流量计系列产品
 
 

消除涡街流量计的使用障碍

发布时间:2017-10-28
 

摘要:文章阐述了涡街流量计在石油化工装置工程设计和使用过程中出现的问题,并着重就进口涡街流量计与管道内径匹配问题及涡街流量计在蒸汽流量测量中的温压补偿问题提供了简单的分析方法和计算公式。
l、引言
流体的流量测量是工厂测控参数中最重要的参数,也是国内外测量专家重要的技术研究课题。涡街流量计作为一种新型的流量测量仪表,以其内部无可动部件、构造简单、线性范围比较宽,在一定雷诺数范围内测量精度比较高及设计选型方便的特点,在石油、化工、轻工、电力系统被广泛使用。笔者根据多年的工作经验和所接触到的一些事例,就涡街流量计在石油化工装置中使用出现的问题,同时着重就进口涡街流量计与管道内径匹配问题及涡街流量计在蒸汽流量测量中的温压补偿问题进行讨论,为工程设计人员提供一些具体的参考,供同行们商榷。
2、涡街流量计基本原理和适用范围
涡街流量计基本原理是在流体中插入一个柱状阻力体,从柱状体下游两侧就交替产生有规则的旋涡列,这种旋涡列被称为“卡门涡街”。对于一定特征的柱状阻力体,卡门涡街的释放频率与流体流速成正比。因此,通过测量卡门涡街释放频率就可求得流体的瞬时流量 。
涡街流量计是典型的速度式仪表,适用于洁净的气体、蒸汽和粘度<15mm2/s的液体,流体在管道中流动状态雷诺数为2×10^4~7×10^6范围内的流量测量,参见图1可知,当流体的雷诺数低于2×10^4根本无法测量,且连参考价值也没有。这就要求不能使正常流量测量范围低于仪表量程下限,也不能在间歇式测量场所选用涡街流量计。

(注:St斯特劳哈尔数为涡街流量计十分重要的系数,实验证明,对不同形状和尺寸的旋涡阻力体,St约为0.15~0.22之间的常数)。
3、设计使用问题及解决办法
3.1涡街流量计的设计
(1)传感器技术的发展带动了涡街流量计的推广和使用,在石油化工装置的工程设计中,工程设计人员往往因为对传感器的特性了解不够,而造成设计和选型上的失误。
涡街流量传感器按其检测方式可分为压电应力式、磁敏式、电容式、热敏式和超声波式等。涡街流量计可以测量气体、蒸汽、液体流量,但由于各种介质特性干差万别,而传感器型式结构不同,其适应性也不同。如热敏式灵敏度高,适宜较低温(<120℃)低密度气体测量,但因热敏电阻用玻璃封装,较脆弱,故易受流体污物,有害物影响及颗粒物的损坏;压电应力式应用较广,但抗震性相对较差,信噪比较低场合,如测低密度、低流速气体,环境振动较大时就不宜选用,另外,压电应力式传感器采用的是压电陶瓷,若长期在300℃状态下工作,其绝缘电阻会急剧下降,输出信号也变小,导致测量系统低频特性恶化,因此,200℃以上中高温介质最好选用磁敏式、电容式;当然电容式也有缺陷的地方,因传感器空穴里充硅油,万一膜损坏导致油泄放到管道中,这在某些场所是不允许的;超声波式涡街流量计传感器只可用于液体介质的流量测量,不能用于气体、蒸汽介质的流量测量。
(2)卡门涡街是流体本身有规则的振荡,涡街流量计对工艺管道机械振动很敏感,设计时应切实了解现场条件。对于涡街流量计本身而言,管道振动与检测灵敏度这对矛盾难以很好的解决。为降低机械振动对仪表测量精度的影响,势必就要降低检测灵敏度,降低检测灵敏度当然会出现检测的“漏波”,而造成测量的非线性和超差。仪表厂商为保证仪表的精度,抗振性能指标被迫放宽。但在炼油化工装置中工艺管道不可能没有振动。因此,在涡街流量计的工程设计中,要求涡街流量计安装应远离机械振动源,同时在设计中应考虑采取克服管道振动的措施。
(3)涡街流量计出厂标定系数K通常是以标况下的空气、水进行标定,在标定时尽量满足其理想物理条件。然而,在实际使用中却存在着许多影响涡街流量计测量的因素。
例如,介质温度对仪表系数K的影响,理应在设计初进行计算补偿,以减少实际使用中的误差。
Kγ=KM[1-4.81×10^5(t-15)]
式中Kγ—一工作温度下的K值;
KM——标定条件(15℃)下的K值;
t——工作状态下介质的温度;
此步骤应由仪表制造厂商完成。仪表订货时应要求仪表制造厂商提供仪表的标定曲线及工作状态下仪表系数K的补偿公式,以便在实际使用过程中对仪表系数K进行实时的修正。
3.2涡街流量计安装使用问题
(1)涡街流量计较孔板流量计而言,有更高的直管段要求,为解决安装配管困难的问题,同时考虑涡街流量计无可动部件、耐磨损、免维护的特点,涡街流量计安装通常与孔板一样,不加旁路、旁路阀和前后切断阀,节省了投资。但带来的问题是现场流量计不能被不停工拆卸维护。
对特别重要的流量和恶劣的介质条件下的涡街流量计应考虑加旁路、旁路阀和前后截止阀,或是采用插入式带切断球阀的涡街流量计。但插入式涡街流量计的精度较低,必须是在满足过程测量精度要求的情况下选用。
(2)涡街流量计在石油化工装置中使用,为了避免损坏,涡街流量计应在管道吹扫完毕后安装上。但由于工艺停工对油品管道进行蒸汽吹扫时,不能拆掉流量计,涡街流量计的使用温度和安装方式如果未考虑可能使用的吹扫用蒸汽的最高温度来选用和安装的话,就不可避免地造成仪表的损坏。
3.3涡街流量计与管道内径匹配的问题
流量仪表一经选定,其安装正确与否便成为最重要的问题。涡街流量计安装时确保流速分布稳定是仪表正常工作的最关键条件之一,而仪表与管道内径的匹配就是其中的一个重要方面,但它往往没有引起设计人员的足够重视。进口涡街流量计性能优异,但由于国内外工程设计标准的不同,管道内径往往相差较大,因而不可避免地造成仪表运行效果的不理想。
以德国E+H公司电容式涡街流量计为例,其内径尺寸多为德国标准(DIN),与中国国家标准(GB)的管道内径相差较大。该公司DN15O仪表实际内径为159.3mm,而GB管道的实际内径为150mm,两者之差高达6%。
涡街流量仪表与管道内径相等是最为理想的,即在工程设计中保证流量计有足够长的直管段(一般为15~18倍管道内径)。如果流量仪表与管道内径存在差异 (即使公称通径相同),就可能产生附加误差,具体可分为几种情况:
(1)管道实际内径大于仪表内径,但两者之差不超过后者的3%,这时所产生的误差很小,仍在仪表精度范围之内,对测量无影响,不需要任何修正。
(2)管道实际内径小于仪表内径,但两者之差在一定的范围内,即通径DN15~DN100≤3%,DN15O≤1%,则产生的误差较小,这时可以通过对仪表系数K进行修正来补偿之,将影响消除。
(3)管道内径与仪表内径之差较大,超过上述允许范围。这时所产生的误差也较大,即使修正仪表系数K也无法满足测量精度和稳定性的要求。其原因是这种情况相当于直管段为零的状态,由于管径的突变使流体流速的分布受到扰动发生畸变,这种干扰随着流速等参数的变化而变化,并非固定不变,是无法修正的变量。由此造成所产生的涡街不稳定,输出频率信号与流速的比例关系失真,严重影响使用精度,甚至引起波动导致仪表无法正常工作。
在工程设计和仪表安装时,如何解决仪表与管道内径匹配的问题。一是尽量选用仪表内径与中国普遍使用的管道内径相同或相近的仪表,应尽可能选用管道内径略大于仪表内径,但两者之差不超过后者的3%。二是使管道内径向仪表靠拢,这必须寻找合适的管道,对原有管道进行改造,同时必须保证流量仪表对直管段的要求。涡街流量计安装过程中应避免流量计与管道错位而产生台阶,保证涡街流量计与管道的同心度。

