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渦街流量計選型標準與應用
發布時間:2019-02-19

摘要:本文首先介紹了渦街流量計的工作原理,并對渦街流量計的優缺點進行了分析;其次結合采油平臺實際工況進行了流量儀表選型;并且介紹了針對渦街流量計的防振措施;最后通過計算對比分析,證明渦街流量計是一款相對節能的流量計。
0引言?
  在工業生產過程中,為了有效地指導生產操作、監視和控制生產過程,經常需要檢測生產過程中各種流動介質(如液體、氣體或蒸汽)的流量,以便為管理和控制生產提供依據。同時,工業生產的各環節之間經常有物料的輸送,需要對它們進行精確的計量,作為經濟核算的重要依據。所以,流量監測在現代化工業生產過程中顯得十分重要。
1工作原理
  渦街流量計(又稱漩渦流量計)是根據“卡門漩渦”原理研制成的一種流體振蕩式流量測量儀表。“卡門漩渦”現象是在流動的流體中插入一根(或多根)迎流面為非流線型柱狀物時,流體在柱狀物兩側交替地分離釋放出兩列規則的漩渦。在測量管道的流體中設置非流線型的漩渦發生體,當雷諾數達到一定值時,從漩渦發生體下游兩側交替地分離釋放出兩串規則地交錯排列的漩渦,這種漩渦稱為卡門渦街,在一定雷諾數范圍內漩渦的分離頻率與漩渦發生體的幾何尺寸、管道的幾何尺寸有關,漩渦的頻域正比于流量,并可由各種形式的傳感器檢出[1-3]。
渦街流量計工作原理圖
流量計利用卡門渦街原理如圖1所示,有如下關系式:

式中d——阻流件的寬度,m;
`U——流經流量計的流體平均流速,m/s;
f——漩渦的頻率Hz;
Sr——斯特勞哈數(Strouhalnumber)
m——漩渦發生體兩側弓形面積與管道橫截面面積之比,對于直徑為的圓柱形漩渦發生體:

式中K——流量計的儀表系數,1/m2。
  K除與漩渦發生體、管道的幾何尺寸有關外,還與斯特勞哈數有關。斯特勞哈數為無量綱參數,它與漩渦發生體形狀及雷諾數有關,圖2所示為三角柱狀漩渦發生體的斯特勞哈數與管道雷諾數的關系圖。由圖2可見,在46210~710DRe???范圍內,Sr可視為常數,這是儀表正常工作范圍。

當測量氣體流量時,渦街流量計的標準體積流量計算式為

式中Vnq,Vq——標準參比條件下(C?20,101.325kPa)工況下的體積流量m3/s;
Pn,P——標準參比條件下和工況下的絕對壓力,Pa;
Tn,T——標準參比條件下和工況下的熱力學溫度,K;
Zn,Z——標準參比條件下和工況下的氣體壓縮系數;
  由式(5)可見,渦街流量計輸出的脈沖頻率信號不受流體物性和組分變化的影響,即儀表系數在一定雷諾數范圍內僅與漩渦發生體及管道的形狀尺寸等有關。
2優勢與局限性
2.1優點
1)渦街流量計結構簡單,安裝維護方便。
2)無可移動部件,可靠性高。
3)重量輕,價格便宜,在眾多的流量計中,渦街流量計的經濟性較好,是一種經濟實惠的流量計。
4)適應性強,結構形式多種多樣,可計量多種流體介質,如液體、氣體、高溫蒸汽、低溫液體和部分混相流體[4]。
5)在一定的雷諾數范圍,輸出頻率信號不受流體物性(密度、黏度)和組分的影響。
6)壓力損失小。
7)在一種典型介質中校驗,而適用于各種介質。
8)可以通過確定斯特勞哈爾數與發生體幾何參數之間的關系,來實現干標定。
2.2局限性
1)渦街流量計不適用于低雷諾數測量(ReD≥2×104),因此不適用于低流速,或者小口徑,或者高黏度的流體計量。
2)漩渦分離的穩定性受流速分布畸變及旋轉流的影響。
3)除了熱敏和超聲式,其他種類的渦街流量計對管道機械振動均較敏感,不宜用于強震動場所。
4)儀表口徑不宜過大,一般口徑不超過300mm。
5)渦街流量計適用的流體比較廣泛,但不適用于臟污流體。
6)渦街流量計在混相流體中的應用經驗還少。
3渦街流量計的初步選型
  渦街流量計同樣具有局限性,也有其適用范圍,因此何種工況選用渦街流量計,選用哪一類的渦街流量計,選用多大口徑都是需要重點研究的課題。下面本文根據已經投產的某油氣生產平臺實際工況(表1)進行了流量儀表的初步選型。

