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紧凑型布置装置多孔孔板中差压式流量计类型的



摘要:针对现在石油化工装置布置紧凑、设计周期短等要求, 标准节流式差压流量计直管段要求无法得到满足的问题非常突出。以孔板为例, 比较分析了几种常用节流式差压流量计的结构、精度, 着重分析对安装直管段的要求, 从而提出了在紧凑型化工装置中较适宜的流量计选型。

  现今石油化工装置布置往紧凑型方向发展已成为一个趋势, 在保证设备安装、工艺需求之后, 仪表的安装空间越来越受限制, 作为石油化工装置中应用较为广泛的标准节流式差压流量计, 由于其较长的直管段要求, 经常成为工艺布管的痛点。并且现在工程设计基本都是时间紧、周期短, 工艺布管与仪表设计采购并行, 在布管的时候大部分仪表尚未完成设计及订货, 为设计进度的要求, 通常让配管按照最大的直管段要求预留空间, 这对紧凑型的装置布置来说常常是难以实现的, 往往产生不少遗留问题。本文通过对常用的节流式差压流量测量仪表的分析对比, 提出了在这种情况下较适宜的流量计选型。

1、节流式差压测量原理及直管段要求:

  节流元件是节流式差压流量计的测量元件, 其测量原理是利用在管道中的定常流流经节流件后产生压差与流量的对应关系, 计算得出通过流体的流量值。图1是流体流经单孔节流件压力和流速的变化图, 差压越大, 流速越快。其由流动连续方程和伯努力方程推导的流量计算公式如式 (1) 所示。

计算公式

 

式中qm——质量流量, kg/s;

qv——体积流量, m3/s;

c——流出系数;

ε——可膨胀系数;

β——直径比;

d——工作条件下节流件的孔径, m;

D——工作条件下上游管道内径, m;

p——差压, Pa;

ρ1——上游流体密度, kg/m3。

图1 流经单孔节流件压力和流速变化Fig.1 Pressure and flow velocity change through the single-hole throttle element

图1 流经单孔节流件压力和流速变化Fig.1 Pressure and flow velocity change through the single-hole throttle element

  从节流式差压流量测量原理和计算公式中, 可看出该流量测量方式是以流速为基础的, 其实对绝大多数常用流量仪表来说, 流速分布对流量计测量精度有相当关键的作用, 国内外行业标准为此都明确规定了流量仪表应有足够的前后直管段, 只有当管内的流速分布达到充分紊流, 才能具有确定的分布规律, 才能保证测量的精确度。

  孔板是节流式差压流量计中最常用的一种类型。多孔孔板流量计是节流式差压流量计的一种, 测量机制同样基于上述基本测量原理和计算公式。其多孔的结构近似一个整流器, 孔的尺寸和分布是基于厂家特殊的公式和测试数据而定制的, 流体流经这些多孔时被平衡整流成近似理想流体。多孔孔板流量计本身具备的这个功能使其可以缩短对直管段的要求。

  为确保工艺装置流量测量精度要求, 在设计阶段就必须考虑管道安装流量计需要的直管段, 大部分常用流量计都有一定的直管段要求。

2、设计阶段直管段的确定与存在问题:

  标准节流装置有国际公认的各种数据, 其加工都有要求, 与其配合的差压变送器精确度, 已从早年的±2.5%提高到了至今的±0.025%, 提高了100倍, 因此提高计量精确度关键是减少管路直管段长度要求, 以保证计量孔板的精确度。

  标准孔板是工程设计中最常用的流量测量元件, 按国家标准GB/T 2624.2—2006《用安装在圆形截面管道中的差压装置测量满管流体流量》第2部分:孔板及HG/T 21581—2010《自控安装图册》, 其直管段长度要求为~44D/ (4~8) D (孔板前/孔板后) [1], 其工艺决定因素有孔板前的不同管件弯头及管道变径, 这些在管路中一般是不可变的, 孔板本身β (孔板孔径/管道内径) 对直管段要求也有比较大的影响。孔板前, 同一平面上2个90°弯头时, 当β=0.50时直管段为22D/10D, 当β=0.75时直管段为44D/20D[1]。在采用标准孔板流量计时其直管段要求, 孔板前/孔板后一般按20D/5D考虑, 有些重要的控制或联锁场合, 为保证其数据, 会考虑将配管拉长, 对在大管道中的应用将会扩大占地。

  对于紧凑型现场布置的工程设计, 需解决的难题是: (1) 其一采用标准孔板或其他单孔节流元件没有足够的直管段长度可以留出, 尤其是大管道流量测量。 (2) 设计阶段在未能确定β值的情况下, 为满足设计进度提供配管直管段要求时, 往往为确保测量精度会取值偏大, 但又会大大提高配管难度。

3、几种孔板流量计的结构和理论直管段要求对比:

  标准孔板仅中间一个节流孔, 直管段要求长;多孔孔板流量计采用多个节流孔, 常用的对称4孔、对称多孔等。其中多孔节流的平衡流量计采用中间节流孔与周围多功能孔结合的结构, 功能孔具有整流的功能, 可明显缩短直管段长度要求。表1以A+K平衡流量计 (多孔平衡) 和Rosemount 405C紧凑型四孔孔板与Rosemount 405P紧凑型单孔孔板为例进行结构对比。

表1 405P、405C、A+K平衡流量计典型结构图示Tab.1 Typical structure of 405P, 405C (four holes) and balanced flow element 

表1 405P、405C、A+K平衡流量计典型结构图示Tab.1 Typical structure of 405P, 405C (four holes) and balanced flow element

