摘要(yao):随着現代(dai)工業自動(dòng)化生産工(gōng)藝對管道(dao)流體測量(liang)⛹🏻♀️穩💞定性和(hé)精準性提(ti)出的的要(yào)求,一種新(xīn)型多孔平(ping)衡流量計(jì)
應運而生(shēng),文章介紹(shào)多孔平衡(heng)流量計的(de)工作原理(lǐ),通過✌️對📐流(liu)量計在鹽(yan)行業使用(yong)過程中發(fā)生的兩起(qi)案例深刻(kè)分析,闡明(ming)選用平衡(héng)流量計需(xu)注意的事(shi)🔆項,爲同行(hang)業相⛱️同工(gōng)藝制定運(yùn)行指導數(shu)據、開展設(shè)備維修提(ti)供借鑒參(cān)考。
1引言
随(suí)着現代工(gong)業自動化(huà)生産工藝(yì)對管道流(liú)體測量穩(wen)定性和精(jing)準性提出(chū)的更高要(yào)求，一種新(xīn)型多孔平(ping)衡流量🔴計(ji)應運而生(shēng)，它由美國(guo)航空航天(tian)局馬歇爾(ěr)航空♋飛行(hang)中心設計(jì)。作爲第三(san)代節流裝(zhuāng)置,多孔平(píng)衡流量計(jì)簡稱平衡(héng)流量計,它(ta)将流體🌈測(cè)量精度、重(zhong)複性、可靠(kào)性推到了(le)一個前所(suǒ)未有♉的高(gāo)度,廣泛🏃♂️應(yīng)用于石油(you)、化工、冶金(jīn)、電力、天然(rán)氣、水處理(li)等行業。多(duō)孔平衡流(liu)量計設備(bèi)性能良好(hǎo),但在設計(ji)選型及設(shè)✂️備安裝時(shi)需注意細(xì)節處理，否(fǒu)則影響性(xing)能發揮。
2多(duo)孔平衡流(liú)量計的工(gong)作原理
多(duō)孔平衡流(liú)量計是一(yi)種差壓式(shì)測量儀表(biao),其工作原(yuán)理👅與其他(tā)差壓流量(liang)計--樣,都是(shi)基于密封(fēng)管道中的(de)能量轉換(huàn)原🏃♀️理。在理(li)想流體的(de)情況下管(guǎn)道中的🏃♀️流(liú)量與差壓(ya)的平方根(gen)成正比🚩,再(zai)用測量出(chū)的差壓代(dai)人伯努利(li)方程即可(kě)計算出管(guǎn)道中的流(liú)量,如圖1所(suo)示。
節流器(qi)原理是在(zai)常規的孔(kong)闆節流闆(pan)中心一個(ge)圓孔的🌈基(jī)😄礎上結合(hé)多孔節流(liú)器的特點(dian),組成對稱(cheng)分布擁有(you)數量不等(deng)的函數孔(kǒng)，當介質流(liú)過圓孔時(shi),流體被平(ping)衡調整，渦(wō)流被最小(xiǎo)化🌈，形成近(jin)❓似理想流(liu)體，通過取(qu)壓裝置和(he)變送器,可(kě)獲得穩定(ding)的差壓信(xin)号,如圖2所(suo)示。
将測得(dé)的差壓信(xìn)号代人以(yǐ)下簡易公(gong)式,即可測(cè)算出理想(xiǎng)🈲狀态下被(bei)測流體流(liu)量;
式中:
qm一(yi)介質流量(liang)(kg/h);
K一儀表常(cháng)數;
Ɛ一流體(ti)流束膨脹(zhang)系數;
△P一所(suo)測差壓值(zhi);
ρ一介質密(mì)度(kg/m3)。
