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氣體渦輪流量計使用中兩個重要問題的解答2005年1月  

   氣體渦輪流量計是在接近標準狀態下進行標定的,因此在現場選型、使用及維護情況下會出現許多問題。本文僅就零部件的互換性和壓力增大即流量增大兩個問題作一討論,供大家參考。

1 氣體渦輪流量計主要零部件的互換性

   按照規定,渦輪流量計出廠前總是逐臺進行標定,并給出儀表系數。但在現場,尤其是高壓場合,渦輪表損壞的事時有發生,維修人員經常將表芯(包括葉輪和軸承在內的組件)更換,而不是整臺儀表更換,換下的表芯帶回維修(在現場不允許進行長時間的維修工作)。由此產生了這樣的疑問:整臺儀表更換與只更換表芯在流量計的性能方面,尤其是儀表系數會有什么變化?儀表系數究竟和哪些因素有關?帶著對這些問題的思考,我們隨機抽取了6臺儀表(口徑均為DN80),每兩臺儀表組成一組,共3組進行對比試驗。6臺儀表檢定數據列于表1。

表1  儀表檢定數據

組別                第一組               第二組                  第三組

出廠編號          1779   1761          1819    1814             1792    1801

表芯              A-1   A-2         B-1    B-2            C-1    C-2

儀表系數          15436  15587         15555   15809            15423  15768

基本誤差(%)    0.26    0.28          0.34     0.59             0.29    0.36

重復性(%)      0.01    0.04          0.04     0.03             0.02    0.03

壓損(kPa)       1.16    1.22          1.19     1.21             1.21    1.2

將每組儀表的2臺表芯對換,重新進行檢定,獲取檢定數據,列于表2。將同表芯的2臺儀表參數進行比較,獲得比對結果,列于表3。其中儀表系數以相對變化(百分數)表示。

                         表2   更換表芯后的儀表檢定數據

組別                第一組               第二組                  第三組

出廠編號          1779   1761          1819    1814             1792    1801

表芯              A-2   A-1         B-2    B-1            C-2   C-1

儀表系數          15578  15489         15832   15525           15771  15433

基本誤差(%)    0.31    0.29          0.57     0.35            0.33    0.39

重復性(%)      0.04    0.03          0.02    0.02             0.02    0.02

壓損(kPa)       1.21    1.19          1.23    1.21             1.20    1.20

                        表3  同表芯的2臺儀表參數變化情況

組別                第一組               第二組                  第三組

出廠編號          1779   1761          1819    1814             1792    1801

                  1761   1779          1814    1819             1801    1792

表芯              A-1   A-2         B-1    B-2            C-1    C-2

儀表系數          0.34   -0.05        -0.19    0.15             0.06     0.02 

基本誤差(%)    0.03    0.03          0.01     -0.02           0.10     -0.03 

重復性(%)      0.02     0           -0.02    -0.01           0       -0.01

壓損(kPa)       0.03   -0.01         0.02      0.02             -0.01    0

  由表3中數據可以看出,渦輪流量計的儀表系數主要和表芯有關,這是由于表芯幾乎集中了該表的所有總壓零部件,包括影響儀表性能的軸承和葉輪。因此既不提倡單獨更換軸承或葉輪進行維修,也不需要更換整臺儀表,而是采用整體更換表芯的方式即可。每一個用于維修的表芯都需要進行單獨標定,每一個表芯都可確定一個儀表系數,更換表芯后,輸入新的儀表系數就可以投入使用了。

2         “壓力增大時流量范圍增大”的理解

要理解這句話,首先要明白兩個問題:

①什么是流量范圍?

廠家給出的流量范圍均指工況流量范圍,即在流量計工作溫度、壓力等介質條件下的可測量范圍,單位是m3/h。工程上用做預算用量時,單位是Nm3/h。

②流量范圍與密度(壓力)的關系是怎樣的?

