橡膠中試裝置流量計(jì)的選型
【內(nèi)容摘要】目前市 中流量 種 繁多性價(jià)各異，每種型式的流量 都有它特有的 缺點(diǎn)。不同的 量方式和 構(gòu)，要求不同的 量 境和使用條件。沒有一種流量 各種流體及流 情況都能適 ，因此在 各種 量方式和 表特性作全面比 的基 上，再 合考 性能要求、流體特性、安裝要求、 境條件和 用等因素，才能 一臺(tái)適于橡膠生 要求的流量 。
一、工藝條件介紹：
石油化工過程中的流量測(cè)量對(duì)象多為封閉管道內(nèi)流體，文章所指的流量計(jì)也僅限于封閉管道流量計(jì)。本文以蘭州化工研究中心多功能負(fù)離子溶液橡膠中試裝置中的一臺(tái)流量計(jì)的選型過程來說明中試裝置中膠液計(jì)量的特點(diǎn)和選型要點(diǎn)。流量計(jì)的工藝條件如表 1 所示。
| 表 1 | ||
| 位號(hào) | FT—101 | |
| 用途 | 進(jìn)入裝置膠液流量的指示累計(jì) | |
| 介質(zhì)成分 | 膠液( 丁苯樹脂 + 環(huán)己烷) | |
| 操作密度 | 800 kg /m3 | |
| 操作壓力 | 0． 80 MPa | |
| 操作溫度 | 常溫 | |
| 操作黏度 | 1． 6 CP | |
| ***大流量 | 0． 36 | t /h |
| 正常流量 | 0． 30 | t /h |
| ***小流量 | 0． 24 | t /h |
| 管道規(guī)格 | Φ32 × 3 304SS PN2． 5 | |
該膠液的特點(diǎn)是正常操作溫度下黏度不大，但溫度降低時(shí)膠液黏度急劇增大，容易在管路死區(qū)形成凝結(jié)現(xiàn)象。
二、主要流量計(jì)簡(jiǎn)介：
( 一) 容 式流量 。容積式流量計(jì)直接計(jì)量流體的體積，又被稱為定排量流量計(jì)，是全部流量計(jì)中計(jì)量***準(zhǔn)確的一類流量計(jì)，常被用來計(jì)量昂貴介質(zhì)的總量或流量。比如橢圓齒輪式、腰輪式、刮板式和活塞式等，其突出特點(diǎn)就是流量計(jì)內(nèi)部活動(dòng)部件不停做周期運(yùn)動(dòng)，在一個(gè)周期內(nèi)排出定量流體。安裝直管段對(duì)計(jì)量精度沒有影響，可以測(cè)量高粘度流體。由于內(nèi)部活動(dòng)部件周期性運(yùn)動(dòng)，并長(zhǎng)期控制著流路，所以壓損較大，一旦運(yùn)動(dòng)部件被臟污物卡死將會(huì)影響流體通過形成安全隱患，長(zhǎng)期使用容易磨損部件，降低精度，所以適合潔凈潤滑介質(zhì)和間歇性過程。結(jié)構(gòu)復(fù)雜、購買和維護(hù)費(fèi)用高也是容積式流量計(jì)的另一大缺點(diǎn)。
( 二) 流式流量 。節(jié)流式流量計(jì)是一種典型的差壓式流量計(jì)，由三部分組成: 節(jié)流裝置，差壓變送器和流量顯示儀表。充滿管道的流體流經(jīng)管道內(nèi)的節(jié)流件時(shí)，流束在節(jié)流件處局部收縮，此時(shí)流速增大靜壓降低，在節(jié)流件前后產(chǎn)生差壓，流量越大差壓越大，因而可依據(jù)差壓來衡量流量的大小。節(jié)流式流量計(jì)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，安裝方便，工作可靠，成本低，又具有一定準(zhǔn)確度，也存在測(cè)量范圍窄( 3: 1 ～ 4: 1) 、壓損大，直管段要求較高，引壓管線易產(chǎn)生泄漏、堵塞、凍結(jié)及信號(hào)失真等缺點(diǎn)。
