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涡街流量计在氧化铝生产蒸汽计量中的应用分析
点击次数:559 发布时间:2016-05-12

1、氧化铝生产中蒸汽消耗分布及目前的现状
在拜耳法氧化铝生产中, 工艺综合能耗主要由蒸汽、 电力、 水、 压缩空气和燃料组成, 其中蒸汽是氧化铝生产的主要能源消耗指标之一, 汽耗的高低直接反映这个企业的生产管理和驾驭生产的能力。
以某一氧化铝为例, 工艺综合能耗约15. 2GJ/t-A l 2 O 3 , 蒸汽约占42% , 其中蒸汽由高压蒸汽和低压蒸汽两部分组成。 表1为某氧化铝企业高低压蒸汽消耗点。
以表1为例, 氧化铝企业蒸汽需要计量点一般在8~10个, 用汽量从3. 5~206t/h不等, 温度和压力也不尽相同。
目前, 在氧化铝企业蒸汽计量仪表通常采用两大类, 一类是基于伯努力方程原理的, 如差压孔板﹑音速喷嘴、 阿牛巴、 德尔塔巴、 平衡式等, 在这类仪表中, 又以差压孔板、 阿牛巴、 德尔塔巴占比较多;另一类是基于线性连续方程原理的, 如涡流量计、质量流量计, 由于质量流量计价格昂贵, 且高温状态下精度丧失, 故而又多以涡流量计计量为主。

基于伯努力方程原理的蒸汽计量仪表, 其流量计量方程式为 (1) :

其中:
Q f 为工况体积流量;
△P为差压;
ρ f 为工况下介质密度;
σ为流量系数;
k与介质黏度加工精度有关系数;
τ为介质膨胀系数。
公式 (1) 说明, 一方面由于方程式中存在着介质蒸汽的密度ρf, 因此, 计量仪表的标定在氧化铝企业中是个很麻烦而且往往不准确的, 一般生产厂大都采用水标定, 这种方法标定出来的精度, 不代表测量蒸汽的精度。 另一方面由于方程式 (1) 中还有一个气体的膨胀系数τ, 对于不同的蒸汽, 不同的压力, 不同的温度条件下的膨胀系数都不尽相同, 因此, 即使用压缩空气进行标定出来的精度也不代表测量蒸汽的精度。
2、涡街流量计工作原理
涡街流量计是基于线性连续方程原理:

其中:
St斯特劳哈尔数, 无量纲;
v介质流速;
f频率H z/S;
d迎流面宽度。
在这个公式 (2) 中有2个函数,一个是流体流速v, 另一个是斯特劳哈尔数St, 而斯特劳哈尔数St是雷诺数Re的函数, 当雷诺数Re到达20000后, 斯特劳哈尔数St就是一个常数。 当涡街流量计测量发生体形状固定, 迎流面宽度就一定, 这样一来, 频率仅仅取决于流体流速, 是线性连续方程, 通过图1示涡街流量计测量模型推导, 得到流量计量方程式 (3) :

其中: St斯特劳哈尔数, 无量纲; f频率H z/S; D流量计通径 ; d迎流面宽度。
涡街流量计是基于线性连续方程原理, 只要雷诺数大于20000, 测量与流体的性质无关, 与密度、黏度等均无关。 用水标定出来的流量系数同样适用于蒸汽计量, 在常温下标定出的流量系数同样适用于低温和高温蒸汽。 这样, 涡街流量计更能适应氧化铝企业内高低压、 不同温度蒸汽计量的需求。

K为流量系数, 含义是每升流量由几个脉冲表示, 即是P/L, 经过公式变换, 实际运用中的涡街流量计计算公式 (4) :

