摘要:隨著現(xiàn)代工業(yè)自動(dòng)化生產(chǎn)工藝對(duì)管道流體測(cè)量穩(wěn)定性和精準(zhǔn)性提出的的要求,一種新型多孔平衡流量計(jì)應(yīng)運(yùn)而生,文章介紹多孔平衡流量計(jì)的工作原理,通過對(duì)流量計(jì)在鹽行業(yè)使用過程中發(fā)生的兩起案例深刻分析,闡明選用平衡流量計(jì)需注意的事項(xiàng),為同行業(yè)相同工藝制定運(yùn)行指導(dǎo)數(shù)據(jù)、開展設(shè)備維修提供借鑒參考。
1引言
隨著現(xiàn)代工業(yè)自動(dòng)化生產(chǎn)工藝對(duì)管道流體測(cè)量穩(wěn)定性和精準(zhǔn)性提出的更高要求，一種新型多孔平衡流量計(jì)應(yīng)運(yùn)而生，它由美國航空航天局馬歇爾航空飛行中心設(shè)計(jì)。作為第三代節(jié)流裝置,多孔平衡流量計(jì)簡(jiǎn)稱平衡流量計(jì),它將流體測(cè)量精度、重復(fù)性、可靠性推到了一個(gè)前所未有的高度,廣泛應(yīng)用于石油、化工、冶金、電力、天然氣、水處理等行業(yè)。多孔平衡流量計(jì)設(shè)備性能良好,但在設(shè)計(jì)選型及設(shè)備安裝時(shí)需注意細(xì)節(jié)處理，否則影響性能發(fā)揮。
2多孔平衡流量計(jì)的工作原理
多孔平衡流量計(jì)是一種差壓式測(cè)量?jī)x表,其工作原理與其他差壓流量計(jì)--樣,都是基于密封管道中的能量轉(zhuǎn)換原理。在理想流體的情況下管道中的流量與差壓的平方根成正比,再用測(cè)量出的差壓代人伯努利方程即可計(jì)算出管道中的流量,如圖1所示。
節(jié)流器原理是在常規(guī)的孔板節(jié)流板中心一個(gè)圓孔的基礎(chǔ)上結(jié)合多孔節(jié)流器的特點(diǎn),組成對(duì)稱分布擁有數(shù)量不等的函數(shù)孔，當(dāng)介質(zhì)流過圓孔時(shí),流體被平衡調(diào)整，渦流被最小化，形成近似理想流體，通過取壓裝置和變送器,可獲得穩(wěn)定的差壓信號(hào),如圖2所示。
將測(cè)得的差壓信號(hào)代人以下簡(jiǎn)易公式,即可測(cè)算出理想狀態(tài)下被測(cè)流體流量;
式中:
qm一介質(zhì)流量(kg/h);
K一儀表常數(shù);
Ɛ一流體流束膨脹系數(shù);
△P一所測(cè)差壓值;
ρ一介質(zhì)密度(kg/m3)。
多孔平衡流量計(jì)實(shí)現(xiàn)了流場(chǎng)平衡整流最佳效果,將測(cè)量常規(guī)中的死區(qū)效應(yīng)降到最低，節(jié)流件前后產(chǎn)生的渦流也有較大程度降低。在測(cè)量理想狀態(tài)下的流體時(shí),對(duì)直管段的要求也大大降低,雜物滯留現(xiàn)象基本消除。永久壓力損失由于渦流減少降低為常規(guī)節(jié)流裝置的1/3,量程比擴(kuò)展到10:1。它采用的無銳角設(shè)計(jì)，提高了產(chǎn)品使用壽命。
多孔平衡流量計(jì)的優(yōu)異表現(xiàn)，獲得大家的一致認(rèn)可并在工業(yè)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。但是,在實(shí)際使用過程中，也會(huì)遇到一些問題造成測(cè)量數(shù)據(jù)異常，影響工藝操作。下面就實(shí)際應(yīng)用中的兩起多孔平衡流量計(jì)運(yùn)行異常情況進(jìn)行分析。
3多孔平衡流量計(jì)應(yīng)用中測(cè)量異常的案例分析
3.1案例一
