緊湊型布置裝置多孔孔板中差壓式流量計(jì)類型的
摘要：針對(duì)現(xiàn)在石油化工裝置布置緊湊、設(shè)計(jì)周期短等要求, 標(biāo)準(zhǔn)節(jié)流式差壓流量計(jì)直管段要求無(wú)法得到滿足的問(wèn)題非常突出。以孔板為例, 比較分析了幾種常用節(jié)流式差壓流量計(jì)的結(jié)構(gòu)、精度, 著重分析對(duì)安裝直管段的要求, 從而提出了在緊湊型化工裝置中較適宜的流量計(jì)選型。
現(xiàn)今石油化工裝置布置往緊湊型方向發(fā)展已成為一個(gè)趨勢(shì), 在保證設(shè)備安裝、工藝需求之后, 儀表的安裝空間越來(lái)越受限制, 作為石油化工裝置中應(yīng)用較為廣泛的標(biāo)準(zhǔn)節(jié)流式差壓流量計(jì), 由于其較長(zhǎng)的直管段要求, 經(jīng)常成為工藝布管的痛點(diǎn)。并且現(xiàn)在工程設(shè)計(jì)基本都是時(shí)間緊、周期短, 工藝布管與儀表設(shè)計(jì)采購(gòu)并行, 在布管的時(shí)候大部分儀表尚未完成設(shè)計(jì)及訂貨, 為設(shè)計(jì)進(jìn)度的要求, 通常讓配管按照***大的直管段要求預(yù)留空間, 這對(duì)緊湊型的裝置布置來(lái)說(shuō)常常是難以實(shí)現(xiàn)的, 往往產(chǎn)生不少遺留問(wèn)題。本文通過(guò)對(duì)常用的節(jié)流式差壓流量測(cè)量?jī)x表的分析對(duì)比, 提出了在這種情況下較適宜的流量計(jì)選型。
1、節(jié)流式差壓測(cè)量原理及直管段要求：
節(jié)流元件是節(jié)流式差壓流量計(jì)的測(cè)量元件, 其測(cè)量原理是利用在管道中的定常流流經(jīng)節(jié)流件后產(chǎn)生壓差與流量的對(duì)應(yīng)關(guān)系, 計(jì)算得出通過(guò)流體的流量值。圖1是流體流經(jīng)單孔節(jié)流件壓力和流速的變化圖, 差壓越大, 流速越快。其由流動(dòng)連續(xù)方程和伯努力方程推導(dǎo)的流量計(jì)算公式如式 (1) 所示。
式中qm——質(zhì)量流量, kg/s;
qv——體積流量, m3/s;
c——流出系數(shù);
ε——可膨脹系數(shù);
β——直徑比;
d——工作條件下節(jié)流件的孔徑, m;
D——工作條件下上游管道內(nèi)徑, m;
?p——差壓, Pa;
ρ1——上游流體密度, kg/m3。
圖1 流經(jīng)單孔節(jié)流件壓力和流速變化Fig.1 Pressure and flow velocity change through the single-hole throttle element
從節(jié)流式差壓流量測(cè)量原理和計(jì)算公式中, 可看出該流量測(cè)量方式是以流速為基礎(chǔ)的, 其實(shí)對(duì)絕大多數(shù)常用流量?jī)x表來(lái)說(shuō), 流速分布對(duì)流量計(jì)測(cè)量精度有相當(dāng)關(guān)鍵的作用, 國(guó)內(nèi)外行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)為此都明確規(guī)定了流量?jī)x表應(yīng)有足夠的前后直管段, 只有當(dāng)管內(nèi)的流速分布達(dá)到充分紊流, 才能具有確定的分布規(guī)律, 才能保證測(cè)量的度。
孔板是節(jié)流式差壓流量計(jì)中***常用的一種類型。多孔孔板流量計(jì)是節(jié)流式差壓流量計(jì)的一種, 測(cè)量機(jī)制同樣基于上述基本測(cè)量原理和計(jì)算公式。其多孔的結(jié)構(gòu)近似一個(gè)整流器, 孔的尺寸和分布是基于廠家特殊的公式和測(cè)試數(shù)據(jù)而定制的, 流體流經(jīng)這些多孔時(shí)被平衡整流成近似理想流體。多孔孔板流量計(jì)本身具備的這個(gè)功能使其可以縮短對(duì)直管段的要求。
為確保工藝裝置流量測(cè)量精度要求, 在設(shè)計(jì)階段就必須考慮管道安裝流量計(jì)需要的直管段, 大部分常用流量計(jì)都有一定的直管段要求。
2、設(shè)計(jì)階段直管段的確定與存在問(wèn)題：
標(biāo)準(zhǔn)節(jié)流裝置有國(guó)際公認(rèn)的各種數(shù)據(jù), 其加工都有要求, 與其配合的差壓變送器度, 已從早年的±2.5%提高到了至今的±0.025%, 提高了100倍, 因此提高計(jì)量度關(guān)鍵是減少管路直管段長(zhǎng)度要求, 以保證計(jì)量孔板的度。
