摘要渦街流量(liang)計 因其儀表系(xì)數與流體特性(xing)無關、精度高、寬(kuān)量程比和低壓(ya)損等優點，在化(hua)工領域的應用(yòng)越來越廣。以熱(re)解⭐分級煉制🧑🏾‍🤝‍🧑🏼新(xin)工藝對煤及液(yè)化殘渣進行煉(liàn)制利用中的産(chan)品之一熱解氣(qi)爲🍓例，介紹渦街(jiē)流量計的選型(xíng)設計。
　　我國低階(jiē)煤資源儲藏豐(feng)富，占可采儲量(liang)40%以上。然而它⚽的(de)高💁效利用一直(zhí)是業内努力攻(gōng)克的難題。低階(jie)煤含水量高，熱(rè)值低，機械強度(du)低，化學穩定性(xìng)差。爲此，北京低(di)碳清❌潔能源研(yán)究所🍉承擔國家(jia)高技術研😘究發(fa)展計✂️劃項目課(ke)題“煤分級煉制(zhì)清潔燃料關鍵(jian)⛷️技術研究”，采用(yong)熱解分級煉制(zhi)新工藝對煤及(ji)液化💃殘渣進行(hang)煉制利用，在溫(wen)和的🐪條件下對(duì)原料進行🤞加工(gōng)處理，分步驟✨地(dì)将其㊙️中有用的(de)成分充分提取(qǔ)出來，得到的産(chǎn)品之㊙️一爲熱解(jie)氣，去除焦❌油後(hou)的熱解氣組成(cheng)見表1，本工程中(zhong)采用渦街流量(liang)計對其進行測(cè)量。

1渦街流量計(ji)概述
　　渦街流量(liàng)計是20世紀70年代(dài)發展起來的一(yi)種新型流量儀(yi)表，80年🏃🏻代制定了(le)渦街流量計專(zhuān)業标準(ZBN12008－1989)和檢測(cè)規程(JJG620－1989)。渦街流量(liàng)計目前已發展(zhan)成爲主流流量(liàng)儀表之一，因🤟其(qi)有諸多優點，吸(xi)引了國内外衆(zhōng)多研究者和企(qǐ)業的關注。研究(jiū)者從多方面對(dui)其進行深入的(de)🤩研究:①旋渦發生(sheng)體的研究❄️［1，2］;②壓電(diàn)傳感器探頭位(wei)置的研究［3］;③數字(zi)信🈲号處理方法(fa)的研究［4］;④渦街信(xìn)号檢測方🔞法的(de)研究［5］;⑤數值仿真(zhen)方法的研究［6］
　　在(zài)衆多流量計中(zhong)，渦街流量計的(de)安裝、運行、維護(hù)費低于節流式(shi)、容積式等，購置(zhì)費低于容積式(shì)、質量式等，是一(yī)種實用性和💋經(jing)濟性都較好的(de)流量計，受到用(yong)戶廣泛歡迎💜。該(gāi)流量計優點如(ru)下:
(1)在一定雷諾(nuo)數Ｒe範圍内(2×104～2×106)，輸出(chū)頻率信号不受(shòu)流體物性(密度(du)、粘度😘)和組分變(bian)化影響，即儀表(biao)系數僅與旋渦(wō)發生體的形狀(zhuàng)尺寸及管道的(de)形狀尺寸有關(guan)，可以在一種典(diǎn)型介質中校驗(yàn)而适用于🥵各種(zhǒng)介質。
(2)精度較高(gao)(與差壓式、浮子(zǐ)式流量計比較(jiào))。
(3)量程比可達10∶1或(huo)20∶1，目前已有廠家(jia)在研制适用于(yú)氣體測量能☂️達(dá)到80∶1的渦街流量(liàng)計。
(4)壓損小(約爲(wèi)孔闆流量計的(de)25%～50%)，大幅度降低能(neng)耗。
(5)結構簡單牢(láo)固，安裝維護方(fang)便。
(6)使用範圍廣(guǎng)，可測量液體、氣(qi)體、蒸汽和部分(fen)混相流體。
2渦街(jie)流量計的參數(shu)計算
2.1工作狀态(tài)和标準狀态下(xia)的體積流量換(huan)算
　　渦街流量計(ji)的輸出信号是(shi)與工作狀态的(de)體積流量成🤟正(zhèng)比例，氣體的體(ti)積流量受溫度(dù)、壓力影響較大(da)，在🔴流量計選型(xing)時💞，若提供的流(liu)量是标準狀态(tài)下的體積流量(liang)或質量流㊙️量，應(ying)把⁉️它換算成工(gong)作狀态🈲下的體(ti)積流量。
qV=qn(PnTZ/PTnZn)?????? (1)
式中，qV、qn分(fèn)别爲工作狀态(tài)和标準狀态下(xià)的體積流量🔅，m3/h;P、Pn分(fèn)别爲工作狀态(tài)和标準狀态下(xià)14的絕對壓力，Pa;T、Tn分(fen)别爲工作狀态(tai)和标準狀态下(xià)的熱力學溫度(du)，K。
2.2雷諾數、壓力損(sun)失和背壓的計(ji)算
　　在渦街流量(liàng)計選擇流量計(jì)通徑時，主要是(shì)對流量下限值(zhi)進行核算雷諾(nuò)數，最小雷諾數(shu)不應低于下限(xian)雷諾數，即雷諾(nuò)數🔱Ｒe≥2×104。在測量介質(zhi)爲液态時，還應(yīng)檢查最小✊工作(zuo)壓力是否高于(yu)工🆚作溫度下的(de)飽和蒸👨‍❤️‍👨汽壓，即(ji)是否産生氣穴(xue)現象。
(1)雷諾數Ｒe是(shì)一個表針流體(ti)慣性力與粘性(xìng)力之比的無量(liang)綱🈲量:

