V锥流量计的发展前景

2019-01-23 10:28:20

摘要:长期以来,标准孔板由于其发展技术成熟、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,孔板流量计存在着一些固有的缺陷,如流出系数不稳定、线形差、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。本文介绍‘‘v,’型内锥式差压流量计的工作原理,分析了如何解决孔板流量计的这些缺陷,并通过计算实例介绍‘V’型内锥式流量计在节能方面的优点,最后介绍在恶劣条件下‘V’型内锥式流量计是如何提供准确计量的。

一、V锥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式流量计,遵守能量守恒定律。孔板属于中心突然收缩式流量计,“V”型内锥则属于边缘逐渐收缩式。其结构示意图如图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较大的漩涡,它会使孔板的量程比缩小,差压信号中的噪声增大,流量计的测量精度降低,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20D~50D),孔板前极易积污,孔板入口边缘极易磨损从而丧失精度,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△P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(分辨率)优于2.5ram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4-0.1%)。

“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,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,始终确保没有污物在流量计中沉积或堆积。同时,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。

二、V锥流量计的计算

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:

s为被测介质的可膨胀系数,对于液体=1;对于气体、蒸汽等可压缩流体s<1;q.为流体的体积流量,m2/s;qm为流体的质量流量,kg/s;d为工作状况下节流件的等效开孔直径(对于孔板是开孔直径,对于“V”锥是等效开孔直径),m;β为等效直径比,对于孔板:β=d/D;对于“V”

型内锥节流装置:β=(D'-d2)05/D;AP为差压值,Pa;pi为工作状况下,节流件上游处流体的密度,kg/m';c为流出系数,c=实际流量/理论流量。对于“V”型内锥流量计的计算公式只需对式(1)或式(2)进行修正即可,“V”型内锥流量计采用等效的开孔直径和等效直径比。

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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。

液体的可膨胀系数=1;对于气体、蒸汽等可压缩流体<1,计算公式为:


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式中:

k为可压缩流体的等熵指数;P.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士0.5%的精确度,流量公式中所采用的流出系数C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±1.0%的精确度,则只要使用厂家在出厂时的校准结果即可。

三、V锥流量计和孔板流量计的能耗对比

和标准孔板相比,“V”型内锥的永久压损要小,这个特点使其在节能方面比标准孔板具有无与伦比的优越性,下面我们通过一个实例进行说明。燕化公司动力事业部负责向整个公司提供中压、低压蒸汽,共有标准孑乙板流量计98套,其中由第三热电站向化工一厂输送中压蒸汽的0400线上装有一标准孔板,孔板的设计参数分别为:

流量Qmm:100th,Qcm:80t/h,Qam:10t/h;差压AP:60kPa;工作压力(绝压)1.7MPa;工作温度:360℃;管道内径:406mm;等摘系数k:1.289;直径比β:0.62151;可膨胀系数s:0.9919;雷诺系数Reas:3819011,Rem:3055209,Ream:381901。

实际运行过程中,在用蒸汽负荷较大的冬季,经常超量程运行,为了能够对其进行计量,不得不对原有孔板进行重新计算,扩大量程,Qmr为110t/h,差压值AP为73.2kPa,而到用蒸汽负荷较低的夏季,该孔板流量计又处于下限运行,计量精度难以保证。为了解决这个问题,宁夏银河仪表有限公司设计了

“V”型内锥型流量计,为尽量减少更换仪表,内锥流量计的设计最大差压AP仍为60kPa,流量Q。m为150t/h,Qcm为65t/h,Qmm为10t/h;其参数分别为:雷诺系数:Remw为6.19×10°,Rem为2.68×10°,Recan:1.24×10°;等效直径比β为0.68;等效直径d为192.92mm。

下面分别计算标准孔板和内锥流量计工作时的能耗。

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而内锥流量计在Q⋯为150t/h时,差压值AP为60kPa,则:

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QKph为液体或气体(蒸汽)的质量流量,kg/h;n为泵和电机的效率(常取n=0.8);pi为流动工况下,在上游取压孔处气体的密度,kg/m2。

一年下来孔板比内锥流量计多消耗的能量为:

年能耗=(w/1000)(运行时数/年)

=50.361×365×24=441162kW·h考虑到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。

四、V锥流量计测量水井的井口流量

燕化公司动力事业部第三供水车问在用水井19口,2004年开采地下水2512万吨,大部分水井的计量为旋翼式水表,由于井口的水流量是很强烈的紊流,并且带有很多的泥沙和杂质;另外流量检测仪表的安装位置靠近泵出口,直管段很短,给准确计量带来不小的困难。砂石碎片导致一次元件损坏比较严重,现场维修的工作量非常大。为了能够准确计量地下水的开采量,采用‘‘v”型内锥式流量计替换现在的机械式旋翼式水表。

量计设计结构决定了它能(修正)矫正已畸变的速度分布,这主要是由于流体与内锥的相互作用。测试结果证明:“v”形内锥有整流作用,它不但能改善速度分布还能在很大程度上消除漩涡二次流,详见图3和图4畸变的速度分布和由内锥造成的新的速度分布。

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由于V锥流量计并不受速度分布的影响,因此可将这种流量计安装在一个普通差压式流量计无法适用的很短的直管上或很小的安装地点内。由于减少了上下游直管段及流动调整器,安装空间及占地面积都大大减少,因此可以使原始投资大大削简。紊流和泥沙不再对计量造成困难。

五、结束语

从上面的分析和计算可以看出V锥流量计标准孔板的计算方法基本相似,但由于“V”型内锥型流量计的结构决定了其具有标准孔板流量计无法比拟的优点,在节能、和恶劣条件下准确计量方面,“V”型内锥型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,但其在流量测量领域中必然会得到广泛的应用。



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