關(guān)于超高溫鍋爐新型數(shù)字智能乙烷流量計(jì)的分析與研究
點(diǎn)擊次數(shù):2106 發(fā)布時(shí)間:2021-01-08 06:45:34
乙烷流量計(jì)是根據(jù)“卡門漩渦”原理制成的流量測(cè)量?jī)x表。當(dāng)一穩(wěn)定的流體流經(jīng)有一定長(zhǎng)度的直管道時(shí),撞擊沉浸在流體中的非線性柱體,在流體的下游會(huì)產(chǎn)生漩渦(即卡門漩渦)。當(dāng)流體的雷諾數(shù)(Re)在一定的范圍內(nèi),漩渦的發(fā)生規(guī)律是穩(wěn)定可靠的,漩渦發(fā)生的頻率F由公式:F=(St * V)/d 確定其中,V為流速; d為柱體迎流面的寬度;St為斯特羅哈數(shù)。乙烷流量計(jì)可廣泛用于大、中、小型各種管道給排水、工業(yè)循環(huán)、污水處理,油類及化學(xué)試劑以及壓縮空氣、飽和及過(guò)熱蒸汽、天然氣及各種介質(zhì)流量的計(jì)量。
乙烷流量計(jì)的特點(diǎn)也很明顯,主要表現(xiàn)在以下方面:
①智能乙烷流量計(jì)的傳感器的通用性很強(qiáng),從而使傳感器具有良好的互換性采用先進(jìn)數(shù)控設(shè)備加工傳感器的表體和旋渦發(fā)生體等,確保加工精度,從而使零部件(特別是旋渦發(fā)生體)的通用性強(qiáng),從而真正做到不會(huì)因零部件的更換而影響傳感器的重復(fù)性和精度;能產(chǎn)生強(qiáng)大而穩(wěn)定的渦街信號(hào)。
②抗振性能特別好,無(wú)零點(diǎn)漂移,可靠性高。通過(guò)長(zhǎng)時(shí)間對(duì)乙烷流量計(jì)進(jìn)行的大量波形分析和頻譜分析,加上*佳的探頭形狀、壁厚,高度、探頭桿直徑及與之相配套的壓電晶體,采用先進(jìn)的數(shù)控車床進(jìn)行加工,確保加工的同軸度和光潔度等技術(shù)參數(shù),配合特殊的工藝處理,從而*大限度的克服乙烷流量計(jì)存在的固有自振蕩頻率對(duì)信號(hào)的影響這個(gè)通病。
③結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單牢固,無(wú)可動(dòng)部件,可靠性高,使用維護(hù)方便。
④檢測(cè)元件不與介質(zhì)接觸,性能穩(wěn)定,使用壽命長(zhǎng)傳感器采用檢測(cè)探頭與旋渦發(fā)生體分開安裝,而且耐高溫的壓電晶體密封在檢測(cè)探頭內(nèi),不與被測(cè)介質(zhì)接觸,所以乙烷流量計(jì)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、通用性好和穩(wěn)定性高的特點(diǎn)。
⑤輸出與流量成正比的脈沖信號(hào)或模擬信號(hào),無(wú)零點(diǎn)漂移,精度高,方便與計(jì)算機(jī)聯(lián)網(wǎng)
⑥測(cè)量范圍寬,量程比可達(dá)1:10
⑦乙烷流量計(jì)測(cè)量體積流量時(shí)不需補(bǔ)償,渦街輸出的信號(hào)實(shí)際上是與流速成線性關(guān)系的,也就是與體積流量成正比。壓力和溫度補(bǔ)償?shù)哪康氖菫榱说玫搅黧w的密度,乘以體積流量就得到質(zhì)量流量,若測(cè)量氣體的體積流量就不需要補(bǔ)償了。
⑧壓力損失小。用口徑DN50的乙烷流量計(jì)測(cè)量可燃?xì)怏w的流量,若管道內(nèi)的*大流量Qmax =200m3/h時(shí),傳感器的壓力損失是:△P =1.08×10-6 ρv2(kPa)= 0.605 KPa
⑨在一定的雷諾數(shù)范圍內(nèi),流量特性不受流體壓力、溫度、黏度、密度、成分的影響,僅是與旋渦發(fā)生體的形狀和尺寸有關(guān)。
⑩應(yīng)用范圍廣,蒸汽、氣體、液體流量均可測(cè)量。
本文介紹這種集溫度、壓力、流量就地顯示于一體的數(shù)字乙烷流量計(jì)。并分析了數(shù)字渦街流量機(jī)在測(cè)量超高溫鍋爐過(guò)熱蒸汽方面的應(yīng)用。采用先進(jìn)的單片微機(jī)及微功耗芯片,實(shí)現(xiàn)在線多種信號(hào)采集和數(shù)據(jù)處理,并采用軟件容錯(cuò)技術(shù),大大提高了儀表的可靠性和測(cè)量準(zhǔn)確度。
1、乙烷流量計(jì)的精度及適用情況
1.1乙烷流量計(jì)的精確度
乙烷流量計(jì)的精確度對(duì)于液體大致在±O.5%R~±2%R,對(duì)于氣體在±1%R~±2%R,重復(fù)性一般為0.2%-0.5%。由于乙烷流量計(jì)的儀表系數(shù)較低,頻率分辨率低,口徑愈大愈低,故儀表口徑不宜過(guò)大(DN300 以下)。
范圍度寬是乙烷流量計(jì)的特點(diǎn),但重要的是下限流量為多少。一般液體平均流速下限為0.5m/s,氣體為4-5m/s。乙烷流量計(jì)的正常流量*好在正常測(cè)量范圍的1/2~2/3處。