式中，Q爲體(ti)積流量，m3/h;D爲流量(liàng)計内徑，mm;v爲運動(dòng)粘度，m2/s。
(2)壓力損失(shi):選擇流量計時(shí)，通常可能會對(duì)流量計的通徑(jìng)進行适當縮小(xiao)，以取得較大的(de)流速和合适的(de)🌈流量量程。但是(shì)♻️如果縮徑過于(yu)嚴重，可能會導(dǎo)緻較大的壓力(lì)損失，能耗會增(zēng)加，因👈此在選擇(zé)流量計的通徑(jìng)時，也需要适當(dāng)考慮壓力❓損失(shī)，盡可⛱️能減小壓(yā)力損失。壓力損(sun)失△P計算:
△P=1.1×10－5ρ·V2　　　　　　　(3)
式中，△P爲(wèi)壓力損失，kg/m2;ρ爲流(liu)體密度，kg/m3;V爲流速(su)，m/s。
(3)背壓:測量液體(ti)的流量時，要确(què)認工藝管道的(de)壓力對于較小(xiao)的公稱通徑而(ér)言有足夠大的(de)背壓，避免氣穴(xue)産生。流量計下(xia)遊的管道壓力(li)應滿足:
P≥2.7△P+1.3P0(4)
式中，P爲(wèi)流量計下遊3.5～7.5D的(de)最小管道壓力(lì)，kg/cm2(A);P0爲液體的飽和(he)蒸汽壓，kg/cm2。
（4）根據工(gong)藝要求及現場(chang)安裝環境選擇(ze)耐壓、耐溫等級(jí)、防護等級、防爆(bao)等級、輸出信号(hào)等。
3測量熱解氣(qi)的渦街流量計(jì)的選型設計
　　熱(rè)解氣的組分如(rú)表1所述，其工藝(yi)參數:操作密度(du)0.63kg/m3，運㊙️動粘🚶度2×10－5m2/s，操😄作(zuò)溫度48.9℃，操作壓力(li)7.5kPa，管道DN80，最小流量(liàng)50Nm3/h，正常流量100Nm3/h，最大(dà)流量150Nm3/h，儀表測量(liàng)範圍選擇0～180Nm3/h。
　　因爲(wei)本裝置爲試驗(yan)裝置，在裝置運(yùn)行的過程中，業(yè)♋主可能👌會🌏根據(ju)需要适當調整(zhěng)參數，因此選關(guān)鍵設備的工程(chéng)🌐可行性、優化工(gōng)藝參數的關鍵(jiàn)參數之一，因此(ci)使用精度高一(yi)些的流量計也(ye)是有必要的;熱(re)解氣的組分随(suí)着參📞數的調整(zhěng)也可能會發生(shēng)變化☁️，因此基于(yú)伯努利方程原(yuan)理的，如孔闆、噴(pen)嘴、阿牛巴、德爾(ěr)塔巴、平衡式等(děng)都不能很好的(de)測量，因爲這類(lei)流量計受流體(tǐ)物性(密度💁、粘度(du))和組分變化影(ying)響，且最終的熱(re)解氣産品或多(duō)或少都有焦🔞油(you)的存在，時間長(zhang)了可🌈能堵塞流(liu)量計。楔式流量(liàng)計帶自清潔的(de)✌️功能，如果采用(yong)法蘭取壓，變送(sòng)器采用隔膜密(mi)封式🍉變送器，其(qí)受焦油的影響(xiǎng)🚶較☂️小，楔式流量(liàng)計的計算🏃‍♂️結果(guo)分别見圖1和圖(tú)2。


