流量計:蒸汽流量計|污水流量計|明渠式流量計|電磁流量計|靶式流量計|渦街|渦輪|流量積算儀

精信測器

 

3.2.2  煤氣流量的測量

煤氣即(城鎮)人工煤氣,是燃氣的一種,是目前城市居民和很多企事業單位的最主要的燃料。有的還用作化工產品的原料。

在煤氣生產、輸送和分配各個環節有大量的煤氣表,有的用于一般監視,有的用于貿易結算,其中用于貿易結算的計量系統,國家標準GB/T17167規定了其精確度要求。

(1)       氣流量測量的特點

a.流體靜壓低、流速低,允許壓損小,一般不允許用縮小管徑的方法提高流速。

b.流體濕度高,有的測量對象還帶少量水,在管道底部作分層流動。

c.有的測量對象氫含量高,流體密度小,用渦街流量計測量時,信號較弱。

d.煤氣發生爐、焦爐等產出的煤氣一般帶焦油之類黏稠物,有的還帶一定數量塵埃。

e.測量點位于壓氣機出口時,存在一定的流動脈動。

f.流體屬易燃易爆介質,儀表有防爆要求。

g.從小到大各種管徑都有。

h.最小流量與最大流量差異懸殊。

i.用于貿易結算的系統,計量精確度要求高;作為一般監視和過程控制的系統,精確度要求則低一些。

(2)國家標準規定的主要內容  2000年國家質量技術監督局發布了GB/T18215.1《城鎮人工煤氣主要管道流量測量》第一部分采用標準孔板節流裝置的方法,對煤氣流量測量中的有關技術問題作了規定,其中:

①對流體的要求:“應是均勻的和單相(或可以認為是單相)的流體”。

②煤氣在凈化過程中都經過洗滌,因此一般水分含量都呈飽和狀態,相對濕度為100%。

③用于貿易結算的測量系統準確度一般應優于2.5級;菊`差限以示值的百分比表示。

④煤氣流量定義為濕氣體中的干部分。

⑤測量結果以體積流量表示,并換算到標準狀態。標準狀態的定義除了一般取101.325kPa、20℃之外,還兼顧煤氣行業的傳統,也可取供需雙方協商的其他溫壓和濕度。

⑥節流裝置采用多管并聯形式。

⑦在存在流動脈動的情況下,對測量平均數量提出了以下措施。

a.在管線上采用衰減措施,,安裝濾波器(由容器及管阻組成)。

b.儀表檢測件盡量遠離脈動源。

c.采用盡量大的β和Δp,在測量處減小管道直徑。

d.管線、儀表支架安裝牢固。

e.兩根差壓引壓管阻力對稱。

(2)儀表的類型與使用  可以用來測量氣體的流量計有很多種,但測量煤氣流量的理想儀表卻幾乎找不到,這主要是由煤氣的特點所決定的。由于有焦油等黏稠物存在,旋轉型的流量計 使用困難。由于密度小、流速低,渦街流量計使用困難。由于富含水氣以及氣體組 分有變化,熱式流量計也不理想。最后還是已經使用幾十年的差壓式流量計唱主角。

① 孔板差壓流量計

a.可換孔板節流裝置。國際GB/T18215-2000規定的是標準孔板。如果測量點流體較臟,需采用可換孔板節流裝置。這樣在不停氣的條件下,可對節流件進行清洗、檢修、更換?蓳Q孔板節流裝置典型結構如圖3.18所示。

b.圓缺孔板。圓缺孔板是專為臟污流體流量測量而設計的特殊孔板。其開孔是一個圓的一部分(圓缺部分),這個圓的直徑為管道內徑的98%。開孔的圓弧部分應精確定位,使其與管道同心,如圖3.19所示。

圖3.18可換孔板節流裝置典型結構       圖3.19圓缺孔板結構

當被測介質為濕氣體而當  當被測介質為濕氣體而且管道水平布置時,管道底部有可能存在微量分層流動的液體,這時選用圓缺孔板能使液體從下半部的圓缺部分順利通過節流件,而不會像標準孔板那樣將液體阻擋在節流件前,以致積液,影響測量精確度。同樣道理,當被測氣體中含有粉塵時,由于粉塵密度比氣體大得多,其中有些顆粒容易貼近管道底部被氣流帶走,選用圓缺孔板,顆粒也能順利通過節流件,而不會像標準孔板那樣顆粒在節流件前堆積。

