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孔板流量计测量原理及改进措施

供稿:中国工控网 2016/9/26 10:25:16

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  前言

  孔板是过程流量检测仪表的一种节流装置,由于其具有悠久的应用历史,在使用中建立了完善的设计、计算、规格、选型数据库表并形成了标准规范。工程设计中孔板作为一种标准的节流元件得到广泛的应用,是工程人员进行流量检测设计的首选方案。

  孔板流量计测量原理

  孔板用于过程流量检测,是基于流体力学中的理想流体传输特性而制造出来的节流元件。

  理想流体伯努利方程:Z1+P1/ρ1g+V12/2g= Z2+P2/ρ2g+V22/2g+hf

  Z1 、Z2 是节流元件前后取压点距离基准平台的垂直高度所产生的压力水头;

  P1 、P2 是节流元件前后管线内介质的静压力;

  V1、V2 是节流元件前后介质的平均流动速度;

  ρ1、ρ2是节流前后介质的密度,理想流体可看做节流前后密度不变为 ρ;

  hf   为节流元件造成的流体水头损失,在标准节流元件标准化安装过程中可忽略不计。

  根据以上公式及符号定义整理可得:

  (V22 —V12)/2g=( P1 —P2)/ρg + (Z1 — Z2 )

  根据流体的流量守恒定律知节流元件前后的流体流量相等:

  Q1=Q2 ;Q1= V1S1,Q2 = V2S2,

  由此可以得出节流元件的平均流速为:V2= V1 S1/ S2

  式中S1、S2分别为管线及节流元件的流通横截面积,由管线的通径和节流孔板开孔大小可以计算得出。

  由此可以得出节流元件之前流体的平均流速:

  V12= [( P1 —P2)/ρg + (Z1 — Z2 )]2g S22/(S12- S22 ) ;

  实际使用中,节流元件前后取压点到基准平台的垂直距离保持一致,因此

  (Z1 — Z2 ) =0  由此上述公式可以化简为:

  V1 =√(P1 —P2 )√(2S22/(S12- S22 )ρ

  =K√(P1 —P2 );

  式中K=√(2S22/(S12- S22 )ρ在标准孔板安装后的使用中保持基本恒定可看做一常数为流量系数,在工程设计计算中计算得出。

  由上公式可知流体的流速与节流元件前后的压差的开平方成正比,只要我们检测出节流元件前后的压差值,就可以得到介质的平均流速,由此可以计算出流体的体积流量,这就是节流孔板能够测量流体流量的原理。

  孔板流量计使用中的误差影响

  由以上孔板流量计的测量原理可以看出,是在假设一些条件恒定保持不变的情况下,才能实现孔板前后压差的开平方与流体的流速成正比。因此在实际工程使用中,这种限制条件能否保持恒定是保证孔板流量计测量是否准确的首要因素。为此我们在设计、安装以及使用维护中都需进行相应的工作。

  K的影响

  为保证流量系数K保持恒定,工程设计中对于介质的密度要求准确,因此在孔板选型过程中要提供流体正常使用中的温度、压力、密度、组分等参数。如果现实使用中这些参数偏离选型参数过大,则需要对流量系数重新进行数值修正。大多数装置的生产都会按照工程设计时的参数来进行,且在线流过程检测对于参数的精度要求不是很苛刻,因此这种对孔板流量系数的修订实际生产中并不多见。如果孔板流量计用于物料的计量检测中,则需进行流体流量系数的补偿措施,最常见的就是使用温压补偿措施来进行流量系数数值修订。

  hf 的影响

  孔板节流件的水头损失大小,决定于安装过程中孔板以及附属部件的规范性,比如孔板及各种部件的安装与管线是否同心,垫片边缘是否有毛刺凸出,管线内部是否有焊渣焊口的毛刺,流体是否为均匀流。为保证水头损失不对测量产生显著影响,孔板流量计检测部分一般都采用预先安装的手段来避免,孔板、垫片与法兰的连接生产厂家已经组装完成,孔板前后的直管段在施工过程中采用预先焊接管线的方法来保证。通过以上手段可以把hf 对孔板流量检测的影响降到最低限度。

  (Z1 — Z2 )的影响

  孔板流量计的计算公式中,我们把(Z1 — Z2 )位置水头对测量的影响看做为零,但在实际使用中却很难保证为零。究其原因是因为,孔板前后取压口到压力变送器之间的引压管即正负引压管内介质产生的静压不一致,而造成了一个附加的静压差。这个静压差不是一个恒定的能够进行补偿的压差值,随着使用时间的不同,压差值会出现变化,因此给孔板流量计的检测带来了一个不确定的误差附加值。

  减少这个附件误差,在工程实施中尽可能的让两引压管的物理状态保持一致。如两引压管焊口、走向、弯曲弧度、伴热线距离两引压管之间的距离尽可能的相同;隔离装置、取压阀的安装高度,型号材质保持一致;采用同一保温措施来保证两引压管内介质温度尽可能的保持一致。以上这些手段可有效地减少,传压介质在引压管内产生的静压不同而引入的附加误差。

  位置水头产生的附加误差还有一个很重要的原因是两引压管内传压介质的性质发生变化或变化不一致,而造成两引压管内介质的密度不同或密度分布梯度不同,由此产生的高度静压不相同,引起了一个变化的静压差附加误差。

  引压管内介质长期处于静止过程中没有物料的动态交换,受周围温度周期变化的影响会产生变质现象,介质对于引压管的腐蚀会造成金属材质脱落或溶入介质中,管线流体通过孔板取压装置进入引压管长时间的静止会析出水分、杂质进入引压管介质中,由此造成引压管内介质密度发生变化,如果这个动态的密度变化两引压管不一致,就会产生一个附加的静压差作用于流量测量中,对于流量检测产生影响。

