摘要:針對(duì)靶式流量計(jì)和渦街式流量計(jì)在測(cè)量硬水流量的過(guò)程中經(jīng)常出現(xiàn)測(cè)量值不準(zhǔn)確的現(xiàn)象進(jìn)行研究。根據(jù)硬水在流動(dòng)過(guò)程中結(jié)垢的特點(diǎn),從流量計(jì)的取壓方式和測(cè)量方式兩方面進(jìn)行綜合分析,查找問(wèn)題出現(xiàn)的原因,通過(guò)分析討論最終選擇了彎管式取壓方式,采用了彎管流量計(jì)。在生產(chǎn)過(guò)程中,彎管流量計(jì)有效地解決了靶式流量計(jì)和渦街式流量計(jì)在測(cè)量硬水流量過(guò)程中出現(xiàn)的問(wèn)題。
流量計(jì)廣泛應(yīng)用于石油化工生產(chǎn)中，貫穿于全過(guò)程中,任何一個(gè)環(huán)節(jié)都離不開(kāi)流量計(jì)量。流量計(jì)測(cè)量不準(zhǔn)確影響各個(gè)生產(chǎn)環(huán)節(jié)的產(chǎn)品質(zhì)量,嚴(yán)重的還會(huì)發(fā)生生產(chǎn)安全事故。流量計(jì)測(cè)量的是否準(zhǔn)確與流量計(jì)的測(cè)量方式和被測(cè)介質(zhì)的特點(diǎn)有很大的關(guān)系。電脫鹽一級(jí)注水流量計(jì)測(cè)量范圍為0~5T/h。使用介質(zhì)為生產(chǎn)循環(huán)水，水的溫度在60~80℃,硬度8~13,屬于硬水。由于生產(chǎn)循環(huán)水,水質(zhì)差,硬度大,在生產(chǎn)過(guò)程中易結(jié)垢。在采用靶式流量計(jì)時(shí)，經(jīng)常出現(xiàn)測(cè)量值不準(zhǔn)確和不變化的問(wèn)題，需要經(jīng)常維修，清理靶片和靶桿上的水垢。后來(lái)對(duì)改變了測(cè)量方式,在采用渦街流量計(jì)時(shí),經(jīng)常出現(xiàn)測(cè)量值波動(dòng)大和回零問(wèn)題，需要每周維修多次。根據(jù)在生產(chǎn)中出現(xiàn)的問(wèn)題,結(jié)合硬水特點(diǎn)和流量計(jì)的測(cè)量方式和取壓方式進(jìn)行一一分析和討論。
靶式流量計(jì)
1.1現(xiàn)象
在生產(chǎn)測(cè)量過(guò)程中,采用了靶式流量計(jì)。工藝反映其測(cè)量值不準(zhǔn)確,出現(xiàn)偏高或偏低以及不動(dòng)彈的現(xiàn)象。對(duì)的電路模塊、FIV1101的開(kāi)度和泵的出口壓力進(jìn)行檢查,均屬正常。拆卸,發(fā)現(xiàn)靶片和反饋桿上,結(jié)有一層水垢,并且反饋桿的彈性較差。這些水垢對(duì)靶式流量計(jì)有那些影響呢?首先看其測(cè)量原理和結(jié)構(gòu)，
1.2測(cè)量原理和結(jié)構(gòu)
當(dāng)介質(zhì)在測(cè)量管道中流動(dòng)時(shí),因其自身的動(dòng)能通過(guò)阻流元件(靶片和杠桿3)時(shí)而產(chǎn)生的壓差,并對(duì)阻流元件有一作用力F1如圖1所示凹，其作用力的大小與介質(zhì)流速的平方成正比,其數(shù)學(xué)公式表達(dá)如下:
式中:F1為阻流元件所受的作用力(Kg);Cj為物體阻力.系數(shù);A為阻流元件的軸向投影面積(mm2);p為工況下介質(zhì).密度(Kg/m3);V為介質(zhì)在測(cè)量管中的平均流速(m/s)。