在冶金行業,煤氣流量測量對象較多,而且因為煤氣含粉塵和水滴的情況也很普遍,所以圓缺孔板使用得十分普遍。

c.多管并聯形式。多管(兩管、三管或四管)并聯形式的作用有三個,其一是擴大測量系統的范圍度。由于管道中煤氣流速一般都很低,因此,一臺孔板流量計的范圍度能達到3∶1,那么,用一臺大口徑孔板與一臺小口徑孔板相配合,就能將范圍擴大為10∶1。其二是實現在總管不停氣的情況下拆洗節流裝置,從而避開價格昂貴的可換孔板節流裝置。當然,節流裝置上下游必須裝切斷閥。其三是解決DN>1000管道的流量測量問題。例如用4副DN1000的節流裝置并聯使用,解決DN2000總管的流量測量。多管并聯形式的缺點是設備數量和投資成倍增加。

d.煤氣管排水和防凍。水平敷設的煤氣管道,有時發現管道底部有水流動,必須在節流裝置前裝排水設施。簡單又可靠的方法是利用水封實現自動排水,如圖3.20所示。圖中的液位差與壓力有如下關系。

    圖3.20水封排水示意

h=p/(gρ)             (3.37)

    式中  h——液位差,m;

p——煤氣壓力,Pa;

g——重力加速度,m/s2;

ρ——水的密度,kg/m3。

在寒冷季節,排水設施內甚至地上敷設的煤氣管道的水都有可能會結冰,為防凍害,應采取防凍措施。

②均速管差壓流量計。標準孔板差壓流量計在煤氣流量測量中有極為重要的地位,有悠久的使用歷史。由于這一方法有豐富的實驗數據,設計加工已經標準化,只要按標準進行設計、加工、安裝、檢驗和使用,無需進行實流標定,就能達到規定的準確度,因而非常方便,并獲得廣泛應用。但是在管徑較大時,一套可換孔板式節流裝置價格相當可觀,所以如果測量數據僅用于過程監測,精確度要求也不高,那么就可選用均速管差壓流量計。

   均速管差壓式流量計在氣體流量測量中應用成敗的關鍵是引壓管不要被水滴堵住。由于定型的均速管產品所帶的切斷閥多半為針型閥,通徑較小而流體中的水氣經冷凝變成水滴,如果針型閥處理得不好或引壓管坡度欠合理,此液滴極易將通路封死。

差壓式均速管輸出得差壓信號一般都很小。當流體為常溫常壓的空氣時,如果流速為10m/s,只能達到62.5Pa差壓[28]。這樣,一滴水滴將差壓傳送通道封住,就足以將此差壓全部抵消掉。有的制造商將正負壓切斷閥改為通徑較大的直通閘閥,為保證儀表的可靠使用創造了條件。均速管典型安裝位置以及同差壓計連接如圖3.21所示。

圖3.21均速管差壓流量計測量煤氣流量的安裝方法

(4)孔板設計計算舉例(節流件為標準孔板)詳見本章3.8節.

(5)管道那壁積灰及其對測量的影響

①積灰普遍存在

a.上海某鋼廠采用孔板流量計測量煤氣發生爐出口煤氣流量,由于煤氣中粉塵含量較高,數年后,管道內壁生成一層沉積物,結垢后同瀝青路面,質地堅韌、不易清理,是煤氣中的煤焦油和粉塵在管道內壁日積月累形成的。

b.上海的另一家鋼廠用差壓式流量計測量煤氣流量,

由于擔心孔板積灰后影響測量精確度,所以節流裝置選用文丘里管,使用半年多后,發現流量示值逐漸偏高,于是在停車檢修時對文丘里管拆開檢查,發現文丘里管內壁積了一層含灰塵的焦油,就連流速最高的喉部也未幸免。但每年一次停車檢修時,用溶液清洗干凈后仍可繼續使用。

c.重慶鋼鐵集團公司采用圓缺孔板測量高爐煤氣流量,在使用數年將節流裝置拆下清洗時發現,孔板圓缺部分高度的1/8~1/6被堆積物[8]。

d.徐州某化工廠用均速管差壓流量計測量煤氣發生爐出口管(DN700)流量,使用一段時間后,發現流量示值逐漸升高,比物料平衡計算結果高百分之幾。經檢查發現,管道內壁結了一層厚度不等的瀝砂,水平管道下部內壁結得較厚,約30mm厚,管道上部內壁結得較薄,約10mm厚。

②處理方法之一。清除沉積物或更新管道能將沉積在流量計前后一定長度得管段內的沉積物和節流件表面的沉積物清除掉而又不損壞儀表,當然能恢復儀表的應有測量精確度。但是沉積物往往既硬又韌,不易清理,因此,如果有停車機會可將節流件30D、節流件后15D的管道局部更新,當然是個好辦法。