乙烷流量計(jì)的儀表常數(shù)不受測(cè)量介質(zhì)物性的影響,這是很大的優(yōu)點(diǎn),可以用一種典型介質(zhì)校驗(yàn)而應(yīng)用到其他介質(zhì)去,對(duì)于解決校驗(yàn)設(shè)備問(wèn)題提供便利。但是應(yīng)該看到由于液、氣的流速范圍差別很大,因此頻率范圍也差別很大。處理渦街信號(hào)的放大器電路中,濾波器的通帶不同,電路參數(shù)也不同,因此,同一電路參數(shù)是不能用于不同測(cè)量介質(zhì)的。介質(zhì)改變,電路參數(shù)也應(yīng)隨之改變。
另外,氣體和液體的密度差別很大,旋渦分離時(shí)產(chǎn)生的信號(hào)強(qiáng)度與密度成正比。因此信號(hào)強(qiáng)度差別也很大,液、氣放大器電路的增益,觸發(fā)靈敏度等皆不一樣,壓電電荷差別大,電荷放大器的參數(shù)也不同。即使同為氣體(或液體、蒸汽)隨著介質(zhì)壓力、溫度不同,密度不同,使用的流量范圍不同,信號(hào)強(qiáng)度也不同,電路參數(shù)同樣要改變。因此一臺(tái)乙烷流量計(jì)不經(jīng)硬件或軟件修改,改變使用介質(zhì)或改變儀表口徑是不可行的。
1.2乙烷流量計(jì)的適用情況
乙烷流量計(jì)不適用于測(cè)量低雷諾系數(shù)(Re≤2×104少)流體。低雷諾系數(shù)時(shí),斯特勞哈數(shù)隨著雷諾系數(shù)而變,儀表線性度變差,流體粘度高會(huì)顯著影響甚至阻礙旋渦的產(chǎn)生,選型的一個(gè)限制條件是不能使用于界限雷諾系數(shù)之下。
乙烷流量計(jì)適用的流體比較廣泛,但對(duì)于流體的臟污性質(zhì)要注意。含固體微粒的流體對(duì)旋渦發(fā)生體的沖刷會(huì)產(chǎn)生噪聲,磨損旋渦發(fā)生體。若含有的短纖維纏繞在旋渦發(fā)生體上將改變儀表系數(shù)。
乙烷流量計(jì)在混相流體中的應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)還很少,一般可用于含分散、均勻的微小氣泡,但容積含氣率應(yīng)小于7%~10%的氣、液兩相流,若超出2%就應(yīng)對(duì)儀表系數(shù)進(jìn)行修正??捎糜诤稚ⅰ⒕鶆虻墓腆w微粒。含量不大于2%的氣固、液固兩相流??捎糜诨ゲ蝗芙獾囊阂?如油和水)兩組分流等。
脈動(dòng)流和旋轉(zhuǎn)流會(huì)對(duì)乙烷流量計(jì)產(chǎn)生嚴(yán)重影響。如果脈動(dòng)頻率與渦街頻率頻帶合拍可能引起諧振破壞正常工作和設(shè)備,使渦街信號(hào)產(chǎn)生“鎖定(lock-in)”現(xiàn)象,這時(shí)信號(hào)固定于某一頻率。“鎖定”與脈動(dòng)幅值、旋渦發(fā)生體形狀及堵塞比等有關(guān)。乙烷流量計(jì)的正常工作的脈動(dòng)閉值尚待試驗(yàn)確定。80年代以來(lái)國(guó)內(nèi)外流量測(cè)量工作者己對(duì)乙烷流量計(jì)在混相流、脈動(dòng)流中的應(yīng)用開展許多試驗(yàn)研究,國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織(ISO)己發(fā)布的技術(shù)報(bào)告中亦關(guān)注這方面內(nèi)容。
1.3乙烷流量計(jì)的經(jīng)濟(jì)性
在眾多的流量計(jì)中,乙烷流量計(jì)的經(jīng)濟(jì)性較好,是一種經(jīng)濟(jì)實(shí)惠的流量計(jì)。乙烷流量計(jì)的基本性能處于中等偏上水平,購(gòu)置費(fèi)低于質(zhì)量式、電磁式、容積式等,而安裝、運(yùn)行、維護(hù)費(fèi)低于節(jié)流式、容積式、渦輪式等,如僅作為控制系統(tǒng)檢測(cè)儀表可采用干校方式節(jié)省周期校驗(yàn)費(fèi)用。
2、超高溫鍋爐數(shù)字乙烷流量計(jì)系統(tǒng)概述
2.1工作原理
在流體中設(shè)置旋渦發(fā)生體(阻流體),從旋渦發(fā)生體兩側(cè)交替地產(chǎn)生有規(guī)則的旋渦,這種旋渦稱為卡門渦街,如圖1所示。旋渦列在旋渦發(fā)生體下游非對(duì)稱地排列。設(shè)旋渦的發(fā)生頻率為f,被測(cè)介質(zhì)來(lái)流的平均速度為U,旋渦發(fā)生體迎面寬度為d,表體通徑為D,根據(jù)卡門渦街原理,有如下關(guān)系式
f=SrUl/d=SrU/md (1)
式中U1--旋渦發(fā)生體兩側(cè)平均流速,m/s;
Sr—斯特勞哈爾數(shù):
m—旋渦發(fā)生體兩側(cè)弓形面積與管道橫截面面積之比
式中K--流量計(jì)的儀表系數(shù),脈沖數(shù)/m3(p/m3)。