阻流件(靶片)接受的作用力F作用在杠桿3(反饋桿)上,杠桿3在F的作用下,以軸封膜片為支點(diǎn)(軸封膜片一方面作為杠桿的支點(diǎn),另一方面起密封作用)將力F1傳給副桿1,形成力F2副桿1的另一端與電容力傳感器相連,電容力傳感器把副桿1傳遞的力F2轉(zhuǎn)換成毫伏電壓信號(hào)輸出:
式中:U為電容力傳感器輸出的電壓(mV);K為比例常數(shù);F為阻流元件(靶片)所受的作用力(Kg)。
由此,電壓信號(hào)經(jīng)前置放大、A/D轉(zhuǎn)換、微處理器、D/A轉(zhuǎn)換器等電路,輸出4~20mA開(kāi)方電流模擬信號(hào)及HART數(shù)字信號(hào),即可得到相應(yīng)的瞬時(shí)流量和累積總量。
1.3分析故障產(chǎn)生的原因
1)當(dāng)水垢結(jié)在靶片上,使靶片面積A增加,由公式(1)可知，作用在靶片上的沖量也隨之增加。在杠桿1和杠桿3的傳遞下,作用在電容力傳感器上的力F2增加,由公式(2)可知,電容力傳感器輸出的電壓信號(hào)增加,造成測(cè)量值比真實(shí).值偏高。
2)當(dāng)水垢結(jié)在杠桿3上,使杠桿3的直徑增加,造成杠桿3與軸封膜片之間產(chǎn)生應(yīng)力F3。F經(jīng)過(guò)杠桿1傳遞給電容.力傳感器上,因此,F=F1+F3。隨著F的方向變化,造成F2增大或減小，使電容力傳感器輸出的電壓信號(hào)增大或減小,導(dǎo)致測(cè)量值比真實(shí)值偏高或偏低。
3)隨著水垢結(jié)在杠桿3上的厚度達(dá)到一定程度后,使杠桿3與軸封膜片之間包死,杠桿3失去了彈性,軸封膜片失去了支點(diǎn)作用,F的大小已不能通過(guò)杠桿1和3傳遞給電容.力傳感器,而F2的大小保持不變,因此,電容力傳感器輸出的電壓信號(hào)不變,造成測(cè)量值不動(dòng)彈的假現(xiàn)象。
2渦街流量計(jì)
2.1現(xiàn)象
在采用靶式流量計(jì)測(cè)量硬水流量的過(guò)程中,因硬水結(jié)垢影響了力的傳遞,導(dǎo)致測(cè)量不正確,所以需要改變流量計(jì)的測(cè)量方式,選擇了測(cè)量流體頻率的流量計(jì)一渦街流量計(jì)。采用了渦街式流量計(jì),在投入使用的一個(gè)月內(nèi),其運(yùn)行穩(wěn)定,反映靈敏,測(cè)量正確。隨后，出現(xiàn)測(cè)量指示值不正確,閃動(dòng)頻率大,并且跳動(dòng)的指示植越來(lái)越小，直至為零。檢查電路模塊、FIV1101的開(kāi)度和泵的出口壓力，均屬正常。推測(cè)的傳感器出現(xiàn)了問(wèn)題，拆卸,發(fā)現(xiàn)滯流元件上結(jié)有一層水垢,滯流元件與底座之間包死。
2.2測(cè)量原理和結(jié)構(gòu)
渦街流量計(jì)是應(yīng)用流體振蕩原理來(lái)測(cè)量流量的流體在管道中經(jīng)過(guò)渦街流量變送器時(shí),在三角柱的旋渦發(fā)生體后上下交替產(chǎn)生正比于流速的兩列旋渦,如圖2所示囚，旋渦的釋放頻率與流過(guò)旋渦發(fā)生體的流體平均速度及旋渦發(fā)生體特征寬度有關(guān),可用數(shù)學(xué)公式四表示:
式中:為旋渦的釋放頻率(Hz);為流過(guò)旋渦發(fā)生體的.流體平均速度(m/s);d為旋渦發(fā)生體特征寬度(m);S,為斯特羅哈數(shù),無(wú)量綱,它的數(shù)值范圍為0.14~0.27。S,是雷諾數(shù)的函數(shù),s1=(IRe)。
