弯管流量计在蒸汽流量测量中的应用
在真空制盐生产中,蒸汽消耗直接影响盐的成本。目前在蒸汽流量测量中,我公司大部分仍使用孔板流量计,只有少部分改用弯管流量计。孔板流量计作为一种历史悠久的测量仪表有着很多优点,但也存在着量程比小,压力损失大,小流量测量不准确等缺点。弯管流量计虽问世时间不长,但已广泛应用于冶金、化工、电力、热电等行业各种介质的流量测量中。它直接焊接在管道转弯处,无节流件,没有附加压力损失,而且耐磨,减少了维护工作量,消除了跑、冒、滴、漏现象,并且其传感器可耐高温、高压,能在管径25~2000 mm范围内精确测量各种流体的流量。另外,其安装方便,量程范围宽,减少了计量损失。相比之下弯管流量计的优势比较明显,是一种典型的节能降耗型产品,是一种先进的流量测量装置。
1 工作原理和系统构成
1.1 工作原理
弯管流量计是一种差压式流量计,但其差压的产生与传统流量计(如孔板、文丘里流量计等)有根本的区别。传统流量计是节流型差压流量计,它们是利用流体在通过节流装置时产生差压进行流量测量的。而弯管流量计无节流元件,它是利用流体的惯性原理产生差压来测量流体流量的。
当流体流过弯管传感器时,由于受到传感器的束缚被迫作圆周运动(即强制旋流)。弯管对流体施加的向心力迫使流体按照弯管的曲率在管道中作类似的圆周运动。流体在管道内作圆周运动必然会产生惯性离心力,该离心力的大小与流体的流速、流体的密度以及作圆周运动的曲率等因素有关。离心力的大小可以通过对弯管内、外侧压力差的测量来确定。因此,只要测出弯管内、外侧的差压值,就可以方便地计算出管道内流体的流速,进而算出管道内流体的流量值,这就是弯管流量计的基本测量原理,见图1[1] 。
其流量方程为:
v=α{(R/D)×[(p1- P2)/ρ]}1/2
其中:
V -流体的平均流速:
α -综合流量系数(与弯管传感器的结构形式、流体的雷诺数、动力粘度、压缩系数及管道的粗糙度等有关);
R -弯管传感器的中心曲率半径(mm);
D -弯管传感器的内径平均值(mm);
P1,P2-弯管传感器的内、外侧压力;
ρ -被测介质的密度(kg/m3);
1.2 系统构成[2]
弯管传感器测出的差压信号经差压变送器转换成标准信号,温度变送器测出的温度信号及压力变送器测出的压力信号一起送到显示仪表(即弯管流量计的主机)中,由主机中单片机进行必要的逻辑分析和计算,从而显示出流量值,其系统构成见图2。
2 使用情况介绍
2003年我公司对仪表行业考察时,发现弯管流量计在许多企业得到应用,而且反映良好。我公司也订购了2台弯管流量计,在蒸汽管道上进行试验。经过2年的应用比较,弯管流量计的应用非常成功,现我公司已准备大面积推广使用。根据实际使用中的体会以及和其它流量计进行对比分析,我们认为弯管流量计有以下优点。
2.1 节约能源.有利生产
弯管流量计由于其独特的测量原理,没有其它流量计所必须具备节流件或插入件的要求,其传感元件只是一个90°或者S型弯头,因此无附加压力损失。而对于节流型孔板流量计来说,其压力损失是不可避免的,而且损失较大,其损失可达孔板在该流量下产生的差压值的60%~80%。而对蒸汽介质来说,孔板的压力损失会使蒸汽的品质下降,或需要提高供汽压力才能满足生产要求。使用弯管流量计可以避免这些问题,能够更好地满足生产需要。
2.2 适应性强,适用范围广
弯管流量计可测量气体、液体等各种流体介质。它不但能耐高温、高压、腐蚀,而且传感器几乎可以在任何复杂、恶劣的环境条件下工作,如:流体中夹带少量颗粒物和絮状物。同时适用范围非常广,它的最小口径为DN 25,最大口径已达DN 2000。弯管流量计的优势在于传感器对于直管段的要求不是太严格,一般达到前5D后2D即可正常工作,这一点是其它流量计不可比拟的。如孔板流量计至少要求前10D后5D而在某些情况下要达到前40D后10D,有时为了满足直管段要求,不得不改变管道工艺或加大使用面积,从而加大了投资。
2.3 安装方便.性价比高
弯管传感器实际上就是一个90°或者S型的弯头,除了在传感器的内外两侧45°处各钻一个导压孔之外,没有其它任何插入件、感测件和转换件。同时弯管传感器只要作为一个弯头直接焊接在管道上即可,安装极其方便,既解决了流量测量装置现场的跑、冒、滴、漏现象,又节约了能源,加强了环保和安全。随着机械加工行业的标准化、规范化的不断完善,弯管传感器的加工质量越来越好,一方面弯管传感器的技术指标得到了更好的保证,另一方面也大大降低了弯管传感器的价格。从目前的市场行情来看,弯管传感器可以说是最便宜的传感器,口径越大,与其它流量计的价格相差也就越大,性价比越高。
2.4 量程范围宽.精度高
弯管流量计的量程比可高达10:1,而孔板流量计的量程比仅为3:1,相比之下在流量波动较大的情况下,弯管流量计有较大的优势,同时其在流量测量范围和小流量测量中均具有突出的优势。实验证明,弯管流量计的测量精度可达1.14%,重现性精度高达0.2%,因为弯管传感器在安装后就不需重复拆装,从而保证了测量精度。
2.5 耐磨损,维护简单方便
流量测量必须保证长期的高精度,这就需要传感器有较好的耐磨性。弯管传感器在这方面有着不可比拟的优势。因为弯管传感器采用焊接安装,不须重复拆卸,内部又没有其它节流组件,所以弯管传感器的耐磨性和性能长期不变,既延长了使用寿命,又减少了维护工作量。
3 发现的问题
3.1 差压变送器的精度要求高
弯管流量计是利用流体的惯性离心力的大小来测量流量的,是一种低(微)差压的流量计,所以其差压变送器的精度要求非常高,除要满足现场工艺条件外,还要注意介质压力和环境温度的变化对变送器的影响。
3.2 耐低温性能差
差压变送器的导压介质为水时,气温低于0℃,水便结为冰,不能正常导压。而结冰后又易造成体积膨胀,损坏差压变送器膜盒,带来经济损失。解决防冻问题可采取以下几种措施:一是将仪表装在室内;二是安装在室外时,可将导压管保温,并加伴热装置;三是在导压管及差压变送器膜盒内灌装防冻液。
4 经济效益分析
2003年以前,我公司一直使用孔板流量计作为蒸汽流量计量仪表,由于其量程比小、压力损失大、小流量无法测量等原因,造成蒸汽浪费。自从改为弯管流量计后,不仅运行稳定、可靠,而且吨盐汽耗下降了0.01t/t。我公司年产55万t盐,按每吨蒸汽的价格为85元计算,每年可降低的成本为:
55万t x 0.01t/t x 85元/t=46.75万元
弯管流量计的使用为我公司带来了明显的经济效益。因此,弯管流量计是一种节能型、极具发展前景的流量计。
参考文献
1. 宋建华、李志. 弯管流量计与孔板流量计的性能比较。自动化仪表.1998,3
2. 纪荣胜. 智能弯管流量计的应用浅析。计量技术.2003,1