流量计系列产品
 
 

涡街流量计在空分装置液氮流量测量应用及改进方案

发布时间:2018-06-20
 

本文主要在分析空分装置液氧、液氮涡街流量计使用现状的基础上,对管道尺寸确定的情况下不能测量较大流量以及涡街流量计小信号切除量较大的问题进行相关研究改进,还就此类问题提出改造建议并对实施效果进行跟踪,对国内煤化工企业的大型空分装置在产品核算、经济效益分析、可靠运行的方面具有一定帮助。
笔者所在的煤基烯烃项目建设的两套独立的90000Nm/h(02)空分装置,装置生产气氧、气氮、仪表空气、工厂空气、液氧及液氮,
纯液氮进入主换热器后大部分作为高压氮气产品输出,剩余部分液氮经过冷器过冷后作为液氮产品送入1台1500m液氮贮槽,由于直接从冷箱输出,该液氮产品也带有过冷度,但进入低压贮槽仍有3%左右的闪蒸。这股产品液体流量由液氮产品调节器调节,产量由操作人员设定。
纯液氧大部分进入主换热器后作为高压氧气产品输出,一部分经过冷器过冷后作为液氧产品送入1台1000m液氧贮槽,由于直接从冷箱输出,该液氧带有过冷度,防止闪蒸进入低压贮槽。这股产品主要作用是通过调节主冷器的液位来保证装置的冷量平衡。当操作人员确定了液氧和高压气氧产品流量之后,进储槽的液氧流量可以由液氧和高压气氧产品流量之和自动得到。
由于低压储槽压力要求为5kPa(G),否则安全阀将会起跳。因此,这两股产品流量控制不好使进入各自低压储槽的产品发生闪蒸。另外,一般情况下,现在的煤化工配套空分装置都较大,液氮 、液氧产品在工艺系统负荷较低时可以作为产品销售。
1、空分装置液氧、液氮涡街流量计使用现状
1.1 液氧、液氮产品流量的测量方法
为了准确测量这两股产品的流量,保证贸易交接的准确性,考虑到这两股产品低粘度、低温、易气化的物理特性,以及测量管路的设计满足涡街流量计的要求,这种典型的速度式流量计,漩涡分离的稳定性受发生体上游流场畸变、漩涡流等影响,必须配备不同长度的上、下游直管段,并安装防振动措施,为涡街流量计提供良好的流场条件,消除流场对仪表的不利影响。因此项 目设计最初选用了DY型低温分体式涡街流量计配以D Y A型转换器来测量液氮、液氧流量。大多数涡街流量计具有较好的线性度,涡街流量计理论最大量程比可达300:1以上。但由于检测元件的灵敏度、仪表的压力损失和其他方面的限制要达到这么高的量程比是非常困难的。因此实际大多数的涡街流量计的量程比仅为10:1以上,有的可达到20:1甚至30:1。
若从节省投资成本考虑采用标准孔板流量计来测量液氮、液氧的话,存在一些不足之处:其一,量程范围较小,一般为3:1;其二,压力损失较大;其三,导压管、三 (五) 阀组及连接接头容易泄漏;其四,导压管、取压口易堵塞;其五,量程范围小,一般为3比1,对流量波动较大易造成测量值偏低;其六,液氮、液氧温度较低,需要采取复热措施由液态恢复为气态才可测量,否则易冻结。
1.2 涡街流量计测量空分装置液氧、液氮流量的缺点
笔者通过装置开车后近一年的使用观察,发现在这两股产品处使用涡街流量计存在两大弊端:
(1) 这两股产品要求测量的量程比较宽,最小流量要求测到lOkg/h,最大可测到5000kg/h及以上,但实际使用时最小流量达不到测量要求。
原设计最小流量可测到0kg/h,最大可测到3000kg/h及以上。这是不可能测量准确的,首先由于流速的关系测量下限精度不可能保证在零位,实际使用时发现流量低于325Nm/h就已经是零位了。
由于涡街流量计小信号切除量较大,使下限流量不能太低,笔者尝试通过修改变送器的以下部分设置以期望达到一个较好的流量测量范围,但上、下限流量未发生较大变化:
①D10(对应Additional Setup→LOW CUT)中的低值切除的流量值从0.60697Cum/h改为0.3035Cum/h。这一项是为了消除噪声并使流量在低流量区输出为零,但是它的可设定范围仅仅是最小可测流量的一半至量程流量。
②将K25(对应Maintenance→N.B.MODE)噪声平衡模式从AUTO改为MANUAL。
③将K26(对应NOISE RATIO)从默认值0.734482改为0.9。
④将K45(对应H VIBRATION)改为No ACTION。此处测量并非微小流量测量,因此保证较大的正常流量同时兼顾较小流量才是测量的重心。
(2)测量精确度比涡轮流量计、科氏力质量流量计低,不能满足贸易交接的需要。
笔者通过观察发现实际使用情况是最大流量在阀门仅65%开度时就达到了100%,最小流量仅可测到325Nm³/h,尤其上、下极限测量时基本很难用好。
(3)原设计选用的是尺寸为DN25的涡街流量计,以液氧产品为例,通过计算,若改选用内缩径涡街流量计的话,可以看到所测最小流量要比非内缩径涡街流量计效果好,具体见图1与图2的对比。
但一般不推荐采用内缩颈涡街流量计,毕竟涡街流量计靠的是稳流才能测量,内缩径涡街流量计测量液氮、液氧流量肯定不如下面要介绍的科里奥利质量流量计效果好。
2、空分装置液氧、液氮流量测量改进方案
2.1 利用科里奥利质量流量计测量液氧、液氮产品流量
考虑到这两股产品既要计量总流量,又要应用在流量控制系统中,流量计精确度的确定要在整个系统控制精确度要求下进行,因为整个系统不仅有流量检测的误差,还包含有信号传输、控制调节等环节的误差和各种影响因素,对测量仪表确定过高的精确度是不合理和不经济的。
因此综合精度、经济性一同考虑是对仪表改型的要素之一。考虑到现场仪表安装空间有限,一般安装于冷箱隔箱,要求一次安装调试到位尽量不再打开,再结合测点所在管道具有可靠的防振措施,笔者选用了艾默生高准(Micro Motion)ELITE带MVD技术的CMF100分体式弯管型科里奥利质量流量计。图3为典型的高准科式质量流量计安装图。