( 三) 子流量 。轉(zhuǎn)子流量計(jì)的檢測(cè)件是一根由下向上擴(kuò)大的垂直錐管和一只在錐管內(nèi)上下移動(dòng)的浮子。流體自下而上流過浮子和錐管之間的環(huán)隙時(shí)，在浮子的上下面產(chǎn)生差壓，這個(gè)差壓為浮子提供了上升的浮力。流量越大浮力越大，上升距離也越長(zhǎng)。轉(zhuǎn)子流量計(jì)應(yīng)用于中小管徑和低流速。適用于一般標(biāo)準(zhǔn)節(jié)流裝置不能應(yīng)用的口徑，常用儀表口徑 50mm 以下，***小口徑做到 1． 5 ～ 4mm。流量示值基本是線性的，有較寬的范圍度，一般為 10: 1。度為 1． 5% ～ 4% FS，受被測(cè)介質(zhì)密度和黏度影響較大。適于測(cè)量低流速小流量，以液體為例，口徑 10mm 以下玻璃管轉(zhuǎn)子流量計(jì)滿度流量的流速只在 0． 2 ～ 0． 6m /s 之間，甚至低于 0． 1m /s; 金屬管轉(zhuǎn)子流量計(jì)和口徑大于 15mm 的玻璃管轉(zhuǎn)子流量計(jì)稍高些，流速在 0． 5 ～ 1． 5m /s 之間。
( 四) 流量 。渦輪流量計(jì)在管道中心安放一個(gè)渦輪，兩端由軸承支撐． 當(dāng)流體通過管道時(shí)，沖擊渦輪葉片產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)． 在一定的流量范圍內(nèi)，對(duì)一定粘度的流體介質(zhì)，渦輪的旋轉(zhuǎn)角速度與流體流速成正比，由此可以計(jì)算得到通過管道的流體流量． 渦輪流量計(jì)與容積式流量計(jì)、質(zhì)量流量計(jì)為三大類重復(fù)性、準(zhǔn)確性***佳的流量計(jì)。與容積式流量計(jì)相比而言，即便葉輪發(fā)生故障卡住，也不會(huì)造成管道斷流。但渦輪流量計(jì)由于軸承磨損不適于長(zhǎng)期連續(xù)運(yùn)行。要保持精度需要定期校驗(yàn)。流體密度、黏度、清潔度和流束對(duì)儀表的影響較大。要想充分發(fā)揮渦輪流量計(jì)的特點(diǎn)，在流量計(jì)的安裝使用上還必須加以充分注意． 對(duì)于工業(yè)測(cè)量，一般要求上游20D，下游 5D 的直管長(zhǎng)度。
( 五) 磁流量 。電磁流量計(jì)采用一種非接觸式的測(cè)量方式( 除電極稍許接觸) ，當(dāng)導(dǎo)電流體在電磁流量計(jì)激勵(lì)的磁場(chǎng)中流動(dòng)時(shí)，導(dǎo)電流體切割磁力線在管道截面上垂直于磁場(chǎng)的電極產(chǎn)生正比于流速的電動(dòng)勢(shì)。電磁流量計(jì)沒有節(jié)流件阻礙流體流動(dòng)，無堵塞無壓損，非常適合帶有漂浮物、固體顆粒、纖維等潔凈度差的流量測(cè)量。流量范圍度大( 20: 1 ～ 40: 1) ，精度在 0． 5 ～ 2． 5。要求流體必須導(dǎo)電，流速可在 0． 5 ～ 10m /s。上游直管段 5D，下游只需滿管。
( 六) 街流量 。在流體中設(shè)置旋渦發(fā)生體( 阻流體) ，流體經(jīng)過時(shí)從旋渦發(fā)生體兩側(cè)交替地產(chǎn)生有規(guī)則的旋渦，這種旋渦稱為卡曼渦街示。旋渦列在旋渦發(fā)生體下游非對(duì)稱地排列。根據(jù)卡曼渦街原理，旋渦的發(fā)生頻率與平均速度成比例關(guān)系。檢測(cè)出這個(gè)漩渦發(fā)生頻率就可以計(jì)算出流量。渦街流量計(jì)壓損小約為標(biāo)準(zhǔn)孔板的 1 /2 ～ 1 /4，度較高一般可達(dá) 1% Ｒ，范圍度可達(dá) 10: 1 ～ 20: 1?？捎糜谝后w、氣體、蒸汽和部分混相流體，不適于高粘度、低流速、小口徑測(cè)量，口徑一般 20 ～ 300mm。對(duì)于流場(chǎng)畸變和旋轉(zhuǎn)流較敏感，需要足夠直管段或整流器。