K除與旋渦發(fā)生體、管道的幾何尺寸有關(guān)外,還與斯特勞哈爾數(shù)有關(guān)。斯特勞哈爾數(shù)為無(wú)量綱參數(shù),它與旋渦發(fā)生體形狀及雷諾數(shù)有關(guān),圖2所示為圓柱狀旋渦發(fā)生體的斯特勞哈爾數(shù)與管道雷諾數(shù)的關(guān)系圖。由圖可見(jiàn),在ReD=2x104~7x106范圍內(nèi),sr可視為常數(shù),這是儀表正常工作范圍。當(dāng)測(cè)量氣體流量時(shí),VSF的流量計(jì)算式為
式中qv.qv--分別為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下(0oC或20oC,101.325kPa)和工況下的體積流量,m3/h;
Pn.p--分別為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下和工況下的絕對(duì)壓力,Pa;
Tn.T--分別為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下和工況下的熱力學(xué)溫度,K;
Zn.Z--分別為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下和工況下氣體壓縮系數(shù)。
由上式可見(jiàn)。VSF輸出的脈沖頻率信號(hào)不受流體物性和組分變化的影響。即儀表系數(shù)在一定雷諾數(shù)范圍內(nèi)僅與旋渦發(fā)生體及管道的形狀尺寸等有關(guān)。但是作為流量計(jì)在物料平衡及能源計(jì)量中需檢測(cè)質(zhì)量流量,這時(shí)流量計(jì)的輸出信號(hào)應(yīng)同時(shí)監(jiān)測(cè)體積流量和流體密度,流體物性和組分對(duì)流量計(jì)量還是有直接影響的?! ?br /> 2.2乙烷流量計(jì)結(jié)構(gòu)
VSF由傳感器和轉(zhuǎn)換器兩部分組成,如圖3所示。傳感器包括旋渦發(fā)生體(阻流體)、檢測(cè)元件、儀表表體等;轉(zhuǎn)換器包括前置放大器、濾波整形電路、D/A轉(zhuǎn)換電路、輸出接口電路、端子、支架和防護(hù)罩等。近年來(lái)智能式流量計(jì)還把微處理器、顯示通訊及其他功能模塊亦裝在轉(zhuǎn)換器內(nèi)。
(1)旋渦發(fā)生體
旋渦發(fā)生體是檢測(cè)器的主要部件,它與儀表的流量特性(儀表系數(shù)、線性度、范圍度等)和阻力特性(壓力損失)密切相關(guān),對(duì)它的要求如下。
1)能控制旋渦在旋渦發(fā)生體軸線方向上同步分離:
2)在較寬的雷諾數(shù)范圍內(nèi),有穩(wěn)定的旋渦分離點(diǎn),保持恒定的斯特勞哈爾數(shù):
3)能產(chǎn)生強(qiáng)烈的渦街,信號(hào)的信噪比高:
4)形狀和結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,便于加工和幾何參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)化,以及各種檢測(cè)元件的安裝和組合:
5)材質(zhì)應(yīng)滿足流體性質(zhì)的要求,耐腐蝕,耐磨蝕,耐溫度變化
6)固有頻率在渦街信號(hào)的頻帶外。
已經(jīng)開發(fā)出形狀繁多的旋渦發(fā)生體,它可分為單旋渦發(fā)生體和多旋渦發(fā)生體兩類,如圖4所示。單旋渦發(fā)生體的基本形有圓柱、矩形柱和三角柱,其他形狀皆為這些基本形的變形。三角柱形旋渦發(fā)生體是應(yīng)用*廣泛的一種,如圖5所示。圖中D為儀表口徑。為提高渦街強(qiáng)度和穩(wěn)定性,可采用多旋渦發(fā)生體,不過(guò)它的應(yīng)用并不普。
(2)檢測(cè)元件
流量計(jì)檢測(cè)旋渦信號(hào)有5種方式。
1)用設(shè)置在旋渦發(fā)生體內(nèi)的檢測(cè)元件直接檢測(cè)發(fā)生體兩側(cè)差壓:
2)旋渦發(fā)生體上開設(shè)導(dǎo)壓孔,在導(dǎo)壓孔中安裝檢測(cè)元件檢測(cè)發(fā)生體兩側(cè)差壓:
3)檢測(cè)旋渦發(fā)生體周圍交變環(huán)流:
4)檢測(cè)旋渦發(fā)生體背面交變差壓:
5)檢測(cè)尾流中旋渦列。
根據(jù)這5種檢測(cè)方式,采用不同的檢測(cè)技術(shù)(熱敏、超聲、應(yīng)力、應(yīng)變、電容、電磁、光電、光纖等)可以構(gòu)成不同類型的VSF。
(3) 轉(zhuǎn)換器
檢測(cè)元件把渦街信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào),該信號(hào)既微弱又含有不同成分的噪聲,必須進(jìn)行放大、濾波、整形等處理才能得出與流量成比例的脈沖信號(hào)。不同檢測(cè)方式應(yīng)配備不同特性的前置放大器。轉(zhuǎn)換器原理框圖如圖4所示。
圖4 A:轉(zhuǎn)換器原理框圖B:數(shù)字乙烷流量計(jì)框圖
3、數(shù)字流量計(jì)運(yùn)用于超高溫鍋爐
