摘要(yào)渦街(jiē)流量計 因其(qí)儀表系數與(yǔ)流體特性無關(guān)、精度高、寬量程比和低壓損等(děng)優點，在(zài)化工領(lǐng)域的應用(yòng)越來越廣(guǎng)。以熱解(jiě)分(fèn)級煉制新(xīn)工藝(yì)對煤(méi)及液化殘(cán)渣進(jìn)行(háng)煉制利(lì)用中(zhōng)的(de)産品之(zhī)一熱解氣爲例，介紹(shào)渦街(jiē)流量(liàng)計的選型設計(jì)。
　　我國(guó)低階煤資源儲藏豐富，占(zhàn)可采儲量40%以上(shàng)。然而它的高效利用(yòng)一(yī)直(zhí)是業(yè)内努力攻克的難題(tí)。低階煤含(hán)水量高(gāo)，熱(rè)值低(dī)，機械(xiè)強(qiáng)度低，化(huà)學穩定性差。爲此，北京低碳清(qīng)潔能源研(yán)究所(suǒ)承擔國家高技(jì)術研(yán)究發展計(jì)劃項(xiàng)目(mù)課題“煤(méi)分級煉(liàn)制(zhì)清潔燃料關(guān)鍵(jiàn)技術(shù)研究”，采用熱解分級煉制新工(gōng)藝對煤(méi)及液化(huà)殘渣進行煉制(zhì)利用，在(zài)溫和的(de)條件下對原料(liào)進行(háng)加(jiā)工(gōng)處理(lǐ)，分步(bù)驟(zhòu)地(dì)将其(qí)中有(yǒu)用的(de)成分充分(fèn)提取(qǔ)出來(lái)，得到(dào)的(de)産品之一爲(wèi)熱解(jiě)氣，去(qù)除焦油(yóu)後(hòu)的熱解氣(qì)組成見表(biǎo)1，本工程中(zhōng)采用(yòng)渦街流量計(jì)對(duì)其進(jìn)行測量。

1渦(wō)街流量計概述
　　渦街(jiē)流量(liàng)計是(shì)20世紀70年代發展(zhǎn)起來的一種新型流量儀(yí)表，80年(nián)代制定了(le)渦街流量(liàng)計(jì)專(zhuān)業标(biāo)準(zbn12008－1989)和檢(jiǎn)測(cè)規程(jjg620－1989)。渦街(jiē)流量(liàng)計目(mù)前已(yǐ)發展成爲(wèi)主流(liú)流量儀表(biǎo)之一，因其有諸多優點，吸引了(le)國内外(wài)衆多研(yán)究者和(hé)企業的(de)關注(zhù)。研(yán)究者從多方面對其進(jìn)行深入的研究(jiū):①旋渦發生體的研究［1，2］;②壓電傳感器探頭(tóu)位(wèi)置的研究［3］;③數字信号(hào)處理方法的研(yán)究［4］;④渦街(jiē)信号檢(jiǎn)測方(fāng)法(fǎ)的研究(jiū)［5］;⑤數值仿(páng)真方法的研究［6］
　　在衆多(duō)流量(liàng)計中(zhōng)，渦街流量(liàng)計的安裝(zhuāng)、運行、維護(hù)費低于節流(liú)式、容積(jī)式等，購置費低于容積式(shì)、質量(liàng)式等，是一(yī)種實(shí)用性和經濟性(xìng)都較(jiào)好的流量(liàng)計，受到用戶廣泛歡迎(yíng)。該(gāi)流量計優(yōu)點如下(xià):
(1)在(zài)一定雷諾數Ｒe範(fàn)圍内(2×104～2×106)，輸出頻率(lǜ)信号不受流體物性(密度、粘度(dù))和組分變化影(yǐng)響，即(jí)儀表系數(shù)僅與旋(xuán)渦發生體的(de)形狀尺寸(cùn)及管道(dào)的形狀(zhuàng)尺寸有關，可以(yǐ)在一種典型介質中校驗而适(shì)用于各種(zhǒng)介質(zhì)。
(2)精度(dù)較高(與差(chà)壓式、浮子式流量計(jì)比較(jiào))。
(3)量程比可達10∶1或20∶1，目前(qián)已有廠家在研制(zhì)适用于氣體測量能達到80∶1的(de)渦街(jiē)流量計。
(4)壓損小(約(yuē)爲(wèi)孔闆(pǎn)流量計的(de)25%～50%)，大幅度(dù)降(jiàng)低能耗。
(5)結(jié)構簡單牢固，安裝維護方便。
(6)使用範圍廣(guǎng)，可測量液(yè)體(tǐ)、氣體、蒸(zhēng)汽和部分(fèn)混相流體(tǐ)。
2渦街流量計的(de)參數(shù)計算
2.1工作狀态和标準狀态下(xià)的體(tǐ)積流(liú)量換算
　　渦(wō)街流量計的輸出信(xìn)号是與工(gōng)作狀态(tài)的體積流量成正比例(lì)，氣體的體積流量受溫(wēn)度、壓力(lì)影響較(jiào)大，在流(liú)量計(jì)選型時，若(ruò)提供(gòng)的(de)流量是标準(zhǔn)狀态下的(de)體積(jī)流量或質(zhì)量流(liú)量，應把它(tā)換算成(chéng)工作狀态下(xià)的體積流(liú)量(liàng)。
qv=qn(pntz/ptnzn)?????? (1)
式中(zhōng)，qv、qn分别爲(wèi)工作狀态和标(biāo)準狀(zhuàng)态下的體(tǐ)積流(liú)量(liàng)，m3/h;p、pn分别爲(wèi)工作(zuò)狀态和标準狀态下14的絕(jué)對壓力，pa;t、tn分别爲(wèi)工作(zuò)狀(zhuàng)态(tài)和标(biāo)準狀态下(xià)的熱力學(xué)溫度，k。
2.2雷諾(nuò)數、壓力(lì)損(sǔn)失和(hé)背壓(yā)的(de)計算
　　在(zài)渦街流量計選(xuǎn)擇流量計通徑時，主(zhǔ)要是對流(liú)量下(xià)限值進行(háng)核算雷諾(nuò)數(shù)，最小雷諾數(shù)不應(yīng)低于(yú)下限(xiàn)雷諾(nuò)數，即雷(léi)諾數Ｒe≥2×104。在測量介(jiè)質(zhì)爲液(yè)态時，還(hái)應檢查(chá)最小工作壓力是否(fǒu)高于工作(zuò)溫度下的飽和蒸汽壓，即是否(fǒu)産生(shēng)氣(qì)穴現(xiàn)象(xiàng)。
(1)雷諾數Ｒe是(shì)一個表針流(liú)體慣性(xìng)力與粘(zhān)性力之(zhī)比的無量綱量(liàng):