③處理方法之二。對沉積物引入的誤差進行修正。

a.標準孔板差壓式流量計。煤氣中的焦油和粉塵在標準孔板表面及管道內壁的沉積可分兩種情況。第一種情況是煤氣中粉塵經徹底洗滌過濾的測量對象,孔板端面和管道內壁只薄薄地結了一層焦油。第二種情況是煤氣中含有較多粉塵的測量對象,管道內壁結了一層厚度達數厘米的“瀝青砂”。

對于前一種情況,鋼管內壁被焦油玷污后,對流動的煤氣有一定的黏附作用,此作用引入多大的誤差尚無標準規定,很難做出估算,但影響值肯定微小,以致可以忽略不計。管道內壁上的一層焦油雖然可能有2mm厚。但因煤氣管道直徑一般較大,例如公稱直徑為1000mm,因此對測量影響也很微小。

對于后一種情況,影響稍大些,它是通過直徑比β變大導致流出系數C變化及C/ 變化[1],進而引起流量示值相應變化的。例如有一副DN1000標準孔板,β為0.7,在雷諾數ReD為2 105

C=0.5959+0.0312β2.1-0.1840β8+0.0029β2.5

 =0.5959+0.0312 2.1-0.1840 0.78+0.0029 0.72.5

=0.60402(以角度接取壓為例)

在管道內壁均勻結了一層20mm厚的沉積物后,β增大為0.7365,令ReD仍為2 105,按相同的公式計算,C為0.6009,

 所以結垢前流量系數

                    

結垢后流量系數

                     =0.7153

結垢流量系數變化率為

                     

由此引起的流量示值變化為-3.2%R。

b.文丘里管差壓式流量計。文丘里管前后直管段內壁結沉積物,可以認為對測量結果無影響,因為其流出系數可看作與直徑比無關,但喉部結垢引起的誤差要比標準孔板大。例如有一副文丘里管,其DN為100mm,喉部直徑為700mm,喉部內壁結垢5mm后,其流通截面積約比原來減小2/70,則流量示值大約2.86%R。

c.圓缺孔板差壓式流量計。圓缺孔板前后直管段內壁沉積物對流量測量的影響主要包括兩個部分,其一是使節流件開孔面積與管道截面之比m發生變化對流量測量的影響,其二是圓缺孔有效面積變小對流量測量的影響。前者影響與標準孔板相似。但在管道截面積縮小的同時,圓缺孔有效面積也縮小一些。因此m變化不大。例如有一副DN1000的圓缺孔板,m為0.49,管道內壁被均勻結了一層20mm厚的沉積物后,管道截面積減小為0.7238m2,而圓缺孔面積約減小為0.3574m2,(將圓缺孔圓弧看作與管道圓弧相切),所以,β仍為0.49。后者的影響較大,因為無沉積物時,開孔面積為0.3848m2,而沉積物厚度為20mm時,開孔有效面積為0.3547m2,約為無沉積物時的92.18%,因此儀表示值約偏高8.5%R。

實際計算時,因為圓缺孔半徑為管道半徑的0.98,20mm厚的沉積層僅有10mm阻擋了圓缺孔,所以實際影響只有8.5%的一半。

d.均速管差壓式流量計

 均速管流量計是由均速管測量管道內的平均流速,然后乘流通截面積,并扣除均速管插入管道部分的阻塞影響。均速管前后直管段內壁沉積物對流量測量的影響,如果忽略阻塞系數的微小變化,就可簡單地看作流通截面積減小對流量示值的影響。

例如有一副均速管,管道內徑為1000mm,管道內壁被均勻結了一層厚度為20mm的沉積物后,流通截面積從0.7854m2減小為0.7238m2,在實際流量不變的情況下,流速增大,因而儀表顯示值相應增大,增大值為(0.7854-0.7238)/0.7238=8.5%R。

以上的分析和計算都是理想化的,實際情況要復雜得多,管內壁沉積物厚度不可能是均勻一致的,總是上面薄下面厚。但方法可以使用。

④對沉積物影響進行預測。由于大口徑流量計拆開檢查修理周朝較長,如果第一次拆開檢查時發現沉積物結得比較嚴重,而且未清除,可根據沉積物厚度計算流量影響值。如果流體條件不變,則未來一段時間沉積物繼續增厚,流量影響值相應增大是必然的,于是就可從拆開檢查時測得的沉積層厚度和沉積時間計算沉積速率,并令以后以相同的速率繼續沉積,從而對未來的流量影響值進行預測。

 

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