多孔平(píng)衡流量計(ji)實現了流(liu)場平衡整(zheng)流最佳效(xiao)果,将測量(liang)👨❤️👨常規中的(de)死區效應(ying)降到最低(dī)，節流件前(qian)後産生的(de)渦流也有(yǒu)較✨大程度(dù)降低。在測(cè)量理想狀(zhuàng)态✂️下的流(liu)體時,對直(zhí)管段的要(yao)求🌈也大大(dà)🧡降低,雜物(wu)滞留現象(xiàng)基😄本消除(chú)。永久壓力(lì)損失由于(yú)渦流減少(shǎo)降低爲常(chang)規節😘流裝(zhuāng)置的1/3,量程(chéng)比擴展到(dao)10:1。它采用的(de)無✏️銳角設(she)計，提高了(le)産品使用(yong)壽命。
多孔(kong)平衡流量(liàng)計的優異(yì)表現，獲得(de)大家的一(yī)緻認可并(bìng)🏃🏻♂️在工業🍓領(ling)域得到廣(guǎng)泛應用。但(dan)是,在實際(ji)使用❓過程(chéng)♊中，也♉會遇(yu)到一些問(wèn)題造成測(ce)量數據異(yi)常，影響工(gong)藝☀️操作。下(xia)面就實際(jì)應用中的(de)兩起多孔(kong)平衡🍉流量(liang)計運行異(yì)常情況進(jin)行分析。
3多(duō)孔平衡流(liú)量計應用(yòng)中測量異(yì)常的案例(li)分析
3.1案例(li)一
新建鹽(yán)鈣聯産項(xiàng)目2020年投人(rén)試生産，鹽(yan)鈣生産工(gōng)藝分爲NaCl與(yǔ)2H2O.CaCl2兩個産品(pin)生産系統(tong),均沿用傳(chuán)統的蒸發(fa)制鹽工藝(yì)。該套工✌️藝(yi)裝置采用(yòng)多孔平衡(héng)流量計(3台(tai))測量低壓(yā)蒸汽進汽(qi)量,正常運(yun)行時,理論(lùn).上蒸汽流(liú)量🎯應滿足(zu)A=B+C。其中A流量(liang)計爲總管(guan)進🌏汽流量(liàng)計;B流量計(ji)與圖中控(kong)制閥之間(jiān)有一套自(zi)動控制調(diào)節氣量閉(bi)環程序,定(dìng)量控制調(diao)節系統進(jin)汽量用以(yǐ)實現供🆚氣(qì)的穩定性(xing);C流☔量計出(chu)😍口設計有(yǒu)一台開關(guan)閥,閥門設(shè)有中停功(gong)能,運行時(shí)固定開度(dù)使用。A、B流量(liang)計🈲口徑與(yǔ)現場低壓(ya)主💞蒸汽管(guan)道口🏃♀️徑同(tong)爲DN800,流量計(ji)型号爲MBF4(非(fēi)貿易型)。
由(yóu)于試生産(chǎn)階段2H2O.CaCl2生産(chǎn)系統暫未(wèi)開啓,C流量(liàng)計狀态爲(wèi)0,理論🎯.上流(liu)👄經A、B的蒸汽(qi)流量數據(ju)應保持一(yi)緻。但實際(jì)上A與B兩⛱️台(tai)流量計☔所(suǒ)測量數據(jù)并不一緻(zhì),流量無規(gui)律性👉波動(dong),極不穩定(dìng),B流量計的(de)閉環程序(xù)由于數據(jù)波動過大(dà)無法投入(ru)運行。由于(yu)鹽鈣項目(mu)屬全國💯首(shou)套(石膏晶(jīng)種)2H2O.CaCl2生産裝(zhuang)置,在國内(nèi)還沒有可(kě)以借鑒✔️的(de)經驗,能源(yuán)消耗的準(zhun)确度對指(zhi)導運行生(shēng)産就顯得(dé)十分重要(yao)，盡快解決(jue)問題已迫(pò)在眉睫。
3.1.1設(she)備現場及(jí)故障現象(xiàng).