式中(zhōng)，q爲(wèi)體積(jī)流(liú)量，m3/h;d爲流量(liàng)計内(nèi)徑，mm;v爲(wèi)運動粘度(dù)，m2/s。
(2)壓力損失:選擇流量計時，通常(cháng)可能(néng)會對流量計的通徑進行适當縮小，以取得較(jiào)大的流速(sù)和合(hé)适的流量(liàng)量程(chéng)。但是(shì)如果(guǒ)縮徑過于嚴重(zhòng)，可能會導緻較(jiào)大的壓力損失，能耗(hào)會增加，因(yīn)此在選(xuǎn)擇流(liú)量(liàng)計的通徑時，也(yě)需要适(shì)當考慮壓力(lì)損(sǔn)失(shī)，盡可(kě)能(néng)減(jiǎn)小(xiǎo)壓(yā)力損(sǔn)失。壓力損(sǔn)失△p計(jì)算:
△p=1.1×10－5ρ·v2　　　　　　　(3)
式中，△p爲(wèi)壓力(lì)損失，kg/m2;ρ爲流體密度，kg/m3;v爲(wèi)流速，m/s。
(3)背壓(yā):測量(liàng)液(yè)體的流(liú)量時，要确(què)認工藝管(guǎn)道(dào)的壓力(lì)對于較小的公(gōng)稱通(tōng)徑(jìng)而言有(yǒu)足夠大的背壓(yā)，避免氣穴産生。流量計下(xià)遊的管道壓(yā)力應滿(mǎn)足:
p≥2.7△p+1.3p0(4)
式中，p爲流量(liàng)計下遊3.5～7.5d的最小(xiǎo)管道(dào)壓力(lì)，kg/cm2(a);p0爲液體的飽(bǎo)和蒸汽(qì)壓，kg/cm2。
（4）根(gēn)據(jù)工(gōng)藝要(yào)求及現場(chǎng)安裝(zhuāng)環境選擇耐壓(yā)、耐溫等(děng)級、防護(hù)等級(jí)、防爆(bào)等級、輸出信(xìn)号等。
3測(cè)量熱解氣的渦街流(liú)量計的選(xuǎn)型設計
　　熱解(jiě)氣(qì)的組分(fèn)如表1所(suǒ)述，其工藝參數(shù):操作密度0.63kg/m3，運動粘(zhān)度2×10－5m2/s，操作溫度(dù)48.9℃，操作壓力7.5kpa，管道(dào)dn80，最小流(liú)量50nm3/h，正常流量(liàng)100nm3/h，最大流量(liàng)150nm3/h，儀表測量範圍(wéi)選擇0～180nm3/h。
　　因(yīn)爲本裝(zhuāng)置爲試驗(yàn)裝置，在裝置運(yùn)行的(de)過程中，業(yè)主可(kě)能會根據需要(yào)适當調整參數(shù)，因此選關(guān)鍵設(shè)備的(de)工程可行性、優化工(gōng)藝參(cān)數的(de)關鍵參數(shù)之一(yī)，因此使用(yòng)精度(dù)高一些的(de)流量(liàng)計也是有(yǒu)必要(yào)的(de);熱(rè)解氣(qì)的組分随着參(cān)數的(de)調整也可(kě)能會(huì)發生(shēng)變化(huà)，因此基于(yú)伯努利方(fāng)程原(yuán)理的，如孔闆、噴(pēn)嘴、阿(ā)牛巴、德爾塔巴(bā)、平衡(héng)式等(děng)都不(bú)能很(hěn)好的測量(liàng)，因爲這類流量計受(shòu)流(liú)體物性(密度、粘(zhān)度(dù))和組(zǔ)分變化影(yǐng)響，且(qiě)最終的熱(rè)解氣(qì)産品(pǐn)或(huò)多(duō)或少(shǎo)都有(yǒu)焦油的存在，時間長了可(kě)能堵塞流量計(jì)。楔式(shì)流量計帶自清潔的(de)功能(néng)，如果采用法蘭(lán)取壓，變送器采(cǎi)用隔(gé)膜密封式(shì)變送器(qì)，其受焦(jiāo)油的(de)影響(xiǎng)較小(xiǎo)，楔式流量計的計算(suàn)結(jié)果(guǒ)分别(bié)見圖1和圖(tú)2。


