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涡街流量计

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涡街流量计在炼油厂的应用现状和优势及精度影响分析

来源:编辑:发表时间:2017-10-12 15:54:26

 [摘 要]针对现代炼厂较少维护和低能耗的需求,涡街流量计在流量测量中应用的越来越广泛。本文比较了涡街流量计在国内外炼厂的应用现状,分析了涡街流量计在流量测量的优势,同时探讨了影响涡街流量计测量准确性的因素和对策。

 
        随着我国炼厂和工业技术水平的迅猛发展,特别是国家环保要求的不断提高,对流体物质的测量和控制要求也越来越高。传统节流式差压流量计虽然在一定时期和范围内难以完全被替代,但它在安装,后期维护和检修方面的不便越来越不满足炼厂现代化的要求。近些年特别是随着计算机技术和机械加工制造的飞速发展,涡街流量计在测量技术和本身结构方面有了很大的突破和进展。现在涡街流量计凭借其在安装和维护方面的优势在越来越多的领域替代原来的差压式流量计取得了良好的效果。本文通过笔者在海外炼厂中对涡街流量计的应用,分析了涡街流量计在流量测量中的优势,同时探讨了影响涡街流量计计量准确性的因素与对策。
 
1  涡街流量计在国内外炼厂的应用现状
        涡街流量计虽然在我国的发展和应用已经有很长一段时期了,但目前国内炼厂的流量测量主要是以节流式差压流量计为主,其他类型流量计为辅的形式来进行的,并没有把涡街流量计作为一种主要的测量手段。这其实有很多方面的原因,但主要有以下几点:
        (1)涡街在测高温高压介质时的可靠性,稳定性和适用性比节流式差压流量计要差。
        (2)涡街的一次性投资要比节流式差压流量计高。
        (3)涡街的使用经验相对节流式差压流量计要少。
 
        由于上述的原因,涡街流量计在国内炼厂中没有大规模的应用,不得不说是种遗憾。 其实,上面所述的几点通过合理的仪表选型和安装,并不是完全不能克服。笔者有机会参加了中东某个现代化炼厂柴油和煤油加氢装置的设计工作。他们在流量测量方面的需求和习惯与国内炼厂有很大的不同,主要体现在以下两个方面:
        (1)对流量测量的精度要求比较高,即使是在一些诸如开工时的非正常工况也要求准确测量,这样便于精确地核算物料和能耗指标。
        (2)由于人工成本很高,对仪表后期的安装和维护要求很高,最好能免维护或少维护。
 
        根据上面的要求,如果继续选用节流式差压流量计显然不能满足业主的要求,而选用涡街流量计则能很好地满足业主的要求。以 300 万吨/年的柴油加氢和 250 万吨/年的煤油加氢两套装置为例,远传流量计除了在一些有振动或双相流的场合采用节流式差压流量计以及一些大管径管道采用超声波来测量流量外,其余 62台流量计全采用 ROSEMOUNT 8800D 涡街流量计。大大减轻了仪表安装和维护的工作量,同时省去了很多仪表伴热设施,降低了全厂的能耗。这为我国炼厂的仪表设计选型提供了有益的借鉴。
 
2  涡街流量计在流量测量时的优势
        涡街流量计近些年由于材料和测量技术的进步和涡街厂家的大力推广,占领了许多流量测量的市场份额。下面通过表一列出的目前国际市场份额最高的两个涡街流量计厂家与最常用的节流式差压流量计孔板的技术参数比较来先容涡街流量计在流量测量方面的优势。
 
2.1 测量精度
        众所周知, 涡街流量计是基于卡门涡街原理来测量流体的。当流体的雷诺数达到一定数值时,流体在涡街发声体的后面产生交错的,旋转方向相反的和有规则的对称旋涡,犹如一个街道,涡街的频率与流速有一定的关系。由于旋涡的频率与流速成简单的线性关系,而频率测量易于实现数字化与智能化,所以其测量精度能大大地提高。根据表一也可看出,相对于孔板大于 2 %满量程的系统误差,涡街流量计的测量误差能达到 1 %以下。
涡街流量计与差压式流量计的技术参数比较
2.2 量程比
        除了测量精度高外,涡街流量计还有一个显著的优势,就是具有很宽的量程比。从表一中可以看出,涡街流量计的量程比普遍能大于 20∶1,这是其他仪表不易达到的水平。以常用的孔板流量计为例,孔板压降与流量的平方成正比,若流量的量程比为4∶1,差压的量程比就要达到 16∶1,而普通的差压变送器要在这么大的量程比下保证精度是很困难的,这也是限制孔板流量计量程比不可能高的原因。
 
