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涡街流量计的常见故障与处理方法 流量计如何做好保养

时间:2020-08-31    来源:仪多多仪器网    作者:仪多多商城     

1 工作原理
  涡街流量计又称卡门旋涡流量计,它是流体自然振荡的原理制成的一种旋涡分离型流量计。当流体以足够大的流速流过柱状物体时,在柱状物体的后面,沿两条平行 直线上产生整齐排列、转向相反的涡列,称为“卡门涡街现象”,如图1所示。涡列的个数即涡街频率和流体的流速成正比,可用下列式表示:
  

 


  式中:F:旋涡频率;V:管道内平均流速;d:柱状体迎流面宽度;D:管道内径;St:斯特劳哈尔数;m:即为π。
  
  当旋涡在柱体两侧产生时,柱体受到与流向垂直的交变升力的作用,升力的变化频率就是旋涡频率,利用埋设在柱体内的压电元件检测此升力的变化,将其转换为频 率信号送入放大器,由放大器进行放大和整形,得到此频率与流速成正比的方波信号。由上式可见,通过测量涡街频率就可算出流速V,进而求出体积流量。
  2 涡街流量计安装注意事项
  (1)传感器应水平或垂直安装在与管道内径相应的管道上。
(2)前后直管段要求。流量计在安装时,其上游和下游应配置一定长度的直管段,以确保产生旋涡的必要流动条件,流体的流向应和传感器标志的流向一致。一般上游>=30D,下游>=5D。
  具体长度应满足表1的要求:
  
  (3)涡街流量计在用作流量调节时,应将流量调节阀安装在传感器的后面,但是如果流体有脉动,如用往复泵输送流体,则应装在阀门的下游或者加储罐,以减少流体的脉动。
  (4)防振安装。流量计不能安装在有强烈振动的管道上,以免影响测量精度,特别是管道的横向振动会导致管道内的流体随之振动,从而使仪表产生附加误差。
  (5)防电磁场安装。其安装地点应避免外部电磁场的干扰。传感器与二次仪表之间的连线必须采用屏蔽线,并穿在金属管内,金属管接地。
  3 涡街流量计使用时的常见故障以及处理方法
  3.1 通电时无指示、无输出信号
  (1)传感器供电不正确;(2)管道内无流量或流量太小。
  相应的处理方法:(1)检查接线,使供电正常;(2)通知工艺部门打开阀门。
  3.2 无流量时,有输出信号
  (1)仪表屏蔽线或接地不良引入50Hz干扰;(2)管道振动较大;(3)传感器增益过大。
  相应的处理方法:(1)加强屏蔽或重新接地;(2)在流量计上游2D处加装固定支撑点,或者在满足直管段要求的前提下加软管过渡;(3)调整增益定位器至适当的位置。
  3.3 流量指示值波动大
  在实际使用中,这是最容易发生的事情,(1)管道振动过大;(2)灵敏度调得过高;(3)传感器发生体上有附着物;(4)压电晶片损坏;(5)工况波动大。
  相应的处理方法:(1)振动处理方法同上;(2)降低灵敏度;(3)拆卸并清洗传感器发生体;(4)更换;(5)检查工况。
  3.4 指示误差大
  (1)上游直管段长度不够,有气穴现象;(2)仪表常数设定有误;(3)传感器发生体上有附着物。
  相应的处理方法:(1)改变安装地点,加整流器,保证上游直管段要求;(2)重新标定及设定仪表常数;(3)拆卸并清洗传感器发生体。
  4 结论
  涡街流量计可在很宽的流量范围内精确测量气体、液体和蒸汽的流量且不受流体物理性质的影响,又由于无运动部件,无磨损,无须机械维修,机械安装和电气连接 简单;同时,相对于孔板和其他流量计来说比较经济,就化工企业的现状而言,相信涡街流量计会有更加广泛的使用空间。

