摘要(yào)渦街流量(liàng)計 因其儀(yi)表系數與(yu)流體特性(xing)無關、精度(dù)高、寬量程(cheng)比和低💋壓(yā)損等優點(dian)，在化工領(lǐng)域的應用(yòng)越來越廣(guang)。以熱解分(fèn)級煉制新(xīn)工藝對煤(méi)及液化殘(can)渣進行煉(liàn)制利用中(zhōng)的産品之(zhī)一熱解氣(qi)爲例，介紹(shao)渦街流量(liang)計的選型(xing)設❄️計。
　　我國(guo)低階煤資(zi)源儲藏豐(feng)富，占可采(cai)儲量40%以上(shàng)。然而🤩它的(de)高效利用(yong)一直是業(yè)内努力攻(gong)克的難題(tí)。低階煤含(hán)水量高，熱(rè)❤️值低，機械(xie)🏃強度低，化(huà)學穩定性(xing)差。爲此，北(bei)京低碳清(qing)潔能源🈲研(yán)究所📧承擔(dan)國家高技(jì)術研🏃‍♀️究發(fa)展計劃項(xiang)目課題“煤(méi)分級煉制(zhì)清潔燃料(liao)關鍵技術(shu)研究”，采用(yòng)熱解分級(jí)煉制新工(gōng)藝‼️對煤及(jí)液化殘渣(zha)進行煉制(zhì)利用，在溫(wēn)和的條件(jian)下對原料(liào)進行加工(gong)處理，分步(bu)驟地将其(qí)中有用的(de)成分充分(fèn)提取出來(lái)，得到的産(chǎn)品之一爲(wèi)熱解氣，去(qu)除焦油後(hou)的熱解氣(qi)組成見表(biǎo)1，本工程中(zhōng)采用🏃‍♂️渦街(jiē)流量計對(duì)其進行測(ce)量。

1渦街流(liú)量計概述(shu)
　　渦街流量(liang)計是20世紀(ji)70年代發展(zhan)起來的一(yī)種新型流(liú)量☂️儀表，80年(nian)代制定了(le)渦街流量(liang)計專業标(biao)準(ZBN12008－1989)和檢測(ce)規程(JJG620－1989)。渦街(jie)流量計目(mù)前已發展(zhǎn)成爲主流(liu)流量儀表(biǎo)之一，因其(qi)有諸多優(you)點，吸引了(le)國内外衆(zhōng)多研究者(zhě)和企業的(de)關注。研究(jiū)者從多方(fang)面對其進(jìn)行深入的(de)研究:①旋渦(wō)發生體的(de)研究［1，2］;②壓電(diàn)傳感器探(tan)頭位置的(de)💔研究［3］;③數字(zi)信号❓處理(lǐ)方法的研(yan)究［4］;④渦街信(xìn)号檢測方(fang)法的研究(jiū)［5］;⑤數值仿🌈真(zhen)方法的研(yán)究［6］
　　在衆多(duō)流量計中(zhong)，渦街流量(liang)計的安裝(zhuāng)、運行、維護(hu)費低于節(jie)流♊式、容積(ji)式等，購置(zhì)費低于容(rong)積式、質量(liang)式等，是一(yi)種實用性(xing)和經濟性(xing)都較好的(de)流量計，受(shòu)到用戶廣(guǎng)泛歡迎。該(gai)流量計優(yōu)點如下:
(1)在(zài)一定雷諾(nuò)數Ｒe範圍内(nei)(2×104～2×106)，輸出頻率(lǜ)信号不受(shou)流體物👉性(xìng)(密度、粘度(dù))和組分變(bian)化影響，即(ji)儀表系數(shu)僅與旋渦(wo)發生體🐪的(de)形狀尺寸(cun)及☂️管道的(de)形狀尺寸(cun)有關，可以(yǐ)在一種典(dian)型介質中(zhōng)校驗而适(shi)用于✉️各種(zhong)介質。
(2)精度(du)較高(與差(chà)壓式、浮子(zi)式流量計(ji)比較)。
(3)量程(cheng)比可達10∶1或(huò)20∶1，目前已有(you)廠家在研(yán)制适用于(yu)氣體測量(liàng)能達到🧡80∶1的(de)渦街流量(liàng)計。
(4)壓損小(xiao)(約爲孔闆(pan)流量計的(de)25%～50%)，大幅度降(jiàng)低能耗。
(5)結(jie)構簡單牢(láo)固，安裝維(wei)護方便。
(6)使(shi)用範圍廣(guǎng)，可測量液(yè)體、氣體、蒸(zheng)汽和部分(fèn)混相流☂️體(tǐ)。
2渦街流量(liàng)計的參數(shu)計算
2.1工作(zuo)狀态和标(biāo)準狀态下(xia)的體積流(liu)量換算
　　渦(wo)街流量計(jì)的輸出信(xin)号是與工(gōng)作狀态的(de)體積流量(liang)成正比例(li)，氣體的體(ti)積流量受(shòu)溫度、壓力(lì)影響較大(da)，在流量🚩計(ji)選型時，若(ruo)提供的流(liu)量是标準(zhǔn)狀态下的(de)體積流量(liàng)或質量流(liu)量，應把它(ta)換算成工(gōng)作狀态下(xia)的體積流(liu)量。
qV=qn(PnTZ/PTnZn)?????? (1)
式中，qV、qn分(fèn)别爲工作(zuò)狀态和标(biāo)準狀态下(xia)的體積流(liu)量，m3/h;P、Pn分👈别爲(wèi)🚶‍♀️工作狀态(tài)和标準狀(zhuang)态下14的絕(jue)對壓力，Pa;T、Tn分(fen)别爲工作(zuo)狀态和标(biāo)準狀态🏃‍♂️下(xià)的熱力學(xue)溫度，K。
2.2雷諾(nuò)數、壓力損(sun)失和背壓(ya)的計算
　　在(zài)渦街流量(liang)計選擇流(liú)量計通徑(jing)時，主要是(shi)對流量下(xià)限值進行(hang)核算雷諾(nuo)數，最小雷(lei)諾數不應(yīng)低于下限(xiàn)雷🈲諾數，即(jí)雷諾數Ｒe≥2×104。在(zai)測量介質(zhì)爲液态時(shi)，還應檢查(chá)最小工作(zuò)壓力是否(fou)高于工🐅作(zuò)溫度😘下的(de)飽和蒸汽(qi)壓，即是🆚否(fǒu)産生氣穴(xue)現象。
(1)雷諾(nuo)數Ｒe是一個(ge)表針流體(tǐ)慣性力與(yǔ)粘性力之(zhī)比的無量(liàng)綱👨‍❤️‍👨量:

式中(zhong)，Q爲體積流(liú)量，m3/h;D爲流量(liàng)計内徑，mm;v爲(wèi)運動粘度(du)，m2/s。
(2)壓力損失(shi):選擇流量(liàng)計時，通常(cháng)可能會對(duì)流量計的(de)通徑進行(háng)适當縮小(xiǎo)，以取得較(jiao)大的流速(su)和合适的(de)流量量程(chéng)⭐。但是如果(guo)縮徑㊙️過于(yú)嚴重，可能(neng)會導緻較(jiao)大的壓力(lì)損失，能耗(hao)會增加，因(yin)此在選擇(zé)流量計的(de)☔通徑時，也(ye)需要适當(dāng)🐪考慮壓力(li)損失，盡可(kě)能減小壓(ya)力損失。壓(yā)力損失△P計(jì)算:
△P=1.1×10－5ρ·V2　　　　　　　(3)
式中，△P爲(wèi)壓力損失(shi)，kg/m2;ρ爲流體密(mi)度，kg/m3;V爲流速(su)，m/s。
(3)背壓:測量(liang)液體的流(liu)量時，要确(què)認工藝管(guǎn)道的壓力(li)對于較小(xiao)的公稱通(tong)徑而言有(yǒu)足夠大的(de)背壓，避免(mian)氣穴産生(shēng)🤟。流量計下(xia)㊙️遊的管道(dao)壓力應滿(mǎn)足:
P≥2.7△P+1.3P0(4)
式中，P爲(wei)流量計下(xià)遊3.5～7.5D的最小(xiao)管道壓力(lì)，kg/cm2(A);P0爲液體的(de)飽和蒸💋汽(qì)壓，kg/cm2。
（4）根據工(gōng)藝要求及(jí)現場安裝(zhuang)環境選擇(ze)耐壓、耐溫(wen)等級、防護(hu)等級🔞、防爆(bào)等級、輸出(chu)信号等。
3測(cè)量熱解氣(qi)的渦街流(liu)量計的選(xuan)型設計
　　熱(rè)解氣的組(zǔ)分如表1所(suǒ)述，其工藝(yi)參數:操作(zuò)密度0.63kg/m3，運動(dòng)粘度2×10－5m2/s，操🌈作(zuò)💋溫度48.9℃，操作(zuo)壓力7.5kPa，管道(dao)DN80，最小流量(liàng)50Nm3/h，正常流量(liàng)100Nm3/h，最大流量(liang)150Nm3/h，儀表測量(liàng)範圍選擇(zé)0～180Nm3/h。
　　因爲本裝(zhuang)置爲試驗(yan)裝置，在裝(zhuāng)置運行的(de)過程中，業(ye)主可能🧑🏾‍🤝‍🧑🏼會(hui)♉根據需要(yào)适當調整(zhěng)參數，因此(ci)選關鍵設(shè)備的工程(chéng)可行性、優(you)❗化工藝參(cān)數的關鍵(jian)參數之一(yi)，因此使用(yong)精度高一(yi)些的流量(liang)🥵計也是🚶有(you)必要的;熱(rè)解氣的組(zǔ)⭐分随着參(cān)數的調整(zheng)也可能會(huì)發生變化(hua)♍，因此基于(yu)伯努利方(fāng)程原理的(de)，如孔闆、噴(pen)嘴、阿牛巴(bā)、德爾塔巴(ba)、平衡式等(děng)都不能很(hěn)🈲好的測量(liang)，因爲這類(lèi)流量計受(shou)流體物性(xing)(密度、粘度(dù))和組分變(bian)化影響，且(qiě)最終的熱(rè)解氣産品(pǐn)💃或多或少(shǎo)都有焦油(you)的存在，時(shi)間長了可(ke)能堵塞流(liú)量計。楔式(shì)流量計帶(dài)自清潔的(de)🏃🏻功能，如果(guǒ)采用法🌏蘭(lán)取壓，變送(song)器采用隔(ge)膜密封式(shi)變送器，其(qi)受🏃‍♂️焦油的(de)影響較🐆小(xiao)，楔式流量(liàng)計的計算(suàn)結果分别(bie)見圖1和圖(tú)2。