　　當H/D比爲0.2時，其壓(ya)力損失達到4kPa，已(yi)經大于操作壓(yā)力的一半，此種(zhong)方案不可取，當(dāng)H/D比爲0.3時，其壓力(lì)損失爲1.09kPa，可👣以接(jie)受，但最小🌈流量(liang)時的差壓隻有(yǒu)0.11kPa，甚至正常流量(liang)💋時的差壓也隻(zhi)有0.45kPa，由于采用的(de)是隔膜密封式(shi)變送器，此時的(de)精度無法保證(zheng);另一類是基于(yu)線性連續方程(cheng)原理的，如渦街(jiē)流量計、質量流(liu)量計等，考慮到(dao)本裝置爲一個(ge)實驗裝置，質量(liang)🔅流量計價格昂(ang)貴，因此綜合考(kǎo)慮介質和裝置(zhi)的特殊性、壓損(sǔn)、精度和費💜用等(deng)因素，選用渦街(jie)🏒流量計測量熱(rè)解氣的流量。
由(you)式(1)可得最小流(liu)量對應的工作(zuò)狀态下的體積(jī)流量:

由上述計(jì)算結果可知，當(dang)流量計縮徑至(zhì)DN40時，雷諾數👨‍❤️‍👨即可(ke)滿足要求。
按式(shi)(3)可以核算下DN50和(he)DN40口徑下的最大(da)壓損:
DN50時:
△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(yòng)橫河公司計算(suàn)軟件計算出來(lai)的結果見圖3。

