低溫多效蒸餾海水淡化裝置流量計(jì)儀表的選型
摘要:對于低溫多效蒸餾海水淡化裝置 ,正確的儀表選型關(guān)系到裝置的平穩(wěn) 、安全和經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。 流量儀表的選型一直是儀表選型中的難點(diǎn)。 該文總結(jié)了流量儀表選型的一般性原則,首先根據(jù)被測流體類型對流量計(jì)進(jìn)行初選,然后根據(jù)儀表性能、介質(zhì)特性、安裝和維護(hù)、環(huán)境條件、經(jīng)濟(jì)條件這5個因素對候選儀表進(jìn)行深入比較,排除不合適的儀表,并對適合的儀表進(jìn)行排序。 ***后,針對低溫多效蒸餾海水淡化裝置中水蒸氣、海水、產(chǎn)品水這3種典型介質(zhì)的流量測量,利用前面總結(jié)的選型原則進(jìn)行儀表選型,***終得到合適的儀表種類并對其進(jìn)行排序。
相比于其他過程測量儀表,流量儀表的種類繁多,據(jù)統(tǒng)計(jì)在工業(yè)中得到應(yīng)用的流量儀表種類超過了 100 種[1]。 因此流量儀表的選型是一項(xiàng)復(fù)雜的工作,需要工程師具備良好的過程測量知識及豐富的經(jīng)驗(yàn),熟悉常用儀表的類型、原理。
1、流量儀表類型及選型原則:
1.1、流量儀表的分類:
按照不同的原則, 流量儀表有不同的分類方法。 從儀表選型的角度來考慮,按照測量原理對流量儀表進(jìn)行分類是比較合理的。 根據(jù)流量的測量原
理,可以把工業(yè)中常用的流量儀表分成表 1 所示的10 種類型[2-3]。
表 1 | 流量計(jì)分類 | |||||||||||
Tab.1 Classifications of | flowmeters | |||||||||||
序號 | 描述 | |||||||||||
1 | 孔板、文丘里管、噴嘴 | |||||||||||
2 | 其它差壓類型 | |||||||||||
3 | 容積式 | |||||||||||
4 | 渦輪式 | |||||||||||
5 | 流體振動式 | |||||||||||
6 | 電磁式 | |||||||||||
7 | 超聲波式 | |||||||||||
8 | 直接和間接質(zhì)量流量計(jì) | |||||||||||
9 | 熱式 | |||||||||||
10 | 其它類型 |
1.2、流量儀表的選型原則 :
在進(jìn)行流量儀表的選型之前,究竟需不需要流量計(jì)是首先需要確定的問題[4]。 因?yàn)樵诤芏鄨龊舷?,用戶只是需要了解介質(zhì)流動是較快還是較慢,或者需要流量的高報(bào)警(與/或低報(bào)警)。 在這些場合下,選擇流量指示器或流量開關(guān)可以用更低的費(fèi)用來滿足需求[5]。 只有對精度要求更高(通常不超過5%),或者流量信號參與控制的情況下才需要使用流量計(jì)。
確定需要使用流量計(jì)之后就可以進(jìn)行流量計(jì)的選型, 流量計(jì)選型的一個基本方法是排除法,即排除不符合測量需求的儀表種類。 步要根據(jù)被測流體的類型(液態(tài)、氣態(tài)還是混合流體)進(jìn)行流量計(jì)的初選,如表 2 所示。
表 2 | 流量計(jì)的應(yīng)用范圍 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Tab.2 | Application range of flowmeters | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
應(yīng)用 | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
分組 | 儀表類型 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
液體 | 氣體 | 混合流體 | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
A | B | C | D | E | F | G | H | J | K | L | M | N | P | Q | R | S | |||||||||||||||||||||||||||||||