摘 要: 对比美国热电流量计和德国SWR流量计在粉煤加压气化装置中的应用。
关键字: 煤制合成气 煤粉质量 德国SWR流量计 美国热电流量计 应用

0 引言

对于采用高浓相输送技术的煤粉输送,煤粉流量的精确计量对气量的消耗、系统的顺畅运行及设备、管道等的维护以及验证整个系统的浓相输送等相关指标、调控输送量等工艺参数具有重要的作用和意义。在粉煤加压气化装置的流程控制中,煤粉密度、流速的测量是整个输煤系统的重中之重。我国近年来引进的荷兰壳牌公司的Shell粉煤加压气化技术中,粉煤质量流量计一直采用美国热电提供的核密度计与速度计。考察国内同类设备的使用情况,其测量的准确性需要靠经验数据来调整,采集经验数据最少需要2~3个月时间,煤粉标定时间周期较长,而且其速度计响应时间较慢,在濮阳航天炉的生产过程中,这种现象已得到验证。而采用德国斯威尔的微波技术的流量计调校比较简单,调试时间大约一周,测量能满足工艺要求。在航天炉项目的建设中,濮阳龙宇化工有限责任公司气化装置的每根煤粉管线上采用了2套美国热电流量计和1套SWR流量计同时测量,在满足工艺要求的同时,也验证了在同样工况下,两个厂家的流量计在煤粉流量计量上的准确度和可靠性。安徽临泉在航天炉装置的每条煤粉管线上采用了2套SWR流量计,在煤粉的计量和控制中得到了很好的应用。

1 SWR(斯威尔)流量计

1.1 测量原理

SWR生产的DensFlow流量计是专门针对气固两相流而开发的测量仪器,适用于浓相或超浓相输送工艺,通过在测量管中产生一个高频、交流、均匀的电磁场来测量固体物料通过管道截面的平均流速和浓度,从而计算出固体物料在管道中的流速(m/s)、浓度(kg/m3)、质量流量(kg/h或t/h),并且输出对应上述测量值的3路独立的4~20mA电流信号。

流量、密度、流速的测量一体化,大大提高了测量的精度。

DensFlow固体物料密度值的测量是需要校准和标定的,因为该仪器可以测量浓相、超浓相输送的所有固体颗粒或粉状物料,而不同物料的堆积密度是不同的,所以必须实际标定输送物料的浓度值。正常的准确度为±1%~±3%,系统均匀稳定的喷吹状态下可以达到小于±1%的测量及控制准确度。

在现有浓相、超浓相输送技术条件下,有以下几种标定方法可以使用:

(1)使用SWR的专用测试棒标定;也可订购SWR流量在线标定系统来进行标定。

(2)用户在安装仪器前,在车间将固体流量计垂直放置在敞开容器后通电预热,15min后将被测固体物料放入测量管内进行标定。

(3)用户在安装仪器后,通电预热15min,并将流量计内置累积器清零后开始正常的物料输送,通过仪器累计的物料质量流量值与现有仪器的显示值比较,然后将修正系数输入仪器。

(4)用户在安装仪器后,通电预热15min,并将流量计内置累积器清零后开始正常输送物料,通过仪器累计的物料质量流量值与每天/每周/每月的物料消耗量比较,然后将修正系数输入仪器。

1.2 标定过程的修正方案

影响流量计测量结果的因素为压力、悬浮密度、温度,其中压力的影响因素很稳定,经过现场的观察和计算,压力的影响为0~5MPa,影响零点漂移为0.4%~0.5%;浓度的影响只与传感器特性有关;温度的影响,安徽临泉和濮阳由于安装位置的不同,产生的影响大小有所不同,但是观察在温度变化不大的环境下,对流量计检测的影响很小。针对这3个影响因素的修正方案如下:

(1)浓度修正方案。DCS计算方程如下:

密度的修正曲线如图1所示,横坐标代表密度(kg/m3),纵坐标代表修正系数。


图1 密度修正曲线

(2)压力修正。压力影响实际显示浓度值,随着压力的增加影响值逐渐减少。对应着0~5MPa的压力变化,零点漂移为0.4%~0.5%。

压力修正公式为:

f(p)=1.7P

式中,f(p)为经过修正后的管道压力;p为流量计附近压力取样点压力;P为实测的管道压力。

(3)温度修正。温度对于传感器的影响直接反映到传感器的轴向应力上。对于临泉和濮阳现场出现的温度影响不一致的原因,经分析和现场的安装位置有关。当温度变化不是很大的情况下,基本可以忽略此参数的影响。

(4)总修正方案。

DCS最后修正方程为:

A=(原始密度-f2(P)+f3(T))

DCS显示密度=f1(A)·A·K2·K3

式中,K2为管道系数;K3为煤种系数,针对每根管道单独进行标定;f1(A)为传感器的特征方程。

经过标定,SWR流量计在实际工况中的历史曲线如图2所示。


图2 SWR流量计在实际工况中的历史曲线

1.3 存在的问题及改进

(1)现场传感器的线路板安装采用接插件的方式,配线硬度较大,仪表在工作过程中煤粉管线的震动易使线路板接插件松动,造成接触不良,导致煤粉流量无显示。此问题已提交SWR总部,线路板经过改进后有效地杜绝了此类故障的发生。

