運用高溫型氫氣流量計解決不斷流問題

摘要:為了適應市場的需求,在普通渦街的基礎上,研製出一種不斷流感測頭可拆高溫型氫氣流量計╃↟。該流量計將漩渦檢測傳力杆與訊號檢測感測頭巧妙的隔開,且二者完全密閉隔離,使得訊號檢測感測頭的溫度遠遠低於介質的實際溫度╃↟。既解決了測量高溫介質的問題,又解決了普通渦街現場不斷流拆卸的問題╃↟。同時還節省了在重要場合安裝的備用旁路設施,降低了使用單位的前期成本╃↟。
引言
自20世紀60年代末開始研製氫氣流量計至今,人們已經相繼開發出了多種型別阻擋體及漩渦檢測方法的氫氣流量計,並在管道流量測量中得到了廣泛應用╃↟。隨著相關科學技術的不斷髮展,氫氣流量計的整體效能也在不斷地提高,並以其測量精度高·₪↟☁₪、量程範圍寬·₪↟☁₪、壓力損失小以及較高的價效比等特點,越來越被廣大使用者所認可╃↟。氫氣流量計也因此而躋身於通用流量計之列╃↟。
然而,隨著普通氫氣流量計使用量的增多,人們逐漸發現,雖然它具有很多優點,但在使用過程中還是存在著諸如可測介質溫度低(受訊號檢測感測頭材料限制,一般長期使用溫度低於350℃)·₪↟☁₪、更換感測器測頭麻煩·₪↟☁₪、可靠效能差等使用上的侷限性(╃↟。也正是因為如此,在重要的控制場合和測量高溫介質的流量系統中,普通渦街還是一直不能夠被選用╃↟。為了解決普通渦街在使用上的侷限性,技術人員憑藉多年的製造和使用經驗,在普通氫氣流量計的基礎上,研製開發出了一種不斷流感測頭可拆高溫型氫氣流量計(後文簡稱為不斷流渦街)╃↟。該氫氣流量計將漩渦檢測傳力杆與訊號檢測感測頭透過隔離裝置巧妙地隔離╃↟。由於不斷流渦街的傳力杆與訊號檢測感測頭是完全密閉隔離的,使得訊號檢測感測頭的使用溫度要遠遠低於被測介質的實際溫度╃↟。這樣既解決了普通渦街不能線上不斷流更換以及維護訊號檢測感測頭的問題,又解決了普通渦街測量介質溫度低的問題╃↟。
1不斷流渦街的結構原理
不斷流渦街同樣是以卡門渦街原理為依據測量流體流速的,但不斷流渦街表體已經在結構上有了質的改變╃↟。如圖1所示,它將普通渦街單一的訊號檢測感測頭改變為傳力杆與訊號檢測感測頭兩部分,並透過隔離裝置完全隔離╃↟。當表體中流過流體併產生漩渦時,由傳力杆檢測漩渦的變化,並以力的形式傳遞給訊號檢測感測頭,完成了力訊號到電訊號的轉換過程╃↟。雖然傳力杆與流體直接接觸,但其本身只是進行力傳輸的槓桿,因此,只對外形尺寸及鋼材選擇上具有要求╃↟。而訊號檢測感測頭是透過隔離裝置與流體完全密閉隔離的,再加上隔離裝置本身具有的散熱功能,使得訊號檢測感測頭的使用溫度要遠遠低於流體的實際溫度,從而有效地提高了普通訊號檢測感測頭的可測介質溫度╃↟。同時,不斷流渦街在進行維修更換訊號檢測感測頭時,並不影響工藝管道內流體的流動,真正實現了訊號檢測感測頭的不斷流拆裝維護╃↟。

1.1表體結構
各部件功能說明如下:
①阻流體╃↟。和普通氫氣流量計一樣,阻流體作為不斷流渦街的漩渦發生體,其外形尺寸與對應口徑的普通型渦街阻流體在材質及外形尺寸上完全相同╃↟。
②傳力杆╃↟。用於檢測流體流過阻流體後產生漩渦振動頻率的感測頭╃↟。
③訊號檢測感測頭╃↟。用於將振動頻率轉換成與之對應的電荷訊號的感測頭╃↟。
④隔離裝置╃↟。實現將表體內流體與外界及訊號檢測感測頭隔離的裝置,同時還具有為訊號檢測感測頭散熱的功能╃↟。
1.2測t原理
由於不斷流渦街的阻流體與相同口徑普通氫氣流量計的阻流體在結構和外形尺寸上是完全相同的(不同的只是漩渦頻率的檢測方法)╃↟。由卡門渦街原理可知,不斷流渦街漩渦頻率的計算方法與普通渦街完全相同╃↟。在不斷流渦街表體中設定阻流體(漩渦發生體),從阻流體兩側交替地產生有規則的漩渦,這種漩渦稱為卡門渦街,漩渦在阻擋體下游非對稱地排列╃↟。
根據卡門渦街原理,有如下關係式:

式中:m為漩渦發生體兩側弓形面積與管道橫截面面積之比;D為表體通徑,~;d為漩渦發生體迎面寬度,~;f為漩渦的發生頻率,Hz;U:為漩渦發生體兩側平均流速,耐s;sr為斯特勞哈爾數;U為被測介質來流的平均速度,耐s╃↟。管道內體積流量q╃↟。為:

式中:e為瞬時工況體積流量,m,h/╃↟。
在實際標定過程中,相同口徑的不斷流渦街與普通氫氣流量計在可測流量範圍·₪↟☁₪、基本誤差·₪↟☁₪、重複性等引數上基本一致,達到了設計和使用精度的要求╃↟。
2不斷流渦街實際檢定情況
分別用精度0.5級音速噴嘴氣體標定裝置·₪↟☁₪、精度0.2級稱重法水標定裝置對DN50口徑的不斷流渦街進行實際標定,其標定資料如表1·₪↟☁₪、表2所示╃↟。

由表1和表2的實際標定資料可知,在量程比大於1:10的情況下,用不斷流氫氣流量計測量氣體或液體介質時,基本誤差及重複性均能達到中華人民共和國機械行業標準JB/T9249一1999《渦街流量感測器》[’1中所規定的精度要求╃↟。
3 實際使用過程中與普通氫氣流量計的·₪↟☁₪、對比
3.1 可測流體溫度
普通氫氣流量計受表體結構及訊號感測頭材料(壓電晶體)的限制,一般允許最高工作溫度為350℃,而長期使用溫度應低於30℃,否則會大大縮簡訊號檢測感測頭的使用壽命岡╃↟。而不斷流渦街由於獨特的隔離型結構設計,使訊號檢測感測頭與高溫流體介質完全隔離,再加上隔離裝置本身具有散熱功能,使得訊號檢測感測頭的實際使用溫度要遠遠低於流體溫度╃↟。
透過在大港石油420℃高溫過熱蒸汽主管道上近兩年的實際使用情況表明,將普通耐溫30℃的壓電式感測頭用作不斷流渦街中的訊號檢測感測頭,不斷流渦街可在流體溫度高達420℃工藝管道上長期·₪↟☁₪、穩定·₪↟☁₪、準確·₪↟☁₪、可靠的執行╃↟。由此可見,這種感測頭不斷流拆裝的隔離結構設計將普通感測頭的長期使用溫度提高了約120℃╃↟。
3.2 不斷流拆裝
圖2a為普通氫氣流量計的現場安裝結構示意圖╃↟。在重要的流量系統中,為了在流量儀表發生故障時不影響工藝過程,安裝普通氫氣流量計時,一般需要同時安裝旁路系統╃↟。對流量計進行維護時,為了保證管道內介質的正常流動而不影響工藝過程,將3#閥門開啟後,關閉1禪閥門·₪↟☁₪、2#閥門,再將渦街表體拆下,方可進行感測頭的拆裝更換╃↟。這樣既增加了工藝管線的旁路設施及洩漏點,又增加了維護人員的工作量╃↟。
圖b為不斷流渦街的現場安裝結構示意圖╃↟。由於不斷流渦街具有不斷流拆裝訊號檢測感測頭的功能,所以並不需要在工藝管線中安裝繁瑣的旁路系統╃↟。當不斷流渦街出現故障或訊號檢測感測頭損壞時,不需要關閉閥門和拆卸表體,便可以直接對訊號檢測感測頭進行檢修及拆裝維護╃↟。這樣不僅實現了渦街訊號檢測感測頭的現場不斷流拆裝,而且還完全省卻了繁瑣的旁路設施╃↟。既簡化了工藝管線,又減少了維護人員的工作量

現場兩年多的實際執行情況證明,安裝在藍星石化氣分裝置·₪↟☁₪、餘碳四裝置控制系統工藝管道上的不斷流渦街執行穩定可靠,維護簡單方便,完全能夠滿足現場控制精度及工藝流程的要求╃↟。同時,由於省略了以往安裝流量儀表時所需的旁路設施,還為企業節省了大量的資金╃↟。
4 結束語
不斷流渦街不僅延續了普通渦街的全部優點,同時由於具有的不斷流拆裝訊號感測頭功能,所以去掉了以往流量儀表安裝時繁瑣的旁路設施,提高了可測介質溫度(可長期工作在420℃高溫介質的工藝管線上)╃↟。也正是融合了這些優點,不斷流渦街才徹底改變了普通渦街不能被應用於重要控制系統的尷尬局面,極大地拓寬了氫氣流量計的適用範圍╃↟。從不斷流渦街的實際標定情況及現場實際使用情況來看,它執行穩定可靠,完全能夠滿足工藝流程要求,因此可廣泛地應用於石油·₪↟☁₪、化工·₪↟☁₪、冶金·₪↟☁₪、蒸汽熱網計量以及其它重要控制系統的流量工藝管線中╃↟。

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