一般, 涡街流量计的流量系数, 其实在设计时就已经定下来了, 但是每个生产厂都要对每一台流量计进行标定, 就是为了检验制造误差。 但不管这个数是什么数, 标定合格了的流量系数就是正确计量的常数, 适用于不同工况状态的蒸汽。
另外要注意, 从公式 (4) 可以看出, 涡街流量计只能测流体的工况体积方, 质量方和标准体积方是根据密度或压力温度换算出来的。
3、氧化铝生产中蒸汽计量设计选型
  以表1为例, 氧化铝企业蒸汽需要计量点在8~10个左右, 且一般均为过热蒸汽, 数学模式为二元函数, 因此, 设计时需要考虑压力、 温度双补偿。
3. 1 工艺参数的选择
设计选型时要考虑的因素包括: 流量参数范围、 压力参数范围、 温度参数范围, 以流量选通径。
同时遵循如下原则:
(1) zui高压力情况下考虑zui小流量是否在该通径的工作范围之内;
(2) zui低压力情况下考虑zui大流量是否超出该通径的工作范围之内;
另外, zui高温度对应脉冲输出时应考虑发生体宽度的膨胀系数, 工况温度条件下的流量系数Kt:
Kt=K×[1-4.8×10-5×(T-15)]
其中:
T为工况温度; K为标准流量系数 (一般在仪表铭牌上) 。
3. 2 通径的选择
设计选型时, 考虑到减少压力损失, 在进行蒸汽计量时, 对流量下限有一定要求, 要根据蒸汽流量的大小来选取流量计的通径, 而不能根据原管道内径来选取流量计通径。
蒸汽流量计通径选择可以采用查表法及计算验证。
查表法即是在产品样本上, 根据工况压力下蒸汽可测流量范围表查取流量通径; 然后计算验证流速、 雷诺数是否在一定范围内。
(1) 流速计算: 蒸汽流速范围一般2m / s~60m / s,zui高应<80m /s。
V= 4×Q/ (3600×π×D×D) 
其中: V为流速; Q为体积流量: D为流量计通径。
(2) 雷诺数计算法: ①zui低流量时的雷诺数不得小于5000; ②保证精度zui低流量时的雷诺数不得小于20000。

其中: V为流速; ρ为密度; μ介质黏度; D为流量计通径。
当然有的产品能提供计算机选型软件, 直接把相关工艺参数输入, 就能得到理想的结果。
3. 3 注意事项
(1) 选择信号输出时建议使用脉冲 (频率) 输出方式, 如果要求输出电流信号, 转换过程将丧失±0. 2% ~ 0. 4% 精度。
(2) 在氧化铝企业中, 蒸汽的温度一般都大于150℃, 建议采用分体型涡街流量计, 另外一定要考虑温度和压力补偿问题。
4、安装要求
在氧化铝企业蒸汽测量过程中, 被测蒸汽具有稳定流态是保证涡街流量计测量的前提条件,要使涡街流量计的测量值更稳定、 准确, 安装时需注意以下几点。
(1) 安装确保传感器铭牌上的箭头指向与流体流向一致。
(2) 安装建议遵循直管段的要求, 见表2, 当现场无法满足直管段要求时, 建议采用与涡街流量计配套的流量镇流器。

(3) 安装传感器避开振动源或者在振动较小的地方, 远离大功率用电设备。
(4) 安装带焊接时要注意搭铁的位置, 防止压电晶片的损坏, 一般要件焊左搭左, 焊右搭右。
5、常见问题及注意事项
5. 1 无流量有信号
首先检测判断是否有振动, 如有轻微振动, 处理方法是外部机械消振措施, 如用橡胶软接头, 橡胶软垫等消振, 用支架固定管道; 或者是根据产品说明书调整参数设置, 消除振动。 如严重振动, 则是更改流量计安装位置、 加固管线、 流量计前后加软连接。
其次检测判断是否有50H z工频干扰通常采用频率计测量或电流值计算方法。 这里介绍电流值计算方法, 计算公式  :

其中:
Q f 体积方m3 /h; Qm 质量方Kg/h; ρ工况密度Kg/m3 ; Kt仪表流量系统。
如果计算出的结果是或者接近50H z, 可采取保证转换器的外壳接地螺钉可靠接地或者把整个转换器浮地。
5. 2 有流量无信号
首先检测接线是否正确, 供电电源的电压等级是否符合要求, 电源极性是否接正确, 分体式的还要检测专用电缆是否连接正确, 再有就是检查发生体、 转换器是否损坏。
其次判断实际工艺蒸汽流量是否太小, 判断方法是在靠近流量计的管道旁有规律地连续敲击, 无论何种型号的流量计均会出现流量显示。 处理办法就是更换通径小一些的流量计或在工艺条件允许的
情况下加大流量。
5. 3 流量不稳定
现场观察流量计安装时垫片是否同心或伸人管道, 工艺管道是否符合表2氧化铝企业安装要求或者产品说明书的zui大要求。 处理办法就是正确选用配套垫片并正确装配, 更改流量计安装位置或加流
量镇流器。
涡街流量计是基于线性连续方程原理进行测量的新型流量计, 因具有良好的介质适应能力, 是节流式流量计的理想替代产品。 它可以测量氧化铝企业高低压蒸汽, 在氧化铝行业中广泛应用。 但只有
在正确设计、 正确选型以及正确安装的条件下才能保证其测量准确稳定, 为降低氧化铝能源消耗发挥其应有的作用。

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