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涡街流量计在石油化工行业中的应用
发布时间:2022-2-17 08:35:37

摘要:涡街流量计是现代石油化工行业中测量流量的重要工具之一;简述了涡街流量计的测量原理和主要优点,提供了涡街流量计的选型、安装、使用和维护的建议;通过规范设计、合理选型、正确的安装和维护,让涡街流量计在石油化工行业中发挥更大的作用。
  涡街流量计(VortexStreetFlowmeter,简称VSF)自20世纪70年代在工业上应用以来,由于它具有一些突出的特点,受到用户欢迎,并得到迅速发展。但在实践中经常会出现一些预料不到的问题,这就是用户对涡街流量计存在一些疑虑的的原因,它亟需探索解决。
1涡街流量计的测量原理
  在流体中设置旋涡发生体(阻流体),从旋涡发生体两侧交替地产生有规则的旋涡,这种旋涡称为卡曼涡街,如图1所示。
 
  旋涡列在旋涡发生体下游非对称地排列。设旋涡的发生频率为f,被测介质来流的平均速度为U,旋涡发生体迎面宽度为d,表体通径为D,根据卡曼涡街原理,有如下关系式:
 
式中:
U1———旋涡发生体两侧平均流速,m/s
Sr———斯特劳哈尔数;
m———旋涡发生体两侧弓形面积与管道横截面面积之比
 
管道内体积流量qv为:
qv=πD2U/4=πD2mdf/4Sr(2)
K=f/qv=[πD2md/4Sr]-1(3)
式中:K———流量计的仪表系数,脉冲数/m3(P/m3)
  K除与旋涡发生体、管道的几何尺寸有关外,还与斯特劳哈尔数有关。斯特劳哈尔数为无量纲参数,它与旋涡发生体形状及雷诺数有关。
 
  图2所示为圆柱状旋涡发生体的斯特劳哈尔数与管道雷诺数的关系图。由图2可见,在ReD=2×104~7×106范围内,Sr可视为常数,这是仪表正常工作范围。当测量气体流量时,涡街流量计的流量计算式为:
 