這個問題可通過下面的選型實例進行解答。

某燃氣公司欲選擇流量計進行天然氣的計量,其管路安裝情況完全滿足設計要求,所給出的選型條件如下:被測介質為天然氣,相對密度0.65;壓力1×1MPa(表壓);常用溫度20℃;流量范圍400~4800Nm3/h;常用流量3500Nm3/h;管道口徑DN100。

針對上述實例。欲選擇合適的儀表進行計量。則根據所給的條件首先進行簡單的流量換算,將標況流量400~4800Nm3/h換算成工況流量約為(36.3~436)m3/h,常用流量為318m3/h。

根據初步計算可以選擇LWQZ-100型氣體渦輪流量計,再作進一步核實。

由說明書可知LWQZ-100的流量范圍為40~500m3/h,與換算所得的實際流量進行比較后發現,小流量不在被測的范圍之內。這就需要了解生產廠家的標定條件。從世界范圍來看,除了幾個大型的流量標定站外,所有的生產廠家包括一些計量站均使用空氣作為介質進行標定,不能做到實際使用流體標定,給出的流量范圍也是工況下的流量范圍。因此需要對流量范圍受密度影響的渦輪流量計進行流量范圍的重新計算。根據渦輪流量計的工作原理,上限流量計不受密度影響,下限流量受密度影響的變化規律如下:

                     (1)

式中: 為工作條件下的最小流量: 為工廠給出的最小流量; 為標定時的壓力,通常為當地大氣壓; 為工作條件下的壓力(絕對壓);d為被測氣體的相對密度。

   所以,根據所給的工作條件計算出渦輪流量計在此工況下的流量范圍為(15~500)m3/h。由此可知,被測流量范圍36.3~436m3/h在LWQZ-100的工作范圍15~500m3/h之內,可以選用。

   上面的兩個問題明白以后,再來看看使用現場提出的另一個問題。

新疆某燃氣公司使用DN25A渦輪流量計(流量范圍2~20m3/h)進行食堂用氣的計量,進氣壓力為0.4MPa(絕對壓)。因為在說明書中提到“壓力增大時流量范圍增大”,所以為了在用氣較小時也能夠準確計量,沒有使用安裝于流量計前端的流量調節閥(此時壓力為0.4MPa)。結果流量計不計兩,而后將壓力慢慢下調,則流量計開始轉動并逐漸加快了轉速,直到達到穩定。因此,該公司對說明書上的“壓力增大時流量范圍增大”這句話提出了質疑。

其實這個問題就是渦輪流量計始動流量的問題,由于機械摩擦的存在,渦輪流量計并不是有流量就會轉動,而是有一個不轉的盲區。只有當流體驅動力矩克服摩擦阻力后才會旋轉。那么驅動力矩和哪些因素有關呢?

由于一臺已經裝配完畢的流量計,其機械摩擦阻力大小就已經基本確定了,也就是說不管在任何條件下(溫度、壓力、介質),其機械摩擦阻力基本為定值。所以用來克服機械摩擦阻力的驅動力也基本為定值。而驅動力矩和密度與流量的平方成正比,即

                                           (2)

式中: 為驅動力矩; 為工作狀態下的氣體密度; 為工作狀態下的體積流量。

在新疆的使用情況下,有一個大前提,就是進氣壓力固定,即瞬時質量流量一定,即有 常數=m,所以式(2)變為

                                             (3)

因為 為定值,所以驅動力矩和 成正比(此關系只在特定條件下成立)。當壓力逐漸下調時, 逐漸下降, 逐漸增大,則 也逐漸增大,當Md達到一定數值時,渦輪開始旋轉。

在不同壓力下DN25A氣體渦輪流量計的流量應用公式(1)進行估算,詳見表4。由表4可以看出,壓力增大時量程比增大了,即流量范圍增大了。

               表4 始動流量估算

壓力     流量范圍     流量范圍         始動流量      始動流量

(MPa) (工況)    (換算為標況)    (工況)     (換算為標況)   量程比

         (m3/h)     (Nm3/h)       (m3/h)       (Nm3/h)

0.1        2~20         2~20             0.8             0.8           10∶1

0.4        1.11~20       5.55~100         0.44            2.22          18∶1

之所以提出這樣的問題,是因為在現場忽略了一個問題,就是進氣 zl質量流量為定值,不管通過流量計的壓力為多少,當將工況流量換算成標況時,數值是一樣的。從表4的始動流量也可以看出,假設流量從0.2m3/h(工況壓力0.4MPa,渦輪不轉)上升到1m3/h(標況壓力0.1MPa,渦輪開始旋轉),從0.44m3/h(壓力0.4MPa,剛開始旋轉,但不在流量范圍內)上升到2.22m3/h(壓力0.1MPa,在流量范圍之內)。因此,在供氣總量一定時,高壓的不計量盲區比低壓時的大。

以上僅對有代表性的兩個問題進行了分析,希望對氣體渦輪流量計的選型和使用有一定的幫助。


 


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以上資料摘錄自《自動化儀表》雜志
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