(2)SWR流量计抗干扰能力较弱,中央处理器面对磁场的干扰表现为速度的波动,进而影响流量计量。所以二次表中央处理单元的安装应远离磁场,避免干扰信号的发生。

2 美国热电流量计

2.1 测量原理

放射性同位素产生的γ射线具有穿透物质的能力,对于一束准直的γ射线,在穿过管径为d,密度为ρ的被测介质后,入射到γ探测器上的射线强度I与ρ=0时的射线强度Io之间成指数关系,通过测量射线强弱的变化,可知道介质密度的大小。将放射源和射线探测器(闪烁探测器或电离室探测器)分别安装在被测管两侧,用计算机处理放射线探测器的输出信号,就可显示出被测介质的密度或浓度。

如将管道流量信号送入变送器,经计算机处理后,可显示被测介质的质量流量和积算值。

2.2 仪表系统的组成

DensityPRO密度计包括2个主要部分:放射源及铅罐、一体化变送器/探测器。

密度计所用放射源一般情况下使用Cs137,特殊情况下使用Co60,无论是Cs137还是Co60放射源均为密封型的放射源,不会造成环境污染。

放射源固定在一个容器内,这个容器由铅层和钢外壳及源开关装置组成,源容器内有一个射线通道(准直孔)。当源开关装置处于关闭状态时,从准直孔出来的γ射线被屏蔽;而当源开关处于开时,射线通过准直孔穿过被测管道射到探测器上。源罐的铅层厚度保证了从源罐泄露出的射线剂量不超过安全防护标准。

2.3 标定

在标定周期,密度计对探测器信号进行平均处理。标定的缺省周期时间为17min。平均的探测器信号提供在标准配置下的一个重复性非常好的信号测量值。

一旦完成标准测量,就可以对类似介质沉积在管壁造成不断增加的衰减等任何变化重复进行补偿。然后,密度计就可以基于新的标定值调整校准值。由于校准值是按照相对于标定值的一个比例系数存储的,所以不需要进行重新校准。无论什么时候计算出新的标定值,就自动对校准值进行调整。

2.4 校准

除非在对于悬浮液类型介质“管道充满载体”(对于溶液类型介质“管道充满溶剂”、对于乳液类型介质“管道充满液体1”)状态下完成了标定,必须用“设置密度,…”菜单组下的“密度计校准”菜单完成校准。如果需要校准测量,显示器显示“Unitshasnotbeencali-brated(密度计没有校准)”消息。需要校准时,单点校准对于很多应用是合适的。校准测量应该在实际介质上完成,该介质的密度接近正常工作期间预计的正常介质密度。校准测量时必须对介质进行采样以确定介质密度。密度计能够使用源罐(几何条件因子)、管道尺寸和介质类型等信息,通过计算与探测器信号变化对应的密度变化,测量其它密度值。需要更精确测量值时,可以进行两点标定。第二个校准值应用“斜率”校正因子将探测器信号转换为介质密度。应用两点校准时,尽量在靠近工作介质密度范围的一个端点完成第一点校准,然后,在另一端点完成第二点校准。

3 对比

在同样工况下,对比美国热电和SWR流量计在粉煤加压气化装置中的应用,采用SWR公司的Dens-Flow具有以下优点:

(1)仪表没有任何放射性物质,现场技术人员不用担心遭受核辐射的伤害。
(2)仪表标定、校准简单,可操作性强,减少了仪表人员的维护周期。
(3)采用GFK(增强玻璃纤维)内衬,耐高压、耐磨、防腐,SWR承诺传感器寿命大于3年,并提供相对应的传感器3年质量保证。
(4)速度测量范围可选(0~10m/s或0~20m/s),在浓相和稀相状态下均可准确测量,并且没有静电原理流量计速度测量范围必须大于4m/s的限制。
(5)采用一台仪表就可以完成煤粉的流速、浓度在线测量。
(6)DensFlow的测量管没有任何节流部件,无压力损失,免维护。
(7)不存在射源衰减的问题,仪表使用后期不会影响测量的精度。

