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蒸汽計量表選型考慮要點

一、前言 
差壓式流量計(以下簡稱DPF或流量計)是根據(jù)安裝于管道中流量檢測件產(chǎn)生的差壓、已知的流體條件和檢測件與管道的幾何尺寸來測量流量的儀表。DPF由一次裝置(檢測件)和二次裝置(差壓轉(zhuǎn)換和流量顯示儀表)組成。通常以檢測件的型式對DPF分類,如孔扳流量計、文丘里管流量計及均速管流量計等。二次裝置為各種機械、電子、機電一體式差壓計,差壓變送器和流量顯示及計算儀表,它已發(fā)展為三化(系列化、通用化及標準化)程度很高的種類規(guī)格龐雜的一大類儀表。差壓計既可用于測量流量參數(shù),也可測量其他參數(shù)(如壓力、物位、密度等)。
 
二、選用要點
DPF應(yīng)用領(lǐng)域*其廣泛,封閉管道各種測量對象都有應(yīng)用:流體方面,單相、混相、潔凈、臟污;工作狀態(tài)方面,常壓、高壓、真空、常溫、高溫、低溫;管徑方面,從幾毫米到幾米;流動條件方面:亞音速流、臨界流、脈動流。并且在上述各方面都有大量的理論和實踐的資料可供參考。
 
20世紀50年代以前在過程控制工程中幾乎是惟一的流量計,后來各種類型流量計相繼登場,打破了其一統(tǒng)天下的局面,幾十年來它占的份額一直在下降,當然絕對用量仍在增加。應(yīng)該看到,DPF三個組成部分一直在更新發(fā)展著,尤其80年代以后借助微電子技術(shù)、計算機技術(shù)、新材料及先進加工技術(shù)的發(fā)展,差壓轉(zhuǎn)換和流量顯示計算部分有突破性進展。DPF無論可靠性,精確度及功能多樣化已今非昔比。近年一些創(chuàng)新思路,如一體式、定值節(jié)流件等的開發(fā)更使它有中興的感覺。
 
DPF的關(guān)鍵部分--檢測件是*難更新?lián)Q代的部分,現(xiàn)在亦有了新的發(fā)展思路,即把流量測量工作者、流體力學(xué)與計算機技術(shù)工作者三方面人員的特長結(jié)合起來可以有效地攻下這個堡壘。可以預(yù)計,DPF在流量計中仍會占據(jù)重要的位置。
 
選用考慮因素的五個方面為儀表性能、流體特性、安裝條件、環(huán)境條件和經(jīng)濟因素,現(xiàn)分述如下。
 
儀表性能方面
(1) 精確度、重復(fù)性、線性度、流量范圍和范圍度
表4.3所示為流量測量節(jié)流裝置的主要技術(shù)參數(shù),標準節(jié)流裝置規(guī)定有嚴格的使用范圍,包括管徑、節(jié)流件孔徑、直徑比、雷諾數(shù)范圍、管壁粗糙度等。在這些使用范圍內(nèi)可以應(yīng)用標準文件(GB/T 2624)中提供的流出系數(shù)和可膨脹性系數(shù),如表4.4所示。應(yīng)該指出,非標準節(jié)流裝置的使用范圍及其計算式僅作參考,一般來說,它要可靠地應(yīng)用還是實流校準為好。如果節(jié)流裝置進行個別實流校準,則其使用范圍不受表列參數(shù)限制,例如開封儀表廠曾實流校準管徑達DN1600的文丘里管流量計用于水流量計量,又如標準規(guī)定管徑應(yīng)不小于DN50,現(xiàn)在使用的小管徑節(jié)流裝置則遠低于此值,但是它們必須逐臺進行個別校準才能投用。由表4.4可見,標準噴嘴的流出系數(shù)的不確定度遠大于標準孔板,這是由于廓形節(jié)流件的精確復(fù)制比較困難,如果標準噴嘴進行實流校準,則亦可得高精確度。DPF的精確度在很大程度上決定于現(xiàn)場的使用條件,如果節(jié)流裝置的制造質(zhì)量符合要求,則影響因素主要為兩方面:流體的物性參數(shù)的確定和流體流動特性是否符合標準要求。這兩方面我們在流體特性和安裝條件中再談。
整套流量計的精確度還決定于差壓變送器和流量顯示儀的精確度。目前有一種傾向盡量采用高精度的差壓變送器,在流量測量不確定度計算式可以看到,當其他參數(shù)的精確度不高時采用高精度差壓變送器并不能起多大作用。流量顯示儀的作用主要在監(jiān)視運行參數(shù)的穩(wěn)定性等方面,它的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換精度一般是無問題的。因此,要提高測量的精確度應(yīng)有一個全面估計,這樣才能作出技術(shù)經(jīng)濟性*佳方案的選擇。
 
