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A+K多孔平衡流量计

文章日期:2019-07-21|阅读数:



以节流装置为检测元件的差压式流量计是应用范围广泛,使用成熟,用量巨大的一类流量计,迄今仍在不断发展。在工业应用,特别是蒸汽流量的测量中,孔板是使用最广泛的节流装置。但在实际应用中, 由于具体工况的限制,以及孔板的压损大、能耗高、量程比小、精度低、直管段要求长、易磨损、维护量大等诸多缺陷,使其越来越跟不上当今现代工业发展的需要。美国国家航空航天局马歇尔航空飞行中心设计发明的一种新型多孔平衡流量计作为第三代节流装置, 简称A+K平衡流量计,使一次源的测量精度、重复性、可靠性都达到了一个前所未有的崭新高度。

1 工作原理

A+K多孔平衡流量计的节流原理由边缘节流改为平衡节流是将一个多孔的圆盘节流整流器安装在管道的截面上,每个孔的尺寸和分布基于独特的公式和测试数据定制,称为函数孔。当流体穿过圆盘的函数孔时,流体将被平衡调整,涡流被最小化,形成近似理想流体,通过标准取压装置,可获得稳定的差压信号, 根据伯努利方程计算出体积流量、质量流量。

 
 

平衡流量计巧妙地将多孔整流器和测量孔板合二为一,能最大限度地将流场平衡调整成理想状态,从而将差压式流量计的优势发挥到极致。其结构原理如图1所示。
图1 A+K平衡流量计结构原理图
 2 多孔平衡流量计与孔板性能的对比
多孔平衡流量计与标准孔板相比较在实际应用中有如下优点:
(1) 精度高、重复性好
多孔平衡流量计传感器具有对称多孔结构特点,能对流场进行平衡,降低了涡流、振动和信号噪声。而孔板的结构特点是从管壁向管道中心突然收缩,造成了孔板与管壁处的直角区域,这直角区域在流体流过后会造成大涡流。如果是测量蒸汽,那么蒸汽在受到节流件的直接阻挡后会有部分液化现象, 液化后的蒸汽会受涡流的影响停留在孔板与管壁处的直角区域,形成对取压信号的严重干扰。这种干扰对仪表的精度造成了很大影响。孔板节流件精度为
±1%~2%,而多孔平衡流量计精确度可达±0.3%、
±0.5%,从其综合性能来看平衡流量计传感器更适用于计量场合。
(2) 直管段要求低
多孔平衡流量计传感器由于压力恢复比孔板快两倍,大大缩短了对直管段的要求,其前后直管段一般为前3D后1D,最小可以小于0.5D。而标准孔板一般要求都在15D以上,如果孔板流量计上游侧在不同平面内有两个以上90°弯头则直管段要求至少50D。在当今社会钢材大幅度涨价的背景下,长直管段将不再是小的成本,尤其是大口径管道和特殊昂贵材料的管道,比如说锆材、哈氏合金等,直管段的成本远远高过仪表价格。因此,采用平衡流量计可以节省大量资金,管径越大、材料越贵,节约越明显。
(3) 永久压力损失低
多孔平衡流量计多孔对称的平衡设计,减少了紊流剪切力和涡流的形成,降低了动能的损失,在同样的测量工况下,与传统节流装置比较,压力损失较少了70%,从而节省了相当大的运行能量成本。
(4) 免维护、使用寿命长
多孔平衡流量计由于采用了多孔平衡的结构,节流件流通的边缘采用的是直角结构或钝角结构,改善了对孔板入口锐度的要求,使磨损减少,增加了耐磨性。
(5) 耐脏污不易堵
多孔平衡流量计多孔对称的平衡设计,易于通过粘稠介质和含杂质较多的介质(例如焦炉煤气和高炉煤气),也可以进行气液两相、泥浆甚至固体颗粒测量,污物不易沉积、附着,提高了测量的准确性和使用的维护周期。
(6) 量程比宽、雷诺数使用范围广
多孔平衡流量计的量程通常可达到10:1,选择合适的参数可以做到30:1或更高。孔板的量程通常只有4:1。标准孔板不宜在低雷诺数下进行测量,标准孔板的流量系数通常在雷诺数4000以上时趋于稳定,在低雷诺数时,其流量系数会随雷诺数的变化而变化,影响很大。而多孔平衡流量计具有无滞留区的特点,雷诺数对它影响很小。当雷诺数小至500时,多孔平衡流量计的准确度和流量系数变化不大。
(7) 可测高温高压等特殊工况介质
多孔平衡流量计工作温度可达850℃,工作压力可达42MPa,适合极低温流体LNG、液空气、液氮、液氧、液氩、液化乙烯、液氢、液氯等,并能有效防止气化,测量效果最佳。在有些工况下,介质在临界状态附近,温度和压力的变化很容易引起液体气化。当介质流过节流件时,流速增加,静压力降低,如果压力低于蒸发压力,会产生气化现象。当液态气体流过平衡流量计时,由于它的独特结构设计,性能比孔板优化很多,气化问题得到好的解决。

3 多孔平衡流量计节能举例

流量计作为测量元件,本身也是一个耗能元件。流量计的运行成本包括测量精度成本和介质输送成本,测量精度成本是因计量不准确造成的贸易结算损失。对于贵重介质,精度成本十分重要。介质输送成本是介质输送过程消耗的能量,主要以由测量元件造成的永久压力损失为标志,就蒸汽等含能介质而言。介质输送成本是一笔很大的开支(消耗的电能),易被忽略,因为它不在一次投资里体现,但在动态投资里远远超过仪表的一次投资。
以具体蒸汽测量实例作为比较:
工况条件:测量介质为过热蒸汽,管径为ф325×
13,压力为3900kPa,温度为450℃,在此温度、压力下其蒸汽密度为12.511kg/m3,介质流量为50t/h。设备一年运行365天,每天运行24h,每度电电费为0.5元,电动机效率η=0.8。为了方便比较,多孔平衡流量计与孔板的差压值都取12kPa。 
功率损失计算公式:
 式中:Q为流体体积流量;PPL为节流件产生的压损;η为电动机功率;Hp为功率损失。
流体体积流量计算公式:
体积流量=质量流量÷介质密度通过计算得出:
Q =3996.5m 3/h=1.11m3/s。
A+K平衡流量计测量时:所产生的差压为12kPa,
所产生的压损为2.8kPa。
则损失的功率为:
Hp=1.11×2.8÷0.8=3.885(kW)
能耗换算成年度电费:
年度电费=365×24×3.885×0.5=17 016元
孔板测量时:所产生的差压为12k Pa,所产生的压损6.6kPa。
则孔板损失的功率为:
Hp=l.11×6.6÷0.8=9.158(kW)
能耗换算成年度电费:
年度电费=365×24×9.158×0.5=40112元
那么一年孔板的直接运行成本比A+K平衡流量计高(40112-17016)=23096元。
通过以上对比不难发现多孔平衡流量计比孔板在实际应用中更具有优越性。

4 结束语

节能是一项长期国策,节能不仅是工艺、设备节能,仪表节能也应该引起重视。若工业项目普遍采用多孔平衡流量计,可以节省运行成本,带来巨大的间接经济效益。在新一轮的低碳经济中,节能减排考核是发展低碳经济的重中之重。而多孔平衡流量计将会成为一个非常合适的具有推广价值的节能仪表,具有更广泛的发展空间。


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