碳化三段氣孔板流量計改造為畢托巴節(jié)能型流量
在化工生產中, 準確計量是企業(yè)提高經濟效益的重要手段, 同時又是產品質量的重要保障;加強計量管理工作, 實現(xiàn)消耗考核, 做到合理耗能、用料, 采用先進工藝技術及先進節(jié)能型產品均能有效減低企業(yè)運行成本。
公司碳化工段三段氣流量計量設施選用的孔板流量計, 數(shù)量54套;經運行10多年, 設備腐蝕、磨損嚴重, 導致計量偏差較大 (計量誤差>10%) , 制約公司先進技術的改造運用 (碳化APC先進控制系統(tǒng)實施) ;同時因壓力損失大 (4~10kPa) , 導致能源消耗高、浪費嚴重;亟需對三段氣流量計進行更新, 以獲取更準確、更穩(wěn)定的計量測量數(shù)據(jù), 為先進技術的運用夯實基礎。新設備選型要點為壓損小、防堵、節(jié)能型產品, 穩(wěn)定準確, 在線檢修維護便捷。
1、碳化三段氣 (中段氣、下段氣、清洗氣) 工藝參數(shù)：
碳化三段氣 (中段氣、下段氣、清洗氣) 流量測量使用差壓式流量計, 節(jié)流元件為標準環(huán)室孔板, 配EJA110型差壓變送器。流量計儀表共計54套, 設備數(shù)據(jù)概況如表1。
表1 碳化三段氣流量計設備概況
2、現(xiàn)用孔板流量計運行分析：
孔板為差壓式流量計, 屬于節(jié)流裝置。測量原理:充滿管道的流體流經管道內的節(jié)流裝置, 在節(jié)流件附近造成局部收縮, 流速增加, 在其上、下游兩側產生靜壓力差。對于一定形狀和尺寸的節(jié)流件、一定的測壓位置和前后直管段、一定的流體參數(shù)情況下, 節(jié)流件前后的差壓△P與流量Q之間關系符合伯努利方程。
表2 現(xiàn)用孔板流量計參數(shù)
根據(jù)JJG640-2016, 差壓式檢定規(guī)程節(jié)流件的標準節(jié)流裝置, 流出系數(shù)按式 (7) 計算, 流量系數(shù)按式 (8) 計算[1]:
式中:Cij———流量系數(shù);
β———孔板直徑比;
qs———工況體積流量, m3/s;
V———流體流速, m/s;
d———管道直徑, mm;
ρ1———介質工況密度, kg/m3;
ΔPij———差壓值, kPa。
及根據(jù)GB/T 2624.2-2006/ISO 5167-2:2003《用安裝在圓形截面管道中的差壓裝置測量滿管流體流量第2部分孔板》孔板的壓力損失
由公式 (6) 近似的表明與差壓ΔPij的關系:
式中:β———直徑比 (d/D) ;
C———流出系數(shù);
ΔP———差壓值, kPa。
計算得出孔板流量計壓力損失PPL (kPa) :
中段氣孔板
壓損PPL=5 262Pa=5.262kPa
下段氣孔板
壓損PPL=3 895Pa=3.895kPa
清洗氣孔板
壓損PPL=10 421Pa=10.421kPa
節(jié)流件壓損帶來的功率損失計算公式為:
式中:Q———流體體積流量, m3/s;
PPL———節(jié)流件產生的壓損, kPa。
根據(jù)上述公式可以估算三段氣流量在正常運行中由于孔板的壓力損失而折合成壓縮機的功率損失如下:
根據(jù)監(jiān)測, 日常生產中三段氣的正常流量均值為:Q中段氣=5 000m3/h、Q下段氣=4 000m3/h、Q清洗氣=11 000m3/h, 則節(jié)流件壓損帶來的功率損失分別為:Hp中段氣= (5 000m3/h÷3 600s/h) ×5.262kPa≈7.31kW/h, Hp下段氣= (4 000m3/h÷3 600s/h) ×3.895kPa≈4.33kW/h, Hp中段氣= (11 000m3/h÷3 600s/h) ×10.421kPa≈31.84kW/h。