我們再次強調(diào),DPF是一種從設(shè)計、制造到安裝使用要求很嚴格的儀表,任何一個環(huán)節(jié)的失誤都會產(chǎn)生很大的誤差,反過來說,如果你嚴格遵循標準規(guī)定,它的精確測量是可保證的。DPF的重復(fù)性與其他流量計(電磁式,容積式,渦輪,渦街等)相比要低,其原因為輸出信號為模擬值易受干擾,尤其差壓引壓管線這一環(huán)節(jié)易使信號產(chǎn)生干擾波動,正是由于重復(fù)性不高,影響到其精確度的提高。
 
DPF的輸出信號與流量為平方關(guān)系,是非線性儀表,這是造成范圍度窄的原因,實際上節(jié)流裝置在廣闊的雷諾數(shù)范圍內(nèi)其流出系數(shù)是穩(wěn)定的,因此目前采用兩種(或多種)量程的差壓變送器可以拓寬其范圍度(大于10:1以上)。近年已投用的彈性加載變面積變壓頭節(jié)流裝置則應(yīng)用其他工作原理增加其范圍度(可達100:1)。
 
⑵壓力損失
DPF壓力損失大是它的一個弱點,但是若仔細分析一下這里還有一些選用時可以選擇的余地。在DPF各類節(jié)流裝置中孔板和噴嘴是壓損較大的節(jié)流件,不過這里亦有差別。在同樣的流量及β值時噴嘴的壓損只為孔板壓損的30%-50%,也就是說噴嘴是較低壓損的。各種流量管(文丘里管、道爾管、羅洛斯管、通用文丘里管等)則是低壓損的節(jié)流裝置,它們壓損僅為孔板的20%,甚至低達5%-10%。這些節(jié)流裝置的開發(fā)應(yīng)用是今后一個努力方向。當然,另一類動壓頭式DPF(均速管流量計)則以低壓損著稱。
流體特性方面
 
流體特性分兩方面考慮。
⑴流體物性參數(shù)的確定
流體物性參數(shù)包括密度、粘度、等熵指數(shù)、濕度等,這些參數(shù)有的直接進入流量方程,有的對流出系數(shù)、可膨脹性系數(shù)等產(chǎn)生影響。在這些參數(shù)中密度是*重要的。對密度的精確度與對差壓的精確度有同等數(shù)量級的要求,但是密度的精確確定卻遇到了困難,它是影響DPF精確度提高的一個重要原因。密度精確度不高的原因是,一般借助密度與組分、壓力和溫度的函數(shù)關(guān)系確定它,但是這個關(guān)系式的精確度數(shù)量往往并不明確,尤其對于混合物普遍缺乏精確的函數(shù)式。在這種情況下采用密度計測量是較好的,但是遺憾的是目前密度計品種規(guī)格不能滿足實際需要,并且價格貴,可靠性不高亦阻礙其廣泛使用。
 
粘度的精確度要求可以低些,它是用來計算雷諾數(shù)的,而雷諾數(shù)對流出系數(shù)的影響并不敏感;粘度的另一作用是確定被測介質(zhì)是否為牛頓流體,目前流量測量標準都限定被測介質(zhì)應(yīng)為牛頓流體。而由于石油化工等工業(yè)的發(fā)展,愈來愈多非牛頓流體需要測量,因此粘度這個參數(shù)今后會引起更大的重視的。
 