多孔平衡(heng)流量計的(de)管道介質(zhì)蒸汽來自(zì)動力車間(jiān)分氣缸🌐(如(ru)圖3所示),主(zhǔ)管道經過(guò)沿路8m高的(de)支架爬升(shēng)🧑🏾🤝🧑🏼至車❄️間廠(chǎng)房30m高的樓(lou)頂,再由樓(lou)頂直管段(duàn)引入NaCl與2H2O.CaCl2各(gè)系統。經查(cha)驗流量計(ji)安裝嚴格(ge)按照設🐅計(jì)院的設計(jì)要求，滿足(zu)直管段前(qian)3DN後1DN的距離(lí)要求。
流體(ti)檢測是采(cai)用一體式(shì)非貿易型(xíng)多孔平衡(héng)流量計,通(tong)過差壓信(xin)号進人DCS系(xì)統程序搭(dā)建的數學(xue)公式中計(jì)算,原則上(shàng)A與B兩台流(liú)量計的測(ce)量結果應(ying)完全相等(deng)。而實際系(xi)統試運行(hang)中,随着流(liú)量計管路(lu)上調節閥(fá)的開關動(dòng)作,兩🎯台流(liu)量計測量(liang)數據會出(chu)現不規律(lü)的變化。檢(jian)測記錄所(suo)🌏顯示的流(liú)量與動力(lì)車間分氣(qi)缸出口流(liu)量數據也(yě)存在💰較大(dà)差異。
3.1.2産生(shēng)異常的原(yuán)因分析及(jí)解決方案(àn)
鹽鈣項目(mu)DCS控制系統(tǒng)采用和利(lì)時的MACS6.5系統(tǒng)，蒸汽流量(liàng)采用qm=Kε√AP/ρ計算(suàn)。經過分析(xī),溫壓補償(cháng)不足是導(dǎo)緻測量不(bú)✂️穩定的原(yuan)因之一。現(xian)🚩場工況壓(ya)力爲0.5MPa,介質(zhì)溫度爲150℃左(zuǒ)右。設計♻️時(shi)未考慮采(cai)集溫度和(hé)壓力信号(hao)且管道上(shang)🍓也未安裝(zhuāng)☁️溫度和壓(yā)力的采集(jí)裝置。現場(chǎng)在管道.上(shàng)🌈采用新增(zeng)壓力變送(sòng)器和♻️熱電(dian)阻,安裝原(yuan)則是前溫(wēn)後壓，然後(hòu)通過系統(tong)内所配備(bèi)的計算模(mo)塊:(STEAMCOMP水蒸氣(qì)流量補償(chang)、理想氣體(ti)流量補償(cháng))将采集到(dao)的新的壓(ya)力溫度信(xin)号與流量(liang)🔴計自身的(de)差壓信号(hào)一并引人(rén),進行溫壓(ya)補償。結果(guo)顯🐅示,測量(liàng)數據變化(hua)呈現一-定(dìng)🎯的規律性(xìng),但不穩定(ding)性依然存(cun)在。調整未(wèi)🐪取得預想(xiang)的效果。通(tōng)過DCS系統自(zi)帶計算模(mo)塊同時引(yǐn)人溫壓補(bu)💞償信🌈号所(suo)搭建的數(shu)學模型也(ye)無♌法正确(que)測量流量(liàng);
式中:
qm一質(zhi)量流量,kg/h;
C一(yī)流出系數(shù);
β一-管徑比(bǐ);
Ɛ一被測介(jiè)質可膨脹(zhàng)系數;
d-孔闆(pan)開孔直徑(jing),m;
△P一差壓，Pa;
ρ一(yi)工作狀态(tai)下介質密(mi)度，kg/m3。
将式(2)中(zhōng)所有系數(shu)當作常數(shu)後的簡化(huà)得(1)式(Qm=Kε√AP/ρ),由于(yú)儀表⁉️系㊙️數(shù)K不一定是(shi)一個不變(bian)常數,積算(suan)儀通過将(jiāng)K值設置最(zui)多分成8段(duàn)進行分斷(duàn)計算，用來(lai)提高測量(liàng)數🐕據的精(jing)度。
待設備(bei)安裝到位(wèi)投人使用(yong)後，所測蒸(zhēng)汽流量開(kai)始出現以(yǐ)下🆚三種比(bǐ)較有規律(lü)性的波動(dòng)。
