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[评论]谈威力巴流量计参数核定问题

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文章出处:e-works [2007/3/8 1]
责任编辑:上仪营销中心技术部
作者:董高峰

1.引 言

    利用差压原理进行流量测量是当今世界上使用最广泛、最可靠的流量测量方式,随着科学技术的发展和流量测量技术的进步,一些新型、高性能的测量传感装置逐步取代了传统的节流装置进行流量测量,由美国VERIS公司推出的全新均速流量探头——威力巴便是其中之一。

    在过去几十年来一次源的检测水平始终没有重大突破,成了制约差压式流量测量系统发展的瓶颈,使得高水平的下游仪表无法发挥出应有的高效率。威力巴的出现,恰恰克服了这一缺陷,使得一次源的测量精度、重复性和可靠性达到一个崭新的高度。

    从使用角度看,威力巴均速流量探头与传统的流量节流装置相比具有更多的优点,具体表现在以下几个方面:

  • 精度高,量程比大,大于101
  • 采用非收缩节流设计,比孔板的永久压损至少降低95%以上;
  • 安装简单,只需在管道上开一小孔后焊一底座,无需截断管道,有些介质可以在线安装,并可随时将探头取出检查,安装费用低,基本免维护;
  • 由于威力巴的接头可直接与变送器连接,无需三组阀和引压管,避免了因引压管泄漏、堵塞等造成的测量误差;
  • 可以测量气体、液体和蒸气等各种介质,应用范围广泛,且测量信号稳定、波动小。

    威力巴的设计、制造先进,但其测量系统对被测介质有关参数的准确性要求也非常高,这一点要比其它流量测量系统的要求严格得多。本文从威力巴测量原理出发,结合其在我公司煤气流量测量中的应用,谈该流量计在实际使用中的参数核定问题及使用过程中需要注意的相关事项。

    2.威力巴测量原理

    如图1所示,威力巴均速流量探头垂直插入管道固定安装,当流体流过探头时,在其前部产生一个高压分布区,高压分布区的压力略高于管道的静压,根据伯努利方程原理,流体流过探头时速度加快,在探头后部产生一个低压分布区,低压分布区的压力略低于管道的静压,威力巴探头在高、低压区有按一定准则排布的多对取压孔,通过这些取压孔,威力巴能够精确地检测到由流体平均速度所产生的平均差压△P。需要注意的是均速流量探头的截面形状、表面粗糙状况和低压取压孔的位置是决定探头性能的关键因素,低压信号的稳定和准确对均速探头的精度和性能起着决定性作用。在煤气测量中,流量QV△P的对应关系为:

    QV  = C’*[(△P*P(fa))/(T(fa)*Z(f))]1/2                1

    式中:QV——标况体积流量;△P——差压,kPaPfa——工作状态绝压,kPaTfa——工作状态绝对温度,KZf——工作状态下煤气的绝压系数;C’——流量系数。


1 威力巴测量系统示意图

 

 3.实际使用中参数的核定

    威力巴流量计生产厂家是根据用户提供的有关工艺参数、测量要求来确定设备型号和计算差压的,而用户往往以原工艺设计图纸的设计值为准提供,但在企业投产后的实际生产中,由于各种原因很多参数发生了变化,这将使按原参数计算与设定的威力巴测量系统测量准确度受到较大影响,必须重新核定有关参数并计算新的差压值,改正测量系统的设定参数。我公司在煤气厂出口中压煤气流量测量中,就发现了此类问题。

    工作压力Pf是获得准确差压计算的关键参数之一,由式(1)可得差压△P计算公式为:

    △P = [QV / C’]2*[T(fa)*Z(f) / P(fa)]            2

    式中:P(fa) = P(f)+当地平均大气压。由此可见,工作压力Pf与差压的计算直接相关。

    我公司于2003年采用V200-10-H-H-B5C在线安装型威力巴对煤气厂出口中压煤气流量进行测量,订货时提供的工作压力参数为设计值40kPa,厂家计算差压量程为200.31Pa。测量系统投运后,流量显示值约31000m3/h,与生产消耗严重不符。经仔细核查,发现问题出在当初所提供的参数上,其中压力参数影响最大。煤气厂投产后,因中压煤气用户氧化铝焙烧炉生产水平未达到设计生产能力,煤气消耗量不大,供气工作压力实际只有36 kPa,而以36 kPa计算(改正其它有误差参数)威力巴差压为206.2Pa,与原差压相差近6Pa,投运后在相同生产状况下流量显示约为27500 m3/h ,与生产消耗基本相符。可见虽然差压只相差6Pa,但流量却相差了约3500 m3/h 。而后,我公司对氧化铝生产系统进行了大规模技术改造,氧化铝焙烧产量大大提高,超过了设计生产能力1200t/h ,煤气需求量增大,为此煤气厂通过改造使煤气排送机的送风量由原来的600 m3/min提高到800m3/min,送风量的增大也使煤气压力从36 kPa 最高升到42 kPa ,在最大流量45000 m3/h 不变的条件下,其计算差压量程为197 Pa,及时调整威力巴测量系统的设定参数后,保证了测量的准确度。