　　當H/D比爲0.2時(shí)，其壓力損(sun)失達到4kPa，已(yi)經大于操(cāo)作壓力的(de)一半，此種(zhǒng)方❄️案不可(ke)取，當H/D比爲(wei)0.3時，其壓力(li)損失爲1.09kPa，可(ke)♻️以接♋受，但(dan)最小流量(liàng)時的差壓(yā)隻有0.11kPa，甚至(zhi)正常流量(liang)時的差壓(ya)也隻有0.45kPa，由(you)于采用的(de)是隔膜密(mi)封式變送(sòng)器，此時的(de)精度無法(fǎ)保證;另一(yi)類是基于(yu)線性連續(xu)方程原理(li)的⁉️，如渦街(jie)流量計、質(zhi)量流量計(jì)等，考慮到(dào)❗本裝置爲(wei)一🔴個實驗(yan)裝置，質量(liàng)流量計價(jia)格昂✏️貴，因(yin)此綜合考(kǎo)慮介質和(hé)裝置的特(tè)殊性、壓損(sǔn)、精度和費(fèi)用等因素(sù)，選用渦街(jiē)流量計測(ce)量熱解氣(qi)的流量。
由(yóu)式(1)可得最(zui)小流量對(duì)應的工作(zuo)狀态下的(de)體積流量(liang):

由上述計(ji)算結果可(ke)知，當流量(liang)計縮徑至(zhi)DN40時，雷諾數(shu)即可滿足(zú)❤️要求。
按式(shì)(3)可以核算(suàn)下DN50和DN40口徑(jing)下的最大(dà)壓損:
DN50時:
△P=1.1×10－5×0.63×262=4.7×10－3kg/m2=0.46kPaDN40時(shi):
△P=1.1×10－5×0.63×402=11.1×10－3kg/m2=1.09kPa
利用橫河(he)公司計算(suan)軟件計算(suan)出來的結(jie)果見圖3。

