摘要渦(wō)街流量(liàng)計 因其(qi)儀表系(xi)數與流(liu)體特性(xing)無關、精(jīng)度高、寬(kuān)量程比(bǐ)和低壓(ya)損等📧優(yōu)點，在化(hua)工領域(yu)的應用(yòng)越來越(yue)廣。以熱(rè)解分級(jí)煉制新(xin)工藝對(dui)煤及液(yè)化殘渣(zha)進行煉(lian)制利用(yòng)中的産(chan)品之一(yi)熱解氣(qì)爲例，介(jiè)紹渦街(jiē)流量計(ji)的選型(xing)設計。
　　我(wǒ)國低階(jie)煤資源(yuán)儲藏豐(fēng)富，占可(kě)采儲量(liàng)40%以上。然(rán)而它🌈的(de)🈲高效利(lì)用一直(zhi)是業内(nèi)努力攻(gōng)克的難(nan)題。低階(jie)煤含水(shuǐ)量高，熱(re)💯值低，機(jī)械強度(du)低，化學(xué)穩定性(xìng)差。爲此(ci)，北京低(di)碳清潔(jie)能源研(yán)究所承(chéng)擔國家(jia)高技術(shu)研💋究發(fā)展計劃(huà)項目課(ke)題“煤分(fen)級💚煉制(zhi)清潔⚽燃(ran)料關鍵(jiàn)技術研(yan)究”，采用(yòng)熱解分(fèn)級煉制(zhì)新工藝(yi)對煤及(jí)液化☁️殘(cán)渣進行(háng)煉💋制利(lì)用，在溫(wen)和的條(tiáo)件下對(duì)原料進(jin)行加工(gōng)處理，分(fen)步驟地(di)将其🥵中(zhong)有用的(de)成分充(chong)分提取(qu)出㊙️來，得(de)到的産(chan)品之⁉️一(yi)爲熱解(jie)氣，去除(chu)焦油後(hòu)的熱解(jie)氣組成(chéng)見表1，本(běn)工程中(zhong)采用渦(wō)街流量(liang)計對其(qi)進🙇‍♀️行測(cè)量。

1渦街(jiē)流量計(ji)概述
　　渦(wo)街流量(liang)計是20世(shi)紀70年代(dai)發展起(qi)來的一(yī)種新型(xíng)流量儀(yí)表，80年代(dài)制定了(le)渦街流(liu)量計專(zhuan)業标準(zhun)(ZBN12008－1989)和檢測(ce)規程(JJG620－1989)。渦(wō)街流量(liang)計目前(qian)已🌈發展(zhan)成爲主(zhu)流流量(liàng)儀表💃🏻之(zhi)一，因其(qi)有諸⛹🏻‍♀️多(duō)優點，吸(xi)引了國(guó)内外衆(zhong)多研究(jiu)者和企(qǐ)業的關(guān)注。研究(jiū)❗者從多(duō)方🔞面對(dui)其進行(háng)深入的(de)⭐研究:①旋(xuan)渦發🔞生(shēng)體的研(yan)究［1，2］;②壓電(diàn)傳感器(qi)❓探頭位(wèi)置的研(yán)究［3］;③數字(zì)信号處(chu)理方法(fǎ)的研究(jiu)［4］;④渦街信(xìn)号檢測(cè)方法的(de)研究🈲［5］;⑤數(shù)值仿真(zhen)方法🈚的(de)研究［6］
　　在(zai)衆多流(liú)量計中(zhong)，渦街流(liu)量計的(de)安裝、運(yùn)行、維護(hu)費低💋于(yu)節流式(shì)、容積式(shi)等，購置(zhì)費低于(yu)容積式(shì)、質量式(shi)等，是一(yi)種實用(yòng)性和經(jing)濟性都(dou)較好的(de)流量計(ji)，受到用(yong)戶廣泛(fan)歡迎❌。該(gai)流量計(ji)優點如(rú)下:
(1)在一(yī)定雷諾(nuò)數Ｒe範圍(wei)内(2×104～2×106)，輸出(chu)頻率信(xìn)号不受(shou)流體物(wù)性(密度(du)🌈、粘度)和(hé)組分變(biàn)化影響(xiǎng)，即儀表(biao)系數僅(jǐn)與旋渦(wō)發生體(tǐ)的形狀(zhuang)尺寸及(jí)管道的(de)形狀尺(chi)寸有關(guan)，可以在(zài)一種典(diǎn)型介質(zhi)中校驗(yan)而适用(yòng)于各種(zhong)介質。
(2)精(jīng)度較高(gāo)(與差壓(ya)式、浮子(zi)式流量(liàng)計比較(jiào))。
(3)量程比(bǐ)可達10∶1或(huò)20∶1，目前已(yi)有廠家(jia)在研制(zhi)适用于(yu)氣體測(ce)量能💯達(dá)💘到🌈80∶1的渦(wo)街流量(liàng)計。
(4)壓損(sǔn)小(約爲(wèi)孔闆流(liu)量計的(de)25%～50%)，大幅度(du)降低能(neng)耗。
(5)結構(gou)簡單牢(láo)固，安裝(zhuāng)維護方(fang)便。
(6)使用(yòng)範圍廣(guang)，可測量(liang)液體、氣(qì)體、蒸汽(qì)和部分(fèn)混相流(liu)體。
2渦街(jie)流量計(jì)的參數(shù)計算
2.1工(gong)作狀态(tai)和标準(zhun)狀态下(xia)的體積(ji)流量換(huan)算
　　渦街(jiē)流量計(jì)的輸出(chū)信号是(shì)與工作(zuò)狀态的(de)體積流(liú)量成正(zhèng)比例，氣(qì)體的體(tǐ)積流量(liàng)受溫度(dù)、壓力影(ying)響較🐉大(dà)，在流量(liàng)🤩計選型(xíng)時，若提(tí)🔴供的流(liú)量是标(biao)準狀态(tài)下的體(tǐ)積流量(liàng)或質量(liàng)流量，應(ying)把它換(huan)算成工(gong)作狀态(tài)下的體(tǐ)積流量(liàng)。
qV=qn(PnTZ/PTnZn)?????? (1)
式中，qV、qn分(fen)别爲工(gong)作狀态(tai)和标準(zhǔn)狀态下(xià)的體積(ji)流量，m3/h;P、Pn分(fen)别爲⛱️工(gong)作狀态(tai)和标準(zhun)狀态下(xia)14的絕對(duì)壓力，Pa;T、Tn分(fen)别♻️爲工(gōng)作狀态(tai)和标準(zhun)狀态下(xia)的熱力(lì)學溫度(du)，K。
2.2雷諾數(shù)、壓力損(sun)失和背(bei)壓的計(ji)算
　　在渦(wo)街流量(liang)計選擇(zé)流量計(ji)通徑時(shí)，主要是(shì)對流量(liàng)下🔆限值(zhí)進行😄核(he)算雷諾(nuò)數，最小(xiǎo)雷諾數(shu)不應低(dī)于下限(xian)雷諾數(shu)，即雷諾(nuò)數Ｒe≥2×104。在測(cè)👌量介質(zhi)爲液态(tai)時，還應(ying)檢查最(zuì)小工作(zuò)壓力是(shì)否高于(yú)工㊙️作溫(wēn)度下的(de)飽和蒸(zhēng)💰汽壓，即(ji)是否産(chan)生氣穴(xue)現象。
(1)雷(léi)諾數Ｒe是(shì)一個表(biǎo)針流體(tǐ)慣性力(lì)與粘性(xing)力之比(bǐ)的無量(liang)綱量:

式(shi)中，Q爲體(ti)積流量(liàng)，m3/h;D爲流量(liàng)計内徑(jìng)，mm;v爲運動(dòng)粘度，m2/s。
(2)壓(ya)力損失(shi):選擇流(liú)量計時(shi)，通常可(kě)能會對(dui)流量計(ji)的通徑(jing)進行⭕适(shì)當縮小(xiǎo)，以取得(de)較大的(de)流速和(hé)合适的(de)流量量(liang)程。但是(shi)如果🈲縮(suo)徑過于(yú)嚴重，可(kě)能會導(dao)緻較大(dà)的壓力(li)損失，能(neng)耗會增(zeng)加，因此(ci)在選㊙️擇(zé)流量計(jì)的通徑(jìng)時，也需(xu)要适當(dang)考慮壓(ya)力損失(shi)，盡可能(néng)減小壓(ya)🙇🏻力損失(shi)。壓力損(sun)失△P計算(suàn):