3.1.2.1當閥門開(kai)度在14%左右(you)時，管道流(liu)量約在90t/h時(shí)，上述兩台(tai)流量計的(de)流量能達(da)到一-緻,此(cǐ)時管道内(nei)介質流通(tōng)量似乎達(dá)📞到相對的(de)平衡狀态(tai)。
3.1.2.2當調節閥(fa)開度從14%開(kai)始增加時(shí),理論上兩(liang)台流量計(ji)🐅的流🔴量應(yīng)同🤟比例增(zēng)大流量數(shù)據，但是現(xiàn)場卻出現(xian)A流量計流(liú)🌈量增加量(liàng)要略低于(yú)B流量計。
3.1.2.3當(dāng)調節閥開(kai)度從14%開始(shi)減少時，理(li)論上兩台(tai)流量計的(de)流量因同(tóng)步降低,但(dan)是此時A流(liú)量計的流(liu)量明顯🆚增(zeng)高較大,隻(zhi)有B流量計(ji)的㊙️流量減(jiǎn)少。
3.1.3原因剖(pōu)析及技術(shù)改造
現象(xiang)一:由于調(diao)節閥安裝(zhuang)在兩台流(liú)量計中間(jian)，當調節閥(fa)在14%的時候(hòu),A流量計的(de)工作壓力(li)在正常工(gōng)況範圍的(de)❄️0.4MPa,通過新增(zēng)⭕的壓力變(biàn)🥵送器所測(cè)數據顯示(shì)，此時流量(liang)計B的工作(zuò)壓力由于(yú)閥[]變徑的(de)阻🔞礙作用(yòng),實際工作(zuo)壓力🛀🏻隻有(you)0.16MPa。但是B流量(liang)計的設計(jì)額定工況(kuàng)壓力💛也是(shi)0.4MPa。此時實際(ji)上B一直未(wei)能達到自(zì)身額定工(gōng)況，雖💯然測(ce)量出一個(ge)數據剛好(hao)和A達📞到一(yi)緻,通過經(jīng)🍓驗判斷可(kě)能是巧合(hé)。
現象二:當(dāng)閥門]從14%開(kai)至17~19%時,由于(yú)閥廣開度(dù)的增加,閥(fá)門]後端B流(liú)量計的蒸(zheng)汽總管壓(ya)力升高較(jiao)爲明顯,達(da)⛷️到了☎️0.25MPa。由于(yú)B流量計此(ci)時的工況(kuang)壓力變化(hua)很大，幾乎(hu)翻倍,所以(yǐ)此時👣B流量(liàng)計測量數(shu)據增幅也(yě)很大。而A流(liu)量計由于(yú)一直處在(zai)額定工況(kuàng),且壓力變(bian)🌏化不大，所(suo)以A流量計(jì)增幅不大(dà)。
現象三:當(dāng)閥門從14%關(guān)至9%時,由于(yu)閥門開度(dù)減少,閥廣(guang)]後蒸汽總(zong)管🌈壓力下(xià)降至0.09MPa左右(yòu)，B流量計此(ci)時工況已(yǐ)經低至根(gen)本無法正(zhèng)常測量數(shù)據的地步(bu),反而A流量(liang)計由于受(shou)到閥[]關閉(bi)影響,A流量(liàng)計蒸汽總(zǒng)管壓力上(shàng)升較爲明(míng)顯，已經升(shēng)✂️至0.458MPa。此時蒸(zhēng)汽流通平(píng)衡被打破(po)，原本可通(tōng)過♊的蒸汽(qi)受到閥門(men)開度減小(xiǎo)的影響受(shòu)阻,在閥門(men)與A流量計(jì)之間形成(chéng)渦流，受渦(wo)流影響,已(yi)計量過的(de)蒸汽在♋流(liu)量計☁️上反(fǎn)複流通再(zai)次計量,造(zào)🈲成了A流量(liang)計流量數(shu)⭐據大幅增(zeng)加。
通過三(sān)種現象的(de)分析,問題(tí)根源均與(yǔ)流量計中(zhōng)間安裝的(de)調節閥有(yǒu)關。工程技(jì)術部門]提(ti)出技改意(yì)見:重新定(ding)位調節閥(fa)本體和流(liú)量計的安(an)裝位置,同(tóng)時增加流(liú)量測量點(dian)的壓力與(yu)溫度檢測(ce)。