如何选择适合使用的流量计

国内经济的持续发展和国家对节约能源消耗的系列举措,更促进了流量仪表的需求。特别是在城市天然气、煤气、工业用蒸汽及其它各类介质计量和各单内部成本核算等计量中,都迫切需要宽量程、高精度、高可靠性的计量仪表。差压式流量计以其技术成熟、结构简单、无可动部件、稳定可靠、适应面宽等优点独居流量计榜首。
差压流量计的组成
   目前差压流量计有以下3种组成方式:
1        一体式差压流量计,将节流装置、差压、压力、温度、计算显示集成为一个整体流量计。可以直接从表上显示流量,也可通过4-20mA电流远传测量值。
2        一体式差压流量变送器,将差压变送器直接安装到节流装置上,输出代表差压信号大小的4-20mA电信号,流量计算及温度、压力补偿由用户另外配置完成。
3        分别由节流装置、差压变送器、压力变送器、温度变送器、流量计算显示仪组成。也称为分体式差压流量计。
第3种是差压流量计的传统组成方式,近年的使用已大幅下降。
第2种方式不能称为流量计,它没有流量显示或输出,通常称为一体式差压流量变送器。它适合作为控制系统中的现场仪表使用。将4-20mA的差压信号送到控制系统,由控制系统进行计算后,得出被测的流量。
第1种是真正意义上的差压流量计,这种一体式差压流量计包含了一台流量计所必备的全部要素。也代表了差压流量计的发展方向。
选用流量计的一般原则
  要正确有效的选择流量测量方法和仪表,必须熟悉仪表和所测量的流体特性。同时还须考虑经济因素,总的来说有5点主要因素:性能要求、流体特性、安装要求、环境条件、费用高低。对某一使用场所可采用的仪表可能有多种方案,选择时如果只凭以往经验,或单考虑某一因素而贸然作出决定,就可能失去选择zui适合仪表的可能。但是要综合这些因素提出zui优方案也不是一件简单的事。下面根据我们多年的积累给大家提点建议,以供大家在选用流量计时参考。
4       准确度
   准确度是一台流量测量仪表非常重要的指标,同时也是在选表过程中容易忽略的重要指标。这里说的容易忽略是指用户在选表时对厂家提出的准确度未进行深一步的考虑。针对生产厂家标示的某台表的准确度,选表时须要进行深一步考虑的问题是:
5        误差的百分率是指引用误差(测量上限值或量程的百分率),还是相对误差。另外在现场使用的温度、压力和环境条件的变化都会产生附加误差。选用时应追求流量计的综合系统误差,不能迷信单一的精度指标。
6        生产厂家标出的准确度等级是否合符常理。有的厂家将插入式涡街、涡轮、文丘利等测量点流速的插入式仪表定为±1%或±1.5%。显然是不合常理的,属于将插入头的流速测量精度扩大到了流量测量精度的过度浮夸。
3、除了标准节流装置外的所有流量仪表都是非标流量仪表,出厂时均须进行实流标定才能得到适用的流量系数,因此须对标准装置要有所了解。流量计在工业现场工作的理想流场为充分发展紊流,因此要在充分发展紊流的标准装置上进行实流标定得到的仪表常数及准确度等级才有实际使用意义。
4、前面说的选用流量计时应追求它的综合系统误差,而不要迷信单一的精度指标。例如同样一台出厂时空气标定为1%的流量计,用于蒸汽测量时它的精度是多少?是个很难回答的问题,选用不同厂家的表,结果就会有很大的不同。主要问题就出在蒸汽密度的计算上各厂家及各种流量计有很大的不同,有些流量计甚至不区别对待过热蒸汽和饱合蒸汽,将二者混为一潭,这更将无法谈精度。
zui差的是给定密度值计算,工况温、压波动带来百分之几十的误差都不奇怪。再一种是直线公式计算密度,只能在很窄一段可行,工况温、压波动超出这一段后带来百分之十的误差很容易。还有一种是多折线(分段线性化)方式,在全量程范围内可达到3-5%的精度。要使用一台出厂标为1%的流量计达到蒸汽测量1.5%的精度,密度值计算必须采用查表方式进行,但此种流量计或流量积算仪为数极少。
  上面我们是以蒸汽测量为例,实际上对可压缩流体的测量都存在一个密度的计算问题。对液体介质的测量也有一个密度补偿(主要是温度变化)问题。故选表时一定要了解被选表的综合误差指标,不同厂家生产的同一类流量计之间存在较大差异。
7       范围度