孔板 | √ ? | √ √ √ √ | √ | √ ? | √ | √ √ ? | √ ? | ? | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
1 | 文丘里 | √ | √ √ √ √ | √ ? | ? | ? | ? | √ ? | ? | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
噴嘴 | √ | √ √ √ √ | √ √ ? | ? | √ | ? | √ ? | ? | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
浮子式 | √ √ | # | ? | √ √ √ | ? | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
2 | 靶式 | √ | # | √ | √ | ? | √ | ? | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
均速管 | √ | √ √ √ ? | √ | √ | √ √ √ | √ ? | ? | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
音速噴嘴 | √ | √ | ? | ? | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
刮板 | √ | # | √ | √ | ? | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
橢圓齒輪 | √ √ # | # | √ | √ | ? | √ | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
3 | 旋轉(zhuǎn)活塞 | √ ? | # | √ | √ | ? | # | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
膜式 | √ | √ | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
旋轉(zhuǎn)容積式 | √ | √ | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
渦輪 | √ | √ # | √ ? | √ √ √ | √ | ? | ? | # | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
4 | 沖擊式 | √ √ | √ | √ | ? | ? | ? | ? | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
機(jī)械式 | √ | # | ? | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
插入式渦輪√ | √ √ √ | √ | √ | √ √ ? | ? | ? | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
渦街 | √ | √ | √ √ √ | ? | √ √ | ? | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
5 | 旋進(jìn)式 | √ | √ | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
插入式渦街 | √ | √ √ ? | ? | ? | √ | √ | ? | √ | √ | ? | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||
6 | 電磁式 | √ √ √ √ # | ? | √ | √ √ ? | √ | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
插入式電磁式 | √ | √ √ ? | √ | ? | √ ? | √ | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