標(biāo)準(zhǔn)孔板是工程設(shè)計(jì)中***常用的流量測(cè)量元件, 按標(biāo)準(zhǔn)GB/T 2624.2—2006《用安裝在圓形截面管道中的差壓裝置測(cè)量滿管流體流量》第2部分:孔板及HG/T 21581—2010《自控安裝圖冊(cè)》, 其直管段長(zhǎng)度要求為~44D/ (4~8) D (孔板前/孔板后) [1], 其工藝決定因素有孔板前的不同管件彎頭及管道變徑, 這些在管路中一般是不可變的, 孔板本身β (孔板孔徑/管道內(nèi)徑) 對(duì)直管段要求也有比較大的影響。孔板前, 同一平面上2個(gè)90°彎頭時(shí), 當(dāng)β=0.50時(shí)直管段為22D/10D, 當(dāng)β=0.75時(shí)直管段為44D/20D[1]。在采用標(biāo)準(zhǔn)孔板流量計(jì)時(shí)其直管段要求, 孔板前/孔板后一般按20D/5D考慮, 有些重要的控制或聯(lián)鎖場(chǎng)合, 為保證其數(shù)據(jù), 會(huì)考慮將配管拉長(zhǎng), 對(duì)在大管道中的應(yīng)用將會(huì)擴(kuò)大占地。
對(duì)于緊湊型現(xiàn)場(chǎng)布置的工程設(shè)計(jì), 需解決的難題是: (1) 其一采用標(biāo)準(zhǔn)孔板或其他單孔節(jié)流元件沒(méi)有足夠的直管段長(zhǎng)度可以留出, 尤其是大管道流量測(cè)量。 (2) 設(shè)計(jì)階段在未能確定β值的情況下, 為滿足設(shè)計(jì)進(jìn)度提供配管直管段要求時(shí), 往往為確保測(cè)量精度會(huì)取值偏大, 但又會(huì)大大提高配管難度。
3、幾種孔板流量計(jì)的結(jié)構(gòu)和理論直管段要求對(duì)比：
標(biāo)準(zhǔn)孔板僅中間一個(gè)節(jié)流孔, 直管段要求長(zhǎng);多孔孔板流量計(jì)采用多個(gè)節(jié)流孔, 常用的對(duì)稱4孔、對(duì)稱多孔等。其中多孔節(jié)流的平衡流量計(jì)采用中間節(jié)流孔與周圍多功能孔結(jié)合的結(jié)構(gòu), 功能孔具有整流的功能, 可明顯縮短直管段長(zhǎng)度要求。表1以A+K平衡流量計(jì) (多孔平衡) 和Rosemount 405C緊湊型四孔孔板與Rosemount 405P緊湊型單孔孔板為例進(jìn)行結(jié)構(gòu)對(duì)比。
表1 405P、405C、A+K平衡流量計(jì)典型結(jié)構(gòu)圖示Tab.1 Typical structure of 405P, 405C (four holes) and balanced flow element
對(duì)A+K平衡流量計(jì)按美國(guó)航天局 (NASA) 的數(shù)據(jù)及華東理工大學(xué)的對(duì)A+K的測(cè)試報(bào)告, 一般工況為2D/2D或更短[2-3]。
對(duì)405C按羅斯蒙特緊湊型一次元件數(shù)據(jù), 一般工況為 (2D/2D) ~ (5D/2D) , 見表2。
對(duì)405P緊湊型單孔孔板的直管段要求, 不同的應(yīng)用場(chǎng)合, 其直管段要求差別相當(dāng)大, 見表3。
從表2、表3可看出多孔節(jié)流與整流結(jié)合使直管段大大縮短。
從以上分析可知, 一般工況下, 選用多孔孔板均可按5D/2D預(yù)留管道直管段就能保證檢測(cè)度, 同時(shí)使車間管道布置對(duì)所占空間的要求大大降低 (因標(biāo)準(zhǔn)孔板 (6~44) D/ (4~8) D考慮參見GB/T2624.2—2006《用安裝在圓形截面管道中的差壓裝置測(cè)量滿管流體流量》第2部分:孔板[1], 參見表3) , 裝置布置更加緊湊。當(dāng)然, 對(duì)非表2、3所述工況, 必須采用更大β工況時(shí), 可以優(yōu)化β, 使直管段、度及壓損等指標(biāo)處在合適的狀態(tài)。
表2 405C緊湊型4孔孔板直管段要求Tab.2 The strength pipe demanded of 405C (four hole plate)
表3 405P緊湊型單孔孔板直管段要求Tab.3 The strength pipe demanded of 405P (standard orifice plate)
4、實(shí)際工況數(shù)據(jù)計(jì)算比較：