式中:qVn,qV———标准状态下(0℃或20℃,101.325kPa)和工况下的体积流量,m3/h
Pn,P———标准状态下和工况下的绝对压力,Pa
Tn,T———标准状态下和工况下的热力学温度,K
Zn,Z———标准状态下和工况下气体压缩系数
  由式(4)可见,涡街流量计输出的脉冲频率信号不受流体物性和组分变化的影响,即仪表系数在一定雷诺数范围内仅与旋涡发生体及管道的形状尺寸等有关。但是作为流量计在物料平衡及能源计量中需检测质量流量,这时流量计的输出信号应同时监测体积流量和流体密度,流体物性和组分对流量计量还是有直接影响的。
2涡街流量计的主要优点
(1)涡街流量计结构简单,安装维护方便(与节流式差压流量计相比较,不需要导压管和三阀组等,在设计过程中无需考虑伴热、密闭排放以及引压所需要考虑的一系列问题);
(2)输出为脉冲频率,其频率与被测量流体的实际体积流量成正比,它不受流体组分、密度、压力、温度的影响;
(3)量程比宽,可达10∶1或20∶1(适用于工艺介质流量变化范围较大);
(4)压损小(约为孔板流量计1/4~1/2),无可动部件,可靠性高;
(5)精确度为中上水平,可适用液体、气体和蒸汽。
3涡街流量计的选型
  根据SH3005-1999《石油化工自动化仪表选型设计规范》中规定涡街流量计的选用,应符合下列规定[2]:
(1)洁净气体、蒸汽和液体的流量测量。
(2)低流速及粘度大于20mPa·s液体的测量,不宜采用涡街流量计。
在工程设计中宜考虑下列情况:
(1)一般液体平均流速下限为0.5m/s,气体为4~5m/s。涡街流量计的正常流量最好在正常测量范围的1/2~2/3处。
(2)液体适合于雷诺数20000以上,气体和蒸汽适合于15000以上。
(3)口径不宜过大,大口径仪表系数较低,频率分辨率低,口径愈大愈低。
(4)介质温度不宜过高,影响电子元件的使用寿命。
(5)脉动流和旋转流、两相流的情况不适合使用涡街流量计。
(6)仪表缩径不宜过大,缩径将流速提高,同时也增加了阻力和背压,容易出现空穴现象。4
4.涡街流量计的安装
4.1涡街流量计的安装要求
根据SH/T3104-2000《石油化工仪表安装设计规范》中规定涡街流量计的安装要求如下:
(1)测量液体时涡街流量计应安装于被测介质完全充满的管道上。
(2)涡街流量计在水平敷设的管道上安装时,应充分考虑介质温度对变送器的影响。
(3)涡街流量计在垂直管道上安装时,应符合以下规定:
①测量气体时,流体可取韧鼓崴谷斯偻流向
②测量液体时,液体应自下而向上流动。
(4)涡街流量计下游应具有不小于5D(流量计直径)的直管段长度,涡街流量计上游直管段长度应符合以下规定:
①当工艺管道直径大于仪表直径(D)需缩径时,不小于15D;
②当工艺管道直径小于仪表直径(D)需扩径时,不小于18D;
③流量计前具有一个90°弯头或三通时,不小于20D;
④流量计前具有在同一平面内的连续两个90°弯头时,不小于40D;
⑤流量计前具有不同平面内的连接两个90°弯头时,不小于40D;
⑥流量计装于调节阀下游时,不小于50D;
⑦流量计前装有不小于2D长度的整流器,整流器前应有2D,整流器后应有不小于8D的直管段长度。
(5)被测液体中可能出现气体时,应安装除气器。
(6)涡街流量计应安装于不会引起液体产生气化的位置。
(7)涡街流量计前后直管段内径与流量计内径的偏差应不大于3%。
(8)对有可能损坏检测元件(旋涡发生体)的场所,管道安装的涡街流量计应加前后截止阀和旁路阀,插入式涡街流量计应安装切断球阀。
(9)涡街流量计不宜安装在有震动的场所。
4.2涡街流量计的安装要求
  根据GB50093-2002《自动化仪表工程施工及验收规范》中规定涡街流量计的安装要求如下:
  涡街流量计信号线应使用屏蔽线,上下游直管段的长度应符合设计文件要求,放大器与流量计分开安装时,两者之间的距离不应超过20m。
在工程设计中宜考虑下列情况:
(1)垂直安装时,向上流动的流体能够确保仪表总是满管,且介质中的固态成分能够均匀分布。
(2)水平安装时,液体避免U型安装方式,气体避免倒U型安装方式。不同厂家的产品分体安装有不同的参考温度,还有的厂家带散热片。
(3)在设计过程中应根据上游情况具体要求每台涡街流量计的直管段。
(4)涡街流量计对安装点上下游配管的直径偏差和同轴度等有相应要求,配管内径d与仪表的通径D相同,满足0.95d≤D≤1.1d。配管与流量计同心,同轴度应小于0.05D。流量计与法兰之间的密封垫不能凸入管道内,其内径可比流量计内径略大。
(5)当需要将实测压力和温度信号用于补偿质量流量或标准流量时,在涡街流量计下游安装压力(下游4D)和温度变送器(下游6D)。
(6)当管道振动时,应加装支撑物对管道进行固定。(7)避免电磁干扰,应考虑仪表等电位接地。
5涡街流量计的使用和维护
  在使用涡街流量计过程中可能出现以下问题:①指示长期不准;②始终无指示;③小流量时无指示;④大流量时指示还可以,小流量时指示不准;⑤仪表K系数无法确定。
总结引起这些问题的主要原因,主要涉及到以下方面:
(1)选型方面的问题。有些涡街传感器在口径选型上或者在设计选型之后由于工艺条件变动,使得选择大了—个规格,实际选型应选择尽可能小的口径,以提高测量精度,这方面的原因主要同问题①、②、③、④有关。例如,一条涡街管线设计上供几个设备使用,由于工艺部分设备有时候不使用,造成目前实际使用流量减小,实际使用造成原设计选型口径过大,相当于提高了可测的流量下限,工艺管道小流量时指示无法保证,流量大时还可以使用。宜使用缩径型涡街流量计。(2)安装方面的问题。主要是传感器前面的直管段长度不够,影响测量精度,这方面的原因主要同问题①有关。例如:当传感器前面直管段明显不足,用于控制时精度下降,用于计量时误差较大。应使用整流器。
(3)工艺参数的问题。由于参数错误,导致仪表指示有误.这方面的原因主要同问题①有关。应与工艺系统专业协商,对选型参数进行核实。由于理论工况与实际工况不可能完全一致,故小范围的误差是有可能的。
(4)线路连接的问题。部分回路表面上看线路连接很好,仔细检查,有的接头实际已松动造成回路中断,有的接头虽连接很紧但紧固螺钉却紧固在线皮上,也使得回路中断,这部分原因主要同问题②有关。宜选择业绩好的产品
(5)使用环境的问题。尤其是安装在地井中的传感器部分,由于环境湿度大,造成线路板受潮,这部分原因主要同问题②有关。应使用分体式安装方式。
(6)K系数标定的问题。K系数只能依据厂家提供的资料,由于厂家本身的一些变动,造成提供的几处资料上K系数不—致,影响了问题解决。建议供货商提供最终的标定校核书,并根据标定校核书对相应的仪表量程范围做最后修订(最好写到标书中,要求标定校核书随供货清单一起发到施工现场)。
6结语
  通过多个工程项目的实践证明,只要对涡街流量计的性能、特点有了全面深入的了解,有了应付各种情况的方法,涡街流量计一定会成为流量测量中的得力助手;在全厂的公用工程设计中,选用涡街流量计或其它管道式流量计,具有相当的合理性,可以有效的减少设计的工程量和提高整体的设计水平。

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