7 | 多普勒 | √ | ? | ? | # | ? | √ √ ? | ? | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
傳播速度差式 | √ ? | √ √ # | ? | # | √ # | ? | ? | # | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
8 | 科里奧利式 | √ | # | √ | √ ? | ? | ? | # | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
間接式 | √ | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
9 | 風(fēng)速計(jì) | √ | ? | ? | # | √ | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
熱式 | # | √ | √ | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
10 | 示蹤式 | √ # | √ √ √ √ | √ | # | # | √ √ | ? | √ # | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
激光式 | √ | ? | ? | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
說明: √ 代表適用 | ? 代表在一定條件下適用 | # 代表適用條件有限或者往往比較昂貴 | 空白代表不可用 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
A 普通液體(<50 cP) | B 小流量(<0.12 m3/h) | C 大流量(>1000 m3/h) | D 大管徑(內(nèi)徑﹥0.5 m) | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
E 熱流體(溫度>200 ℃) | F 粘性流體(>50 cP) | G 低溫流體 | H 衛(wèi)生流體 | J 普通氣體 | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
K 小流量氣體(>150 m3/h) | L 大流量氣體(>5000 m3/h) | M 熱流體(溫度>200 ℃) | N 蒸汽 | P 泥漿和顆粒流體 | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Q 液-液混合流體 | R 氣-液混合流體 | S 腐蝕液體 | T 腐蝕氣體 |
經(jīng)過初選之后,根據(jù)以下 5 個方面的因素來深入分析比較,排除不合適的儀表種類,***終確定合適的流量計(jì)類型。
1)儀表性能
儀表性能方面, 主要考慮的因素包括精度、重復(fù)性、線性度、量程比、壓力損失、輸出信號特性、響應(yīng)時(shí)間。 儀表性能方面的考察基于工藝過程對測量的要求,如貿(mào)易交接測量對于精度要求較高,對于大口徑管線測量要求較小的壓力損失等。 各種類型儀表性能可以通過查閱儀表的選型手冊來獲得,需要注意的是,儀表在不斷的更新?lián)Q代,因此在儀表選型時(shí)要保證獲得的儀表性能參數(shù)是***新的。
2)介質(zhì)特性
被測介質(zhì)的特性對所有類型的流量計(jì)都有不同程度的影響。 常用的介質(zhì)的特性參數(shù)一般可以從相關(guān)手冊中查到, 然后與流量計(jì)的規(guī)格參數(shù)對比,就可以初步確定哪些儀表是可以使用的。 在選型時(shí),主要考慮的因素包括密度、溫度、壓力、比重、黏度、 等熵指數(shù)、 壓縮系數(shù)、 電導(dǎo)率、 比熱容、 導(dǎo)熱系數(shù)、流體的化學(xué)機(jī)械性質(zhì)等。
3)安裝和維護(hù)
不同類型的儀表對安裝的要求也不同。 有些儀表(如表 2 中第 1 組和第 4 組中的儀表)需要上游有較長的直管段,而有些儀表(如表 2 中第 3 組中的儀表)則對上游直管段要求很低。 主要考慮的因素包括安裝方向、介質(zhì)流向、上下游直管段、管徑、振動影響、閥門位置、電氣連接、附件(如過濾器、穩(wěn)壓補(bǔ)償裝置、整流器等)、爆炸危險(xiǎn)區(qū)、非穩(wěn)定流情況等。