　　從圖(tu)3可見，出流量計(ji)口徑爲DN80時，最小(xiao)流量無法測量(liang);流量計口🏒徑縮(suō)徑至DN50時，最小流(liú)量可測(此時流(liú)體的雷諾數非(fei)☂️常接近2×104)，但此時(shi)🌈的測量精度稍(shao)微差些;流量計(ji)口🐪徑縮徑至DN40時(shi)，最小流量可測(cè)，且精度也能得(de)💘到保證。用🔴上述(shù)公式計算的壓(yā)損與軟件計算(suan)出來的也基本(běn)一緻，差别來自(zi)計算時流速💘及(jí)流量計口🌈徑均(jun1)采用的是估算(suàn)值。如果流量計(ji)縮徑至DN25時，流量(liang)計的壓損已經(jīng)達到7.6kPa，壓損較大(da)，無法🥰滿足工藝(yì)要求。因🙇‍♀️此選擇(ze)DN40口徑的流🔞量計(ji)能滿足要求。對(dui)于DN50口徑的方案(àn)，如果流量大于(yu)54Nm3/h時，流量計的精(jing)度爲此款流量(liàng)計的精度，爲1.0%，當(dang)流量爲50Nm3/h時🤩，此時(shí)流量可測，隻是(shi)精度🏃‍♂️稍差些，約(yuē)爲1.81%，但流量計的(de)壓損會小很多(duo)，從節能降🐆耗方(fang)面考慮，選擇DN50口(kou)徑的流量計也(yě)是可以的。綜上(shang)，選擇DN40和DN50口徑的(de)渦街流量計都(dou)能滿足要求。
　　操(cāo)作溫度爲48.9℃，沒有(you)特殊性，選擇普(pu)通的渦街流量(liang)計即🤩可;根據現(xian)場情況，流量計(ji)爲露天安裝，防(fang)護等級🏃🏻‍♂️選擇IP65即(jí)可;根據《爆炸危(wei)險環境電力裝(zhuang)置設計規範》GB50058－2014，本(ben)裝置中各介質(zhi)所在組别屬于(yú)危險物料，見表(biao)2。因此儀表的♌防(fang)爆标志選擇ExiaⅡCT4Gb即(jí)能滿足要求。根(gen)據項目統一要(yao)求輸😍出信号選(xuǎn)擇爲4～20mA+HAＲT。

　　至此，渦街(jiē)流量計的選型(xíng)已完成，但考慮(lǜ)到熱解氣⛹🏻‍♀️中焦(jiao)🔱油的存🚩在，選擇(zé)渦街流量計時(shi)，需要注意:①不能(neng)選用因爲🐉技術(shù)需要而在🔞渦街(jiē)流量計中設計(ji)了小孔結構的(de)流量計，因爲焦(jiao)油有可能堵塞(sāi)這些孔，從而失(shi)去其原有的作(zuò)用;②焦油有可能(néng)附着在旋渦發(fā)生體上，從而改(gǎi)變其結構，影響(xiǎng)測量精度，因此(cǐ)需要采用帶防(fang)粘附作用的發(fā)生體，另外考慮(lǜ)到熱♋解氣中焦(jiao)油的🐕含量較👅小(xiao)，且由于旋渦的(de)存在，其有剝離(li)附着在發生體(ti)上的焦油的作(zuò)用，因此認爲其(qi)對測💞量精度的(de)影響比較小🥵。
4結(jie)語
　　目前項目已(yi)經開車成功，渦(wō)街流量計現場(chang)使用效果特别(bié)好，在整個實驗(yan)的過程中，都能(neng)很準确地測出(chu)熱解氣📞的流量(liàng)，深受業主好評(píng)。現場的使用結(jié)果表明，在發生(shēng)體🙇🏻帶防粘‼️附作(zuo)用的情況下，低(dī)含量的焦油對(duì)流🎯量計的測量(liàng)精度影響不大(da)。目㊙️前化工廠✉️常(cháng)用的流量計節(jie)流裝置(孔闆等(děng))，其受流體物性(xing)影響大，量程比(bi)一般隻有3:1，且容(rong)易出現堵塞，直(zhi)管段要求甚至(zhi)高達50倍管徑，另(ling)外導壓系統還(hai)容易出現洩漏(lou)。渦街流量計因(yin)其㊙️儀表系數與(yǔ)流體🔞特性無關(guān)(氣🌐液通用)、精度(du)高、寬量程比和(he)低壓損等優點(diǎn)，是節流裝置的(de)理想替代品，但(dan)隻有正确設計(jì)、正确選型以♊及(jí)正确安裝的條(tiáo)件下才能發揮(huī)其應有的作用(yòng)。

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