當(dāng)雷諾數(shù)R。在102~105范圍內(nèi),S,值約為0.2，因此,在測(cè)量中,要盡量滿足流體的雷諾數(shù)在102~105,旋渦頻率=0.2V/d。
由此可知,通過(guò)測(cè)量旋渦頻率就可以計(jì)算出流過(guò)旋渦發(fā)生體的流體平均速度v,再由式q=A可以求出流量q,其中A為流體流過(guò)旋渦發(fā)生體的截面積。
當(dāng)旋渦在滯流元件兩側(cè)產(chǎn)生時(shí),利用壓電傳感器測(cè)出與流體流向垂直的交變升力變化,將升力的變化轉(zhuǎn)換為電的頻率信號(hào),再將頻率信號(hào)進(jìn)行放大和整形，輸出到二次儀表,進(jìn).行累積、顯示團(tuán)。
2.3分析故障產(chǎn)生的原因
由于檢測(cè)元件一壓電傳感器安裝在滯流元件中,當(dāng)水垢結(jié)在滯流元件上會(huì)造成以下后果:
1)造成滯流元件的寬度d增大,由公式(3)可知，檢測(cè)元件接收到渦旋列產(chǎn)生的頻率減小,輸出電壓信號(hào)減小，因此測(cè)量指示值比真實(shí)值偏低。
2)使檢測(cè)元件接收到渦旋列產(chǎn)生的頻率信號(hào)減弱,影響了測(cè)量信號(hào)的穩(wěn)定性和連續(xù)性,因此出現(xiàn)了測(cè)量值不穩(wěn)定的現(xiàn)象。
3)隨著水垢厚度的不斷增加，當(dāng)達(dá)到一定程度后,使檢測(cè)元件接受不到渦旋列產(chǎn)生的頻率信號(hào),導(dǎo)致測(cè)量值為零。
3探討和選型
在采用靶式和渦街式流量計(jì)測(cè)量硬水流量的過(guò)程中,出現(xiàn)測(cè)量不正確的現(xiàn)象,從以上分析故障原因可知,是由水質(zhì)結(jié)垢引起的,所以要提高在測(cè)量過(guò)程中的穩(wěn)定性和正確率,有以下兩種選擇:
1)更換流量計(jì)的類(lèi)型,選擇適合測(cè)量硬水流量的流量計(jì);
2)更換被測(cè)介質(zhì),電脫鹽注水由硬水改為純凈水。
因節(jié)能減排和生產(chǎn)實(shí)際,只能考慮流量計(jì)的選型,什么樣的流量計(jì)在測(cè)量硬水流量時(shí),不受結(jié)垢的影響或受其的影響較小呢?要從以下3方面分析:
1)硬水在流量計(jì)中不結(jié)垢;
2)硬水與測(cè)量元件之間隔離;
3)硬水結(jié)垢對(duì)流量計(jì)在測(cè)量的過(guò)程中影響較小。
根據(jù)各種類(lèi)型流量計(jì)的結(jié)構(gòu)、測(cè)量方式和特點(diǎn),符合條件1)和2)件的有:差壓孔板流量計(jì)、超聲波流量計(jì)和電磁流量計(jì)。如果采用差壓孔板流量計(jì),差壓變送器的測(cè)壓室與被介質(zhì)被引壓管內(nèi)的引壓液隔離9,符合條件2)。但是孔板的表面要求光潔度極高,當(dāng)水垢結(jié)在孔板上,將影響到孔板兩側(cè)的壓差,造成測(cè)量不準(zhǔn)確;另外,距地面.50em,不利于鋪設(shè)引壓管。所以,采用差壓孔板流量計(jì)測(cè)量硬水流量的效果不佳。因超聲波流量計(jì)和電磁流量計(jì).的價(jià)格昂貴,投資費(fèi)用高,不易采用。從條件3)考慮,采用了國(guó)內(nèi)近階段出現(xiàn)測(cè)量流量的一個(gè)新品種一-彎管式流量計(jì)。
4彎管式流量計(jì)
4.1測(cè)量原理和結(jié)構(gòu)