  对A+K平衡流量计按美国航天局 (NASA) 的数据及华东理工大学的对A+K的测试报告, 一般工况为2D/2D或更短[2-3]。

  对405C按罗斯蒙特紧凑型一次元件数据, 一般工况为 (2D/2D) ~ (5D/2D) , 见表2。

  对405P紧凑型单孔孔板的直管段要求, 不同的应用场合, 其直管段要求差别相当大, 见表3。

  从表2、表3可看出多孔节流与整流结合使直管段大大缩短。

  从以上分析可知, 一般工况下, 选用多孔孔板均可按5D/2D预留管道直管段就能保证检测精确度, 同时使车间管道布置对所占空间的要求大大降低 (因标准孔板 (6~44) D/ (4~8) D考虑参见GB/T2624.2—2006《用安装在圆形截面管道中的差压装置测量满管流体流量》第2部分:孔板[1], 参见表3) , 装置布置更加紧凑。当然, 对非表2、3所述工况, 必须采用更大β工况时, 可以优化β, 使直管段、精确度及压损等指标处在合适的状态。

表2 405C紧凑型4孔孔板直管段要求Tab.2 The strength pipe demanded of 405C (four hole plate)

表2 405C紧凑型4孔孔板直管段要求Tab.2 The strength pipe demanded of 405C (four hole plate)

表3 405P紧凑型单孔孔板直管段要求Tab.3 The strength pipe demanded of 405P (standard orifice plate) 

表3 405P紧凑型单孔孔板直管段要求Tab.3 The strength pipe demanded of 405P (standard orifice plate)

4、实际工况数据计算比较:

  以下列举某工艺装置中两处流量测量仪表的计算选型比较, 分析合理的选型结果。仪表的工艺要求如表4。

  表4中1#处的流量计, 用于测量30" (750mm) 管道内的循环水流量, 从三维配管模型上看, 水平管道基本上没有安装空间, 竖直管道前后弯头之前距离约4 m。分别用标准孔板、四孔孔板和平衡流量计的计算和安装要求对比见表5。

  采用标准孔板计算, 此工况下孔板β=0.65, 永久压损22.9 k Pa, 根据GB/T 2624.2—2006《用安装在圆形截面管道中的差压装置测量满管流体流量》第2部分:孔板[1], 该β值下保证测量精度的最小前后直管段要求是44D/20D (孔板前/后) , 即要求其安装管道上至少要有约15 m的直管段。显然, 该直管段要求无法满足。

  采用四孔孔板流量计计算, β=0.67, 永久压损14.7 k Pa, 直管段要求为2D/2D, 该处4 m的管道空间足够安装。

表4 某工艺装置中两处流量仪表的工艺参数Tab.4 Process requirement for flow-meters

表4 某工艺装置中两处流量仪表的工艺参数Tab.4 Process requirement for flow-meters

表5 1#工艺参数的流量计计算和安装要求Tab.5 Calculation and installation requirement of orifice plate, four-hole plate and banlanced flow-meter for 1#process data    

表5 1#工艺参数的流量计计算和安装要求Tab.5 Calculation and installation requirement of orifice plate, four-hole plate and banlanced flow-meter for 1#process data

  采用平衡流量计计算, β=0.70, 永久压损8.47k Pa, 直管段要求为2D/2D, 加上流量计本身约220mm的长度, 该处4 m的管道空间刚好足够。

  基于以上分析计算, 1#工况下选用多孔孔板流量计从直管段要求和永久压损比较上, 尤其是直管段要求上, 都要优于标准孔板, 而且平衡流量计的永久压损更小。

2) 表4中2#处的流量计, 用于测量8"管道内氧气介质的流量, 此处约有7 m的直管安装空间, 分别用标准孔板、四孔孔板和A+K平衡流量计的计算和安装要求对比见表6。

  从表6中可以看出, 三种流量仪表计算出来的β值都能满足要求;从差压要求来看, 三种方式都可满足工艺允许压损的要求, 标准孔板压损相对较大, A+K平衡流量计的压损最小, 多孔孔板的差压在允许压损范围内, A+K平衡流量计的压损更小。

表6 2#工艺参数的流量计计算和安装要求Tab.6 Calculation and installation requirement of orifice plate, four-hole plate and banlanced flow-meter for 2#process data   

表6 2#工艺参数的流量计计算和安装要求Tab.6 Calculation and installation requirement of orifice plate, four-hole plate and banlanced flow-meter for 2#process data

  从不确定度来看, A+K平衡流量计的精确度最高;从安装的直管段要求来看, 标准孔板直管段要求最长, 四孔孔板和A+K平衡流量计前后直管段要求一致。以上方面比较, 在满足各项工艺参数要求的情况下, A+K平衡流量计可节省更多的安装空间要求, 装置布置更紧凑。

5、结束语:

  孔板作为节流式差压流量计的一种类型, 由于其结构简单、经济和可靠, 能涵盖大部分的工艺工况, 在生产装置中广泛的应用, 但标准孔板要求其安装管道必须有几十倍管径的直管段来保证流体平衡以保证测量的精确度, 这个要求在现在快节奏的工程设计以及紧凑的工艺布置中难以得到充分满足。多孔孔板流量计在标准孔板的基础上, 采取多孔流通的方式, 用节流加整流来优化直管段的问题, 大大避免了标准孔板在使用时压损大, 前后直管段要求长的缺点, 同时比文丘里更经济, 在紧凑型化工装置中是较好的流量测量仪表选择。



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