摘(zhai)要：渦(wo)街流(liu)量計 因其儀表(biao)系數與流體特(te)性無關、精(jing)度高、寬量(liang)程比和低(di)壓損(sun)等優(you)點，在化工(gong)領(ling)域的應(ying)用越來(lai)越(yue)廣。以(yi)熱解分(fen)級煉制(zhi)新工(gong)藝對(dui)煤及(ji)液化(hua)殘渣進行(hang)煉制利用(yong)中的(de)産品之一熱解(jie)氣爲例，介紹渦街流(liu)量計的選(xuan)型設(she)計。
　　我國低階煤(mei)資源儲藏(cang)豐富，占可(ke)采儲(chu)量40?以上。然而它(ta)的高效利(li)用一直是(shi)業内努力(li)攻克的難題。低(di)階煤(mei)含(han)水量高(gao)，熱值(zhi)低，機械強度低(di)，化(hua)學(xue)穩定(ding)性差(cha)。采用(yong)熱解(jie)分級(ji)煉制新工(gong)藝對(dui)煤(mei)及(ji)液化殘渣(zha)進行煉制(zhi)利用，在溫(wen)和的(de)條件(jian)下對原料(liao)進行(hang)加工處理(li)，分步(bu)驟(zhou)地(di)将其(qi)中有(you)用(yong)的成分(fen)充分(fen)提(ti)取出來(lai)，得到的(de)産品之一爲(wei)熱解氣，去(qu)除焦油後(hou)的熱解氣(qi)組(zu)成見表(biao)1，采用渦(wo)街(jie)流量(liang)計對(dui)其進行測(ce)量。

1渦(wo)街流(liu)量計(ji)概述(shu)
　　渦街流量(liang)計是(shi)20世紀70年代發展起來(lai)的一(yi)種新型(xing)流(liu)量儀(yi)表，80年代(dai)制定了(le)渦街(jie)流量(liang)計專業标準（ZBN12008-1989)和檢測(ce)規程（JJG620-1989)。渦街流量(liang)計目(mu)前已發展(zhan)成爲主流(liu)流量儀表(biao)之一(yi)，因其(qi)有諸(zhu)多優(you)點，吸(xi)引了(le)國内(nei)外衆(zhong)多研究(jiu)者(zhe)和企(qi)業的(de)關注(zhu)。研究(jiu)者從(cong)多方面對(dui)其進(jin)行深(shen)入的(de)研究：①旋渦發生(sheng)體的研究[1，2+;②壓電(dian)傳感器探(tan)頭位(wei)置的(de)研究(jiu)[3];③數字(zi)信号處(chu)理(li)方法的研究[4];④渦(wo)街信(xin)号檢測方(fang)法的(de)研究[5];⑤數(shu)值(zhi)仿真(zhen)方法的研(yan)究[6]。
　　在(zai)衆多(duo)流(liu)量(liang)計中(zhong)，渦街流(liu)量(liang)計的(de)安裝(zhuang)、運行、維護(hu)費低于節(jie)流式、容積式等，購置(zhi)費低(di)于容積式(shi)、質量(liang)式等，是一(yi)種實用性(xing)和經濟性(xing)都(dou)較好的(de)流量(liang)計，受到用(yong)戶廣(guang)泛歡(huan)迎。該(gai)流量計(ji)優(you)點如(ru)下：
(1)在一定(ding)雷諾(nuo)數Re範圍(wei)内（2X104~2X106)，輸出(chu)頻率信(xin)号不受(shou)流體(ti)物性（密度(du)、粘度(du)）和組(zu)分變(bian)化影(ying)響(xiang)，即(ji)儀表系數(shu)僅與旋渦(wo)發生體的(de)形狀尺寸(cun)及管(guan)道的(de)形狀尺寸(cun)有關(guan)，可以(yi)在一(yi)種典(dian)型介質中校驗而适用于各種(zhong)介質。
(2)高(差壓、計(ji)比較(jiao)）。
(3)量程(cheng)比可(ke)達10:1或20:1，目前(qian)已有(you)廠家(jia)在研(yan)制适(shi)用于氣體(ti)測量(liang)能達(da)到80S的渦街(jie)流量(liang)計。
(4)壓(ya)損小（約爲(wei)孔闆流量(liang)計的(de)25%-50%)，大幅(fu)度降(jiang)低能(neng)耗。
(5)結構簡(jian)單牢(lao)固，安(an)裝維護方(fang)便。
(6)使用範(fan)圍廣(guang)，可測(ce)量液(ye)體、氣體、蒸汽和(he)部分混相(xiang)流體。
2渦街(jie)流量(liang)計的(de)參數計(ji)算
2.1工作(zuo)狀态和标(biao)準狀(zhuang)态下的體(ti)積流量換(huan)算
　　渦(wo)街流(liu)量計的(de)輸(shu)出信号是(shi)與工(gong)作狀(zhuang)态的(de)體(ti)積流量(liang)成正(zheng)比例，氣體(ti)的體積流量受(shou)溫度、壓力(li)影響(xiang)較大，在流(liu)量計選型(xing)時，若提供(gong)的流(liu)量是(shi)标準(zhun)狀态下的(de)體積(ji)流量或質量流(liu)量，應(ying)把(ba)它換算(suan)成工作(zuo)狀态下(xia)的體(ti)積流(liu)量。

