摘要：渦街流量計(jì)因其儀表系數(shù)與流體特性無(wú)關(guān)、精度高、寬量程比和低壓損等優(yōu)點(diǎn)，在化工領(lǐng)域的應(yīng)用越來(lái)越廣。以熱解分級(jí)煉制新工藝對(duì)煤及液化殘?jiān)M(jìn)行煉制利用中的產(chǎn)品之一熱解氣為例，介紹渦街流量計(jì)的選型設(shè)計(jì)。

我國(guó)低階煤資源儲(chǔ)藏豐富，占可采儲(chǔ)量40%以上。然而它的高效利用一直是業(yè)內(nèi)努力攻克的難題。低階煤含水量高，熱值低，機(jī)械強(qiáng)度低，化學(xué)穩(wěn)定性差。為此，北京低碳清潔能源研究所承擔(dān)**高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃項(xiàng)目課題“煤分級(jí)煉制清潔燃料關(guān)鍵技術(shù)研究”，采用熱解分級(jí)煉制新工藝對(duì)煤及液化殘?jiān)M(jìn)行煉制利用，在溫和的條件下對(duì)原料進(jìn)行加工處理，分步驟地將其中有用的成分充分提取出來(lái)，得到的產(chǎn)品之一為熱解氣，去除焦油后的熱解氣組成見表1，本工程中采用渦街流量計(jì)對(duì)其進(jìn)行測(cè)量。

1、渦街流量計(jì)概述

渦街流量計(jì)是20世紀(jì)70年代發(fā)展起來(lái)的一種新型流量?jī)x表，80年代制定了渦街流量計(jì)專業(yè)標(biāo)準(zhǔn)(ZBN12008－1989)和檢測(cè)規(guī)程(JJG620－1989)。渦街流量計(jì)目前已發(fā)展成為主流流量?jī)x表之一，因其有諸多優(yōu)點(diǎn)，吸引了國(guó)內(nèi)外眾多研究者和企業(yè)的關(guān)注。研究者從多方面對(duì)其進(jìn)行深入的研究：①旋渦發(fā)生體的研究；②壓電傳感器探頭位置的研究；③數(shù)字信號(hào)處理方法的研究；④渦街信號(hào)檢測(cè)方法的研究；⑤數(shù)值仿真方法的研究。

在眾多流量計(jì)中，渦街流量計(jì)的安裝、運(yùn)行、維護(hù)費(fèi)低于節(jié)流式、容積式等，購(gòu)置費(fèi)低于容積式、質(zhì)量式等，是一種實(shí)用性和經(jīng)濟(jì)性都較好的流量計(jì)，受到用戶廣泛歡迎。該流量計(jì)優(yōu)點(diǎn)如下：

(1)在一定雷諾數(shù)Re范圍內(nèi)(2×104～2×106)，輸出頻率信號(hào)不受流體物性(密度、粘度)和組分變化影響，即儀表系數(shù)僅與旋渦發(fā)生體的形狀尺寸及管道的形狀尺寸有關(guān)，可以在一種典型介質(zhì)中校驗(yàn)而適用于各種介質(zhì)。

(2)精確度較高(與差壓式、浮子式流量計(jì)比較)。

(3)量程比可達(dá)10∶1或20∶1，目前已有廠家在研制適用于氣體測(cè)量能達(dá)到80∶1的渦街流量計(jì)。

(4)壓損小(約為孔板流量計(jì)的25%～50%)，大幅度降低能耗。

(5)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單牢固，安裝維護(hù)方便。

(6)使用范圍廣，可測(cè)量液體、氣體、蒸汽和部分混相流體。

2、渦街流量計(jì)的參數(shù)計(jì)算

2.1工作狀態(tài)和標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的體積流量換算

渦街流量計(jì)的輸出信號(hào)是與工作狀態(tài)的體積流量成正比例，氣體的體積流量受溫度、壓力影響較大，在流量計(jì)選型時(shí)，若提供的流量是標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的體積流量或質(zhì)量流量，應(yīng)把它換算成工作狀態(tài)下的體積流量。

式中，qV、qn分別為工作狀態(tài)和標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的體積流量，m3/h；P、Pn分別為工作狀態(tài)和標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的絕對(duì)壓力，Pa；T、Tn分別為工作狀態(tài)和標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的熱力學(xué)溫度，K。

2.2雷諾數(shù)、壓力損失和背壓的計(jì)算

在渦街流量計(jì)選擇流量計(jì)通徑時(shí)，主要是對(duì)流量下限值進(jìn)行核算雷諾數(shù)，*小雷諾數(shù)不應(yīng)低于下限雷諾數(shù)，即雷諾數(shù)Re≥2×104。在測(cè)量介質(zhì)為液態(tài)時(shí)，還應(yīng)檢查*小工作壓力是否高于工作溫度下的飽和蒸汽壓，即是否產(chǎn)生氣穴現(xiàn)象。