濕飽和蒸汽在熱網(wǎng)系統(tǒng)中普遍存,鍋爐產(chǎn)出的飽和蒸汽一般都含有少許的水分,通過(guò)分汽缸、熱力管網(wǎng)送至用戶,由于管網(wǎng)的熱損失,蒸汽的水分含量必然增多,導(dǎo)致蒸汽流量減少。
在計(jì)劃經(jīng)濟(jì)時(shí)代,供熱按樓房面積收費(fèi),不存在蒸汽計(jì)量收費(fèi)問(wèn)題。近年來(lái),隨著市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)的不斷深入,蒸汽流量必須按計(jì)量收費(fèi),因此蒸汽的熱損耗問(wèn)題也提了出來(lái)。目前,行政上普遍執(zhí)行的辦法是由用戶多交10%的蒸汽費(fèi)用,以補(bǔ)償蒸汽損耗。這種辦法也有一定缺點(diǎn),用戶多交10%沒(méi)有科學(xué)依據(jù),其一,濕飽和蒸汽水分含量與熱力管道的長(zhǎng)短有關(guān),短熱力管道能平衡減少的蒸汽量,而長(zhǎng)熱力管道則平衡不了減少的蒸汽量。其二,對(duì)那些間斷使用蒸汽的用戶更無(wú)法平衡,有些企業(yè)白天上班使用幾小時(shí)蒸汽,下班后整個(gè)晚上都不使用蒸汽,直到*二天上班再用,通過(guò)一整夜的冷卻,熱力管道中的蒸汽全凝結(jié)成水,這種蒸汽的損失就不是10%。由于這些客觀原因。熱力廠不能做到自負(fù)盈虧,而需要政府補(bǔ)助。
比較合理的作法是熱力廠出口的總流量認(rèn)為是干飽和汽,用流量表計(jì)量并作為貿(mào)易結(jié)算的基準(zhǔn)流量。各個(gè)用戶的蒸汽流量為濕飽和蒸汽,按汽水兩相流計(jì)量,根據(jù)物質(zhì)不滅定律,各個(gè)用戶的蒸汽質(zhì)量流量之和與熱力廠出口的總蒸汽質(zhì)量流量應(yīng)相等,這就需要流量?jī)x表準(zhǔn)確測(cè)量總管的質(zhì)量流量和分管的質(zhì)量流量。
汽水兩相流的流量測(cè)量除了要確定單相流涉及的流量參數(shù)外,還必須要確定干度(即濕蒸汽的水分含量),鍋筒出口的蒸汽干度可用電導(dǎo)率法測(cè)量,熱網(wǎng)管道的蒸汽干度可用熱平衡法測(cè)量,也可用頻譜分析法測(cè)量。汽水兩相流比單相流要復(fù)雜得多,由于汽與水的密度相差甚遠(yuǎn),兩者的流速是不等的,密度大的速度快,密度小的速度慢。這種速度差又與干度高低、蒸汽壓力和流量大小等多種因素有關(guān),因此濕飽和蒸汽流量數(shù)學(xué)模型比干飽和蒸汽流量數(shù)學(xué)模型要復(fù)雜得多。但是,經(jīng)過(guò)幾十年的實(shí)驗(yàn)研究,濕飽和蒸汽的測(cè)量技術(shù)已經(jīng)成熟,目前濕飽和蒸汽數(shù)學(xué)模型精度可達(dá)±0.6%,這個(gè)計(jì)算精度完全滿足濕飽和蒸汽流量計(jì)量要求。
3.1系統(tǒng)方案
據(jù)飽和蒸汽壓力、溫度和密度相對(duì)應(yīng)的關(guān)系,只需選擇壓力或溫度其中一項(xiàng)來(lái)對(duì)流量進(jìn)行補(bǔ)償計(jì)算即可考慮。蘭州石化公司煉油裝置內(nèi)的飽和蒸汽管路都較長(zhǎng),壓力波動(dòng)較大,適宜采用壓力補(bǔ)償。
LUB系列乙烷流量計(jì)防爆等級(jí)為ExiaCT2~T4,它必須與已取得防爆合格證的本安關(guān)聯(lián)設(shè)備(防爆標(biāo)志:ExiaC)配套組成本安防爆系統(tǒng)。
3.2乙烷流量計(jì)的選型
根據(jù)用戶提供的所測(cè)飽和蒸汽的壓力(溫度)、流量范圍、管道直徑等參數(shù),選擇相應(yīng)規(guī)格的LUB系列乙烷流量計(jì)。所測(cè)飽和蒸汽的流量范圍應(yīng)處于所選流量計(jì)的測(cè)量范圍內(nèi),并*好處于流量計(jì)的*佳工作范圍,即流量計(jì)量程的50%~67%處。對(duì)于管道直徑與流量計(jì)內(nèi)徑不一致的,可采取縮徑或擴(kuò)管的方法。
3.3流量積算儀的參數(shù)設(shè)置
選用的FC20系列流量積算儀提供了1種流量補(bǔ)償算法,基本可滿足各種測(cè)量介質(zhì)的流量補(bǔ)償計(jì)算,可顯示瞬時(shí)流量和累積流量等參數(shù),并且可輸出標(biāo)準(zhǔn)模擬信號(hào)供控制和記錄,還提供標(biāo)準(zhǔn)工業(yè)RS2485串行通訊接口。要使用流量積算儀的飽和蒸汽的壓力補(bǔ)償算法,就需要先進(jìn)入流量積算儀的參數(shù)設(shè)置狀態(tài),選擇飽和蒸汽壓力補(bǔ)償模式,設(shè)置流量單位為千克每
4、智能數(shù)字乙烷流量計(jì)的設(shè)計(jì)簡(jiǎn)述
智能數(shù)字乙烷流量計(jì)是以微處理器為核心,具有自動(dòng)調(diào)零,線性化,自動(dòng)補(bǔ)償環(huán)境因素變化功能,并配以圖形顯示直觀的表達(dá)測(cè)量結(jié)果的嵌入式數(shù)字智能乙烷流量計(jì)的要求。圖5是該系統(tǒng)傳感器基本技術(shù)原理示意圖。