新建鹽鈣聯(lián)產(chǎn)項(xiàng)目2020年投人試生產(chǎn)，鹽鈣生產(chǎn)工藝分為NaCl與2H2O.CaCl2兩個(gè)產(chǎn)品生產(chǎn)系統(tǒng),均沿用傳統(tǒng)的蒸發(fā)制鹽工藝。該套工藝裝置采用多孔平衡流量計(jì)(3臺(tái))測(cè)量低壓蒸汽進(jìn)汽量,正常運(yùn)行時(shí),理論.上蒸汽流量應(yīng)滿足A=B+C。其中A流量計(jì)為總管進(jìn)汽流量計(jì);B流量計(jì)與圖中控制閥之間有一套自動(dòng)控制調(diào)節(jié)氣量閉環(huán)程序,定量控制調(diào)節(jié)系統(tǒng)進(jìn)汽量用以實(shí)現(xiàn)供氣的穩(wěn)定性;C流量計(jì)出口設(shè)計(jì)有一臺(tái)開關(guān)閥,閥門設(shè)有中停功能,運(yùn)行時(shí)固定開度使用。A、B流量計(jì)口徑與現(xiàn)場(chǎng)低壓主蒸汽管道口徑同為DN800,流量計(jì)型號(hào)為MBF4(非貿(mào)易型)。
由于試生產(chǎn)階段2H2O.CaCl2生產(chǎn)系統(tǒng)暫未開啟,C流量計(jì)狀態(tài)為0,理論.上流經(jīng)A、B的蒸汽流量數(shù)據(jù)應(yīng)保持一致。但實(shí)際上A與B兩臺(tái)流量計(jì)所測(cè)量數(shù)據(jù)并不一致,流量無規(guī)律性波動(dòng),極不穩(wěn)定,B流量計(jì)的閉環(huán)程序由于數(shù)據(jù)波動(dòng)過大無法投入運(yùn)行。由于鹽鈣項(xiàng)目屬全國首套(石膏晶種)2H2O.CaCl2生產(chǎn)裝置,在國內(nèi)還沒有可以借鑒的經(jīng)驗(yàn),能源消耗的準(zhǔn)確度對(duì)指導(dǎo)運(yùn)行生產(chǎn)就顯得十分重要，盡快解決問題已迫在眉睫。
3.1.1設(shè)備現(xiàn)場(chǎng)及故障現(xiàn)象.
多孔平衡流量計(jì)的管道介質(zhì)蒸汽來自動(dòng)力車間分氣缸(如圖3所示),主管道經(jīng)過沿路8m高的支架爬升至車間廠房30m高的樓頂,再由樓頂直管段引入NaCl與2H2O.CaCl2各系統(tǒng)。經(jīng)查驗(yàn)流量計(jì)安裝嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)院的設(shè)計(jì)要求，滿足直管段前3DN后1DN的距離要求。
流體檢測(cè)是采用一體式非貿(mào)易型多孔平衡流量計(jì),通過差壓信號(hào)進(jìn)人DCS系統(tǒng)程序搭建的數(shù)學(xué)公式中計(jì)算,原則上A與B兩臺(tái)流量計(jì)的測(cè)量結(jié)果應(yīng)完全相等。而實(shí)際系統(tǒng)試運(yùn)行中,隨著流量計(jì)管路上調(diào)節(jié)閥的開關(guān)動(dòng)作,兩臺(tái)流量計(jì)測(cè)量數(shù)據(jù)會(huì)出現(xiàn)不規(guī)律的變化。檢測(cè)記錄所顯示的流量與動(dòng)力車間分氣缸出口流量數(shù)據(jù)也存在較大差異。
3.1.2產(chǎn)生異常的原因分析及解決方案