2.3 安装和维护要求
        涡街流量计相对于差压式流量计在安装和维护方面有着显著的优点。除了众所周知的无引压管,无流动死区,无需伴热等优点外,先进的涡街流量计还有许多结构上的优势,以 ROSEMOUT8800D 为例,可以采用全焊接、无垫圈的表体结构,没有可阻塞的端口和缝隙,甚至能采用在线可更换的非接液式传感器,传感器与过程工艺隔离,可以在不破坏工艺密封的情况下更换(见图1)。这样就能在无需增加旁路管线的情况下,随时可对传感器进行插拔和标定。传感器和变送器能通用所有口径,互换性很强。这些结构上的特点让原先在节流式差压流量计上的优点在涡街流量计上也能实现。
ROSEMOUNT 8800  系列涡街表体结构
2.4 经济效益
涡街流量计经济效益可以从以下几个方面分析:
        (1)设备采购费: 以进口的涡街和节流式差压流量计(包括节流装置,差压变送器,一次阀,引压配管和仪表箱等)做比较,在流量测量精度要求不高的情况下,当仪表口径比较小时,涡街采购费用要比节流式流量计贵 20 %~30 %。当流量计口径要求比较大时,孔板流量计只需放大节流装置,成本上升不是很明显,节流式差压流量计的价格优势会更明显,甚至能比同口径的涡街便宜 50 %以上。但如果要求流量测量精度比较高的和一些宽量程比的场合,需要两台甚至多台差压流量计叠加使用的时候,节流式差压流量计的采购成本优势和涡街流量计相比就不是很明显了。
        (2)安装费用:涡街流量计的安装非常简单,可以采用管道式安装,人工成本很低。而孔板流量计由于引压管的安装,人工成本比涡街高的多。这点在国外的工程项目中由于人工成本比较昂贵尤其明显。
        (3)后期维护费用:涡街流量计一次性安装完毕后,除了定期标定外,基本免维护。但由于标定工作一般是在工厂进行的,要放在流量标准装置上进行,费用稍高。而标准节流式差压流量计由于规定可以用几何标定法进行标定,一般可在现场找到合适的场所进行标定。但节流式差压流量计正常使用时,需经常更换各种材料,冲洗、排污、保温伴热和系统维护,其维护和人工费用累计起来很昂贵,这对工厂的长期运营是一笔不菲的开销。
 
        综合上面的分析比较,可以看出涡街流量计在设备采购的一次投资上比节流式差压流量计要高以外,在安装和后期维护方面有着明显的成本优势。国外许多炼厂经过详细的成本核算,认为涡街流量计的应用可以有效减少炼厂的开支,所以在能采用涡街流量计的场合尽量采用。
 
3  影响涡街流量计准确性的因素和对策
        涡街流量计虽然相对节流式差压流量计有许多优点,但是要想应用好并不容易。一台涡街流量计的使用,要经过设计、选型、安装、调试、投运和维护几个阶段,需要参与这几个阶段的工程技术人员对涡街流量计的原理、技术要求和安装调试的步骤有必要的科学理论常识及基本技能。下面笔者通过自己实际的工程经验从几个方面探讨一下影响涡街流量计计量准确性的因素和对策。
 
3.1 被测介质
虽然涡街流量计适用的流体比较广泛,可以适用于液体,气体和蒸汽,但对流体有着比较高的要求。
        (1)雷诺数:涡街流量计不适用于低雷诺数的流体。这主要是由涡街流量计的测量原理决定的。低雷诺数时,涡街流量计的仪表系数线性度会变差。虽然如表一所示,涡街流量计可以测雷诺数 Re>5000 的流体,但最佳的可测范围是雷诺数 Re>20000 的流体。另外,流体雷诺数与粘度和流速相关,当流体粘度高和流速低时,也会影响甚至阻碍旋涡的产生。
        (2)脏污度:当流体的脏污度比较高时,所含的固体微粒对旋涡发生体的冲刷就会产生磨损,也会产生噪音,将会影响涡街流量计的仪表系数。
        (3)两相流:涡街流量计不适用于两相流的场合。所以在选用涡街的时候一定要考虑流体的饱和蒸汽压,例如在柴油和煤油加氢装置中,在热高分和冷高分出口的流量测量特别容易出现两相流的现象。涡街流量计的输出脉冲与流过涡街发生体的流体体积成正比,当流过旋涡发生体时产生两相流,这种正比关系就不成立了,输出的脉冲就会比应有的脉冲数明显减少,造成了所谓的“漏脉冲”现象。这时,流量测量的精度就会受到很大影响。
        (4)高温高压:由于涡街流量计测量原理,制造材料和结构的局限性,对于被测流体的温度和压力高于一定数值时,用涡街流量计测量现在还是有困难。同样以 ROSEMOUNT 8800D 为例,最高适用温度只能到 427℃,最高压力只能达到 Class 1500。
 
