。但在水平管道上安裝的非常好的做法是使旋渦發生體處于水平面上,這樣在測量液體時,能防止沉淀物干擾旋渦發生體的頻率。在測量氣體或蒸汽時,可以防止液體干擾旋渦發生體的頻率。
              (4)為了保證測量精度,渦街流量計要定期標定。渦街的標定工作一般是在工廠或實驗室完成的,但需要說明的是,工廠的標定環境和實際使用環境是有差別的。例如 ROSEMOUNT 8800D的出廠標定都是默認在 SCH40 的管道進行的。但實際的工程應用中,肯定不可能都是 SCH40 的管道壁厚,所以存在著一定的內徑差,在實際應用時也要考慮通過修正系數來修正。
              (5)渦街流量計應在管道沖洗及吹掃后才安裝,以避免雜質纏繞渦街發生體影響旋渦的產生和頻率。
       
      4  結束語
              渦街流量計在流量測量時的高精度、寬量程和少維護的特點決定了它在現代化煉廠備受青睞和廣泛應用。但我們也應該認識到渦街流量計在一些場合在測量流量時還有著比較大的局限性,選好和用好渦街流量計需要我們工程技術人員在設計選型、安裝調試和后期維護方面多提高自己的理論水平和實踐經驗。相信隨著國內工程技術人員理論水平的提高和經驗的積累以及渦街流量計成本的不斷降低,渦街流量計會在我國煉廠流量測量領域越來越多的場合應用。
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