鹽鈣項(xiàng)目DCS控制系統(tǒng)采用和利時(shí)的MACS6.5系統(tǒng)，蒸汽流量采用qm=Kε√AP/ρ計(jì)算。經(jīng)過分析,溫壓補(bǔ)償不足是導(dǎo)致測(cè)量不穩(wěn)定的原因之一。現(xiàn)場(chǎng)工況壓力為0.5MPa,介質(zhì)溫度為150℃左右。設(shè)計(jì)時(shí)未考慮采集溫度和壓力信號(hào)且管道上也未安裝溫度和壓力的采集裝置。現(xiàn)場(chǎng)在管道.上采用新增壓力變送器和熱電阻,安裝原則是前溫后壓，然后通過系統(tǒng)內(nèi)所配備的計(jì)算模塊:(STEAMCOMP水蒸氣流量補(bǔ)償、理想氣體流量補(bǔ)償)將采集到的新的壓力溫度信號(hào)與流量計(jì)自身的差壓信號(hào)一并引人,進(jìn)行溫壓補(bǔ)償。結(jié)果顯示,測(cè)量數(shù)據(jù)變化呈現(xiàn)一-定的規(guī)律性,但不穩(wěn)定性依然存在。調(diào)整未取得預(yù)想的效果。通過DCS系統(tǒng)自帶計(jì)算模塊同時(shí)引人溫壓補(bǔ)償信號(hào)所搭建的數(shù)學(xué)模型也無法正確測(cè)量流量;
式中:
qm一質(zhì)量流量,kg/h;
C一流出系數(shù);
β一-管徑比;
Ɛ一被測(cè)介質(zhì)可膨脹系數(shù);
d-孔板開孔直徑,m;
△P一差壓，Pa;
ρ一工作狀態(tài)下介質(zhì)密度，kg/m3。
將式(2)中所有系數(shù)當(dāng)作常數(shù)后的簡(jiǎn)化得(1)式(Qm=Kε√AP/ρ),由于儀表系數(shù)K不一定是一個(gè)不變常數(shù),積算儀通過將K值設(shè)置最多分成8段進(jìn)行分?jǐn)嘤?jì)算，用來提高測(cè)量數(shù)據(jù)的精度。
待設(shè)備安裝到位投人使用后，所測(cè)蒸汽流量開始出現(xiàn)以下三種比較有規(guī)律性的波動(dòng)。
3.1.2.1當(dāng)閥門開度在14%左右時(shí)，管道流量約在90t/h時(shí)，上述兩臺(tái)流量計(jì)的流量能達(dá)到一-致,此時(shí)管道內(nèi)介質(zhì)流通量似乎達(dá)到相對(duì)的平衡狀態(tài)。
3.1.2.2當(dāng)調(diào)節(jié)閥開度從14%開始增加時(shí),理論上兩臺(tái)流量計(jì)的流量應(yīng)同比例增大流量數(shù)據(jù)，但是現(xiàn)場(chǎng)卻出現(xiàn)A流量計(jì)流量增加量要略低于B流量計(jì)。
3.1.2.3當(dāng)調(diào)節(jié)閥開度從14%開始減少時(shí)，理論上兩臺(tái)流量計(jì)的流量因同步降低,但是此時(shí)A流量計(jì)的流量明顯增高較大,只有B流量計(jì)的流量減少。
3.1.3原因剖析及技術(shù)改造
現(xiàn)象一:由于調(diào)節(jié)閥安裝在兩臺(tái)流量計(jì)中間，當(dāng)調(diào)節(jié)閥在14%的時(shí)候,A流量計(jì)的工作壓力在正常工況范圍的0.4MPa,通過新增的壓力變送器所測(cè)數(shù)據(jù)顯示，此時(shí)流量計(jì)B的工作壓力由于閥[]變徑的阻礙作用,實(shí)際工作壓力只有0.16MPa。但是B流量計(jì)的設(shè)計(jì)額定工況壓力也是0.4MPa。此時(shí)實(shí)際上B一直未能達(dá)到自身額定工況，雖然測(cè)量出一個(gè)數(shù)據(jù)剛好和A達(dá)到一致,通過經(jīng)驗(yàn)判斷可能是巧合。
現(xiàn)象二:當(dāng)閥門]從14%開至17~19%時(shí),由于閥廣開度的增加,閥門]后端B流量計(jì)的蒸汽總管壓力升高較為明顯,達(dá)到了0.25MPa。由于B流量計(jì)此時(shí)的工況壓力變化很大，幾乎翻倍,所以此時(shí)B流量計(jì)測(cè)量數(shù)據(jù)增幅也很大。而A流量計(jì)由于一直處在額定工況,且壓力變化不大，所以A流量計(jì)增幅不大。