乙烷流量計(jì)測(cè)量流量過(guò)程中堵塞原因分析及解決方法
關(guān)于超高溫鍋爐新型數(shù)字智能乙烷流量計(jì)的分析與研究
使用環(huán)氧乙烷流量計(jì)進(jìn)行蒸汽測(cè)量時(shí)需要注意那些要求
蒸汽介質(zhì)的超高流速對(duì)于氯乙烷流量計(jì)計(jì)量的影響及解決方案
對(duì)乙烷流量計(jì)制造過(guò)程進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)
測(cè)環(huán)氧乙烷流量計(jì)安裝前應(yīng)注意事項(xiàng)及需要規(guī)避的常見(jiàn)安裝錯(cuò)誤
二氟乙烷流量計(jì),測(cè)環(huán)氧乙烷流量計(jì)
乙烷流量計(jì)的特點(diǎn)也很明顯,主要表現(xiàn)在以下方面:
①智能乙烷流量計(jì)的傳感器的通用性很強(qiáng),從而使傳感器具有良好的互換性采用先進(jìn)數(shù)控設(shè)備加工傳感器的表體和旋渦發(fā)生體等,確保加工精度,從而使零部件(特別是旋渦發(fā)生體)的通用性強(qiáng),從而真正做到不會(huì)因零部件的更換而影響傳感器的重復(fù)性和精度;能產(chǎn)生強(qiáng)大而穩(wěn)定的渦街信號(hào)。
②抗振性能特別好,無(wú)零點(diǎn)漂移,可靠性高。通過(guò)長(zhǎng)時(shí)間對(duì)乙烷流量計(jì)進(jìn)行的大量波形分析和頻譜分析,加上*佳的探頭形狀、壁厚,高度、探頭桿直徑及與之相配套的壓電晶體,采用先進(jìn)的數(shù)控車床進(jìn)行加工,確保加工的同軸度和光潔度等技術(shù)參數(shù),配合特殊的工藝處理,從而*大限度的克服乙烷流量計(jì)存在的固有自振蕩頻率對(duì)信號(hào)的影響這個(gè)通病。
③結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單牢固,無(wú)可動(dòng)部件,可靠性高,使用維護(hù)方便。
④檢測(cè)元件不與介質(zhì)接觸,性能穩(wěn)定,使用壽命長(zhǎng)傳感器采用檢測(cè)探頭與旋渦發(fā)生體分開安裝,而且耐高溫的壓電晶體密封在檢測(cè)探頭內(nèi),不與被測(cè)介質(zhì)接觸,所以乙烷流量計(jì)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、通用性好和穩(wěn)定性高的特點(diǎn)。
⑤輸出與流量成正比的脈沖信號(hào)或模擬信號(hào),無(wú)零點(diǎn)漂移,精度高,方便與計(jì)算機(jī)聯(lián)網(wǎng)
⑥測(cè)量范圍寬,量程比可達(dá)1:10
⑦乙烷流量計(jì)測(cè)量體積流量時(shí)不需補(bǔ)償,渦街輸出的信號(hào)實(shí)際上是與流速成線性關(guān)系的,也就是與體積流量成正比。壓力和溫度補(bǔ)償?shù)哪康氖菫榱说玫搅黧w的密度,乘以體積流量就得到質(zhì)量流量,若測(cè)量氣體的體積流量就不需要補(bǔ)償了。
⑧壓力損失小。用口徑DN50的乙烷流量計(jì)測(cè)量可燃?xì)怏w的流量,若管道內(nèi)的*大流量Qmax =200m3/h時(shí),傳感器的壓力損失是:△P =1.08×10-6 ρv2(kPa)= 0.605 KPa
⑨在一定的雷諾數(shù)范圍內(nèi),流量特性不受流體壓力、溫度、黏度、密度、成分的影響,僅是與旋渦發(fā)生體的形狀和尺寸有關(guān)。
⑩應(yīng)用范圍廣,蒸汽、氣體、液體流量均可測(cè)量。
本文介紹這種集溫度、壓力、流量就地顯示于一體的數(shù)字乙烷流量計(jì)。并分析了數(shù)字渦街流量機(jī)在測(cè)量超高溫鍋爐過(guò)熱蒸汽方面的應(yīng)用。采用先進(jìn)的單片微機(jī)及微功耗芯片,實(shí)現(xiàn)在線多種信號(hào)采集和數(shù)據(jù)處理,并采用軟件容錯(cuò)技術(shù),大大提高了儀表的可靠性和測(cè)量準(zhǔn)確度。
1、乙烷流量計(jì)的精度及適用情況
1.1乙烷流量計(jì)的精確度
乙烷流量計(jì)的精確度對(duì)于液體大致在±O.5%R~±2%R,對(duì)于氣體在±1%R~±2%R,重復(fù)性一般為0.2%-0.5%。由于乙烷流量計(jì)的儀表系數(shù)較低,頻率分辨率低,口徑愈大愈低,故儀表口徑不宜過(guò)大(DN300 以下)。
范圍度寬是乙烷流量計(jì)的特點(diǎn),但重要的是下限流量為多少。一般液體平均流速下限為0.5m/s,氣體為4-5m/s。乙烷流量計(jì)的正常流量*好在正常測(cè)量范圍的1/2~2/3處。