  由表1中的工藝參數可知,管道介質為生產水。它由原油處理系統的生產污水經過斜板除油器除掉浮油后產生。除掉浮油后的生產污水進入溶氣式氣浮進一步去除污水中的小油滴。首先從管道尺寸考慮,由于管道尺寸為8*25.4=203.2mm,超出靶式流量計(15~50mm)和科氏流量計(150~200mm)的常用測量管道尺寸范圍,排除靶式、浮子流量計和科氏流量計;從壓損方面考慮,排除孔板流量計(壓損:20~50kPaG);從安裝方式方面考慮,排除浮子流量計(需要垂直安裝);容積式、超聲式、電磁式、渦街流量計滿足上述要求。最后從購置考慮,由于渦街流量計的購置、安裝、運行、維護費用較低的特點,因此在此選擇渦街流量計作為初步選型儀表。
4防振措施探討
  海洋平臺本身空間比較緊湊,在較小的空間內布置了大量的工藝和生產設備。一些振動源比如空氣壓縮機和泵會對渦街流量計的使用產生影響。在此介紹幾種減振措施[5,6]:
1)在儀表選型之初,就要確保渦街流量計安裝環境無振動或振動較小,不影響渦街流量計的正常工作;
2)抗振接頭耐壓、耐腐蝕、價格低、安裝簡單易行,可以擴大渦街流量計的使用范圍,也適用于其他減振場所,此方法在海洋平臺中的渦街流量計的選型和使用過程中值得借鑒;
3)當管道振動速度大于1g或者振動頻率達到500Hz以上時,在傳感器2倍口徑處安裝固定支撐點;
4)將渦街流量計軸向旋轉適當角度,適當調整渦街流量計觸發電平;
5)在小管徑流量測量中可以采用彈性軟管連接渦街流量計。
5渦街流量計的能耗分析
  渦街流量計屬于阻力型流量計。它們阻礙流體的流動,使流體流經流量計時產生壓力損失,從而引起輸送單位流體所用的推動功的增加,即需要多消耗能量,實際使用的流量計多為阻力型流量計。
  不同的阻力型流量計對流體阻礙作用的大小不同,阻礙作用的大小可由壓力損失表示。阻礙作用大的引起的能耗就大,如孔板流量計、噴嘴流量計,渦街流量計次之。通常把能耗相對較小的流量計叫節能型流量計,相對于孔板、噴嘴流量計,渦街流量計能耗較小。從這三種流量計看,孔板流量計的壓損最大,通常為20~50kPa;渦街流量計最小,通常為2~15kPa。只有通過對流量計的能耗計算,才能了解每種流量計的能耗,也才能進一步比較節能型流量計節能量的大小。
5.1測量液體時壓損及能耗計算[7]
由于液體介質可看作是不可壓縮性流體,壓力變化但密度不變。
1)用孔板時,壓損計算

5.2測量氣體時壓損及能耗分析計算
  由于氣體具有很強的可壓縮性,經過流量計后壓力由于損失而由P1變為P2,這時的比容。也發生了變化,由n1變為n2,相應地體積流量由qn1,變為qn2,能耗的計算按下式計算:

  式中W—功率W;P1—壓損前流體壓力,Pa;P2—壓損后流體壓力;qn1—壓損前流體體積流量,m3/s;qn2—壓損后流體體積流量,m3/s;?h—電機和風機效率。
  若把氣體看作理想氣體,通過流量計的過程看作絕熱過程,則由工程熱力學可知:
P2=P1-△W(10)
壓損仍由式(6),式(8)計算。


5.3舉例計算
  由表3和表4中的渦街流量計和孔板流量計在不同工況下的壓損和能耗對比可知,渦街流量計有相對較小的壓損和能耗,在孔板流量計和渦街流量計同時適用的工況下優先選用渦街流量計。
6結束語
  本文在介紹渦街流量計的工作原理和優點與局限性的基礎上,結合海洋生產平臺實際工況進行了選型并提出了具體防振措施。最后,介紹了一種壓損與能耗的計算方法,并通過與孔板流量計的對比,證明渦街流量計是一款相對節能的流量計。希望本文能對今后渦街流量計在海洋平臺中的選型和應用提供借鑒和參考。

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