通過現場(chang)踏勘确定(dìng),将調節閥(fa)從30m高的樓(lóu)頂移至21m高(gao)，與溫度、壓(yā)力🚶、流量表(biǎo)計重新定(ding)位安裝(如(ru)圖4所示),消(xiao)除調節閥(fá)開啓對管(guǎn)道壓力的(de)影響。改造(zao)後試運行(hang)生産,觀察(chá)新裝壓力(lì)變送器的(de)💚數據顯示(shì)，可确定兩(liǎng)台流量計(jì)🌈所處的管(guǎn)道内的壓(ya)🔴力均爲額(é)定工作壓(yā)♊力,無論調(diao)節閥如何(hé)調節,兩台(tai)流量計的(de)管道壓力(li)都在同步(bù)變化中。多(duō)孔平衡流(liu)量計投人(ren)試使用後(hou),流量數據(ju)不受閥廣(guǎng)]調節影響(xiǎng),A和B流量計(jì)測量保持(chi)一🛀🏻緻,工藝(yì)穩定,問題(ti)🚩得到徹底(di)解決。
3.2案例(li)二
二次冷(leng)凝水回收(shou)工程屬鹽(yán)鈣項目輔(fǔ)助工程，用(yong)以回收鹽(yán)系統🐪一次(cì)、二次蒸汽(qi)冷凝水循(xún)環利用。在(zài)該工藝系(xi)統管道上(shang)安裝的多(duō)孔平衡流(liú)量計，與案(àn)例一出現(xiàn)了相似的(de)故障，測量(liang)數🌈據無規(guī)律變化且(qiě)不準确。
3.2.1設(she)備現場及(jí)故障現象(xiàng)
如圖5所示(shì)，在冷凝水(shui)U型管低點(diǎn)設計安裝(zhuāng)了一台多(duō)孔平衡流(liu)量計，用于(yu)測量管道(dao)回收的冷(lěng)凝水量。安(ān)裝至U型管(guǎn)的低點，理(li)論上是最(zuì)佳測量位(wèi)置，原則上(shang)也滿足多(duo)孔平衡流(liú)量計所要(yao)求的安裝(zhuang)直管尺寸(cùn)。但在使用(yong)過程中頻(pín)繁出現數(shu)據測量不(bú)準，數據時(shí)🏃♀️有時無現(xian)象。
3.2.2産生異(yi)常原因分(fen)析及解決(jue)方案
此工(gong)程按照設(shè)計要求，鹽(yán)鈣系統蒸(zheng)汽用量爲(wèi)120t/h，滿負荷🧑🏾🤝🧑🏼生(sheng)産時冷凝(ning)水出水率(lü)應爲70%左右(you)，回收流量(liang)約爲80t/h。此冷(lěng)🔞凝水回收(shōu)管管徑爲(wèi)DN250，當水從高(gao)處管流向(xiang)U型管段時(shi)，理論上水(shui)流經U型管(guan)低點管段(duan)應該是滿(mǎn)管狀态，故(gù)流量計安(ān)裝位置符(fú)合要求。
因(yīn)系統處于(yú)試生産期(qī)間，鹽鈣蒸(zheng)汽使用量(liàng)僅爲40t/h左右(yòu)，産生的冷(lěng)凝水量也(yě)不穩定，冷(lěng)凝水泵經(jing)常出現泵(beng)不上水的(de)情況。從泵(bèng)到流量計(ji)之間有300m左(zuǒ)右的管道(dào)，且大部分(fèn)管道在6m高(gao)管架上，泵(bèng)水輸送存(cún)在間歇，會(huì)在管道🍓内(nèi)形成較大(dà)的沖擊震(zhèn)蕩。由于水(shuǐ)流量不✉️足(zu)導緻從6m的(de)管架高處(chù)向低處流(liú)時的自由(you)落體速度(du)大于此時(shí)管道内水(shui)的流速，在(zài)U型管内形(xing)成氣泡，當(dang)氣泡流經(jīng)垂直安裝(zhuāng)的流量計(jì)差壓取壓(yā)孔處，導緻(zhi)所測差壓(yā)連續被中(zhong)斷。參考公(gong)式；Qm=Kɛ√ΔP/ρ，由于K、ρ、ɛ都(dōu)是常數，差(cha)壓ΔP成爲了(le)流量測量(liàng)的重要決(jue)定性參數(shu)。