  引压管内介质特性发生变化造成密度变化,引发的正负引压管静压附加误差,无法进行静态补偿,只能用人工排污和重新加注引压介质的方法来定期消除。

  各参数对测量的影响

  由上可知,对于孔板测量流体流量的误差影响主要分为三个方面,在工程设计孔板选型中我们可以尽可能的减少流体密度改变对于测量误差的影响,必要时可以使用温压补偿措施进行修正。在施工安装过程中我们可以采用预制管线,提前组装的方式来减少孔板对于流体的压损水头损失。以上两个参数的影响我们都可以采用提前预防及相应的手段来减少误差。可是对于位置水头(Z1 — Z2 )的影响我们却无法彻底的解决,需要维护人员定期的进行维护来减少附加误差对于测量的影响,随机性非常大,而且误差的消除也不及时。

  怎样消除正负引压管产生的静态附加误差,成为提高孔板流量计使用精度的最主要手段。

  普通孔板流量计结构及缺陷

  结构

  标准孔板流量系统由标准节流孔板、取压装置、引压装置、测量变送仪表及取压、排污泄压阀门组成。若被测介质具有高温、腐蚀、有毒、粘稠易结晶等特点还要在取压装置与引压装置之间安装隔离设备。

  孔板流量计中的孔板是一个标准的耐腐蚀纯金属喇叭口节流元件,结构简单没有仪表电路等复杂设施,因此安装中不用设置副线切出装置。正常使用中取压阀不用操作,同时为保证孔板前后的管线直管段要求,孔板流量计普遍安装于悬空的管廊中,为保证维修维护方便,孔板取压口空间受限的状况下在变送器附近引压管上安装二次取压切断阀,日常维修维护变送器只需操作二次取压阀即可。

  缺陷

  为保证孔板流量计的维护维修方便性,差压变送器普遍安装于操作空间舒适的平台上。由此使孔板与变送器之间的引压管垂直高度大,引压管走向复杂传输距离长,引压管内介质的密度最易发生变化,引入附加位置高度压差值,使测量误差变大,维护工作量大。

  若被测流体含水或易凝固结晶流体,引压管的铺设中需要增加伴热线和保温措施,以防气温较低的冬季引压管内介质凝固冻住造成仪表失灵。危险防爆化工生产中伴热方式普遍采用防爆性能好的蒸汽伴热。这种蒸汽伴热效率低能耗大,使装置冬季所用蒸汽量大增,生产成本提高。

  由此可见,普通型的孔板流量计由于引压管的距离较长造成测量误差大,能源消耗大,维护维修工作量大等缺陷,需要对其进行改进。

  一体化孔板流量计

  一体化孔板流量计通过缩短引压管长度,把变送器、引压管、取压阀、排污阀及各隔离冷凝罐集中在孔板附近,然后用带有保温隔热措施的金属箱体密封起来。取消蒸汽伴热线,通过流体管线本身的辐射热来保证仪表的冬季防冻。在减少蒸汽能源使用的同时也降低了引压管介质特性的变化而产生的附加测量误差。

  厂里新项目建设过程中,大量采用这种即节能又提高使用精度的一体化孔板流量计,使用效果明显,维护工作量大幅减少。

  一体化孔板流量使用中的问题

  新区项目建设所用的一体化孔板流量计在使用中碰到一些问题,需要进行改进。

  一、操作环境不友好

  一体化孔板流量计由于大幅度缩短了引压管的长度,把原本安装在舒适操作平台的变送器移动到孔板安装处的管线附近。因此需要把一体化孔板流量计安装在较舒适的安全的操作环境中。

  项目设计中,设计人员没有意识到一体化孔板流量计维护维修环境的改变,仍然采用普通型孔板流量计的设计安装方法,大部分的一体化孔板流量计安装在悬空的高空管廊中,给维护维修人员带来很大不便和不安全性,一体化孔板流量计的投切工作变得比较危险。

  下图为装置内一悬空与高处的一体化孔板流量计

  选用一体化孔板流量时,选型人员要与设计院设计人员建立良好沟通,尽可能的把一体化孔板流量计安装于易操作的平台附近,如果没有合适的平台要最好在设计时增加安全操作平台。

  二、充分评估管线辐射热对一体化孔板流量计的影响

  一体化孔板流量计的设计意图是通过工艺管线的辐射废热来给仪表进行伴热,减少蒸汽伴热的能源消耗,但应考虑面对高温的工艺管线,一体化孔板流量计的耐温性能,切莫超出变送器的最高承受温度,防止仪表高温损坏,甚至引发火灾。

  对于高温的工艺管线,根据一体化孔板流量计的耐温性能,要对保温箱体内的工艺管线进行适当的保温防护,减少辐射热,防止仪表损坏。

  下图为一过热蒸汽流量检测中,被熏烤坏的仪表线缆

  三、加强各连接件的密封措施

  一体化孔板流量计由于通过缩短引压管长度来实现管线余热利用,其牺牲了孔板流量计各部件之间的空间,给孔板流量计的投切工作带来不便,因为在使用之前一定要检查各连接部件和密封部件的密封程度,防止各种连接件的泄露,以免造成事故。

  四、强化保温箱的可靠安装

  一体化孔板流量计的保温箱体要固定良好,由于一体化孔板流量计安装于悬空的高出,若保温箱体固定不结实,有出现高空坠落的可能性,给地面人员带来很大的安全隐患,因此仪表维护维修人员一定要确保一体化孔板流量计保温箱体固定良好。


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