△P=1.1×10－5ρ·V2　　　　　　　(3)
式中，△P爲(wei)壓力損(sun)失，kg/m2;ρ爲流(liú)體密度(du)，kg/m3;V爲流速(sù)，m/s。
(3)背壓:測(cè)量液體(ti)的流量(liang)時，要确(que)認工藝(yì)管道的(de)壓力對(duì)🔞于較小(xiao)的🈲公稱(chēng)通徑而(er)言有足(zú)夠大的(de)背壓，避(bì)免🐆氣穴(xué)産生。流(liu)量計下(xia)遊的管(guan)道壓力(li)應滿足(zú):
P≥2.7△P+1.3P0(4)
式中，P爲(wèi)流量計(ji)下遊3.5～7.5D的(de)最小管(guǎn)道壓力(lì)，kg/cm2(A);P0爲液體(tǐ)的飽和(he)蒸❄️汽🧑🏽‍🤝‍🧑🏻壓(yā)，kg/cm2。
（4）根據工(gōng)藝要求(qiu)及現場(chǎng)安裝環(huan)境選擇(ze)耐壓、耐(nai)溫等級(jí)、防護等(deng)級、防爆(bao)等級、輸(shu)出信号(hào)等。
3測量(liang)熱解氣(qi)的渦街(jiē)流量計(jì)的選型(xing)設計
　　熱(rè)解氣的(de)組分如(rú)表1所述(shù)，其工藝(yi)參數:操(cao)作密度(dù)0.63kg/m3，運動粘(zhan)度2×10－5m2/s，操作(zuò)溫度48.9℃，操(cao)作壓力(lì)7.5kPa，管道DN80，最(zuì)小流量(liang)50Nm3/h，正常流(liú)🐉量100Nm3/h，最大(dà)流量150Nm3/h，儀(yí)👈表測量(liàng)範圍選(xuan)擇0～180Nm3/h。
　　因爲(wei)本裝置(zhi)爲試驗(yan)裝置，在(zài)裝置運(yùn)行的過(guo)程中，業(ye)主可能(neng)會根據(jù)需要适(shi)當調整(zhěng)參數，因(yīn)此選關(guān)鍵設備(bèi)的🎯工程(cheng)可行性(xing)、優化工(gong)藝參數(shu)的關鍵(jian)參數之(zhi)一，因此(ci)使用精(jing)度高一(yi)些的流(liu)量計也(ye)是有必(bi)要的;熱(rè)解氣的(de)組分随(sui)着參數(shu)的調整(zhěng)也可能(néng)會發生(sheng)變化，因(yin)此基于(yu)伯努利(li)方程原(yuan)理的，如(ru)孔闆、噴(pen)嘴、阿牛(niú)巴❗、德爾(er)塔巴、平(ping)衡式等(děng)都不能(néng)很🔞好的(de)測量，因(yīn)爲這類(lèi)流量計(jì)受💯流體(ti)物性(密(mì)度、粘度(du))和組分(fen)變化影(yǐng)響，且最(zuì)終的熱(rè)解氣産(chǎn)品或多(duō)或少都(dōu)有焦🐅油(you)的存在(zai)，時間長(zhǎng)了可👌能(neng)堵塞流(liu)量計。楔(xie)式流量(liang)計帶自(zi)清潔的(de)🔞功能，如(rú)果采用(yòng)法蘭取(qu)壓，變送(song)器采用(yong)隔膜密(mì)封式變(biàn)送器，其(qí)受焦油(you)的影響(xiǎng)🔆較小，楔(xie)式流量(liàng)計的計(jì)算結果(guǒ)分别見(jian)圖1和圖(tu)2。