按一年連續(xù)運行300天計算, 每天運行24h, 每度電的電費為0.35元, 那么一年三段氣流量儀表運行的能耗換算成電費分別為:中段氣33.16萬元, 下段氣19.64萬元, 清洗氣144.43萬元。則三段氣流量儀表每年消耗的電費約為197.23萬元。
3、畢托巴節(jié)能型流量計運行分析：
畢托巴流量計前身———智能探針式流量計, 是清華大學專利產品, 發(fā)改委的61號節(jié)能型產品。畢托巴流量計是國內目前公認的綜合性能***佳的流量測量儀表。測量原理:畢托巴是采用皮托管原理提取流體流速 (全壓-靜壓=動壓) 再換算成流體體積流量與質量流量的差壓式流量計;采用非收縮節(jié)流設計, 是一種高效、節(jié)能的中心速度流量探頭。
其優(yōu)越性能特點如下:
適用性強:傳感器適用各種流體和多種管道形式, 是目前國內國際一種執(zhí)行元件能做到測量各種流體的流量計;節(jié)約能源:畢托巴傳感器截流面積很小, 幾乎無壓力損失, 運行成本大大降低;測量流量范圍廣:氣體流速在1 m/s以上, 液體流速在0.1m/s以上的介質都可以測量。對低流速、小流量、大管徑測量效果尤佳;維護方便:傳感器本身無需維護, 不停產的情況下實現(xiàn)檢修。
根據(jù)公司三段氣流量計參數(shù), 計算出采用畢托巴流量計壓力損失:
表3 公司三段氣運用畢托巴節(jié)能型流量計選型
畢托巴流量計K=0.03
壓力損失計算公式為:PPL=KxΔP1
式中:ΔP———畢托巴產生的差壓, kPa;
PPL———畢托巴產生的壓損, kPa。
中段氣PPL=0.03×0.8≈0.03kPa
下段氣PPL=0.03×0.6≈0.02kPa
清洗氣PPL=0.03×2.77≈0.08kPa
節(jié)流件壓損帶來的功率損失計算公式為:
式中:Q———流體體積流量, m3/s;
PPL———節(jié)流件產生的壓損, kPa。
中段氣功率損失:Hp≈0.04kW
下段氣功率損失:Hp≈0.04kW
清洗氣功率損失:Hp≈0.40kW
按一年連續(xù)運行290天計算, 每天運行24h, 每度電的電費為0.35元, 那么一年54套畢托巴運行的能耗換算成電費:中段氣0.175萬, 下段氣0.175萬元, 清洗氣1.75萬元, 總計:2.1萬元。
4、安裝維護分析：
圖1 畢托巴流量計與孔板流量計
孔板:設備主體、導壓管及管閥件使用較多, 且須停產焊接安裝, 工程量大, 泄漏點多;定期清理難度大, 需停車解決;加之量程比較窄 (通常為4∶1) , 在工況發(fā)生較大變化時難以調整;氣體帶液時測量不準, 偏差較大, 影響工藝平穩(wěn)操作;設備維護難度較高。
畢托巴:采用單一的一體化結構, 安裝簡便:只需在管道合適的位置上打一個相當?shù)目?(φ20~φ30) , 把一次元件探針插入管道中心, 即可方便地進行安裝;泄漏點少;節(jié)省了大量安裝工作量及費用;可靈活進行拔出清理維護;量程比寬 (可達30∶1) , 氣體測量精度≤1%;在氣體測量具有較高的性價比;設備維護難度較低。
5、結論：
畢托巴采用非收縮節(jié)流設計, 和孔板流量計比較, 壓損降低了99.5%, 運行費用降低99%, 證明畢托巴流量計在運行使用中的節(jié)能降耗上有較大優(yōu)勢。