4)環(huán)境條件
環(huán)境條件主要考慮的因素包括環(huán)境溫度、 濕度、大氣壓力、安全因素、電磁干擾等。
5)經(jīng)濟(jì)條件
流量儀表的全部費(fèi)用包括購置費(fèi)、 附件費(fèi)、安裝費(fèi)、運(yùn)行費(fèi)、維護(hù)費(fèi)、校驗(yàn)費(fèi)和備品備件費(fèi)等。 在考慮經(jīng)濟(jì)條件的時(shí)候,要綜合考慮各種因素而不能僅僅只考慮購置費(fèi)用。 表 3 中列出了常用流量計(jì)的費(fèi)用比較。
2、實(shí)際應(yīng)用分析:
在低溫多效蒸餾海水淡化裝置中,流量測量的主要介質(zhì)包括水蒸氣、海水、淡水。 下文依次針對這3種介質(zhì)進(jìn)行流量計(jì)的選型分析。
表 3 | 流量計(jì)的費(fèi)用比較 | |||||||||||||
Tab.3 Cost comparison of flowmeters | ||||||||||||||
分組 | 類型 | 安裝 | 校準(zhǔn) | 運(yùn)行 | 維護(hù) | 備件 | ||||||||
費(fèi)用 | 費(fèi)用 | 費(fèi)用 | 費(fèi)用 | 費(fèi)用 | ||||||||||
孔板 | 2/4 | 1 | 3 | 2 | 1 | |||||||||
1 | 文丘里 | 4 | 1/4 | 2 | 3 | 3 | ||||||||
噴嘴 | 3 | 3 | 2 | 3 | 2 | |||||||||
浮子式 | 1/3 | 2 | 2 | 1 | 1 | |||||||||
2 | 靶式 | 3 | 3 | 2 | 3 | 3 | ||||||||
均速管 | 2 | 3 | 2 | 2 | 2 | |||||||||
音速噴嘴 | 2 | 1 | 3/4 | 2 | 1 | |||||||||
刮板 | 3 | 5 | 4 | 4 | 5 | |||||||||
橢圓齒輪 | 3 | 4 | 4 | 4 | 5 | |||||||||
3 | 旋轉(zhuǎn)活塞 | 3 | 3 | 3 | 3 | 4 | ||||||||
膜式 | 3 | 3 | 1 | 2 | 2 | |||||||||
旋轉(zhuǎn)容積式 | 3 | 4 | 3 | 3 | 3 | |||||||||
渦輪 | 3 | 4 | 3 | 4 | 4 | |||||||||
4 | 沖擊式 | 4 | 3 | 3 | 4 | 3 | ||||||||
機(jī)械式 | 3 | 2 | 2 | 3 | 3 | |||||||||
插入式渦輪 | 2 | 3 | 2 | 2 | 3 | |||||||||
渦街 | 3 | 3 | 3 | 3 | 3 | |||||||||
5 | 旋進(jìn)式 | 3 | 4 | 3 | 3 | 3 | ||||||||
插入式渦街 | 2 | 3 | 2 | 3 | 3 | |||||||||
6 | 電磁式 | 3 | 3 | 1 | 3 | 3 | ||||||||
插入式電磁式2 | 3 | 2 | 3 | 2 | ||||||||||
7 | 多普勒法 | 1/3 | 1 | 1 | 3 | 3 | ||||||||
傳播速度差式 | 1/3 | 3 | 1 | 3 | 2 | |||||||||
8 | 科里奧利式 | 3 | 4 | 4 | 3 | 3 | ||||||||
間接式 | 3 | 3 | 3 | 3 | 3 | |||||||||
9 | 風(fēng)速計(jì) | 3 | 2 | 1 | 3 | 3 | ||||||||
熱式 | 3 | 4 | 2 | 4 | 3 | |||||||||
示蹤式 | 2 | – | 4 | 2 | 4 | |||||||||
10 | ||||||||||||||
激光式 | 5 | – | 4 | 5 | 5 | |||||||||
說明:1 代表費(fèi)用低 | 5 代表費(fèi)用高 |
2.1、水蒸氣的流量測量 :
