V锥流量计在过热蒸汽计量中的实际应用

2019-01-23 10:08:26

[摘要]标准孔板以其发展技术成熟、标准化程度高、结构简单等特点在过热蒸汽流量计量中得到非常广泛的应用。然而,孔板流量计也存在着一些固有的缺陷,如流出系数不稳定、线性差、重复性不高、准确度受客观因素制约而无法达到设计要求、量程比小、压损大等。文章介绍“V”型内锥式差压流量计的工作原理,进而分析如何利用它解决孔板流量计的这些缺陷,并通过计算实例说明“V”型内锥式流量计在节能方面的优异表现。

1“V”型内锥式流量计的工作原理及特点

从分类学上讲,“V”型内锥式流量计和孔板流量计都属于差压流量计,遵守能量守恒定律。孔板属于中心突然收缩式流量计,而“V”型内锥则属于边缘逐渐收缩式。其结构示意图分别如图1、图2所示。

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从图1中可以看出,当流体流过孔板时会形成流体的局部收缩,在孔板下游形成幅度相当大的漩涡,它会使孔板的量程比缩小,差压信号中的噪声增大,降低流量计的测量精度,压损增大。另外,孔板的这种中心突然收缩的节流方式还会带来其它不良影响:要求的上游直管过长(一般至少20D~50D),孔板前极易积污,孔板入口边缘极易被磨损从而丧失精度,流出系数不稳定,线性差。

“V”型内锥节流装置包括一个在测量管中同轴安装的尖圆锥体和相应的取压口。该测量管是预先精密加工好的,在尖圆锥体的两端产生差压。如图2所示,p1处为正压,p2处为负压。圆锥体的顶尖朝向来流,并且与尾随面之间是一个尖锐的锐角,从而保证流体在进入下游的低压区之前有一个平滑的过渡区。由于流体不是被迫收缩到管道中心线附近,并且不再是一个阻挡物(节流件)令流体突然改变流动方向,而是利用这种结构新颖的内锥式节流装置实现了对流体的逐渐朝向管道内壁的收缩

(节流),使“V”型内锥式流量计具有了一系列独特的优点。这种流量计在其节流件的下游只会产生高频低幅的喘流(小涡流),因而差压变送器所测量的差压Ap信号是低噪声信号。这样在负压侧的取压孔处就可以测得灵敏度(分辨力)优于24.5Pa(2.5mm水柱)的压力,从而利用一台差压变送器就能够获得很宽的量程比(大于15:1)和很好的重复性(优于±0.1%)。

“V”型内锥的安装方式使得管道中的流体在流经该节流件时会逐渐向管壁收缩,从而实现对节流装置的自清扫,可以自行清扫液体中的含气或气体中的含液以及气、液中所含的固体颗粒,将它们吹向下游,始终确保无污物在流量计中沉积或堆积。同时,“V”型内锥同轴安装在管道中,流体与内锥的相互作用使得内锥能矫正已畸变的速度分布,并能很大程度上消除漩涡二次流,起到流动调整器的作用。由于“V”型内锥流量计不受速度分布的影响,所以在安装过程中可以大大减少上下游直管段长度。

2“V”型内锥式流量计的计算

由于“V”型内锥流量计仍属于节流式差压流量计,所以它遵循伯努利方程和流体流动连续性方程。“V”型内锥流量计与标准孔板流量计的计算方法基本相似。节流式差压流量计普遍适用的实际流量公式为:

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式中:e为被测介质的可膨胀系数,对于液体e=1,对于气体、蒸汽等可压缩流体e<1;q、为流体的体积流量,m2/s;qm为流体的体积流量,kg/s;d为工作状况下节流件的等效开孔直径,m(对于孔板是开孔直径,对于“V”锥是等效开孔直径);B为等效直径比,对于孔板,B=d/D,对于“V”型内锥节流装置,B,=(D2-d2)0.5/D;△p为差压值,Pa;91为工作状况下节流件上游处流体的密度,kg/m2;c为流出系数。

对于“V”型内锥流量计的计算公式只需对上面的公式进行修正即可,“V”型内锥流量计的d和B应采用等效的开孔直径和等效的B,值(d,和B,)。

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式中:D为工况下测量管的内径,m;d,为工况下锥体最大横截面积处圆的直径,m;β、为“V”型内锥流量计等效直径比;液体的可膨胀系数e=1,对于气体、蒸汽等可压缩流体e<1,可按照下面公式计算:

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式中:△p为内锥前后的常用差压值,Pa;β为“V”型内锥流量计等效直径比,即β;k为可压缩流体的等熵指数;p1为工况下内锥上游取压处的绝对静压,Pa。

由于发展时间较短,“V”型内锥流量计尚未达到很高的标准化程度,所以对于每台“V”型内锥流量计,如果要求流量计具有优于±0.5%的精确度,流量公式中所采用的流出系数C是应在尽可能接近使用条件的标准装置上对其进行实流校准。如果要求士1.0%的精确度则只要使用厂家在出厂时的校准结果即可。

3“V”型内锥式流量计和孔板流量计的能耗对比

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式中:qkmh为液体或蒸汽的质量流量,kg/h;△p为永久压损,kPa;7为泵的效率,7=0.8;p1为在流动工况下上游取压处空气密度,kg/m3

那么一年下来孔板比内锥流量计多消耗的能量为441162kW·h,整个事业部98套孔板,如果全部采用“V”型内锥流量计,那么一年下来节能将是一个非常惊人的数字。

4结束语

从上面的分析和计算可以看出“V”型内锥流量计在过热蒸汽的测量中和标准孔板的计算方法基本相似,但由于“V”型内锥流量计的结构决定了它具有标准孔板流量计无法比拟的优点,在节能降耗方面,“V”型内锥流量计尤其值得大力推广使用,尽管目前标准化程度不如标准孔板高,但它在流量测量领域中必然会得到广泛的应用。



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