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在蒸汽测量中孔板和涡街流量计的选用比较

摘要:蒸汽流量测量中孔板和涡街流量计是比较常见的两种测量元件,在实际应用中根据应用场所环境等不同,孔板和涡街流量计各有优缺点。
蒸汽的流量测量方法按工作原理划分,可分为直接式质量流量计和间接式质量流量计,在工业企业中蒸汽的测量多采用间接式,其中节流式差压流量计和涡街流量计是主流。这两种流量计在测量中各有优缺点,如差压流量计以孔板流量计为例,其范围度广,稳定性好;而涡街流量计的优越性是孔板式流量计所不具备的,尤其是在蒸汽参数偏离设计值时,其测量误差远小于孔板式流量计的测量。本文将对两种流量计在实际应用中的优缺点进行详细的对比分析。
1、孔板式流量计
孔板流量计是差压式流量计的一种。简单的说。流体流经一个收缩截面,测量通过此截面的差压。根据丹尼尔-伯努利在1738年的研究工作,流体经过孔板的速度和其压力损失的平方根成比例关系。
1.1 孔板流量计的测量原理
充满管道的流体,当它们流经管道内的节流装置时,流束将在节流装置的节流件处形成局部收缩,从而使流速增加,静压力低,于是在节流件前后便产生了压力降,即压差,介质流动的流量越大,在节流件前后产生的压差就越大,所以孔板流量计可以通过测量压差来衡量流体流量的大小。这种测量方法是以能量守衡定律和流动连续性定律为基准的。
1.2 孔板流量计的安装条件
(1)标准孔板的中心线应当与管道中心线同轴。
(2)孔板流量计安装时应配有一段测量管,至少保持前10DN、后5DN的等径直管段,以提高测量精度。
(3)引压管路的内径与管路长度和介质脏污程度有关,通常在16米以内用内径为8-12mm的管子。
(4)引压管路应有牢固的支架托承,两根取压管路应尽可能互相靠近并远离热源或震动源,测量水蒸汽流量时,应用保温材料一同包扎,必须时(如气温0℃以下)加伴热管防止结冰。在测量脏污流量时,应附设隔离器或沉降器。
(5)引压管路内必须始终保持单相流体状态。被测流体是液体时,引压管路内全部是液相,绝对不能有气泡。为此应在引压管路的最低点装排水阀或在最高点装排气阀,在新装或检修差压变送器时时应特别注意。
1.3 孔板流量计的优缺点
孔板流量计的优点:
(1)应用最多的孔板式流量计结构牢固,性能稳定可靠,使用寿命长;
(2)检测件与变送器、显示仪表分别由不同厂家生产,便于规模经济生产。
孔板流量计的缺点:
a.测量精度偏低;
b.量程比小,一般仅为1:3~1:5;
c.现场安装要求高;
d.压损大。
e.冬季需保温处理,易冻。
f.涡街流量计
涡街流量计利用一个非线性的发生体放置在管道内,流体流经钝体时会在其尾部产生有规则的旋涡。这些旋涡可以检测、计算和显示。在一定流量范围内,涡街产生的数量与流体的体积流量成比例,这样就可以测得流体的速度。
2.1 涡街流量计工作原理
在流体中设置旋涡发生体,则从旋涡两侧交替产生有规则的旋涡,这种旋涡称为卡门旋涡,如图2所示,旋涡列在旋涡发生体下游非对称地排列。旋涡流量计是根据卡门涡街原理测量气体、蒸汽或液体的体积流量、标况的体积流量或质量流量的体积流量计。并可作为流量变送器应用与自动化控制系统中。
2.2 涡街流量计的安装要求
(1)避免安装在有机械振动的管道上。当振动不可避免时,应考虑在距传感器前后约2DN处的直管段上加固定支撑架;
(2)流量计上下游必须有足够的直管段,一般为前10D后5D;
(3)安装点上下游的配管应与传感器同心,同轴偏差应不小于0.5DN;
(4)根据测量的需要,需在传感器附近测量压力和温度时,测压点应在传感器下游的3-5D处,测温点应在传感器下游的6-8D处。
2.3 涡街流量计的优缺点
涡街流量计的优点:
(1)量程比大,可达到1:20;
(2)无运动部件;
(3)低阻流。
涡街流量计的缺点:
(1)振动容易引起误差;
(2)直管段距离要求严格。
(3)实际应用中孔板与涡街流量计测量误差比较
3.1 孔板流量计计量误差分析
差压式流量计是利用流体的动静压能转换原理进行流量测量的,这一差压与流体流量存在如下关系:
式中:mq为质量流量,kg/h;vq为工况条件下的体积流量,m3/h ;为流量系数;为流束膨胀系数;p为差压,Pa;为工况条件下被测流体的密度,kg/m3;d为工况条件下的节流开孔直径,mm。
由(1)式和(2)式可以看出,被测流体的流量是流体的密度和孔板前后差压的函数。当测得某一差压时,由于所测流体的密度不同,所代表的流量是不同的,只有当流体的密度值等于孔板设计条件中的密度值时,差压才能真实反映所测的流量。蒸汽从发生到使用,由于热损耗,温度和压力的下降是不可避免的,导致其密度与设计值的差异,从而产生了误差,并且随着蒸汽参数的波动而波动,实际测量时只能通过温压补偿来修正,补偿公式的严谨性直接影响测量误差。
3.2 涡街流量计计量误差分析
涡街流量计是利用振动原理进行测量的,在流体中,在流动的垂直方向插入发生体,流体流经时在其下游两侧交替产生两列卡门涡街,卡门涡街的发生频率存在一定的雷诺数范围与流体的流速有关,并呈正线性关系。其关系式如下:
式中:f为涡街频率,Hz;tS为斯特罗哈尔常数(无量纲);v为流体经过发生体时的平均流速,m/s;d为发生体的特征宽度,m。
在实际测量中,一台制造完成的涡街流量计其发生体的特征宽度是一定固定不变的。由此看见,卡门涡街的频率在一定的雷诺数范围内只与流体的平均流速有关,与流体的密度、粘度等物理参数基本无关。只要测得了涡街f和发生体处的流通面积即可测得流过发生体两侧流体的体积流量,其体积流量关系式为:
式中:vq为体积流量,m3/h;tS为斯特罗哈尔常数;m为涡街发生体两侧弓形面积与管道横截面面积之比;d为涡街发生体迎面宽度,m;D为表体通径,m;f为涡街频率,Hz。由上式可以看出,在式中没有涉及流体的任何物理参数。所以在常规使用中,一台涡街流量计无论用于何种流体测量,只要雷诺数2104~ 7106范围内,就能得到稳定的流量系数。只要测得准确的涡街频率,便可准确测得工况下流体的体积流量。这一点完全不同于差压式流量计在流体参数偏离设计值时便产生很大误差的情况。
4. 结束语
通过实际应用过程中问题可发现,在蒸汽测量中,涡街安装方便而孔板流量计需要配套差压变送器、引压管、三组阀等附件使用,且因为冷凝水测量,在冬季使用引压管易冻结,造成测量误差。且在运行方面,涡街后期基本不需要维护,而孔板由于成锐角边缘易磨损,需定期维护,分体式结构还需定期对引压管排污,综上所述,工业企业中非特殊恶劣环境下,建议蒸汽测量优先选用涡街流量计,更好满足测量需求。
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