(1)雷諾數(shù)Re是一個(gè)表針流體慣性力與粘性力之比的無(wú)量綱量：

式中，Q為體積流量，m3/h；D為流量計(jì)內(nèi)徑，mm；v為運(yùn)動(dòng)粘度，m2/s。

(2)壓力損失:選擇流量計(jì)時(shí)，通常可能會(huì)對(duì)流量計(jì)的通徑進(jìn)行適當(dāng)縮小，以取得較大的流速和合適的流量量程。但是如果縮徑過(guò)于嚴(yán)重，可能會(huì)導(dǎo)致較大的壓力損失，能耗會(huì)增加，因此在選擇流量計(jì)的通徑時(shí)，也需要適當(dāng)考慮壓力損失，盡可能減小壓力損失。壓力損失△P計(jì)算：

式中，△P為壓力損失，kg/m2；ρ為流體密度，kg/m3；V為流速，m/s。

(3)背壓：測(cè)量液體的流量時(shí)，要確認(rèn)工藝管道的壓力對(duì)于較小的公稱通徑而言有足夠大的背壓，避免氣穴產(chǎn)生。流量計(jì)下游的管道壓力應(yīng)滿足：

式中，P為流量計(jì)下游3.5～7.5D的*小管道壓力，kg/cm2(A)；P0為液體的飽和蒸汽壓，kg/cm2。

(4)根據(jù)工藝要求及現(xiàn)場(chǎng)安裝環(huán)境選擇耐壓、耐溫等級(jí)、防護(hù)等級(jí)、防爆等級(jí)、輸出信號(hào)等。3測(cè)量熱解氣的渦街流量計(jì)的選型設(shè)計(jì)熱解氣的組分如表1所述，其工藝參數(shù):操作密度0.63kg/m3，運(yùn)動(dòng)粘度2×10－5m2/s，操作溫度48.9℃，操作壓力7.5kPa，管道DN80，*小流量50Nm3/h，正常流量100Nm3/h，*大流量150Nm3/h，儀表測(cè)量范圍選擇0～180Nm3/h。因?yàn)楸狙b置為試驗(yàn)裝置，在裝置運(yùn)行的過(guò)程中，業(yè)主可能會(huì)根據(jù)需要適當(dāng)調(diào)整參數(shù)，因此選擇量程比寬一些的流量計(jì)會(huì)有助于調(diào)整后的測(cè)量;另外熱解氣作為產(chǎn)品之一，其流量是驗(yàn)證工藝與關(guān)鍵設(shè)備的工程可行性、優(yōu)化工藝參數(shù)的關(guān)鍵參數(shù)之一，因此使用精度高一些的流量計(jì)也是有必要的;熱解氣的組分隨著參數(shù)的調(diào)整也可能會(huì)發(fā)生變化，因此基于伯努利方程原理的，如孔板、噴嘴、阿牛巴、德爾塔巴、平衡式等都不能很好的測(cè)量，因?yàn)檫@類流量計(jì)受流體物性(密度、粘度)和組分變化影響，且*終的熱解氣產(chǎn)品或多或少都有焦油的存在，時(shí)間長(zhǎng)了可能堵塞流量計(jì)。楔式流量計(jì)帶自清潔的功能，如果采用法蘭取壓，變送器采用隔膜密封式變送器，其受焦油的影響較小，楔式流量計(jì)的計(jì)算結(jié)果分別見圖1和圖2。

當(dāng)H/D比為0.2時(shí)，其壓力損失達(dá)到4kPa，已經(jīng)大于操作壓力的一半，此種方案不可取，當(dāng)H/D比為0.3時(shí)，其壓力損失為1.09kPa，可以接受，但*小流量時(shí)的差壓只有0.11kPa，甚至正常流量時(shí)的差壓也只有0.45kPa，由于采用的是隔膜密封式變送器，此時(shí)的精度無(wú)法保證;另一類是基于線性連續(xù)方程原理的，如渦街流量計(jì)、質(zhì)量流量計(jì)等，考慮到本裝置為一個(gè)實(shí)驗(yàn)裝置，質(zhì)量流量計(jì)價(jià)格昂貴，因此綜合考慮介質(zhì)和裝置的特殊性、壓損、精度和費(fèi)用等因素，本工程中選用渦街流量計(jì)測(cè)量熱解氣的流量。