( 七) 量流量 。質(zhì)量流量計(jì)以科里奧利力為基礎(chǔ)，在傳感器內(nèi)部有測(cè)量用的振動(dòng)管，中部裝有驅(qū)動(dòng)線圈，兩端裝有拾振線圈，變送器提供的激勵(lì)電壓加到驅(qū)動(dòng)線圈上時(shí)，振動(dòng)管作往復(fù)周期振動(dòng)，工業(yè)過程的流體介質(zhì)流經(jīng)傳感器的振動(dòng)管，就會(huì)在振管上產(chǎn)生科氏力效應(yīng)，使振管扭轉(zhuǎn)振動(dòng)，安裝在振管兩端的拾振線圈將產(chǎn)生相位不同的兩組信號(hào)，這兩個(gè)信號(hào)差與流經(jīng)傳感器的流體質(zhì)量流量成比例關(guān)系，計(jì)算機(jī)解算出流經(jīng)振管的質(zhì)量流量。不同的介質(zhì)流經(jīng)傳感器時(shí)，振管的主振頻率不同，據(jù)此解算出介質(zhì)密度。安裝在傳感器振管上的鉑電阻可間接測(cè)量介質(zhì)的溫度。
質(zhì)量流量計(jì)具有很高的測(cè)量精度，可達(dá) 0． 1% ，測(cè)量值不受流體物性如黏度、密度的影響，也不受管道內(nèi)流場(chǎng)的影響，沒有上下游直管段要求，可以測(cè)量各種非牛頓流體以及粘滯和含微粒的介質(zhì)。由于購置成本較大，適合中小口徑( DN150 以下) 的測(cè)量。為防止管道震動(dòng)的影響，要求有牢固的支撐。
三、選型過程：
分析工藝提供的關(guān)于流量計(jì) FT － 101 的條件數(shù)據(jù)，直接可以得出: 該流量計(jì)要對(duì)進(jìn)入裝置的膠液總量進(jìn)行計(jì)量并指示實(shí)時(shí)流量，所以要求儀表的精度等級(jí)要高。測(cè)量介質(zhì)的溫度正常，工作壓力較小，因而不用考慮耐溫耐壓的特殊流量計(jì)型式。根據(jù)條件數(shù)據(jù)顯示介質(zhì)的黏度不大，但由于該介質(zhì)是膠液，而膠液在溫度變化時(shí)黏度會(huì)發(fā)生急劇變化，所以選擇儀表時(shí)將適應(yīng)大黏度測(cè)量作為考慮依據(jù)之一。
根據(jù)工藝提供的關(guān)于流量計(jì) FT － 101 的條件數(shù)據(jù)，可以計(jì)算并確定出一些有關(guān)選型的其他重要參數(shù)。
( 一) 流速 算。在介質(zhì)密度相對(duì)不變的情況下，可以計(jì)算出流體流速。
| 根據(jù) qv = uA | ( 1) | ||
| qm = ρqv | ( 2) | ||
| 得 u = | qm | ( 3) | |
| ρA | |||
| 其中 qV : 體積流量 | qm : 質(zhì)量流量 | ||
| u: 流體流速 | A 管道截面積 | ||
管道規(guī)格為 Φ32 × 3，偏向中小管徑的流量測(cè)量。管道內(nèi)徑 Φ26，則管道截面積 A = 3． 14* 26* 26 /4 = 531mm2計(jì)算得到***大流量、正常流量和***小流量下的流體流速見表 2。
表 2
| 流 | 量 | 流 | 速 |
| ***大流量 | 0． 36t /h | ***大流速 | 0． 24m /s |
| 正常流量 | 0． 30t /h | 正常流速 | 0． 20m /s |
| ***小流量 | 0． 24t /h | ***小流速 | 0． 16m /s |
從計(jì)算結(jié)果來看，該流體流速很小，不太適合采用速度型流量計(jì)，例如渦輪流量計(jì)、渦街流量計(jì)。
( 二) 范 度估算。范圍度就是在滿足精度的情況下流量計(jì)能夠測(cè)到的***大流量和***小流量的比值。