　　從圖(tú)3可見，出流(liu)量計口徑(jìng)爲DN80時，最小(xiao)流量無法(fa)測量;流量(liang)計口徑縮(suo)徑至DN50時，最(zuì)小流量可(kě)測(此時流(liu)體的雷諾(nuo)數非♊常接(jie)近2×104)，但此時(shí)的測量精(jing)度稍微差(chà)些;流量計(jì)口🈲徑縮徑(jing)至DN40時，最小(xiao)流量可測(cè)，且精度也(yě)能得到保(bǎo)證。用上述(shù)公式計算(suàn)的壓損與(yǔ)軟件計算(suan)出來的也(ye)基本一緻(zhì)，差别來自(zì)🔴計算時流(liú)速及流量(liang)計口✨徑均(jun1)采用的是(shì)估算值。如(rú)果流量計(ji)縮徑至DN25時(shí)，流量計的(de)壓損已經(jīng)達到7.6kPa，壓損(sǔn)較大，無法(fa)💋滿足工藝(yì)要求。因🔅此(cǐ)選擇DN40口徑(jìng)的流量計(jì)能滿足要(yào)求。對于DN50口(kǒu)徑的方案(an)，如果流量(liang)大于54Nm3/h時，流(liú)量計的精(jing)度爲此款(kuǎn)流量計的(de)精度，爲1.0%，當(dāng)流量爲50Nm3/h時(shí)，此時流量(liàng)可測🈲，隻是(shì)精度稍差(cha)些，約爲🔞1.81%，但(dàn)流量計的(de)壓損會小(xiao)很多，從節(jiē)能降🆚耗方(fāng)面考慮，選(xuǎn)擇DN50口徑的(de)流量計也(yě)是可以的(de)。綜上，選擇(zé)DN40和DN50口徑的(de)渦街流量(liang)計都能滿(mǎn)足要求。
　　操(cāo)作溫度爲(wèi)48.9℃，沒有特殊(shu)性，選擇普(pǔ)通的渦街(jie)流量計即(jí)🤩可💯;根據現(xiàn)場情況，流(liu)量計爲露(lu)天安裝，防(fáng)護等級選(xuan)擇IP65即可;根(gēn)據《爆炸危(wēi)險環境電(dian)力裝置設(shè)計規範》GB50058－2014，本(běn)裝置中各(ge)介質所在(zai)組别屬⭐于(yú)危險物料(liào)，見表2。因此(ci)儀表的防(fáng)爆标志選(xuǎn)擇ExiaⅡCT4Gb即能滿(man)足要求。根(gen)據項目統(tǒng)一要求輸(shū)出信号選(xuǎn)擇爲4～20mA+HAＲT。

　　至此(cǐ)，渦街流量(liàng)計的選型(xíng)已完成，但(dàn)考慮到熱(rè)解氣中✂️焦(jiao)油💃的存在(zai)，選擇渦街(jie)流量計時(shí)，需要注意(yì):①不能選用(yòng)因爲☂️技術(shù)需要而在(zài)渦街流量(liang)計中設計(ji)了小孔結(jie)構的流量(liang)計，因爲焦(jiao)油有可能(neng)堵塞這些(xie)孔，從而失(shi)去其🧡原有(yǒu)的作用;②焦(jiāo)油有可能(neng)附着在旋(xuan)渦發🥰生體(ti)上，從而改(gǎi)變其結構(gòu)🤞，影響測量(liang)精度，因此(cǐ)需要采用(yong)帶防粘附(fu)‼️作用的發(fā)生體，另外(wài)考慮到熱(rè)解氣🌈中焦(jiāo)油的含量(liang)較⛹🏻‍♀️小，且由(you)于旋渦的(de)存在，其有(you)剝離附着(zhe)在發生體(ti)上的焦油(yóu)的作用，因(yīn)此認爲其(qí)對測量精(jīng)度的🐪影響(xiǎng)比較小。
4結(jié)語
　　目前項(xiàng)目已經開(kāi)車成功，渦(wo)街流量計(ji)現場使用(yong)效果特别(bie)好，在整個(ge)實驗的過(guo)程中，都能(neng)很準确地(dì)測出熱💔解(jie)氣的流量(liàng)，深受業主(zhu)好評。現場(chǎng)的使用結(jie)果表明，在(zài)發生體帶(dai)防粘附作(zuò)用的情況(kuang)下，低含量(liang)的焦油對(dui)流量計的(de)測量精度(dù)影響不大(da)。目♌前化工(gong)廠常用的(de)流量計節(jiē)流裝置(孔(kǒng)闆等)，其受(shòu)流體物性(xing)影響大，量(liang)程比一般(ban)隻有3:1，且容(róng)易💜出現堵(du)塞，直管🌈段(duan)要求甚至(zhi)高達50倍管(guǎn)🈲徑，另外導(dǎo)壓系統還(hai)容易出現(xiàn)洩✉️漏。渦街(jie)流量計因(yīn)其儀表系(xi)數與流體(ti)❄️特性無關(guan)(氣🈲液通用(yong))、精度高、寬(kuān)量程比和(hé)低壓損等(děng)優點，是節(jie)流裝置的(de)理想替代(dai)品，但隻有(yǒu)正确設計(jì)、正确選型(xing)以及正确(que)安裝🧡的條(tiao)件下才能(neng)發揮其應(ying)有的作用(yong)。

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