渦街流量計在合成氨廠天然氣流量測量上的應(yīng)用

天然氣是一種多組分、復(fù)雜的混合氣體,其流量的計量過去采用同心直角孔板差壓式流量測量方式,由于多種因素易引起測量誤差。從渦街流量計簡單的工作原理,使用實例介紹應(yīng)用渦街流量計測量天然氣流量,提高天然氣計量的準確度。

1 　前　言

我公司合成氨裝置進入生產(chǎn)界區(qū)的燃料氣和原料氣的流量測量,采用的流量計是節(jié)流元件為標準孔板和均速流量管的差壓式流量計。由于天然氣是一種復(fù)雜的多組分的氣體混合物,天然氣輸送中夾帶的雜質(zhì)和水份,常常會造成孔板結(jié)碳臟物,均速流量管靜、動壓孔堵塞,加之裝置本身的精度低,很難使天然氣的流量測量準確可靠。渦街流量計(又稱漩渦流量計) ,是一種新型的流量儀表,從70 年代末出現(xiàn)至今,相繼出現(xiàn)了熱敏式、壓敏式、應(yīng)力式、超聲式、電容式等各種形式的儀表,隨著科學技術(shù)的日新月異,渦街流量計的發(fā)展速度也是非常驚人的。我公司現(xiàn)采用的渦街流量計, 是由上海橫河電機公司制作的,集計算機技術(shù)、通信技術(shù)于一體,智能型、抗機械流體振動干擾較強的第五代產(chǎn)品。

2 　渦街流量計測量原理及應(yīng)用渦街流量計是利用流體力學中卡門渦街的原理制作的一種儀表,其原理如圖 1 ,圖 2 所示,當在流體流動的管道中放入一個柱體障礙物(漩渦發(fā)生體) 時,在發(fā)生體下游的兩側(cè)就會交替地產(chǎn)生漩渦,這些漩渦就是卡門漩渦,也稱卡門渦街。對于渦街流量計,在一定雷諾數(shù)范圍內(nèi)(2 ×10 4 ～7 ×10 6 ) 內(nèi),下列方程成立: f = S t ×v/ d 式中　f :發(fā)生體一側(cè)產(chǎn)生的卡門渦街頻率 S t :斯特勞哈爾數(shù)(無量綱數(shù)) v :流體的流速 d :漩渦發(fā)生體的寬度圖1 　卡門渦街圖2 　斯特勞哈爾數(shù)和雷諾數(shù)的關(guān)系 St 的值與漩渦發(fā)生體寬度 d 和雷諾數(shù) Re 有關(guān)。當雷諾數(shù) Re < 2 ×10 4 情況下, St 為變數(shù);當 Re 在2 ×10 4 ～7 ×10 6 的范圍內(nèi), St 值基本保持不變, 這段范圍為流量計的正常測量范圍。在漩渦發(fā)生體寬度d 和斯特勞哈爾數(shù) St 為定值時,漩渦產(chǎn)生的頻率f 與流體的平均流速V 成正比,因此,可以從漩渦產(chǎn)生的頻率f 求出流體的平均流速V。由于漩渦流量計的管道內(nèi)插有漩渦發(fā)生體,因此在漩渦發(fā)生體處的流速與管道內(nèi)其他部位的平均流速不同,根據(jù)流體連續(xù)方程:Q = V 1 A 1 = V 2 A 2 ? 3 3 ?