現(xiàn)象三:當(dāng)閥門從14%關(guān)至9%時(shí),由于閥門開度減少,閥廣]后蒸汽總管壓力下降至0.09MPa左右，B流量計(jì)此時(shí)工況已經(jīng)低至根本無法正常測(cè)量數(shù)據(jù)的地步,反而A流量計(jì)由于受到閥[]關(guān)閉影響,A流量計(jì)蒸汽總管壓力上升較為明顯，已經(jīng)升至0.458MPa。此時(shí)蒸汽流通平衡被打破，原本可通過的蒸汽受到閥門開度減小的影響受阻,在閥門與A流量計(jì)之間形成渦流，受渦流影響,已計(jì)量過的蒸汽在流量計(jì)上反復(fù)流通再次計(jì)量,造成了A流量計(jì)流量數(shù)據(jù)大幅增加。
通過三種現(xiàn)象的分析,問題根源均與流量計(jì)中間安裝的調(diào)節(jié)閥有關(guān)。工程技術(shù)部門]提出技改意見:重新定位調(diào)節(jié)閥本體和流量計(jì)的安裝位置,同時(shí)增加流量測(cè)量點(diǎn)的壓力與溫度檢測(cè)。
通過現(xiàn)場(chǎng)踏勘確定,將調(diào)節(jié)閥從30m高的樓頂移至21m高，與溫度、壓力、流量表計(jì)重新定位安裝(如圖4所示),消除調(diào)節(jié)閥開啟對(duì)管道壓力的影響。改造后試運(yùn)行生產(chǎn),觀察新裝壓力變送器的數(shù)據(jù)顯示，可確定兩臺(tái)流量計(jì)所處的管道內(nèi)的壓力均為額定工作壓力,無論調(diào)節(jié)閥如何調(diào)節(jié),兩臺(tái)流量計(jì)的管道壓力都在同步變化中。多孔平衡流量計(jì)投人試使用后,流量數(shù)據(jù)不受閥廣]調(diào)節(jié)影響,A和B流量計(jì)測(cè)量保持一致,工藝穩(wěn)定,問題得到徹底解決。
3.2案例二
二次冷凝水回收工程屬鹽鈣項(xiàng)目輔助工程，用以回收鹽系統(tǒng)一次、二次蒸汽冷凝水循環(huán)利用。在該工藝系統(tǒng)管道上安裝的多孔平衡流量計(jì)，與案例一出現(xiàn)了相似的故障，測(cè)量數(shù)據(jù)無規(guī)律變化且不準(zhǔn)確。
3.2.1設(shè)備現(xiàn)場(chǎng)及故障現(xiàn)象
如圖5所示，在冷凝水U型管低點(diǎn)設(shè)計(jì)安裝了一臺(tái)多孔平衡流量計(jì)，用于測(cè)量管道回收的冷凝水量。安裝至U型管的低點(diǎn)，理論上是最佳測(cè)量位置，原則上也滿足多孔平衡流量計(jì)所要求的安裝直管尺寸。但在使用過程中頻繁出現(xiàn)數(shù)據(jù)測(cè)量不準(zhǔn)，數(shù)據(jù)時(shí)有時(shí)無現(xiàn)象。
3.2.2產(chǎn)生異常原因分析及解決方案
此工程按照設(shè)計(jì)要求，鹽鈣系統(tǒng)蒸汽用量為120t/h，滿負(fù)荷生產(chǎn)時(shí)冷凝水出水率應(yīng)為70%左右，回收流量約為80t/h。此冷凝水回收管管徑為DN250，當(dāng)水從高處管流向U型管段時(shí)，理論上水流經(jīng)U型管低點(diǎn)管段應(yīng)該是滿管狀態(tài)，故流量計(jì)安裝位置符合要求。
因系統(tǒng)處于試生產(chǎn)期間，鹽鈣蒸汽使用量?jī)H為40t/h左右，產(chǎn)生的冷凝水量也不穩(wěn)定，冷凝水泵經(jīng)常出現(xiàn)泵不上水的情況。從泵到流量計(jì)之間有300m左右的管道，且大部分管道在6m高管架上，泵水輸送存在間歇，會(huì)在管道內(nèi)形成較大的沖擊震蕩。由于水流量不足導(dǎo)致從6m的管架高處向低處流時(shí)的自由落體速度大于此時(shí)管道內(nèi)水的流速，在U型管內(nèi)形成氣泡，當(dāng)氣泡流經(jīng)垂直安裝的流量計(jì)差壓取壓孔處，導(dǎo)致所測(cè)差壓連續(xù)被中斷。參考公式；Qm=Kɛ√ΔP/ρ，由于K、ρ、ɛ都是常數(shù)，差壓ΔP成為了流量測(cè)量的重要決定性參數(shù)。