乙烷流量計(jì)的儀表常數(shù)不受測(cè)量介質(zhì)物性的影響,這是很大的優(yōu)點(diǎn),可以用一種典型介質(zhì)校驗(yàn)而應(yīng)用到其他介質(zhì)去,對(duì)于解決校驗(yàn)設(shè)備問(wèn)題提供便利。但是應(yīng)該看到由于液、氣的流速范圍差別很大,因此頻率范圍也差別很大。處理渦街信號(hào)的放大器電路中,濾波器的通帶不同,電路參數(shù)也不同,因此,同一電路參數(shù)是不能用于不同測(cè)量介質(zhì)的。介質(zhì)改變,電路參數(shù)也應(yīng)隨之改變。
另外,氣體和液體的密度差別很大,旋渦分離時(shí)產(chǎn)生的信號(hào)強(qiáng)度與密度成正比。因此信號(hào)強(qiáng)度差別也很大,液、氣放大器電路的增益,觸發(fā)靈敏度等皆不一樣,壓電電荷差別大,電荷放大器的參數(shù)也不同。即使同為氣體(或液體、蒸汽)隨著介質(zhì)壓力、溫度不同,密度不同,使用的流量范圍不同,信號(hào)強(qiáng)度也不同,電路參數(shù)同樣要改變。因此一臺(tái)乙烷流量計(jì)不經(jīng)硬件或軟件修改,改變使用介質(zhì)或改變儀表口徑是不可行的。
1.2乙烷流量計(jì)的適用情況
乙烷流量計(jì)不適用于測(cè)量低雷諾系數(shù)(Re≤2×104少)流體。低雷諾系數(shù)時(shí),斯特勞哈數(shù)隨著雷諾系數(shù)而變,儀表線性度變差,流體粘度高會(huì)顯著影響甚至阻礙旋渦的產(chǎn)生,選型的一個(gè)限制條件是不能使用于界限雷諾系數(shù)之下。
乙烷流量計(jì)適用的流體比較廣泛,但對(duì)于流體的臟污性質(zhì)要注意。含固體微粒的流體對(duì)旋渦發(fā)生體的沖刷會(huì)產(chǎn)生噪聲,磨損旋渦發(fā)生體。若含有的短纖維纏繞在旋渦發(fā)生體上將改變儀表系數(shù)。
乙烷流量計(jì)在混相流體中的應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)還很少,一般可用于含分散、均勻的微小氣泡,但容積含氣率應(yīng)小于7%~10%的氣、液兩相流,若超出2%就應(yīng)對(duì)儀表系數(shù)進(jìn)行修正??捎糜诤稚ⅰ⒕鶆虻墓腆w微粒。含量不大于2%的氣固、液固兩相流??捎糜诨ゲ蝗芙獾囊阂?如油和水)兩組分流等。
脈動(dòng)流和旋轉(zhuǎn)流會(huì)對(duì)乙烷流量計(jì)產(chǎn)生嚴(yán)重影響。如果脈動(dòng)頻率與渦街頻率頻帶合拍可能引起諧振破壞正常工作和設(shè)備,使渦街信號(hào)產(chǎn)生“鎖定(lock-in)”現(xiàn)象,這時(shí)信號(hào)固定于某一頻率。“鎖定”與脈動(dòng)幅值、旋渦發(fā)生體形狀及堵塞比等有關(guān)。乙烷流量計(jì)的正常工作的脈動(dòng)閉值尚待試驗(yàn)確定。80年代以來(lái)國(guó)內(nèi)外流量測(cè)量工作者己對(duì)乙烷流量計(jì)在混相流、脈動(dòng)流中的應(yīng)用開展許多試驗(yàn)研究,國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織(ISO)己發(fā)布的技術(shù)報(bào)告中亦關(guān)注這方面內(nèi)容。
1.3乙烷流量計(jì)的經(jīng)濟(jì)性
在眾多的流量計(jì)中,乙烷流量計(jì)的經(jīng)濟(jì)性較好,是一種經(jīng)濟(jì)實(shí)惠的流量計(jì)。乙烷流量計(jì)的基本性能處于中等偏上水平,購(gòu)置費(fèi)低于質(zhì)量式、電磁式、容積式等,而安裝、運(yùn)行、維護(hù)費(fèi)低于節(jié)流式、容積式、渦輪式等,如僅作為控制系統(tǒng)檢測(cè)儀表可采用干校方式節(jié)省周期校驗(yàn)費(fèi)用。
2、超高溫鍋爐數(shù)字乙烷流量計(jì)系統(tǒng)概述
2.1工作原理
在流體中設(shè)置旋渦發(fā)生體(阻流體),從旋渦發(fā)生體兩側(cè)交替地產(chǎn)生有規(guī)則的旋渦,這種旋渦稱為卡門渦街,如圖1所示。旋渦列在旋渦發(fā)生體下游非對(duì)稱地排列。設(shè)旋渦的發(fā)生頻率為f,被測(cè)介質(zhì)來(lái)流的平均速度為U,旋渦發(fā)生體迎面寬度為d,表體通徑為D,根據(jù)卡門渦街原理,有如下關(guān)系式
f=SrUl/d=SrU/md (1)
式中U1--旋渦發(fā)生體兩側(cè)平均流速,m/s;
Sr—斯特勞哈爾數(shù):
m—旋渦發(fā)生體兩側(cè)弓形面積與管道橫截面面積之比
式中K--流量計(jì)的儀表系數(shù),脈沖數(shù)/m3(p/m3)。
K除與旋渦發(fā)生體、管道的幾何尺寸有關(guān)外,還與斯特勞哈爾數(shù)有關(guān)。斯特勞哈爾數(shù)為無(wú)量綱參數(shù),它與旋渦發(fā)生體形狀及雷諾數(shù)有關(guān),圖2所示為圓柱狀旋渦發(fā)生體的斯特勞哈爾數(shù)與管道雷諾數(shù)的關(guān)系圖。由圖可見(jiàn),在ReD=2x104~7x106范圍內(nèi),sr可視為常數(shù),這是儀表正常工作范圍。當(dāng)測(cè)量氣體流量時(shí),VSF的流量計(jì)算式為