通過對工(gōng)藝現場認(ren)真分析得(de)出，理論上(shàng)該U型管的(de)最低🥵段都(dou)是滿管狀(zhuàng)态，但是當(dang)工藝生産(chan)在非滿負(fù)荷或更低(dī)的生産狀(zhuang)🧡态時，氣泡(pào)現象就在(zai)所難免。爲(wèi)了将氣泡(pao)因素影響(xiang)降至最低(dī)，工程技術(shu)部門提出(chū)改變多孔(kǒng)平衡流量(liang)計的安裝(zhuang)方式，安裝(zhuāng)位置不變(biàn)✏️，但取壓口(kou)及冷凝水(shui)罐從水平(ping)安裝調整(zhěng)爲斜向下(xià)45°安裝。改造(zào)後使用效(xiào)果顯示，流(liú)量測量數(shu)據穩定且(qiě)有規律的(de)🌈變化，運行(hang)數月未見(jian)異常狀況(kuàng)發生。
4應用(yong)案例分析(xi)總結
結合(hé)以上兩個(ge)案例的分(fen)析技改，可(kě)以看出多(duō)孔平衡流(liu)量計設備(bèi)性能的良(liáng)好發揮與(yu)諸多因素(su)相關，在實(shi)際應用中(zhōng)，我們要綜(zong)合考慮、全(quan)面衡量，将(jiāng)影響因素(sù)降至最低(dī)。
4.1充分考慮(lǜ)安裝位置(zhì)選擇對流(liu)量測量的(de)影響
當測(cè)量介質爲(wèi)蒸汽或水(shuǐ)時，要考慮(lǜ)管道長度(du)、管道🔴壓力(lì)及管道内(nei)流體雜質(zhi)的影響，安(ān)裝方式首(shǒu)選斜向下(xia)45°角度。在測(cè)量蒸🆚汽介(jie)質流量時(shí)，溫壓補償(chang)的投用、管(guan)道額定壓(ya)力的确保(bao)、疏水閥的(de)安裝均有(you)助于流量(liàng)測量🐅的穩(wen)定精準。同(tóng)時，U型👣管的(de)氣泡渦流(liu)需充💁分考(kao)慮，從使用(yong)經驗來看(kan)🈲，U型管中的(de)垂直下降(jiang)管和低點(diǎn)位直管均(jun1)不是安裝(zhuang)位置🈲，而上(shàng)升管段或(huo)者斜管段(duàn)在管壓作(zuo)用下，可産(chan)生更好的(de)💁測量穩定(dìng)效果。
4.2充分(fèn)考慮設計(ji)工藝與實(shi)際工況的(de)差異影響(xiang)
案例一多(duo)孔平衡流(liu)量計所測(ce)數據異常(cháng)是由多重(zhòng)因素導🔴緻(zhi)㊙️，筆者通過(guo)長時間現(xian)場觀察、比(bi)對實測數(shù)據，提出了(le)解決問題(tí)的辦法。考(kǎo)慮到算式(shì)2中的大部(bù)分常數都(dou)是廠家特(te)定的，設備(bei)出廠都進(jin)行過數據(jù)校驗，而實(shí)際工況中(zhong)大多數被(bèi)測流體并(bing)🔱不是理想(xiang)狀态中的(de)流體，應用(yong)在測量蒸(zhēng)汽流量🏃🏻時(shi)受外界幹(gàn)擾影響的(de)因素比較(jiào)大。所以，筆(bǐ)者認爲，設(shè)計此類流(liu)量計時，應(yīng)充分考🏃慮(lü)工藝管道(dào)的應用狀(zhuang)況、管道介(jie)質💘特性對(duì)設計進行(háng)優化。如案(an)例一中設(she)計提供的(de)🌈非貿易型(xíng)流量計、進(jìn)汽調節閥(fá)🌐的安裝位(wèi)置、溫壓補(bu)🧑🏽🤝🧑🏻償的缺項(xiang)均不利🧡于(yú)實際生産(chan)，需對比實(shi)際運行進(jìn)㊙️行調整。
5結(jie)束語
多孔(kong)平衡流量(liàng)計相較于(yu)傳統節流(liu)裝置有着(zhe)無可比拟(nǐ)的優點，多(duo)個函數孔(kǒng)徑的設計(ji)能最大限(xian)度地将流(liú)🆚場平🐕衡整(zhěng)流成理想(xiǎng)流體，從而(er)充分發揮(huī)差壓式流(liú)量計的優(you)勢。多孔平(ping)衡流量計(ji)因其獨特(te)的性能、較(jiao)高的穩定(ding)性和測量(liang)精度，以及(ji)較強的适(shì)應性，廣泛(fàn)适用于多(duō)種工藝場(chǎng)合。
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