  通常一台流量测量仪表的测量范围是指在保证准确度的前提下,该流量计能测量的zui大瞬时流量和zui小瞬时流量的比值。有些厂家为表示其范围度宽,在指标中将上限流量的流速提得很高。如液体流速提到5~10m/s,气体提到35~75m/s,实际这么高的流速一般是用不上的。流量测量范围度宽关健是要有较低的下限流速,以适应现场实际测量的需要。因此下限流速低的宽范围度的流量计才是实用的。建议选用时以液体流速5m/s,气体流速35m/s为上限来核算流量计的范围度。
8       压力损失
   流量测量仪表的*压力损失也是一个很重要的指标,*压力损失(不可恢复压损)过大带来的直接后果就是动力和能源的浪费。综合指标将压损选定在2-30 kpa之间,能满足绝大部份工业现场的要求。
9       长期可靠性
   流量测量仪表zui重要的就是长期工作的稳定性和可靠性,在选用流量计时应根据使用环境条件及使用状况来选择。长期使用应选择无可动部件,对脏污、粉尘等不敏感、对使用环境无特殊要求(振动、电滋干扰、温度变化等)的流量计,将长期稳定性放在*位。不过多追求性能上的高指标和功能上的多样性,从可靠性理论上讲,结构功能越复杂,可靠性越低,“简单就是”。因此从实际需要考虑流量仪表的性能与功能,选择zui优性能价格比的仪表才是正确的原则。
10    流量计种类的选择
   流量计的种类繁多,各有千秋。要选择一种适合自己特定应用场所的流量计,的确不是一件很容易的事。但全面综合考虑,差压式流量计具有的5大特点:技术成熟、结构简单、无可动部件、稳定可靠、适应面宽,目前还无一种流量计能与其相比,因此差压式流量计在国内外仍以60~70%的用量优势独居流量计的榜首。
  差压式流量计具有的5大特点之一的适应面宽,几乎可适用所有的现场需求。这一点也是其它种类的流量计达不到的。例如涡街、涡轮、旋进旋涡等流量计的选用,需要用户现场流量范围去适应流量计的要求。因为这几类流量计的特征尺寸是固定的,同一种管径的流量计测量的范围也是同样的,因此用户现场流量范围超出后便不能使用,除非进行工艺管道的改造(缩径或扩管)。
  差压式流量计是仪表去适应用户现场流量范围,每一台差压式流量计都是针对使用点的工况参数而专门设计制造的,不会出现用不好的情况。并且差压式流量计的节流件种类很多,几乎可适用所有的现场需求。如直管段不足可选V形锥,脏污、粘性可选楔形,高流速可选喷嘴,低压损可选V形锥、喷嘴、文丘利,贸易结算计量选标准节流装置等。
差压式流量计出厂配置
出厂配置共有以下三种,选用时请特别注意。
1  差压流量传感器(只提供节流装置部份)
只提供差压信号的形成部分(喷嘴、孔板、V型锥、楔型等任意一种节流装置),不提供差压变送器和流量显示部分,输出信号为节流件两端的压力差。由用户自己进行其它配置。
2  差压流量变送器
由节流装置部份(喷嘴、孔板、V型锥、楔型等任意一种节流装置)和差压变送器组成。输出信号为4-20mA电流的差压信号,由其它装置据此差压信号再计算出流量值。有分体式安装和一体式安装两种结构。
分体式差压流量变送器由独立的节流装置部份(喷嘴、孔板、V型锥、楔型等任意一种节流装置)和差压变送器组成。节流装置部份和差压变送器之间的引压管连接由用户自己完成。
一体式安装是产品出厂时己将差压变送器与节流装置部份连接成一体,用户购买一体式差压流量变送器后,使用时不需再连接引压管。但必需配接相应的流量计算器、压力变送器和温度变送器。
3  差压流量流量计
有分体式安装和一体式安装两种结构:
分体式安装由独立的节流装置(喷嘴、孔板、V型锥、楔型等任意一种节流装置)、差压、压力、温度变送器、流量计算仪、截止阀等部份组合而成。各部份之间的连接组合由用户自己完成。有防爆型及普通型两种。
一体式差压流量计由HX2003型智能显示仪和节流装置(喷嘴、孔板、V型锥、楔型等任意一种节流装置)一道组成。它自带有高品质的差压传感器、压力传感器,热电阻温度传感器。HX2003-型智能显示仪不仅在差压传感器量程范围自动适应,而且各种补偿系数如:流出系数C、流束膨张系数ε等均进行在线计算,真正实现了扩大量程的同时保证计量的精度。采用大屏幕LCD同屏显示累积流量、瞬时流量、瞬时压力、瞬时温度值,不用人工切换。带RS485通讯口或4-20mA两线制瞬时流量输出。分本安型防爆产品及普通型产品两大类。
 



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