彎管式流量計(jì)與傳統(tǒng)的孔板流量計(jì)一樣同屬于差壓式流量計(jì)的范疇,只是它們產(chǎn)生差壓的方式不同,孔板是利用流體的縮放原理產(chǎn)生的差壓,而彎管傳感器是利用流體的慣性原理產(chǎn)生的差壓。當(dāng)流體通過(guò)彎管時(shí),受到彎管的約束,流體被迫作類(lèi)似的圓周運(yùn)動(dòng)。當(dāng)流體在作圓周運(yùn)動(dòng)時(shí),產(chǎn)生的離心力F作用在彎管的內(nèi)外兩側(cè),使彎管傳感器內(nèi)外兩側(cè)之間產(chǎn)生一個(gè)壓力差,此壓力差(也就是壓差值)的大小與流體的密度有關(guān),與流體的平均流速有關(guān),與流體作圓周運(yùn)動(dòng)的曲率半徑有關(guān)。它們之間遵循作圓周運(yùn)動(dòng)物體都必須遵循的牛頓運(yùn)動(dòng)定律網(wǎng):
其中:F為流體對(duì)彎管的離心力;?為流體在彎管中的平均流速;R為彎管中心曲率半徑
通過(guò)對(duì)上述公式進(jìn)行整合、積分處理之后,可得公式:
其中:?為介質(zhì)中彎管傳感器中的平均流速;R/d為彎管傳感器的彎徑比;ΔP為流體通過(guò)彎管傳感器的差壓值;ρ為介質(zhì)的密度。
這個(gè)公式描述了介質(zhì)在彎管傳感器中流動(dòng)時(shí),介質(zhì)對(duì)彎管施加的離心力與介質(zhì)的密度,介質(zhì)的平均流速以及彎管的彎徑比之間的關(guān)系。另外,只要介質(zhì)在彎管傳感器中流動(dòng)的最小雷諾數(shù)達(dá)到一個(gè)極低值以上，彎管流量計(jì)的流量系數(shù)ax就是一個(gè)定值。用引壓管把彎管內(nèi)外兩側(cè)的壓差△P引出,傳遞給差壓變送器,如圖3所示問(wèn),再通過(guò)公式(5),即可得到流經(jīng)彎管內(nèi)的流體速度?。
4.2分析運(yùn)行效果良好的原因
1)測(cè)壓室與被測(cè)介質(zhì)被引壓管內(nèi)的介質(zhì)隔離,使測(cè)壓室內(nèi)不易結(jié)垢;
2)引壓管內(nèi)的介質(zhì)水相對(duì)穩(wěn)定,并與管道內(nèi)的被測(cè)介質(zhì)進(jìn)行鈣離子交換的速度慢,并且交換量極小,所以在引壓管和測(cè)壓室內(nèi)結(jié)垢的速度極小，不會(huì)影響引壓和測(cè)壓效果;
3)引壓管在測(cè)壓室與取壓口之間有一段距離,易于散熱,降低了引壓管內(nèi)鈣離子的熱運(yùn)動(dòng)和結(jié)垢的速度。
5結(jié)束語(yǔ)
在采用彎管式流量計(jì)測(cè)量電脫鹽注水的過(guò)程中,表現(xiàn)出運(yùn)行穩(wěn)定,測(cè)量正確,反映靈敏的效果。的維修次數(shù)由過(guò)去每周的二三次,變?yōu)槊磕昃S修一次,主要是清理取壓彎管和測(cè)壓室內(nèi)的水垢，并且投用后偏移量小,運(yùn)行正常。
因此在選用流量計(jì)時(shí),要考慮的因素很多:精度、可靠性、費(fèi)用、流體特性及其它因素。要嚴(yán)格分析流量計(jì)的工作性能,被測(cè)流體的物理和化學(xué)特性,結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境因素、安裝條件和設(shè)備的性價(jià)比等情況,選擇合適的流量計(jì),避免因選型不當(dāng)產(chǎn)生不穩(wěn)定的安全生產(chǎn)因素和造成不必要的經(jīng)濟(jì)損失。
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