4.煤气摩尔质量
   
   
式(2)中流量系数C’= N*K*YV*D*D*[T(ba)*Z(b) / P(b)]*[1 / Mr]1/2  3

    式中:N——单位换算常数;YV——气体膨胀系数;K——威力巴的K系数;D——管道内径;Tba——标准状态下绝对温度;Zb——标准状态下该气体的绝压系数。Mr——气体摩尔质量;Pb——标准状态绝压,kPa

    可见气体摩尔质量Mr也是差压计算的重要参数。

    我公司生产的煤气实际上是一组混合气体,原设计提供的煤气介质成份及所占百分比如下:

 依此计算出煤气摩尔质量为25.236,在最大流量45000 m3/h ,工作压力36 kPa状态下,计算差压为208.3Pa(其它参数均正确)。而煤气厂实际生产的煤气成份介质及所占百分比为(经检验分析而得):

 

以此计算实际生产的煤气摩尔质量为24.730,在与上述相同状况下计算差压为206.2 Pa,与原差压208.3 Pa 相差2.1 Pa ,在工艺生产状况相同的条件下,威力巴测量系统在设定两种差压参数时流量显示偏差约1000 m3/h。(注:上面差压的计算要依据威力巴相关计算软件,具体过程省略。)

    5.最大流量和工作温度

    最大流量是计算测量系统差压量程的重要参数。对于威力巴,在确定最大流量参数时,不应机械地设定工艺设计最大生产能力的介质流量为最大流量,而应根据实际生产状况的正常流量确定合适范围的最大流量,这样才能保证测量系统工作在良好的线性测量范围,以减少线性测量误差,即使生产状况发生变化,最大流量提高,由于威力巴具有量程比大的优点,一般只需重新计算差压,修改设定参数,就能可靠地在新工艺生产状况下测量。

    在式(2)中,工作状态绝对温度T(fa)=工作温度+273.15,可见工作温度也是威力巴计算差压的重要参数。我公司煤气中压原设计工作温度为40℃,而实际生产中温度达到58℃,因此工作温度参数也应以实际生产状态下的值为准,才能保证测量差压计算的准确。

    此外,威力巴对气体介质流量测量时,由于气体的密度受温度、压力影响比较大,在一定的温度压力范围内,密度的变化大于测量精度的要求,则必须加温、压补偿。但当温度或压力变化较大时,则必须以改变了的温度或压力值重新计算差压,否则将造成较大的测量误差。

    6.威力巴流量计使用中需要注意的相关事项

    (1) 在安装使用时,当管道上、下游的直管段不够长时,推荐在弯管后2倍管道直径处安装威力巴。因在弯管后的流体剖面较复杂,需将流体系数K做轻微调整,据有关资料表明调整K系数以后,测量精度由原来的±1%下降到±3%,重复精度由原来的±0.1%下降到±0.3%

    (2) 连续工作的威力巴从根本上杜绝了堵的可能,但在以下情况,威力巴仍需注意防堵:

  • 当引压管泄漏,探头高压区遭到破坏,杂质中直径较小的颗粒就有可能进入取压孔;
  • 当管道处于停产时,由于分子的布朗运动,颗粒小的杂质有可能进入取压孔;
  • 系统频繁开机时,在高压区形成的瞬间,颗粒小的杂质有可能进入取压孔,日积月累,就有可能造成探头的堵塞;
  • 介质中含有大量的焦油、藻类生物,或者含有纤维状的物质,也有可能造成探头的堵塞。

    7. 结束语

    利用威力巴进行流体流量测量,其差压计算所需参数必须是工艺实际生产状况下可靠的参数,否则参数不正确,计算出来的差压必定不真实,那么据此选用的再先进的测量设备也无法准确、可靠地测量。当然在实际使用过程中要保证威力巴流量计测量的准确、可靠,需要核定的参数不止上面几项,它们只不过是影响比较大的几个方面,除此之外,尽管威力巴探头采用科学、先进的防堵设计,还是需要注意正确安装与使用,这需要在长期的现场实践中探索、总结,惟有如此,流量计才能在流量测量中发挥应有的作用。

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