(1)精度高,零点标定方便
我们都知道用于贸易结算要求较高精确度,一般应不低于于0.2级,但还应考虑精确度的持久性和检定周期的关系,保证在整个检定周期内都合格。
该类流量计除了精度可达±0.10%外,标零也简便易操作:用被测介质打循环约5分钟,保证满管,关闭流量计下游阀,保证流量静止,用变送器上的调零按钮或375手操器对流量计进行调零。
(2)安装方面的考虑
不同原理的流量计对安装要求有很大不同,往往需要考虑安装位置与介质流动方向、维护空间、安装方向等。各大设计院对仪表维护空间的重要性常被忽视。一般来说仪表检维修人员应能进入到流量计周围,易于维护,并能有更换整机的位置。笔者所在的装置这两个测点所在的管道位于冷箱隔箱内,其中管线、阀门密布,留给流量计安装的空间有限,并且隔箱内填充的是保冷材料(玻璃纤维与珠光砂的混合物),对于这里的仪表尽量考虑到使用长周期、减少维护工作量。
(3)环境条件方面的考虑
流量计选型过程中应考虑仪表的周围条件及其预期变化,包括环境温度、湿度、安全性和电气干扰等。仪表的电子部件和某些仪表流量检测部分或电路部分会受环境温度变化影响,有时甚至造成故障。这时候我们往往采取转换显示部分和流量传感器分别装在不同场所,以保证电子元件免受温度影响。
(4)传感器接液结构的考虑
由于介质接近-200℃,要求这类流量计无可动部件、无接液动态组件,尽量回避应用于低温工况的其他技术的许多局限性。另外,如果使用O形环、密封管、接液部件等的不同金属,那么在低温温度时还必须考虑流体的热冲击和它们的兼容性问题。
(5)保证量程比的考虑
高准ELITE带多变量数字技术(MVD)的流量计应用于低温应用领域的两个主要原因是:压损和量程比。使用传感器较小的量程范围来降低压差。由于MVD电子平台包括低温杨氏模量非线性自动温度修正运算方程,因此在最小量程时高准ELITE流量计的测量精度也不会降低。
2.2 科里奥利质量流量计测量液氧、液氮产品的计算、选型
(1)以液氧产品为例,按照管道尺寸DN15内缩径进行计算,这里的液氧正常工作压力仅为0.230MPa-a,压损和流速损失非常明显,因此内缩径的不适用于这里。