3.2 口径的选择
        涡街流量计的选型中,仪表口径的选择是非常关键的,它与流体的流速和压降等参数相关联,所以它直接影响涡街流量计应用的好坏。下面先容几条选择涡街口径的经验以供参考:
        (1)涡街流量计口径不能选择过大,被测的最大流量最好不能小于该流量计可测流量的 35 %。
        (2)在选择涡街流量计口径时,一定要保证测量的流量要高于涡街流量计的最小切除流量,特别是在涡街流量计参与连锁的场合,最低连锁值一定要保证高于这个最小切除流量的 10 %以上。
        (3)要考虑合适的压力降,以避免出现气穴现象和两相流。
 DN200  涡街流量计精度和压降与流量的关系
DN150  涡街流量计精度和压降与流量的关系
        涡街流量计由于有宽泛的量程比,对于同一管道流量的测量,很有可能可选的仪表口径有好几个选择。虽然选择大口径有利于降低流量计的压损,但对小流量的适应性,小口径的流量计更突出。 图 2 和图 3 显示了 ROSEMOUNT 8800D DN200 和 DN150涡街流量计流量和精度及压降的曲线。从中可看出,DN200 的涡街流量计的最小切除流量要比 DN150 的涡街流量计的最小切除流量大不少。涡街流量计的这个最小切除流量很重要,如果被测流量低于这个流量,涡街流量计的输出就会是零,这是它和其他流量计不一样的地方。另外,需要说明一下涡街流量计的永久压降,许多人都认为涡街流量计比一些节流式差压流量计的压降要小,这是有些片面的,同口径的涡街流量计的确比节流式差压流量计的压降要小很多,但是对于同一管道,大家在选涡街时,为了符合上面的原则,一般都会选择比管径小的涡街,再加上口径与仪表口径一致的前后直管段,实际上的压降和节流式差压流量计的压降差不多,有时甚至会更高。所以在考虑合适的压力降避免气穴和两相流时,一定要结合涡街流量计的实际口径以及前后直管段长度综合考虑。最后,还需要注意一点,如表一所示涡街的可选尺寸是有局限性的,市场上所供应的涡街最大一般也就到DN400,这是因为涡街口径大了后,仪表的分辨力较低,精度得不到保障,所以质量好的涡街流量计都不提供大于 DN400 的仪表。
 
3.3 安装和维护要求
        任何仪表无论设计和选型做的多么完美,如果在安装环节出现差错,应用的时候一样会出现各种问题,这点涡街流量计也不例外。涡街流量计由于其独特的测量原理,在以下几个方面有严格的安装要求:
        (1)涡街流量计尽量不要安装在有机械振动的地方,比如往复泵或压缩机的进出口。虽然现在不少涡街厂家为了减少振动对涡街流量计的影响,采取了很多措施,比如像 ROSEMOUNT 8800D采用质量平衡传感系统和自适应数字信号处理技术(ADSP),提供了极佳的抗振性能。但是这些措施只能减轻振动的影响,并不能从根本上消除。
        (2)涡街的产生必须在稳定的流束场内,因此涡街流量计同节流式差压流量计一样,有一定的直管段要求。直管段的长度直接影响涡街流量计的额定精度。以 Rosemount 8800D 为例,上游直管段至少 10 倍管径的长度,下游直管段至少 5 倍管径的长度。在满足这个最低直管段要求后,能通过修正系数来对流量进行修正。这个修正系数可以通过设备管理App或手操器来设定。
        (3)一般情况下,涡街流量计安装在水平,竖直或倾斜管道中,都能满足精度要求。但在水平管道上安装的最佳做法是使旋涡发生体处于水平面上,这样在测量液体时,能防止沉淀物干扰旋涡发生体的频率。在测量气体或蒸汽时,可以防止液体干扰旋涡发生体的频率。
        (4)为了保证测量精度,涡街流量计要定期标定。涡街的标定工作一般是在工厂或实验室完成的,但需要说明的是,工厂的标定环境和实际使用环境是有差别的。例如 ROSEMOUNT 8800D的出厂标定都是默认在 SCH40 的管道进行的。但实际的工程应用中,肯定不可能都是 SCH40 的管道壁厚,所以存在着一定的内径差,在实际应用时也要考虑通过修正系数来修正。
        (5)涡街流量计应在管道冲洗及吹扫后才安装,以避免杂质缠绕涡街发生体影响旋涡的产生和频率。
 
4  结束语
        涡街流量计在流量测量时的高精度、宽量程和少维护的特点决定了它在现代化炼厂备受青睐和广泛应用。但大家也应该认识到涡街流量计在一些场合在测量流量时还有着比较大的局限性,选好和用好涡街流量计需要大家工程技术人员在设计选型、安装调试和后期维护方面多提高自己的理论水平和实践经验。相信随着国内工程技术人员理论水平的提高和经验的积累以及涡街流量计成本的不断降低,涡街流量计会在我国炼厂流量测量领域越来越多的场合应用。
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