摘(zhai)要渦街流量(liang)計 因其儀表(biao)系數與流體(ti)特性無關、精(jīng)度高、寬量程(chéng)比和💚低壓損(sǔn)等優點，在化(hua)工領域的應(ying)用越來越廣(guang)。以熱解分級(jí)煉制新工藝(yì)對🐕煤及液化(huà)殘渣進行煉(liàn)制利用中的(de)産品之一熱(re)解氣爲例，介(jie)紹渦街流量(liang)計🌐的選型設(shè)計。
　　我國低階(jiē)煤資源儲藏(cang)豐富，占可采(cǎi)儲量40%以上。然(ran)而它的高效(xiao)利用一直是(shi)業内努力攻(gong)克的難題。低(dī)階煤含水量(liàng)高，熱值低，機(ji)械強度低，化(hua)學穩定性差(chà)。爲此，北京低(dī)碳清潔能源(yuán)研究所承擔(dān)國家高技術(shù)研究發展計(ji)♌劃項目課題(ti)“煤分級煉制(zhì)清潔燃料關(guān)鍵💘技術研究(jiū)”，采用熱解分(fèn)級煉制新工(gōng)藝對煤及液(ye)化💰殘渣進行(háng)煉制利用，在(zài)溫和的條件(jiàn)下對原料進(jìn)行加工處理(li)，分步驟地将(jiang)其中有用的(de)🚶‍♀️成分充分提(ti)取出來，得到(dào)的産品之☂️一(yi)爲熱解氣，去(qu)除焦油後的(de)熱解氣組成(chéng)👣見表1，本工程(chéng)💞中采用🐪渦街(jiē)流量計對其(qí)進行測量。

1渦(wo)街流量計概(gai)述
　　渦街流量(liang)計是20世紀70年(nián)代發展起來(lai)的一種新型(xing)流量儀表，80年(nián)代制定了渦(wo)街流量計專(zhuān)業标準(ZBN12008－1989)和檢(jiǎn)測規程(JJG620－1989)。渦街(jiē)流量計目前(qián)已發展成爲(wèi)主流流量儀(yí)表之一，因✏️其(qí)有諸多優點(dian)，吸引了國内(nei)外衆多研究(jiū)者和企業的(de)關注。研究者(zhě)從多方面對(duì)其進行深入(rù)的♋研究:①旋渦(wo)發生體的研(yan)究［1，2］;②壓電傳感(gǎn)器探頭位置(zhi)的研究［3］;③數字(zi)信号處理方(fang)法的研🍓究［4］;④渦(wō)街信号檢測(cè)方法的研究(jiū)［5］;⑤數值仿真方(fang)法的研究［6］
　　在(zai)衆多流量計(jì)中，渦街流量(liàng)計的安裝、運(yùn)行、維護費🔞低(di)于節💞流式、容(róng)積式等，購置(zhì)費低于容積(jī)式、質量式等(děng)，是一種♍實用(yòng)性和✌️經濟性(xing)都較好的流(liú)量計，受到用(yòng)戶廣泛歡迎(ying)。該流量計優(yōu)點如下:
(1)在一(yī)定雷諾數Ｒe範(fàn)圍内(2×104～2×106)，輸出頻(pín)率信号不受(shòu)流體物性(密(mi)度🏃🏻、粘🔞度)和組(zu)分變化影響(xiang)，即儀表系數(shu)僅與旋😘渦發(fa)生體的形狀(zhuang)尺🥵寸及㊙️管道(dào)的形狀尺寸(cun)有關，可以在(zai)一種典型介(jie)質中校驗而(ér)适用于各種(zhǒng)介質。
(2)精度較(jiào)高(與差壓式(shì)、浮子式流量(liang)計比較)。
(3)量程(chéng)比可達10∶1或20∶1，目(mu)前已有廠家(jiā)在研制适用(yòng)于氣體測量(liàng)🙇🏻能🥵達到80∶1的渦(wō)街流量計。
(4)壓(ya)損小(約爲孔(kong)闆流量計的(de)25%～50%)，大幅度降低(dī)能耗。
(5)結構簡(jian)單牢固，安裝(zhuāng)維護方便。
(6)使(shi)用範圍廣，可(ke)測量液體、氣(qì)體、蒸汽和部(bù)分混相流體(tǐ)🐉。
2渦街流量計(ji)的參數計算(suan)
2.1工作狀态和(he)标準狀态下(xià)的體積流量(liàng)換算
　　渦街流(liu)量計的輸出(chū)信号是與工(gōng)作狀态的體(ti)積流量成正(zheng)🧑🏾‍🤝‍🧑🏼比例，氣體的(de)體積流量受(shou)溫度、壓力影(yǐng)響較大，在流(liu)量計選型時(shi)，若提供的流(liu)量是标準狀(zhuàng)态下的體積(jī)流量或質量(liàng)流量，應把它(ta)換算成工作(zuò)狀态下的體(tǐ)積流量。
qV=qn(PnTZ/PTnZn)?????? (1)
式中(zhōng)，qV、qn分别爲工作(zuo)狀态和标準(zhun)狀态下的體(ti)積流量，m3/h;P、Pn分❌别(bie)爲工作狀态(tai)和标準狀态(tài)下14的絕對壓(ya)力，Pa;T、Tn分别爲工(gōng)作狀🏃态和标(biāo)準狀态下的(de)熱力學溫度(du)，K。
2.2雷諾數、壓力(lì)損失和背壓(ya)的計算
　　在渦(wo)街流量計選(xuǎn)擇流量計通(tōng)徑時，主要是(shi)對流量下限(xiàn)🌂值進行核算(suan)雷諾數，最小(xiǎo)雷諾數不應(yīng)低于下限雷(lei)📧諾數，即雷諾(nuò)數Ｒe≥2×104。在測量介(jiè)質爲液态時(shí)，還應檢查最(zui)小工作壓力(li)是否高于工(gōng)⛷️作溫度下的(de)飽和蒸汽壓(yā)，即是否産生(sheng)氣穴現象。
(1)雷(léi)諾數Ｒe是一個(ge)表針流體慣(guàn)性力與粘性(xìng)力之比的無(wú)量㊙️綱🚶‍♀️量:

式中(zhong)，Q爲體積流量(liang)，m3/h;D爲流量計内(nei)徑，mm;v爲運動粘(zhān)度，m2/s。
(2)壓力損失(shī):選擇流量計(ji)時，通常可能(néng)會對流量計(jì)的通徑進行(hang)适當縮小，以(yi)取得較大的(de)流速和合适(shi)的流量量程(chéng)。但是🌂如果縮(suō)徑過于嚴重(zhong)，可能會導緻(zhi)較大的壓力(li)損失，能耗會(huì)增加，因此在(zài)選擇流量計(ji)的通徑時，也(ye)需要适當考(kǎo)慮壓力🛀損失(shi)，盡可能減小(xiao)壓力損失。壓(yā)力損失△P計算(suàn):
△P=1.1×10－5ρ·V2　　　　　　　(3)
式中，△P爲壓力(lì)損失，kg/m2;ρ爲流體(ti)密度，kg/m3;V爲流速(su)，m/s。
(3)背壓:測量液(yè)體的流量時(shí)，要确認工藝(yì)管道的壓力(lì)對于較小✉️的(de)🌂公稱通徑而(er)言有足夠大(dà)的背壓，避免(mian)✏️氣穴産生。流(liu)量計下遊的(de)管道壓力應(ying)滿足:
P≥2.7△P+1.3P0(4)
式中，P爲(wei)流量計下遊(yóu)3.5～7.5D的最小管道(dào)壓力，kg/cm2(A);P0爲液體(ti)的飽和蒸汽(qì)壓，kg/cm2。
（4）根據工藝(yì)要求及現場(chǎng)安裝環境選(xuǎn)擇耐壓、耐溫(wen)等級、防護等(děng)級、防爆等級(ji)、輸出信号等(deng)。
3測量熱解氣(qi)的渦街流量(liàng)計的選型設(she)計
　　熱解氣的(de)組分如表1所(suǒ)述，其工藝參(cān)數:操作密度(du)0.63kg/m3，運動粘度2×10－5m2/s，操(cāo)作溫度48.9℃，操作(zuo)壓力7.5kPa，管道DN80，最(zui)小流量50Nm3/h，正常(chang)流量100Nm3/h，最大流(liú)量150Nm3/h，儀表測🈲量(liàng)範🚶‍♀️圍選擇0～180Nm3/h。
　　因(yin)爲本裝置爲(wèi)試驗裝置，在(zài)裝置運行的(de)過程中，業主(zhǔ)🌂可能會根據(jù)需要适當調(diào)整參數，因此(cǐ)選關鍵設👈備(bei)的工程可行(háng)🈲性、優化工藝(yì)參數的關鍵(jiàn)參數之一，因(yin)此使用精度(du)高一些的流(liú)量計也是有(yǒu)必要的;熱解(jiě)氣的組💛分随(suí)着參🏃🏻‍♂️數的調(diao)整🚶‍♀️也可能會(huì)發生變化，因(yīn)此基于伯努(nu)利方程原理(lǐ)的，如孔闆、噴(pen)嘴、阿牛巴、德(de)爾塔巴、平💞衡(héng)式等都不能(neng)很好的測量(liang)，因爲這類💚流(liú)量計受流體(ti)物性(密度⭐、粘(zhan)度)和組分變(bian)化影響，且最(zui)終的熱解氣(qì)産品📱或多或(huo)少都有焦油(yóu)的存在，時間(jiān)長了可能堵(dǔ)塞流量計。楔(xie)式⭐流量計帶(dai)自清潔的💁功(gōng)能，如果采用(yòng)法蘭取壓，變(biàn)送器采用隔(ge)膜密封式變(biàn)送器，其受焦(jiao)油的影響較(jiào)小，楔式流量(liàng)計的計算結(jié)果分别見圖(tu)1和圖2。