目前大多數(shù)流量?jī)x表都可以做到線性輸出，根據(jù)《化工自控設(shè)計(jì)規(guī)定》流量?jī)x表在線性刻度下，***大流量不超過滿刻度的 90% ，正常流量為滿刻度的 50% ～ 70% ，***小流量不小于滿刻度的 10% 。
如果設(shè)流量計(jì)的***大刻度為 Xmax，***小刻度為 Xmin，以流量計(jì)的***大流量和***小流量作為計(jì)算依據(jù)，有:
| 0. 36 － Xmin | = 0． 9 | ( 1) | |
| Xmax － Xmin | |||
| 0. 24 － Xmin | = 0． 1 | ( 2) | |
| Xmax － Xmin | |||
| 解得: Xmax | = 0． 375 | Xmin = 0． 225 | |
Xmax / Xmin = 1． 7，所以流量計(jì)的范圍度至少為 2: 1。
目前所有流量計(jì)都能滿足這個(gè)范圍度要求。
( 三) 雷 數(shù) 算。許多儀表為了保證現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用與設(shè)計(jì)條件的一致，在測(cè)量時(shí)都具有雷諾數(shù)的限制。雷諾數(shù)是流體流動(dòng)中慣性力與粘性力比值的量度。管道流場(chǎng)中的雷諾數(shù)Ｒe = ρuD / μ，ρ、μ 為流體密度和動(dòng)力粘度，u、D 為流體的平均速度和管道直徑。膠液在管道截面上的平均速度取管道流速，正常流速下膠液的雷諾數(shù):
Ｒe = 800* 0． 2* 0. 026 = 2600 0. 0016根據(jù)經(jīng)驗(yàn)的流態(tài)劃分，此條件下的膠液屬于過渡流，趨向?qū)恿?，流束比較穩(wěn)定，對(duì)直管段要求較低。此雷諾數(shù)下不適合采用高雷諾數(shù)的流量計(jì)進(jìn)行測(cè)量，比如節(jié)流式流量計(jì)和渦街流量計(jì)。
( 四) 小 。以上三種計(jì)算可以編制軟件進(jìn)行，以減少計(jì)算時(shí)間。依據(jù)分析結(jié)果與各類流量計(jì)特點(diǎn)的對(duì)比，結(jié)合以前的設(shè)計(jì)使用經(jīng)驗(yàn)，此工藝條件下各流量計(jì)的不適因素總結(jié)如表 3 所示:
表 3
| 容積式流量計(jì) | 持續(xù)工作能力差，存在安全隱患。 |
| 節(jié)流式流量計(jì) | 精度低，流體滿足不了雷諾數(shù)要求，管道過小。 |
| 轉(zhuǎn)子流量計(jì) | 精度低，粘性介質(zhì)，流體滿足不了雷諾數(shù)要求。 |
| 渦輪流量計(jì) | 流體速度和雷諾數(shù)滿足不了要求。 |
| 渦街流量計(jì) | 介質(zhì)屬于高黏、低速，雷諾數(shù)滿足不了要求，管道過小。 |
| 電磁流量計(jì) | 該膠液屬于有機(jī)物，且不含水，流體不導(dǎo)電，流速不適合。 |
| 超聲波流量計(jì) | 管道過小不能發(fā)揮大管徑測(cè)量?jī)?yōu)勢(shì)。 |
| 質(zhì)量流量計(jì) | 從精度、抗粘、流速要求以及管道規(guī)格考慮，質(zhì)量流量計(jì) |
| 適合當(dāng)前的測(cè)量要求。 | |
根據(jù)先滿足技術(shù)要求后降低經(jīng)濟(jì)成本的原則，通過對(duì)以上幾種典型流量計(jì)的比較，綜合性能要求、流體特性、安裝維護(hù)和以前的使用經(jīng)驗(yàn)，***后決定 FT － 101 采用小管徑的質(zhì)量流量計(jì)，以保證在膠液工況且有溫度變化的情況下，準(zhǔn)確計(jì)量進(jìn)入裝置的膠液總量。為了防止停車時(shí)膠液凝結(jié)，質(zhì)量流量計(jì)的測(cè)量管選用直管，并采取垂直安裝方式。