　　當H/D比爲(wei)0.2時，其壓(yā)力損失(shi)達到4kPa，已(yi)經大于(yú)操作壓(ya)力的一(yi)半，此種(zhǒng)🏃🏻‍♂️方案不(bú)可取，當(dang)H/D比爲0.3時(shí)，其壓力(li)損失爲(wèi)1.09kPa，可以接(jiē)受，但❤️最(zui)小流量(liàng)時的差(chà)壓隻有(yǒu)0.11kPa，甚至正(zhèng)常流量(liang)時的差(chà)壓也隻(zhī)有0.45kPa，由于(yú)采用的(de)是隔膜(mó)🐅密封式(shi)變送器(qì)，此時的(de)🔞精度無(wu)法保證(zheng);另一類(lei)是基于(yú)線性連(lian)續方程(cheng)原理的(de)，如渦街(jie)流量🍉計(ji)、質量流(liú)量計等(deng)，考慮到(dào)本裝置(zhì)爲一🌈個(ge)實驗裝(zhuang)置，質量(liàng)流量計(jì)價格昂(áng)🛀貴，因此(cǐ)綜合考(kǎo)慮介質(zhi)🔅和裝置(zhi)的特殊(shū)性、壓損(sǔn)、精度和(hé)費♊用❄️等(děng)因素，選(xuan)用渦街(jiē)流量計(ji)測量熱(rè)解氣的(de)流量。
由(yóu)式(1)可得(dé)最小流(liu)量對應(ying)的工作(zuo)狀态下(xia)的體積(ji)流量:

由(yóu)上述計(jì)算結果(guo)可知，當(dang)流量計(ji)縮徑至(zhì)DN40時，雷諾(nuo)數即可(ke)滿足❗要(yao)求。
按式(shì)(3)可以核(he)算下DN50和(hé)DN40口徑下(xià)的最大(da)壓損:
DN50時(shi):
△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(yòng)橫河公(gōng)司計算(suàn)軟件計(jì)算出來(lái)的結果(guǒ)見圖3。

　　從圖(tú)3可見，出(chu)流量計(jì)口徑爲(wei)DN80時，最小(xiao)流量無(wu)法測量(liàng);流量計(ji)🔞口徑縮(suo)徑至DN50時(shí)，最小流(liú)量可測(cè)(此時流(liú)體的雷(léi)諾數非(fei)常接🔱近(jìn)2×104)，但此時(shí)💘的測量(liang)精度稍(shao)微差些(xie);流‼️量計(ji)口徑縮(suo)徑至DN40時(shi)，最小流(liu)量可測(cè)，且精度(dù)也能得(dé)到保證(zheng)。用☁️上述(shù)公式計(jì)算的壓(yā)損與軟(ruan)件計算(suàn)出來⭕的(de)也基本(běn)一緻，差(chà)别來自(zì)計算時(shí)流速及(ji)流量計(jì)口❗徑均(jun1)采用的(de)是估算(suan)值。如果(guǒ)流量計(ji)縮徑至(zhi)DN25時，流量(liàng)計的壓(ya)損已經(jing)達🔞到7.6kPa，壓(ya)損較大(dà)，無法滿(man)足工藝(yì)要求☁️。因(yīn)此選擇(ze)DN40口徑的(de)流量計(ji)能滿足(zu)要求。對(duì)于DN50口徑(jing)的😄方案(àn)，如果流(liu)量大于(yú)54Nm3/h時，流量(liang)計的精(jīng)度爲此(ci)款流量(liàng)☂️計的精(jīng)度，爲1.0%，當(dāng)流量爲(wei)50Nm3/h時，此時(shí)流量可(kě)測，隻是(shi)精度✍️稍(shāo)差些，約(yuē)爲1.81%，但流(liú)量計的(de)壓損會(huì)小很多(duō)，從節能(neng)降耗方(fang)面考慮(lü)，選擇DN50口(kǒu)徑的流(liu)量計也(ye)是可以(yǐ)的。綜上(shàng)⚽，選擇DN40和(hé)DN50口🆚徑的(de)渦街流(liú)量計都(dōu)能滿足(zu)要求。