　　當h/d比(bǐ)爲0.2時(shí)，其壓力損(sǔn)失達到(dào)4kpa，已經大(dà)于操作壓力的(de)一半，此種(zhǒng)方案不可(kě)取(qǔ)，當h/d比(bǐ)爲0.3時，其壓力(lì)損失(shī)爲1.09kpa，可(kě)以(yǐ)接受，但(dàn)最小流(liú)量時的(de)差壓(yā)隻(zhī)有0.11kpa，甚至(zhì)正常(cháng)流(liú)量時(shí)的(de)差壓(yā)也(yě)隻有0.45kpa，由(yóu)于采(cǎi)用(yòng)的(de)是隔膜密(mì)封(fēng)式(shì)變送(sòng)器，此時的(de)精度(dù)無法(fǎ)保證;另一(yī)類是(shì)基于(yú)線性(xìng)連續(xù)方(fāng)程(chéng)原理(lǐ)的，如(rú)渦街流量(liàng)計、質量流量計(jì)等，考(kǎo)慮到(dào)本裝置爲(wèi)一個實驗(yàn)裝置，質量(liàng)流量(liàng)計價格昂貴，因此(cǐ)綜合考慮介質和裝置的特(tè)殊性、壓損(sǔn)、精度(dù)和費(fèi)用(yòng)等因素(sù)，選用渦街流量(liàng)計測(cè)量熱解氣(qì)的流量(liàng)。
由式(1)可得最小流量對(duì)應的工(gōng)作狀态下的(de)體積流量(liàng):

由上(shàng)述計算結(jié)果可(kě)知，當流量(liàng)計縮徑至(zhì)dn40時，雷(léi)諾數即可(kě)滿足(zú)要求(qiú)。
按式(shì)(3)可以(yǐ)核(hé)算下dn50和dn40口徑(jìng)下的最大(dà)壓損(sǔn):
dn50時:
△p=1.1×10－5×0.63×262=4.7×10－3kg/m2=0.46kpadn40時(shí):
△p=1.1×10－5×0.63×402=11.1×10－3kg/m2=1.09kpa
利用橫河(hé)公司計算軟件(jiàn)計算出(chū)來的結(jié)果(guǒ)見圖(tú)3。