　　當H/D比爲(wèi)0.2時，其壓力損(sun)失達到4kPa，已經(jing)大于操作壓(yā)力的一半，此(ci)種方案不可(ke)取，當H/D比爲0.3時(shí)，其壓力損失(shi)爲1.09kPa，可以接受(shou)，但最小流量(liàng)時的差壓隻(zhī)有0.11kPa，甚至正常(cháng)流量時的差(chà)壓也隻♉有0.45kPa，由(you)于采用的是(shi)隔膜⛹🏻‍♀️密封式(shi)變送器，此時(shí)的✌️精度無法(fa)保證;另一類(lèi)是基于線性(xìng)連續方程原(yuan)理的，如渦街(jiē)流量計、質量(liàng)流量計等，考(kao)慮到🎯本裝置(zhì)爲一個實驗(yan)裝置，質量流(liú)量計價格昂(ang)貴，因此綜合(hé)考慮介質和(hé)裝置的特殊(shū)性㊙️、壓損、精度(du)和費用等因(yīn)素，選用渦街(jiē)流量計測量(liang)熱解㊙️氣💚的流(liu)量。
由式(1)可得(de)最小流量對(duì)應的工作狀(zhuàng)态下的體積(ji)流💁量:

由上述(shu)計算結果可(kě)知，當流量計(jì)縮徑至DN40時，雷(lei)諾數即♋可滿(man)足要求。
按式(shì)(3)可以核算下(xia)DN50和DN40口徑下的(de)最大壓損:
DN50時(shí):
△P=1.1×10－5×0.63×262=4.7×10－3kg/m2=0.46kPaDN40時:
△P=1.1×10－5×0.63×402=11.1×10－3kg/m2=1.09kPa
利用橫河(hé)公司計算軟(ruan)件計算出來(lai)的結果見圖(tú)3。