式中　Q :通過流量計的流體流量 A 1 :流量計管道的載面積 V 1 :流量計管道內(nèi)流體的平均流速 A 2 :漩渦發(fā)生體處管道的截面積 V 2 :漩渦發(fā)生體處管道內(nèi)流體的平均流速設(shè):A 2 / A 1 = m 當d/ D < 0. 35 時,可近似認為: 　　　m = 1 - 1. 25d/ D 式中　d :漩渦發(fā)生體寬度 D:流量計管道內(nèi)徑整理:f = St V/ d ;Q = V 1 A 2 = V 2 A 2 ; m = 1 - 1. 25d/ D; 得到: 　Q =πD 2 / 4 ×1/ St ×d(1 - 1. 25d/ D) ×f 令: K= 1/ [πD 2 / 4? 1/ St ×d(1 - 1. 25d/ D) ] 則: Q =f/ k 式中: K為流量計的流量系數(shù),其物理意義是每升流體的脈沖數(shù)。當流量計的管道內(nèi)徑 D 和漩渦發(fā)生體寬度 d 為確定值時, K值隨之而確定。從Q = f/ K可知:在一定的雷諾數(shù) Re 范圍內(nèi), 流量 Q 與漩渦的頻率f 成線性關(guān)系,只要測量出漩渦的頻率f 就能求得流過流量計管道流體的體積流量Q。橫河公司的漩渦流量計用一個有壓電元件的傳感器組件來測量交替作用于發(fā)生體的應(yīng)力而產(chǎn)生的漩渦頻率f 。對渦街流量計的安裝要求,與一般孔板流量計的安裝要求有許多相同,流體流向要與流量計標示一致。夾持型渦街流量計,要把儀器的口徑對準鄰近管道的內(nèi)孔, 這一點很重要, 否則將影響測量準確。安裝正確無誤后,將流量計的有關(guān)參數(shù)設(shè)置好, 即可投入使用。YF100 型( E 型) YEQFLO(渦街流量計) 是一種新穎的智能型流量計,由于功能齊全, 該儀表可用標準的遙控通信和現(xiàn)場本機通信,先進的通信功能使你可通過控制室“CTM - XL”或 “μXL”操作面板,或用現(xiàn)場顯示器本機、手持電腦終端(BT200) 來監(jiān)控運行情況和設(shè)定參數(shù)。一旦選定要測量的流體后,儀表所要求的僅僅是實際需要的那些參數(shù),并且簡單、方便、易操作。其主要參數(shù)的設(shè)置如圖3 所示。從圖3 中可以看出,該流量計的測量流體可是液體、氣體和蒸汽,并且可作質(zhì)量型流量測量,或工作狀況下的體積流量測量與標準狀況下的體積流量測量。圖3 　流量測量設(shè)定的參數(shù)流程圖工藝生產(chǎn)上已習慣于用標準狀況下的體積流量來操作和進行物料平衡計算,加之天然氣這種多組分的氣體混合物,質(zhì)量測量中要求的介質(zhì)密度和粘度非常確切的數(shù)值難于實現(xiàn),我們在實際使用上采用了標準狀況氣體體積流量測量的方式。流量計的測量是基于 Q = f/ k 公式,這里 Q 是天然氣在實際工作壓力和溫度下的體積流量,換算到標準狀態(tài)下的體積流量應(yīng)為: Q 標 = P f / P n ×( T n + 273. 15) / ( T f + 273. 15) ×Q VK 這是普遍應(yīng)用的測量方法,從上式看,測量的累積是在一定工作時間內(nèi)的平均溫度和平均壓力折算到標準狀態(tài)下的體積,為保證流量累積量的準確,必須進行在線實時溫度、壓力測量, 我們是通過 DCS 內(nèi)部運算功能來實現(xiàn)其溫度、壓力補償?shù)?補償方式為: ? 4 3 ?

以天然氣燃料氣流量測量( FI0032) 為例: ①A = ( (20 + 273. 15) / SH( TI0001) ) / ( (5. 4 + 1. 0332) / SH( PC0001) ) ②B = 1. 0332/ SH( PC0001) ③C = 273. 15/ ( SH( TI0001) ④D = TPC( IN , PV( PC0001) , PV( TI0001) ,A , B ,C) ⑤PVC = D STOP 式中 PC0001 為天然氣的壓力測量, TI0001 為溫度測量。 DCS 的內(nèi)部運算補償功能,提高了渦街流量計測量天然氣的測量精度,減小了測量誤差。下面是收集的我公司燃料氣,原料氣流量的測量實例。表1 　燃料氣、原料氣流量測量實例時間 位號 總量(m 3 ) 參照量(m 3 ) 1999. 3. 30 FI0032(燃料氣) 744. 96km 3 ( FI0063 + FI0065 + FI2003) = 744. 62km 3 FI0098 (原料氣) 655. 2km 3 FC0070 = 664. 76km 3 3 流量以標準狀態(tài)體積計3 　渦街流量計與差壓式流量計的比較我公司的天然氣流量測量,過去全部采用的是孔板取壓,近年選用了渦街流量計測量天然氣流量, 表2 是渦街流量計與差壓式流量計的主要性能比較,同時表明了我們?yōu)槭裁匆x用渦街流量計來測量天然氣。表2 　渦街流量計與差壓式流量計的性能比較項　目 差壓式流量計 渦街流量計精度 ±3. 0 %～±5. 0 % ±1 % 信號特性　特性直線檢出信號 模仿(差壓) 數(shù)字式(渦數(shù)) 量程變化比 4∶1 30∶1 壓力損失 為2 位 1 位積算值計算 不適 適合占用空間 大 小投資費用 高 低維護工作量大 ( 連接部、導(dǎo)壓管、變送器) (無維修) 密封點 約30～50 點 3 點　　渦街流量計結(jié)構(gòu)簡單,檢測元件不接觸介質(zhì),可測腐蝕性、較臟介質(zhì), 無運動件, 可靠性高, 耐用性強,使用命壽命長,基本上無需維護,在我公司的天然氣流量測量上得到了很好的應(yīng)用,大有全部取代孔板式差壓計測量天然氣的趨勢。但天然氣是一種較為復(fù)雜的多組份的氣體,引起測量誤差的因素比較多。加之使用渦街流量計的時間不長,需要收集有關(guān)數(shù)據(jù), 用大量的實際工作去驗證確定, 積累經(jīng)驗,使渦街流量計在計量天然氣上更加準確,更加完善,發(fā)揮其全部功能。