流體物性參數(shù)的確定除混合流體外,在高參數(shù)(高壓、高溫、低溫等)領(lǐng)域遇到了困難。許多物性參數(shù)缺乏高參數(shù)下的數(shù)據(jù)。
 
(2)流體的腐蝕、磨蝕、結(jié)垢、臟污等
這些特性對流量計使用的可靠性造成很大的威脅。DPF是以幾何尺寸來確定流量與信號的關(guān)系的,在長期使用中保持幾何尺寸恒定成為保證測量精確度不變的關(guān)鍵因素。在使用中幾何尺寸變化不易覺察,也就是說流量特性已變而不知道,這是很危險的。如何對付這個困難問題仍在探索中,例如采用可換孔板節(jié)流裝置就是為了便于檢查而采取的措施,另外采用并聯(lián)測量管路可以定期檢查清洗等等。流體的上述特性甚至用戶都不一定完全掌握的,需要了解流體這些特性以便采取預(yù)防措施,在不明確的情況下有時需要進行一些試驗。
 
安裝條件方面 
要應(yīng)用標準文件(GB/T 2624或ISO 5167)中的流出系數(shù)和可膨脹性系數(shù),必須令投用的節(jié)流裝置與標準節(jié)流裝置達到幾何相似和動力學(xué)相似,現(xiàn)場的安裝條件是達到這兩個相似的重要因素,因此對節(jié)流裝置的安裝應(yīng)給予足夠的重視。
 
在安裝條件中節(jié)流件前后的必要直管段長度往往令選用者為難,在推理式流量計中節(jié)流式DPF需要的直管段是比較長的。另外現(xiàn)場阻流件類型遠多于標準文件包括的,尤其是所謂組合式阻流件(兩種阻流件之間間隔很短)更是難以解決,按照GB/T 2624-93(或ISO 5167-1)遇到此類情況可以采用加裝流動調(diào)整器解決,但是加裝流動調(diào)整器所需的直管段亦是很長的(約42D)。在此情況下有以下方案可供選擇:采用直管段長度要求較短的節(jié)流裝置,例如經(jīng)典文丘里管或其他流量管;用實流校驗方法確定現(xiàn)場條件下的流出系數(shù),實流校驗可以是在線的或離線的。
 
前面我們已談過引壓管線是節(jié)流式DPF的薄弱環(huán)節(jié),近年來一體式節(jié)流式DPF的出現(xiàn)較好地解決了此問題,例如我國北方冬天蒸汽流量測量往往為引壓管線的保溫防凍傷腦筋,一體式DPF徹底解決了它。大多數(shù)流量計都有一體式和分離式兩種類型,它們的使用各有特點,要根據(jù)現(xiàn)場實際情況予以選用,節(jié)流式DPF亦不例外。一體式DPF的差壓變送器必須適應(yīng)現(xiàn)場的嚴酷環(huán)境條件,在有些情況,如管道較強振動或強電磁干擾等還是采用分離式為好。
 
環(huán)境條件方面
DPF的差壓變送器和流量顯示儀兩部分有微處理器和電子元器件,它們對環(huán)境條件的要求與一般電子儀表是一樣的,在本書的其他章節(jié)中已有討論,這里就不再重述了。
 