水蒸氣的流量測量條件和要求如下: 介質(zhì): 飽和水蒸氣; 管徑:750 mm; 操作溫度:153 ℃;操作壓力:0.6 MPa(A);正常流量:81200 kg/h;精度要求:2.5%;直管段限制:<30 D;成本限制:無。根據(jù)第 1 部分介紹的流量儀表選型的步驟,分析如下: 步驟 1 對照表 2 進(jìn)行量計(jì)的初選 ,去掉不合適的類型,確定可用的流量計(jì)類型為第 1、2、4、5、10 組。
步驟 2 考察儀表性能 ,由于水蒸氣流量涉及到貿(mào)易交接,流量計(jì)精度不低于 2.5%[6];由于流量計(jì)下游為蒸汽噴射器, 為了保證入口蒸汽的壓力,所以流量計(jì)的壓力損失要盡量小。 因此確定可用的流量計(jì)類型為第 1、2、4、5 組。 在能夠滿足測量精度的前提下,流量計(jì)的壓力損失對選型影響較大,因此從儀表性能方面對所選流量計(jì)進(jìn)行排位如下:1.第2 組,2.第 5 組,3.第 4 組,4.第 1 組。
步驟 3 考察介質(zhì)特性 ,主要考察雷諾數(shù)的計(jì)算結(jié)果,確定可用的流量計(jì)類型為第 1、2、4、5 組。步驟 4 考察安裝和維護(hù) ,主要是考察流量計(jì)要求的直管段長度對安裝的限制。 經(jīng)過比較,第 1、2、4、5組仍然滿足安裝和維護(hù)要求。
步驟 5 考察環(huán)境條件 ,候選儀表均可以滿足環(huán)境條件的要求。
步驟 6 考察經(jīng)濟(jì)條件 ,經(jīng)濟(jì)條件的主要影響因素為購置費(fèi)用、安裝費(fèi)用和校準(zhǔn)費(fèi)用。 經(jīng)過比較,對所選流量計(jì)進(jìn)行排位如下:1.第 1 組,2.第 2 組,3.第 5 組,4.第 4 組。由于插入式流量計(jì)(渦街、渦輪)的測量精度受到儀表安裝的影響很大,根據(jù)對其它已經(jīng)投產(chǎn)運(yùn)行的裝置的調(diào)研情況來看, 插入式流量計(jì) (渦街、渦輪)對于蒸汽測量的測量精度均不夠理想。 由于本項(xiàng)目對儀表購置成本沒有嚴(yán)格的限制,因此,將插入式渦輪、 插入式渦街流量計(jì)從待選清單中排除出去。 綜合上述分析,***終得出流量計(jì)的排位如下:1.第 2 組 (均速管 ),2.第 5 組 ( 渦街 ),3.第 1 組 ( 孔板、噴嘴)。 根據(jù) HG/T20507 中的規(guī)定,上述 3 組流量計(jì)均應(yīng)帶溫壓補(bǔ)償[7]。
步驟 6 考察經(jīng)濟(jì)條件 ,經(jīng)濟(jì)條件的主要影響因素為購置費(fèi)用、安裝費(fèi)用和校準(zhǔn)費(fèi)用。 經(jīng)過比較,對所選流量計(jì)進(jìn)行排位如下:1.第 1 組,2.第 2 組,3.第 5 組,4.第 4 組。由于插入式流量計(jì)(渦街、渦輪)的測量精度受到儀表安裝的影響很大,根據(jù)對其它已經(jīng)投產(chǎn)運(yùn)行的裝置的調(diào)研情況來看, 插入式流量計(jì) (渦街、渦輪)對于蒸汽測量的測量精度均不夠理想。 由于本項(xiàng)目對儀表購置成本沒有嚴(yán)格的限制,因此,將插入式渦輪、 插入式渦街流量計(jì)從待選清單中排除出去。 綜合上述分析,***終得出流量計(jì)的排位如下:1.第 2 組 (均速管 ),2.第 5 組 ( 渦街 ),3.第 1 組 ( 孔板、噴嘴)。 根據(jù) HG/T20507 中的規(guī)定,上述 3 組流量計(jì)均應(yīng)帶溫壓補(bǔ)償[7]。
2.2 、鹽水的流量測量:
鹽水流量測量條件和要求如下:
介質(zhì):鹽水;管徑:450 mm;操作溫度:68 ℃;操作壓力:0.28 MPa (A); 正常流量:450 m3/h; 精度要求:1.5%;直管段限制:<10 D;成本限制:無。根據(jù)第 1 部分介紹的流量儀表選型的步驟,分析如下:
步驟 1 對照表 2 進(jìn)行流量計(jì)的初選 ,去掉不合適的類型,確定除了第 9 組以外,另外 9 組流量計(jì)均可以滿足。
步驟 2 考察儀表性能 ,鹽水流量測量不涉及計(jì)量,但要參與蒸發(fā)器的液位控制,所以對精度有一定要求。 對于低溫多效蒸餾海水淡化裝置來說,能耗是重要的考察指標(biāo), 從節(jié)約能源角度來考慮,選擇的流量計(jì)的壓力損失要盡量小。 經(jīng)過比較,對所選流量計(jì)進(jìn)行排位如下:1.第 6 組,2.第 7 組,3.第2 組,4.第 1 組。