以下列舉某工藝裝置中兩處流量測(cè)量?jī)x表的計(jì)算選型比較, 分析合理的選型結(jié)果。儀表的工藝要求如表4。
表4中1#處的流量計(jì), 用于測(cè)量30" (750mm) 管道內(nèi)的循環(huán)水流量, 從三維配管模型上看, 水平管道基本上沒(méi)有安裝空間, 豎直管道前后彎頭之前距離約4 m。分別用標(biāo)準(zhǔn)孔板、四孔孔板和平衡流量計(jì)的計(jì)算和安裝要求對(duì)比見表5。
采用標(biāo)準(zhǔn)孔板計(jì)算, 此工況下孔板β=0.65, 壓損22.9 k Pa, 根據(jù)GB/T 2624.2—2006《用安裝在圓形截面管道中的差壓裝置測(cè)量滿管流體流量》第2部分:孔板[1], 該β值下保證測(cè)量精度的***小前后直管段要求是44D/20D (孔板前/后) , 即要求其安裝管道上至少要有約15 m的直管段。顯然, 該直管段要求無(wú)法滿足。
采用四孔孔板流量計(jì)計(jì)算, β=0.67, 壓損14.7 k Pa, 直管段要求為2D/2D, 該處4 m的管道空間足夠安裝。
表4 某工藝裝置中兩處流量?jī)x表的工藝參數(shù)Tab.4 Process requirement for flow-meters
表5 1#工藝參數(shù)的流量計(jì)計(jì)算和安裝要求Tab.5 Calculation and installation requirement of orifice plate, four-hole plate and banlanced flow-meter for 1#process data
采用平衡流量計(jì)計(jì)算, β=0.70, 壓損8.47k Pa, 直管段要求為2D/2D, 加上流量計(jì)本身約220mm的長(zhǎng)度, 該處4 m的管道空間剛好足夠。
基于以上分析計(jì)算, 1#工況下選用多孔孔板流量計(jì)從直管段要求和壓損比較上, 尤其是直管段要求上, 都要優(yōu)于標(biāo)準(zhǔn)孔板, 而且平衡流量計(jì)的壓損更小。
2) 表4中2#處的流量計(jì), 用于測(cè)量8"管道內(nèi)氧氣介質(zhì)的流量, 此處約有7 m的直管安裝空間, 分別用標(biāo)準(zhǔn)孔板、四孔孔板和A+K平衡流量計(jì)的計(jì)算和安裝要求對(duì)比見表6。
從表6中可以看出, 三種流量?jī)x表計(jì)算出來(lái)的β值都能滿足要求;從差壓要求來(lái)看, 三種方式都可滿足工藝允許壓損的要求, 標(biāo)準(zhǔn)孔板壓損相對(duì)較大, A+K平衡流量計(jì)的壓損***小, 多孔孔板的差壓在允許壓損范圍內(nèi), A+K平衡流量計(jì)的壓損更小。
表6 2#工藝參數(shù)的流量計(jì)計(jì)算和安裝要求Tab.6 Calculation and installation requirement of orifice plate, four-hole plate and banlanced flow-meter for 2#process data
從不確定度來(lái)看, A+K平衡流量計(jì)的度***高;從安裝的直管段要求來(lái)看, 標(biāo)準(zhǔn)孔板直管段要求***長(zhǎng), 四孔孔板和A+K平衡流量計(jì)前后直管段要求一致。以上方面比較, 在滿足各項(xiàng)工藝參數(shù)要求的情況下, A+K平衡流量計(jì)可節(jié)省更多的安裝空間要求, 裝置布置更緊湊。
5、結(jié)束語(yǔ)：
孔板作為節(jié)流式差壓流量計(jì)的一種類型, 由于其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)和可靠, 能涵蓋大部分的工藝工況, 在生產(chǎn)裝置中廣泛的應(yīng)用, 但標(biāo)準(zhǔn)孔板要求其安裝管道必須有幾十倍管徑的直管段來(lái)保證流體平衡以保證測(cè)量的度, 這個(gè)要求在現(xiàn)在快節(jié)奏的工程設(shè)計(jì)以及緊湊的工藝布置中難以得到充分滿足。多孔孔板流量計(jì)在標(biāo)準(zhǔn)孔板的基礎(chǔ)上, 采取多孔流通的方式, 用節(jié)流加整流來(lái)優(yōu)化直管段的問(wèn)題, 大大避免了標(biāo)準(zhǔn)孔板在使用時(shí)壓損大, 前后直管段要求長(zhǎng)的缺點(diǎn), 同時(shí)比文丘里更經(jīng)濟(jì), 在緊湊型化工裝置中是較好的流量測(cè)量?jī)x表選擇。