　　從圖3可見(jiàn)，出流量計口徑爲dn80時，最小流量(liàng)無法測量;流量(liàng)計口徑縮(suō)徑至(zhì)dn50時，最小(xiǎo)流量可(kě)測(此時流(liú)體的(de)雷諾(nuò)數非常接近2×104)，但此時(shí)的測(cè)量精度稍微差(chà)些;流(liú)量計口徑(jìng)縮徑(jìng)至dn40時，最小流量(liàng)可測(cè)，且精度也(yě)能得到保(bǎo)證。用(yòng)上述公(gōng)式計算的壓損與(yǔ)軟件(jiàn)計(jì)算出來(lái)的也基本一緻，差别來自(zì)計算(suàn)時流(liú)速(sù)及流量(liàng)計口徑(jìng)均采用的是估(gū)算值。如(rú)果流量計縮徑至dn25時，流量計的(de)壓損已經(jīng)達到(dào)7.6kpa，壓損(sǔn)較大，無法滿足工(gōng)藝(yì)要求。因此(cǐ)選擇dn40口徑(jìng)的流量計能滿(mǎn)足要求。對于(yú)dn50口(kǒu)徑的方案，如果流量大于54nm3/h時，流(liú)量計(jì)的精(jīng)度爲此款(kuǎn)流量(liàng)計的(de)精度，爲1.0%，當流量爲50nm3/h時(shí)，此時流量(liàng)可測(cè)，隻是(shì)精度(dù)稍差些，約爲1.81%，但(dàn)流(liú)量計的(de)壓損(sǔn)會小很多，從(cóng)節能降耗方(fāng)面考慮，選擇(zé)dn50口徑的(de)流量計也是可(kě)以(yǐ)的。綜上，選擇(zé)dn40和dn50口徑(jìng)的渦街(jiē)流量(liàng)計都能滿(mǎn)足要求(qiú)。
　　操作溫度爲(wèi)48.9℃，沒有特殊(shū)性，選擇普通的(de)渦街流量計即(jí)可;根據現場情況，流(liú)量計爲露(lù)天安裝(zhuāng)，防護等(děng)級選擇ip65即可;根(gēn)據《爆(bào)炸(zhà)危險環(huán)境電力裝(zhuāng)置設(shè)計規(guī)範(fàn)》gb50058－2014，本裝置中各(gè)介(jiè)質所在組别屬于危險(xiǎn)物料，見表2。因(yīn)此(cǐ)儀表的防(fáng)爆标(biāo)志選擇(zé)exiaⅡct4gb即能滿(mǎn)足要求(qiú)。根據項目統一要求輸(shū)出信号選(xuǎn)擇爲4～20ma+haＲt。

　　至此(cǐ)，渦街流量(liàng)計的選(xuǎn)型已完(wán)成，但(dàn)考慮到熱(rè)解氣中焦(jiāo)油的(de)存在(zài)，選擇(zé)渦(wō)街(jiē)流量計時(shí)，需要(yào)注意(yì):①不能(néng)選用(yòng)因爲技(jì)術(shù)需要(yào)而在(zài)渦街(jiē)流量(liàng)計中設(shè)計(jì)了(le)小(xiǎo)孔結(jié)構的流量(liàng)計，因爲焦油有(yǒu)可能(néng)堵塞這些(xiē)孔，從而失去其(qí)原有的作用;②焦油有可(kě)能附着(zhe)在旋渦發生體(tǐ)上，從而改(gǎi)變其結構(gòu)，影(yǐng)響測量(liàng)精度，因此需(xū)要(yào)采用(yòng)帶防粘附(fù)作用的發生體(tǐ)，另外(wài)考慮(lǜ)到熱解(jiě)氣(qì)中焦油的含量(liàng)較小(xiǎo)，且由于旋(xuán)渦的存在(zài)，其有剝離附着(zhe)在發生體上的(de)焦油的作用，因(yīn)此認爲(wèi)其對測(cè)量精度的(de)影響(xiǎng)比較小。
4結語
　　目(mù)前項目已經開(kāi)車(chē)成功，渦街流量計(jì)現場使用(yòng)效果特别(bié)好，在(zài)整個實(shí)驗的過(guò)程中(zhōng)，都(dōu)能很準确地(dì)測出熱解(jiě)氣的流量，深受(shòu)業主好評。現場(chǎng)的使用結果表(biǎo)明，在發生體帶(dài)防粘附作用的(de)情況(kuàng)下，低含量(liàng)的焦(jiāo)油對(duì)流量計的測量精度影響不大(dà)。目前(qián)化工廠常用的(de)流量計節流(liú)裝(zhuāng)置(孔闆(pǎn)等)，其受(shòu)流體物性影響大，量(liàng)程比(bǐ)一般隻有3:1，且容易出(chū)現堵(dǔ)塞，直管段(duàn)要求甚至高達(dá)50倍管徑(jìng)，另外導(dǎo)壓系統還容易(yì)出(chū)現洩(xiè)漏。渦街(jiē)流量計因(yīn)其儀(yí)表系數與(yǔ)流體(tǐ)特性無(wú)關(guān)(氣液通用(yòng))、精度高、寬(kuān)量(liàng)程比和低壓(yā)損等優點，是(shì)節(jiē)流裝置的(de)理想(xiǎng)替代(dài)品(pǐn)，但(dàn)隻有(yǒu)正确設計、正确選型(xíng)以及正确(què)安裝的條(tiáo)件下才能發揮其應(yīng)有的作用(yòng)。

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