步驟 3 考察介質(zhì)特性 ,主要考察雷諾數(shù)的計(jì)算結(jié)果,確定可用的流量計(jì)類型為第 1、2、6、7 組。步驟 4 考察安裝和維護(hù),因?yàn)楹K髁坑?jì)的安裝位置位于設(shè)備下方的管廊上,為方便流量計(jì)的日常維護(hù),應(yīng)選擇傳感器與變送器能夠分體安裝的流量計(jì)。
同時(shí)應(yīng)考察流量計(jì)要求的直管段長度對安裝的限制。經(jīng)過考察,1、2、6、7 組均滿足安裝和維護(hù)的需要。
同時(shí)應(yīng)考察流量計(jì)要求的直管段長度對安裝的限制。經(jīng)過考察,1、2、6、7 組均滿足安裝和維護(hù)的需要。
步驟 5 考察環(huán)境條件,候選儀表均可以滿足環(huán)境條件的要求。
步驟 6 考察經(jīng)濟(jì)條件,經(jīng)濟(jì)條件的主要影響因素為購置費(fèi)用、安裝費(fèi)用和校準(zhǔn)費(fèi)用。 經(jīng)過比較,對所選流量計(jì)進(jìn)行排位如下:1.第 7 組,2.第 2 組,3.第 6 組,4.第 1 組。
由于插入式流量計(jì)(電磁)的測量精度受到儀表安裝的影響很大,在資金充足的前提下,為保證測量結(jié)果的準(zhǔn)確性,不建議使用插入式流量計(jì)(電磁)。 超聲波流量計(jì)(多普勒法)在使用中受管道振動、現(xiàn)場安裝等因素影響較大,在選型時(shí)應(yīng)予以綜合考慮。 綜合上述分析,***終得出流量計(jì)的排位如下:1.第 6 組(電磁),2.第 7 組(多普勒法),3.第 2 組(均速管),4.第 1 組(文丘里管)。
2.3、產(chǎn)品水的流量測量:
海水流量測量條件和要求如下:
介質(zhì):水;管徑:600 mm;操作溫度:40 ℃;操作壓力:0.5 MPa(A); 正常流量:1450 m3/h; 電導(dǎo)率:<10 μs;精度要求:1.5%;直管段限制:<10 D;成本限制:無。
根據(jù)第 1 部分介紹的流量儀表選型的步驟,分析如下:
步驟 1 對照表 2 進(jìn)行流量計(jì)的初選,去掉不合適的類型,確定除了第 6、9 組以外,另外 8 組流量計(jì)均可以滿足。步驟 2 考察儀表性能,由于產(chǎn)品水流量測量涉及貿(mào)易交接,要求測量精度不低于 1.5%。 而且同海水流量測量一樣,從節(jié)約能源角度來考慮,選擇的流量計(jì)的壓力損失要盡量小。 經(jīng)過比較,對所選流量計(jì)進(jìn)行排位如下:1. 第 7 組,2. 第 5 組,3. 第 4組,4.第 1 組。
步驟 3 考察介質(zhì)特性,主要考察雷諾數(shù)的計(jì)算結(jié)果,候選儀表均可以滿足要求。
步驟 4 考察安裝和維護(hù),因?yàn)楫a(chǎn)品水流量計(jì)的安裝位置位于設(shè)備下方的管廊上,為方便流量計(jì)的日常維護(hù),應(yīng)選擇傳感器與變送器能夠分體安裝
的流量計(jì);同時(shí),應(yīng)考慮流量計(jì)要求的直管段長度對安裝的限制。 經(jīng)過考察,候選儀表均滿足安裝和維護(hù)的需要。
步驟 5 考察環(huán)境條件,候選儀表均可以滿足環(huán)境條件的要求。
步驟 6 考察經(jīng)濟(jì)條件 ,經(jīng)濟(jì)條件的主要影響因素為購置費(fèi)用、安裝費(fèi)用和校準(zhǔn)費(fèi)用。 經(jīng)過比較,按照費(fèi)用由低到高的順序?qū)λx流量計(jì)進(jìn)行排位如下:1.第 7 組,2.第 1 組,3.第 5 組,4.第 4 組。
綜合上述分析,***終得出流量計(jì)的排位為 1.第 7 組 (傳播速度差法 ),2.第 5 組 ,3.第 4 組 (渦輪 ),4.第 1 組(文丘里管、噴嘴)。
綜合上述分析,***終得出流量計(jì)的排位為 1.第 7 組 (傳播速度差法 ),2.第 5 組 ,3.第 4 組 (渦輪 ),4.第 1 組(文丘里管、噴嘴)。
3、結(jié)語:
在流量儀表的選型過程中,排除法是必要而且有效的方法。 需要注意的是,流量測量技術(shù)在不斷發(fā)展,流量儀表的性能在不斷提高,所以在選型時(shí)參考的表格需要不斷地更新。