　　操(cāo)作溫度(dù)爲48.9℃，沒有(you)特殊性(xìng)，選擇普(pu)通的渦(wō)街流量(liang)計即可(ke)💃🏻;根據現(xiàn)場情況(kuang)，流量計(ji)爲露天(tian)安裝，防(fang)護等級(jí)💔選擇🏃🏻IP65即(jí)可🚶‍♀️;根據(ju)🙇‍♀️《爆炸💯危(wēi)險環境(jing)電力裝(zhuāng)置設計(ji)規範》GB50058－2014，本(běn)裝置中(zhōng)各介質(zhi)所在🧑🏽‍🤝‍🧑🏻組(zǔ)别屬于(yú)危險物(wù)料，見表(biǎo)2。因此儀(yi)表的防(fang)爆标志(zhi)選擇ExiaⅡCT4Gb即(jí)能滿足(zú)要求。根(gēn)據項目(mu)🏒統一要(yào)求輸出(chu)信号選(xuan)擇爲4～20mA+HAＲT。

　　至(zhi)此，渦街(jiē)流量計(ji)的選型(xíng)已完成(chéng)，但考慮(lǜ)到熱解(jiě)氣中焦(jiāo)♻️油的存(cun)在，選擇(zé)渦街流(liu)量計時(shí)，需要注(zhu)意:①不能(neng)🌈選用因(yīn)爲技術(shu)需要而(ér)在渦街(jiē)流量計(jì)中設計(jì)了小孔(kǒng)結構的(de)流量計(jì)，因爲焦(jiāo)油有可(kě)能堵塞(sāi)這些孔(kǒng)，從而失(shī)去其原(yuan)有的作(zuo)用;②焦油(you)有可能(neng)附着在(zài)旋渦發(fā)生體上(shàng)，從而改(gai)變其結(jie)構，影響(xiǎng)測量精(jīng)度，因此(ci)需要🔞采(cai)用帶防(fáng)粘附作(zuo)用的發(fa)生體✔️，另(ling)外考慮(lǜ)到熱解(jiě)氣⭐中焦(jiāo)油的含(han)量較❌小(xiao)，且由于(yú)旋渦的(de)存在，其(qí)有剝離(li)附着在(zai)發生體(tǐ)上的焦(jiāo)油的作(zuo)用，因此(cǐ)認爲其(qi)對測量(liang)精度的(de)影響比(bi)較小⭐。
4結(jie)語
　　目前(qian)項目已(yǐ)經開車(che)成功，渦(wo)街流量(liang)計現場(chang)使用效(xiao)果‼️特别(bie)好，在整(zhěng)個實驗(yan)的過程(cheng)中，都能(neng)很準确(que)地測出(chu)熱❌解氣(qì)的流量(liàng)，深受業(yè)主好評(ping)。現場的(de)使用結(jié)果🏃表明(ming)，在發生(shēng)體帶防(fáng)粘附作(zuò)用的情(qíng)況下，低(di)含量的(de)焦油對(dui)流量計(ji)的測量(liang)精度影(ying)響不大(da)。目📞前化(hua)工廠常(chang)用的流(liu)量🚩計節(jiē)流裝置(zhi)(孔闆等(děng))，其受流(liú)體物性(xing)影響大(dà)，量程比(bi)一般隻(zhī)有3:1，且容(rong)易出現(xiàn)堵塞，直(zhí)管段要(yào)求甚至(zhi)高達50倍(bei)管徑，另(ling)外🌂導壓(ya)系統還(hái)容易出(chu)現洩漏(lou)。渦街流(liú)量計因(yīn)其儀表(biao)系數與(yǔ)流體特(tè)性無關(guan)(氣液通(tōng)用)、精度(du)高、寬量(liang)程比和(hé)低壓損(sǔn)等優點(diǎn)，是節流(liú)♊裝置的(de)理想替(tì)代✏️品，但(dan)隻有正(zheng)确設計(ji)、正确選(xuan)型以及(ji)正确安(an)裝的條(tiao)件下才(cai)能🤩發揮(hui)其應有(you)的作用(yòng)。

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