(2)仍以液氧产品为例,按照管道尺寸DN25进行了小流量的计算,压损较内缩径的要好得多,但是在保证精度的情况可以测到尽可能小的流量,我们从图6可以看到100kg/h以下流量的性能曲线还是非常理想的。从图7可以看到在保证数据表1%精度的情况下,最小流量为70kg/hr左右。

我们继续进行正常流量的计算,全量程内的压损和精度也是非常理想的,从图8和图9我们甚至可以看到在保证正常流量的情况下还可以测到尽可能大的流量,这是非常难得的。流量算到8000kg/h,液氧压损在20kPa,流速4m/s左右。也就是说选用尺寸为DN25的流量计在保证常用流量没问题的情况下,也保证了最大流量的安全性。

综上所述,选用分体式弯管科里奥利质量流量计用以测量空分装置的液氧、液氮产品流量是最为合适的选择。改型之前,液氮产品流量最小仅可测到325Nm³/h,最大可测到3838Nm³/h及以上;液氧产品流量最小可测到325Nm³/h,最大可测到1850Nm³/h及以上。笔者在2012年6月间对原有的4台涡街流量计改型为这类质量流量计后,液氮产品流量最小可测到5.3Nm³/h,最大可测到6100Nm³/h及以上;液氧产品流量最小可测到6.1Nm³/h,最大可测到2100Nm³/h及以上。在满足笔者所在装置产品计量需求方面有了本质上的提升,效果显著。
2.3 科里奥利质量流量计测量液氧、液氮产品选型、安装时需要考虑的问题
(1)系统压力问题
当测量液化的气体或热溶剂以及有析出气体趋向的介质时,为防止气蚀的产生,必须保证安装在管线中的传感器有足够的背压。一定的背压要求还可以使介质始终充满传感器测量管,避免出现半管而导致测量不准确。因此,保证安装在管线中的传感器有足够的背压是十分重要的。要做到这一点,一是将传感器装在靠近泵的出口侧,或者装在上升管道的较低部位来测液体,而且流量计下游上升管道的高度应不低于2m(视介质密度而定)。还需指出的是,上升管道的下游侧不得有同样长或稍短的下降管道,以保证流体上升时产生的静压不被回降时抵消。图10中所示的静压被抵消的情况,应予以防止。

除上面所说的汽化和半管现象需注意避免外,传感器安装地点的选择必须使它有足够的压力以补偿传感器的压力损失。因为尽管科氏力式质量流量计的压损不大,但它毕竟不能像涡轮流量计那样可测自流流量。
(2)流场分布从优原则
在实际选型中,选用的流量计内径常常小于工艺管径,在这种情况下,流量计要经过对工艺管径缩径才可安装。由于现场空间通常比较狭小,有时不得不将弯头与缩管、阀门装在一起,紧接着安装流量计的传感器。情况恶劣时,将会造成双测量管型的质量流量计的入口流量分配器无法分配给两根测量管以均匀流量,甚至使测量管内无法充满或含有气泡,从而造成测量准确度下降甚至停振。实际应用中也曾出现过这种情况,后来将弯管与流量计之间隔开一段距离,流量计就恢复了正常工作。科氏力式质量流量计在线使用时,对流场分布的要求问题,在关于科里奥利质量流量计的国际标准ISO10790中也有相应的论述。一般地说,科里奥利质量流量计的性能不受由上、下游布管引起的旋涡流和非均匀流速分布的影响,通常不要求配置直管段,然而在实际布管时仍应遵守有益的原则。这也就是说,应遵从流场分布从优的原则。
(3)避免电磁干扰和射频干扰
电磁干扰或射频干扰对几乎所有的电子仪器都有影响,科氏力式质量流量计也不例外。虽然它的测量管作机械振动,但振动的激励、振动情况的检测以及检测信号的处理都运用电磁技术,因而整个流量计可以看作是一台组合电子仪器。若将它安装在大电机、射频发迭器、变压器、大功率出开关等设备附近,传感器中测量管的自激谐振动会受到干扰,而且检测器检测出来的微弱信号也有可能被淹没在干扰信号之中。另外,连接仪表各部分的电缆的走线也不要覆盖在这些可能产生干扰的设备上面,最好不要靠近它们,也不要靠近高压供电电缆或类似的电磁干扰和射频干扰(EMI/RFI)源。
(4)避免振动的影响
科氏力式质量流量计的原理和结构都决定了外界振动对它会造成影响,应考虑可靠支撑。若需要在管线振动大的地点安装小口径流量计,可在流量计的进出端用软管连接,而将流量计本身固定在坚实稳固的基础或减振板上。若要在这种管线中安装大口径流量计,有时要用膨胀节来消振,但必须在膨胀节与传感器之间加装带有坚固支撑的短接,否则,由于管道的伸缩造成附加应力,显示数据将会失准。典型管道支撑物分布如图11所示。