經(jīng)濟因素方面
經(jīng)濟因素包括購置費、安裝費、運行費、校驗費、維護費和備品備件。
(1)購置費
DPF的檢測件購置費相對來說較便宜,但考慮其余兩部分:差壓變送器和流量顯示儀整套儀表就不一定便宜了。另外,它還可能需購置一些輔助設(shè)備,如冷凝器、集氣器、沉降器和隔離器等亦應(yīng)估計到。
(2)安裝費
分離型DPF的安裝比較麻煩,主要是差壓信號管路及其輔助設(shè)備的安裝,對于腐蝕臟污介質(zhì)之類采用隔離系統(tǒng),其費用還要高些。
(3)運行費
對于大口徑管道測量,能耗產(chǎn)生的運行費可能是筆大數(shù)目,當然如選用低壓損節(jié)流裝置(經(jīng)典文丘里管等)亦是降低費用的辦法,但是節(jié)流裝置的購置費又高了,應(yīng)該仔細核算一下。
(4)校驗費
DPF的一個優(yōu)點是可節(jié)省檢測件的校驗費,不但制造者,使用者亦可免去實流校驗的麻煩,這點意義深遠。當然DPF其余兩部分校驗費亦應(yīng)考慮,它們相對比較方便便宜。
(5)維護費
DPF檢測件維護費較少,其余兩部分有一定的維護費。
(6)備品備件
DPF差壓和顯示儀表通用性強,對于大中型企業(yè)使用的流量儀表數(shù)量較多時可集中選用某些型號規(guī)格,以節(jié)省備品備件數(shù)量。近年推廣定值節(jié)流件使節(jié)流裝置擺脫對號入座的局面,檢測件的購置就很方便了,可減少備品備件數(shù)量。
以上各項費用的綜合計算可以比較準確地確定其經(jīng)濟性。
 
標準節(jié)流裝置的選擇原則
節(jié)流式DPF的*選檢測件當然是標準節(jié)流裝置,為了選擇*合適的標準節(jié)流裝置,選型時應(yīng)從以下幾方面考慮:
1)管徑、直徑比和雷諾數(shù)范圍的限制條件;
2)測量精確度;
3)允許的壓力損失;
4)要求的*短直管段長度;
5)對被測介質(zhì)侵蝕、磨損和臟污的敏感性;
6)結(jié)構(gòu)的復(fù)雜程度和價格;
7)安裝的方便性;
8)使用的長期穩(wěn)定性。
 
根據(jù)上述幾方面,標準節(jié)流裝置的選型原則可歸納為以下幾點。
標準節(jié)流裝置各種類型節(jié)流件應(yīng)用的管徑、直徑比和雷諾數(shù)范圍皆有一定的限制,在**標準GB/T 2624-93(或國際標準ISO 5167-1)中有詳細規(guī)定,例如孔板可應(yīng)用于比噴嘴和文丘里噴嘴更大的管徑范圍,經(jīng)典文丘里管各種類型之間的管徑范圍差別較大等等。
 
標準節(jié)流裝置各種類型節(jié)流件的精確度在同樣差壓、密度測量精確度下,決定于流出系數(shù)與可膨脹性系數(shù)的不確定度。各種節(jié)流件的流出系數(shù)的不確定度差別較大,相比之下,孔板的流出系數(shù)的不確定度*小,廓形節(jié)流件(噴嘴、文丘里管)較大。廓形節(jié)流件較大的原因,是標準中給出的流出系數(shù)公式所依據(jù)的擬合的數(shù)據(jù)庫質(zhì)量較差。但是對廓形節(jié)流件進行個別校準,也可得到高的精確度。
 
在同樣差壓下,經(jīng)典文丘里管和文丘里噴嘴的壓力損失約為孔板與噴嘴的1/4-1/6。而在同樣的流量和相同的β值時噴嘴的壓力損失只有孔板的30%-50%。
 
在相同阻流件類型和直徑比情況下,經(jīng)典文丘里管的必要直管段長度比孔板與噴嘴的要小得多。
 
測量易使節(jié)流件沾污、磨損及變形的被測介質(zhì)時,廓形節(jié)流件較孔板要優(yōu)越得多。
 
在加工制造及安裝等方面,孔板*為簡單,噴嘴次之,文丘里噴嘴和經(jīng)典文丘里管*復(fù)雜,其造價亦依次遞增。管徑愈大,這種差別愈顯著。
 
孔板易取出檢查節(jié)流件質(zhì)量(采用可換孔板節(jié)流裝置),噴嘴和文丘里管則需截斷流體,拆下管道才可檢查,比較麻煩。
 
中小口徑(DN50-DN100)節(jié)流裝置,取壓口尺寸和取壓位置的影響顯著,這時采用環(huán)室取壓有一定優(yōu)勢。