通過對(duì)工藝現(xiàn)場(chǎng)認(rèn)真分析得出，理論上該U型管的最低段都是滿管狀態(tài)，但是當(dāng)工藝生產(chǎn)在非滿負(fù)荷或更低的生產(chǎn)狀態(tài)時(shí)，氣泡現(xiàn)象就在所難免。為了將氣泡因素影響降至最低，工程技術(shù)部門提出改變多孔平衡流量計(jì)的安裝方式，安裝位置不變，但取壓口及冷凝水罐從水平安裝調(diào)整為斜向下45°安裝。改造后使用效果顯示，流量測(cè)量數(shù)據(jù)穩(wěn)定且有規(guī)律的變化，運(yùn)行數(shù)月未見異常狀況發(fā)生。
4應(yīng)用案例分析總結(jié)
結(jié)合以上兩個(gè)案例的分析技改，可以看出多孔平衡流量計(jì)設(shè)備性能的良好發(fā)揮與諸多因素相關(guān)，在實(shí)際應(yīng)用中，我們要綜合考慮、全面衡量，將影響因素降至最低。
4.1充分考慮安裝位置選擇對(duì)流量測(cè)量的影響
當(dāng)測(cè)量介質(zhì)為蒸汽或水時(shí)，要考慮管道長(zhǎng)度、管道壓力及管道內(nèi)流體雜質(zhì)的影響，安裝方式首選斜向下45°角度。在測(cè)量蒸汽介質(zhì)流量時(shí)，溫壓補(bǔ)償?shù)耐队谩⒐艿李~定壓力的確保、疏水閥的安裝均有助于流量測(cè)量的穩(wěn)定精準(zhǔn)。同時(shí)，U型管的氣泡渦流需充分考慮，從使用經(jīng)驗(yàn)來看，U型管中的垂直下降管和低點(diǎn)位直管均不是安裝位置，而上升管段或者斜管段在管壓作用下，可產(chǎn)生更好的測(cè)量穩(wěn)定效果。
4.2充分考慮設(shè)計(jì)工藝與實(shí)際工況的差異影響
案例一多孔平衡流量計(jì)所測(cè)數(shù)據(jù)異常是由多重因素導(dǎo)致，筆者通過長(zhǎng)時(shí)間現(xiàn)場(chǎng)觀察、比對(duì)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，提出了解決問題的辦法。考慮到算式2中的大部分常數(shù)都是廠家特定的，設(shè)備出廠都進(jìn)行過數(shù)據(jù)校驗(yàn)，而實(shí)際工況中大多數(shù)被測(cè)流體并不是理想狀態(tài)中的流體，應(yīng)用在測(cè)量蒸汽流量時(shí)受外界干擾影響的因素比較大。所以，筆者認(rèn)為，設(shè)計(jì)此類流量計(jì)時(shí)，應(yīng)充分考慮工藝管道的應(yīng)用狀況、管道介質(zhì)特性對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化。如案例一中設(shè)計(jì)提供的非貿(mào)易型流量計(jì)、進(jìn)汽調(diào)節(jié)閥的安裝位置、溫壓補(bǔ)償?shù)娜表?xiàng)均不利于實(shí)際生產(chǎn)，需對(duì)比實(shí)際運(yùn)行進(jìn)行調(diào)整。
5結(jié)束語
多孔平衡流量計(jì)相較于傳統(tǒng)節(jié)流裝置有著無可比擬的優(yōu)點(diǎn)，多個(gè)函數(shù)孔徑的設(shè)計(jì)能最大限度地將流場(chǎng)平衡整流成理想流體，從而充分發(fā)揮差壓式流量計(jì)的優(yōu)勢(shì)。多孔平衡流量計(jì)因其獨(dú)特的性能、較高的穩(wěn)定性和測(cè)量精度，以及較強(qiáng)的適應(yīng)性，廣泛適用于多種工藝場(chǎng)合。
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