式中qv.qv--分別為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下(0oC或20oC,101.325kPa)和工況下的體積流量,m3/h;
Pn.p--分別為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下和工況下的絕對(duì)壓力,Pa;
Tn.T--分別為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下和工況下的熱力學(xué)溫度,K;
Zn.Z--分別為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下和工況下氣體壓縮系數(shù)。
由上式可見(jiàn)。VSF輸出的脈沖頻率信號(hào)不受流體物性和組分變化的影響。即儀表系數(shù)在一定雷諾數(shù)范圍內(nèi)僅與旋渦發(fā)生體及管道的形狀尺寸等有關(guān)。但是作為流量計(jì)在物料平衡及能源計(jì)量中需檢測(cè)質(zhì)量流量,這時(shí)流量計(jì)的輸出信號(hào)應(yīng)同時(shí)監(jiān)測(cè)體積流量和流體密度,流體物性和組分對(duì)流量計(jì)量還是有直接影響的?! ?br /> 2.2乙烷流量計(jì)結(jié)構(gòu)
VSF由傳感器和轉(zhuǎn)換器兩部分組成,如圖3所示。傳感器包括旋渦發(fā)生體(阻流體)、檢測(cè)元件、儀表表體等;轉(zhuǎn)換器包括前置放大器、濾波整形電路、D/A轉(zhuǎn)換電路、輸出接口電路、端子、支架和防護(hù)罩等。近年來(lái)智能式流量計(jì)還把微處理器、顯示通訊及其他功能模塊亦裝在轉(zhuǎn)換器內(nèi)。
(1)旋渦發(fā)生體
旋渦發(fā)生體是檢測(cè)器的主要部件,它與儀表的流量特性(儀表系數(shù)、線性度、范圍度等)和阻力特性(壓力損失)密切相關(guān),對(duì)它的要求如下。
1)能控制旋渦在旋渦發(fā)生體軸線方向上同步分離:
2)在較寬的雷諾數(shù)范圍內(nèi),有穩(wěn)定的旋渦分離點(diǎn),保持恒定的斯特勞哈爾數(shù):
3)能產(chǎn)生強(qiáng)烈的渦街,信號(hào)的信噪比高:
4)形狀和結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,便于加工和幾何參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)化,以及各種檢測(cè)元件的安裝和組合:
5)材質(zhì)應(yīng)滿足流體性質(zhì)的要求,耐腐蝕,耐磨蝕,耐溫度變化
6)固有頻率在渦街信號(hào)的頻帶外。
已經(jīng)開發(fā)出形狀繁多的旋渦發(fā)生體,它可分為單旋渦發(fā)生體和多旋渦發(fā)生體兩類,如圖4所示。單旋渦發(fā)生體的基本形有圓柱、矩形柱和三角柱,其他形狀皆為這些基本形的變形。三角柱形旋渦發(fā)生體是應(yīng)用*廣泛的一種,如圖5所示。圖中D為儀表口徑。為提高渦街強(qiáng)度和穩(wěn)定性,可采用多旋渦發(fā)生體,不過(guò)它的應(yīng)用并不普。
(2)檢測(cè)元件
流量計(jì)檢測(cè)旋渦信號(hào)有5種方式。
1)用設(shè)置在旋渦發(fā)生體內(nèi)的檢測(cè)元件直接檢測(cè)發(fā)生體兩側(cè)差壓:
2)旋渦發(fā)生體上開設(shè)導(dǎo)壓孔,在導(dǎo)壓孔中安裝檢測(cè)元件檢測(cè)發(fā)生體兩側(cè)差壓:
3)檢測(cè)旋渦發(fā)生體周圍交變環(huán)流:
4)檢測(cè)旋渦發(fā)生體背面交變差壓:
5)檢測(cè)尾流中旋渦列。
根據(jù)這5種檢測(cè)方式,采用不同的檢測(cè)技術(shù)(熱敏、超聲、應(yīng)力、應(yīng)變、電容、電磁、光電、光纖等)可以構(gòu)成不同類型的VSF。
(3) 轉(zhuǎn)換器
檢測(cè)元件把渦街信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào),該信號(hào)既微弱又含有不同成分的噪聲,必須進(jìn)行放大、濾波、整形等處理才能得出與流量成比例的脈沖信號(hào)。不同檢測(cè)方式應(yīng)配備不同特性的前置放大器。轉(zhuǎn)換器原理框圖如圖4所示。
圖4 A:轉(zhuǎn)換器原理框圖B:數(shù)字乙烷流量計(jì)框圖
3、數(shù)字流量計(jì)運(yùn)用于超高溫鍋爐
濕飽和蒸汽在熱網(wǎng)系統(tǒng)中普遍存,鍋爐產(chǎn)出的飽和蒸汽一般都含有少許的水分,通過(guò)分汽缸、熱力管網(wǎng)送至用戶,由于管網(wǎng)的熱損失,蒸汽的水分含量必然增多,導(dǎo)致蒸汽流量減少。