由式(1)可得*小流量對(duì)應(yīng)的工作狀態(tài)下的體積流量：

由式(2)可得流量計(jì)口徑為DN80時(shí)的雷諾數(shù)：

因此需適當(dāng)縮小流量計(jì)尺寸，縮小至DN50時(shí)的雷諾數(shù)：

流量計(jì)縮小至DN40時(shí)的雷諾數(shù)：

由上述計(jì)算結(jié)果可知，當(dāng)流量計(jì)縮徑至DN40時(shí)，雷諾數(shù)即可滿足要求。

按式(3)可以核算下DN50和DN40口徑下的*大壓損：

DN50時(shí)：

DN40時(shí)：

利用橫河公司計(jì)算軟件計(jì)算出來(lái)的結(jié)果見圖3。

從圖3可見，出流量計(jì)口徑為DN80時(shí)，*小流量無(wú)法測(cè)量;流量計(jì)口徑縮徑至DN50時(shí)，*小流量可測(cè)(此時(shí)流體的雷諾數(shù)非常接近2×104)，但此時(shí)的測(cè)量精度稍微差些；流量計(jì)口徑縮徑至DN40時(shí)，*小流量可測(cè)，且精度也能得到保證。用上述公式計(jì)算的壓損與軟件計(jì)算出來(lái)的也基本一致，差別來(lái)自計(jì)算時(shí)流速及流量計(jì)口徑均采用的是估算值。如果流量計(jì)縮徑至DN25時(shí)，流量計(jì)的壓損已經(jīng)達(dá)到7.6kPa，壓損較大，無(wú)法滿足工藝要求。因此選擇DN40口徑的流量計(jì)能滿足要求。對(duì)于DN50口徑的方案，如果流量大于54Nm3/h時(shí)，流量計(jì)的精度為此款流量計(jì)的*佳精度，為1.0%，當(dāng)流量為50Nm3/h時(shí)，此時(shí)流量可測(cè)，只是精度稍差些，約為1.81%，但流量計(jì)的壓損會(huì)小很多，從節(jié)能降耗方面考慮，選擇DN50口徑的流量計(jì)也是可以的。綜上，選擇DN40和DN50口徑的渦街流量計(jì)都能滿足要求。

操作溫度為48.9℃，沒(méi)有特殊性，選擇普通的渦街流量計(jì)即可；根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況，流量計(jì)為露天安裝，防護(hù)等級(jí)選擇IP65即可；根據(jù)《爆炸危險(xiǎn)環(huán)境電力裝置設(shè)計(jì)規(guī)范》GB50058－2014，本裝置中各介質(zhì)所在組別屬于危險(xiǎn)物料，見表2。因此儀表的防爆標(biāo)志選擇ExiaⅡCT4Gb即能滿足要求。根據(jù)項(xiàng)目統(tǒng)一要求輸出信號(hào)選擇為4～20mA+HAＲT。

至此，渦街流量計(jì)的選型已完成，但考慮到熱解氣中焦油的存在，選擇渦街流量計(jì)時(shí)，需要注意：

①不能選用因?yàn)榧夹g(shù)需要而在渦街流量計(jì)中設(shè)計(jì)了小孔結(jié)構(gòu)的流量計(jì)，因?yàn)榻褂陀锌赡芏氯@些孔，從而失去其原有的作用；

②焦油有可能附著在旋渦發(fā)生體上，從而改變其結(jié)構(gòu)，影響測(cè)量精度，因此需要采用帶防粘附作用的發(fā)生體，另外考慮到熱解氣中焦油的含量較小，且由于旋渦的存在，其有剝離附著在發(fā)生體上的焦油的作用，因此認(rèn)為其對(duì)測(cè)量精度的影響比較小。

4、結(jié)語(yǔ)

目前項(xiàng)目已經(jīng)開車成功，渦街流量計(jì)現(xiàn)場(chǎng)使用效果特別好，在整個(gè)實(shí)驗(yàn)的過(guò)程中，都能很精確地測(cè)出熱解氣的流量，深受業(yè)主好評(píng)。現(xiàn)場(chǎng)的使用結(jié)果表明，在發(fā)生體帶防粘附作用的情況下，低含量的焦油對(duì)流量計(jì)的測(cè)量精度影響不大。

目前化工廠常用的流量計(jì)節(jié)流裝置 (孔板等)，其受流體物性影響大，量程比一般只有3: 1，且容易出現(xiàn)堵塞，直管段要求甚至高達(dá)50倍管徑，另外導(dǎo)壓系統(tǒng)還容易出現(xiàn)泄漏。渦街流量計(jì)因其儀表系數(shù)與流體特性無(wú)關(guān) (氣液通用)、精度高、寬量程比和低壓損等優(yōu)點(diǎn)，是節(jié)流裝置的理想替代品，但只有正確設(shè)計(jì)、正確選型以及正確安裝的條件下才能發(fā)揮其應(yīng)有的作用。