(5)特殊场所的安装
对于要在低温环境下工作的流量计,应注意变送器的工作温度范围,若不符合要求,应将变送器移出此区域,或另选安装地点。笔者改型的这两台流量计属于此范围,耐低温传感器与普通变送器分开安装,中间采用专用同轴电缆连接。
(6)露天安装
安装在暴露于雨、雪、沙尘较多的场所中的要防止雨水从传感器、变送器的接线孔渗入。接线孔要用橡胶塞及一段软管封住,且尽量使引线开口向下。
(7)其他注意事项
除以上几点要着重考虑之外,还应遵循下列原则:
①流量计设计旁路,前后都有截止阀,方便标零流量计的管线上总是有控制阀,控制阀应装在流量计下游,以避免由阀门产生任何流速分布扰动和气穴,从而影响测量精度。条件允许的话为流量计设计配备一个旁通路线,就可以在工艺管道线不断流的情况下,对流量计进行离线检定或修理。零点漂移是科氏力式质量流量计在实际运行中经常遇到的问题。尤其是在小流量测量时,零点漂移对测量准确度的影响较为严重。定期进行零点检查和调整是非常必要的。零点检查至少每三个月进行一次。
②测量液体介质选择较低安装位置
当用科氏力式质量流量计测量液体介质,特别是易汽化的液体或含有少量气体的液体介质时,应把流量传感器安装在管道的较低处,而不要将传感器安装在管道的最高处,以防止夹杂的气体在测量管中聚集而导致测量误差。此外,有条件的话,还应考虑流量计安装、日常维护及拆卸的方便。譬如,不要将传感器装得太高,也不要装在周围管线多而复杂的地方。这些做法,都会为流量计的安装和日常维护提供方便。
③“无应力”的措施
“无应力”安装是科氏力式质量流量计传感器安装必须遵守的前提,也是与其他流量传感器安装的最大区别。笔者在改型安装时就进行了提前预制管道。
我们可以利用工艺连接件面到面的准确尺寸,首先把要安装的传感器与配置的上、下游管线 (各有一段适当的长度即可)同轴对准并连接好,同时注意保持连接件的受力均匀,再安装好上、下游截止阀及其外配管 (各有一小段即可),将这些作为一个整体预先连接好,然后整体吊装与工艺主管线相焊接。
④接地措施可靠
流量计必须良好接地以便保证其正常运行。特别是当工艺管线接地不良时,应考虑传感器直接电气接地。连接传感器与变送器的信号电缆,在强电磁干扰区必须屏蔽且两端接地,笔者所在的空分装置就使用了这种方法。但在防爆的危险区域时,只能一端接地,具体在哪端接地,应按说明书中有关要求确定。
4、结束语
笔者对困扰空分装置的液氧、液氮产品流量不能准确测量的问题结合实际使用情况进行了分析,并提出了切实有效的解决方案并加以改造应用,对其改造方案的设计、技术难点、优缺点以及注意事项等方面进行了全面的统计、综述和评价。仪表工程设计人员可以考虑结合生产实际仔细对仪表进行选型,可以为企业节省仪表技改投资成本,提高经济效益。