在計(jì)劃經(jīng)濟(jì)時(shí)代,供熱按樓房面積收費(fèi),不存在蒸汽計(jì)量收費(fèi)問(wèn)題。近年來(lái),隨著市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)的不斷深入,蒸汽流量必須按計(jì)量收費(fèi),因此蒸汽的熱損耗問(wèn)題也提了出來(lái)。目前,行政上普遍執(zhí)行的辦法是由用戶多交10%的蒸汽費(fèi)用,以補(bǔ)償蒸汽損耗。這種辦法也有一定缺點(diǎn),用戶多交10%沒(méi)有科學(xué)依據(jù),其一,濕飽和蒸汽水分含量與熱力管道的長(zhǎng)短有關(guān),短熱力管道能平衡減少的蒸汽量,而長(zhǎng)熱力管道則平衡不了減少的蒸汽量。其二,對(duì)那些間斷使用蒸汽的用戶更無(wú)法平衡,有些企業(yè)白天上班使用幾小時(shí)蒸汽,下班后整個(gè)晚上都不使用蒸汽,直到*二天上班再用,通過(guò)一整夜的冷卻,熱力管道中的蒸汽全凝結(jié)成水,這種蒸汽的損失就不是10%。由于這些客觀原因。熱力廠不能做到自負(fù)盈虧,而需要政府補(bǔ)助。
比較合理的作法是熱力廠出口的總流量認(rèn)為是干飽和汽,用流量表計(jì)量并作為貿(mào)易結(jié)算的基準(zhǔn)流量。各個(gè)用戶的蒸汽流量為濕飽和蒸汽,按汽水兩相流計(jì)量,根據(jù)物質(zhì)不滅定律,各個(gè)用戶的蒸汽質(zhì)量流量之和與熱力廠出口的總蒸汽質(zhì)量流量應(yīng)相等,這就需要流量?jī)x表準(zhǔn)確測(cè)量總管的質(zhì)量流量和分管的質(zhì)量流量。
汽水兩相流的流量測(cè)量除了要確定單相流涉及的流量參數(shù)外,還必須要確定干度(即濕蒸汽的水分含量),鍋筒出口的蒸汽干度可用電導(dǎo)率法測(cè)量,熱網(wǎng)管道的蒸汽干度可用熱平衡法測(cè)量,也可用頻譜分析法測(cè)量。汽水兩相流比單相流要復(fù)雜得多,由于汽與水的密度相差甚遠(yuǎn),兩者的流速是不等的,密度大的速度快,密度小的速度慢。這種速度差又與干度高低、蒸汽壓力和流量大小等多種因素有關(guān),因此濕飽和蒸汽流量數(shù)學(xué)模型比干飽和蒸汽流量數(shù)學(xué)模型要復(fù)雜得多。但是,經(jīng)過(guò)幾十年的實(shí)驗(yàn)研究,濕飽和蒸汽的測(cè)量技術(shù)已經(jīng)成熟,目前濕飽和蒸汽數(shù)學(xué)模型精度可達(dá)±0.6%,這個(gè)計(jì)算精度完全滿足濕飽和蒸汽流量計(jì)量要求。
3.1系統(tǒng)方案
據(jù)飽和蒸汽壓力、溫度和密度相對(duì)應(yīng)的關(guān)系,只需選擇壓力或溫度其中一項(xiàng)來(lái)對(duì)流量進(jìn)行補(bǔ)償計(jì)算即可考慮。蘭州石化公司煉油裝置內(nèi)的飽和蒸汽管路都較長(zhǎng),壓力波動(dòng)較大,適宜采用壓力補(bǔ)償。
LUB系列乙烷流量計(jì)防爆等級(jí)為ExiaCT2~T4,它必須與已取得防爆合格證的本安關(guān)聯(lián)設(shè)備(防爆標(biāo)志:ExiaC)配套組成本安防爆系統(tǒng)。
3.2乙烷流量計(jì)的選型
根據(jù)用戶提供的所測(cè)飽和蒸汽的壓力(溫度)、流量范圍、管道直徑等參數(shù),選擇相應(yīng)規(guī)格的LUB系列乙烷流量計(jì)。所測(cè)飽和蒸汽的流量范圍應(yīng)處于所選流量計(jì)的測(cè)量范圍內(nèi),并*好處于流量計(jì)的*佳工作范圍,即流量計(jì)量程的50%~67%處。對(duì)于管道直徑與流量計(jì)內(nèi)徑不一致的,可采取縮徑或擴(kuò)管的方法。
3.3流量積算儀的參數(shù)設(shè)置
選用的FC20系列流量積算儀提供了1種流量補(bǔ)償算法,基本可滿足各種測(cè)量介質(zhì)的流量補(bǔ)償計(jì)算,可顯示瞬時(shí)流量和累積流量等參數(shù),并且可輸出標(biāo)準(zhǔn)模擬信號(hào)供控制和記錄,還提供標(biāo)準(zhǔn)工業(yè)RS2485串行通訊接口。要使用流量積算儀的飽和蒸汽的壓力補(bǔ)償算法,就需要先進(jìn)入流量積算儀的參數(shù)設(shè)置狀態(tài),選擇飽和蒸汽壓力補(bǔ)償模式,設(shè)置流量單位為千克每
4、智能數(shù)字乙烷流量計(jì)的設(shè)計(jì)簡(jiǎn)述
智能數(shù)字乙烷流量計(jì)是以微處理器為核心,具有自動(dòng)調(diào)零,線性化,自動(dòng)補(bǔ)償環(huán)境因素變化功能,并配以圖形顯示直觀的表達(dá)測(cè)量結(jié)果的嵌入式數(shù)字智能乙烷流量計(jì)的要求。圖5是該系統(tǒng)傳感器基本技術(shù)原理示意圖。
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