　　從圖3可見(jian)，出流量計口(kǒu)徑爲DN80時，最小(xiao)流量無法測(cè)量;流量⛱️計口(kǒu)徑縮徑至DN50時(shí)，最小流量可(ke)測(此時流體(ti)的雷諾數非(fēi)常接近2×104)，但此(cǐ)時的測量精(jīng)度稍微差些(xiē);流量計口徑(jing)縮徑至DN40時，最(zui)小流量可測(ce)，且精度也能(néng)得到保證。用(yòng)上述公式🚶計(jì)算的壓♉損與(yǔ)軟件計算出(chu)來☂️的也基本(běn)一緻，差别來(lai)自計算時流(liú)速🌍及流量計(ji)口♍徑均采用(yong)的是估算值(zhí)。如果流量計(ji)縮徑至DN25時，流(liú)量計的壓損(sun)已經達到7.6kPa，壓(ya)損🌏較大，無法(fa)⁉️滿足工藝要(yào)求🈲。因此選擇(zé)DN40口徑的流量(liang)計能滿足要(yào)求。對于DN50口徑(jing)的🎯方案，如果(guǒ)流量大于54Nm3/h時(shi)，流量計的精(jing)度爲此款流(liú)量計的精度(dù)，爲1.0%，當流量爲(wei)50Nm3/h時，此時流量(liàng)可測，隻是精(jīng)度🈚稍差些，約(yue)爲1.81%，但流量計(ji)的㊙️壓損會小(xiǎo)很多，從節能(neng)降耗方面考(kao)慮，選擇DN50口徑(jìng)的✨流量計也(yě)是可以的。綜(zōng)上，選擇DN40和DN50口(kou)♊徑的渦街流(liu)量計都能滿(mǎn)足要🤩求。
　　操作(zuo)溫度爲48.9℃，沒有(you)特殊性，選擇(zé)普通的渦街(jiē)流量計即可(ke)👉;根據現場情(qing)況，流量計爲(wei)露天安裝，防(fang)護等級✏️選擇(ze)IP65即可;根據《爆(bào)炸危險🈲環境(jing)電力裝置設(shè)計規範》GB50058－2014，本裝(zhuang)置中各介質(zhi)所在組别屬(shǔ)🆚于危險物料(liao)，見表2。因此儀(yi)表的防爆标(biao)志選擇ExiaⅡCT4Gb即能(néng)🚩滿足要求。根(gen)據項目🔞統一(yi)要求輸出信(xin)号選擇🏒爲4～20mA+HAＲT。

　　至(zhi)此，渦街流量(liàng)計的選型已(yǐ)完成，但考慮(lǜ)到熱解氣🐕中(zhōng)焦油🌈的♊存在(zai)，選擇渦街流(liu)量計時，需要(yào)注意:①不能選(xuan)用因爲技術(shu)需要而在渦(wo)街流量計中(zhōng)設計了小孔(kong)結構的流量(liàng)計，因爲焦油(you)有可能堵塞(sai)這些孔，從而(er)失去其原有(yǒu)的作用;②焦油(yóu)有🤟可能附着(zhe)在旋渦發生(shēng)體上，從而改(gǎi)變其結構，影(ying)響測量精度(dù)，因此需要采(cǎi)用帶防粘附(fu)作用的發生(sheng)體，另外考慮(lǜ)到熱解氣中(zhōng)焦油的含量(liàng)較小，且由于(yu)旋渦的㊙️存在(zài)，其有剝離附(fu)着在發生體(tǐ)上的焦油的(de)作用，因此認(rèn)爲其對測量(liang)精度的💃🏻影響(xiang)比較小。
4結語(yu)
　　目前項目已(yǐ)經開車成功(gōng)，渦街流量計(jì)現場使用效(xiào)果特别好🌈，在(zài)整個實驗的(de)過程中，都能(neng)很準确地測(ce)出熱解氣的(de)流量，深受業(ye)主好評。現場(chǎng)的使用結果(guǒ)表明，在🥰發生(sheng)體帶防粘附(fù)作用的情況(kuang)⚽下，低含量的(de)焦油對流量(liàng)計的測量精(jing)度影響不大(da)。目前化工廠(chǎng)🔞常用的流量(liàng)計節流裝置(zhi)(孔闆等)，其受(shou)🌐流體物性影(ying)響大，量程比(bi)一般隻有3:1，且(qie)容易出現堵(dǔ)塞，直管☁️段要(yao)求甚至高達(da)50倍管徑，另外(wai)㊙️導壓系統還(hai)容易出現洩(xie)漏。渦街流量(liang)計因其儀表(biao)系數與流體(ti)特性無關(氣(qì)液通用)、精🌈度(dù)高、寬量程🌂比(bǐ)和低壓損等(deng)優點，是節流(liu)裝置的理想(xiang)替代品，但隻(zhī)有正确設計(jì)、正确選型以(yi)及正确安裝(zhuang)的條件下才(cái)能發揮其應(ying)有的作用。

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