3.4涡街流量计在蒸汽流量测量中的温压补偿问题
在涡街流量计的使用中,大约50%的涡街流量计用于蒸汽流量测量。涡街流量计检测的是流体流量在工作状态下的体积流量。用涡街流量计检测蒸汽流量时,习惯上以质量流量表示,因为折算系数中包含流体密度的因素,所以流体性质的变化及操作条件的波动都需要进行补偿,否则会产生流量计较大的误差。
蒸汽流量测量中温压补偿的目的,是在蒸汽的工况偏离设计工况时,将蒸汽的密度对测量结果的影响予以修正。表1~表3给出了人工计算的修正公式。涡街流量计的输出与流过测量管的流体流速成正比,在测量湿饱和蒸汽时,水滴对涡街流量计输出的影响可忽略,因为可以认为涡街流量计的输出完全由湿蒸汽的干气部分所引起(通常涡街流量计用于气体流量测量的释放频率是液体流量测量的1O倍),无论是压力补偿或温度补偿,干气部分的密度都可以较精确地查出。当然如果冷凝水也按照蒸汽一样收费,则涡街流量计的计量结果则偏低了。
4、遗留问题
(1)涡街流量计用于液体流量测量时,流体中带气体会导致涡街流量计K值的变化。设计选型中,这方面因素由于难以确定,往往被忽视。当测量容易气化的液体或工作条件接近临界状态的液体时,应仔细考虑工艺条件,防止气穴现象发生,否则会影响计量精度,甚至造成仪表不能正常工作。所谓气穴现象是指由于压力损失造成流量计下游压力降低,变得低于被测液体使用温度下的饱和蒸汽压而产生气泡。
(2)涡街流量计用于石油化工装置理应进行现场实际标定,而标定设备投资费用很高,几乎全部用户都没有这方面条件,使仪表固有误差无法消除。仪表长期无法标定,同样会带来仪表漂移误差长期无法消除的问题。