　　式(shi)中，qv、qn分(fen)别爲(wei)工作狀态(tai)和标(biao)準狀(zhuang)态下的體積流(liu)量，m3/h;P、Pn分(fen)别(bie)爲工作(zuo)狀态(tai)和(he)标(biao)準狀(zhuang)态下(xia)的(de)絕對壓(ya)力，PaT、Tn、分(fen)别爲(wei)工作(zuo)狀态和(he)标準狀(zhuang)态下的熱力學(xue)溫度(du)，K。
23雷諾數、壓(ya)力損失和(he)背壓(ya)的計(ji)算(suan)
　　在(zai)渦街(jie)流量計選(xuan)擇流(liu)量計通(tong)徑時，主(zhu)要是對(dui)流(liu)量下(xia)限值(zhi)進行核算(suan)雷諾數(shu)，最(zui)小雷(lei)諾數不(bu)應低于(yu)下限雷諾(nuo)數，即雷諾(nuo)數(shu)Re≥2×104。在(zai)測量(liang)介質(zhi)爲液态時(shi)，還應(ying)檢(jian)查(cha)最小(xiao)工作壓(ya)力是否高于工作溫度(du)下的飽和(he)蒸汽壓，即(ji)是(shi)否産生(sheng)氣穴現象。
⑴雷諾數Re是(shi)一個表針(zhen)流體慣性(xing)力與(yu)粘性(xing)力(li)之(zhi)比的(de)無量綱(gang)量：

式中，Q爲體(ti)積(ji)流量，m3/h;D爲(wei)流量計内(nei)徑，mm;v爲(wei)運動(dong)粘(zhan)度(du)，m2/s。
(2)壓力(li)損失：選擇流量(liang)計時(shi)，通(tong)常可能(neng)會對流量(liang)計的通徑(jing)進行适當(dang)縮小，以(yi)取(qu)得較(jiao)大流(liu)速(su)和(he)合适(shi)的流(liu)量(liang)量程。但是如(ru)果(guo)縮徑過(guo)于嚴重，可(ke)能會(hui)導緻較大的壓(ya)力損失，能(neng)耗會增加，因此(ci)在選(xuan)擇流量計(ji)的通(tong)徑時(shi)，也需要适(shi)當考(kao)慮(lü)壓(ya)力損(sun)失，盡(jin)可能(neng)減小(xiao)壓力(li)損失。壓力(li)損失(shi)ΔP計算(suan)：
ΔP=1.1×10-5ρ?V2（3）
　　式中(zhong)，ΔP爲壓力損(sun)失，kg/m2;ρ爲(wei)流體密(mi)度，kg/m3;V爲流(liu)速，m/s。
(3)背(bei)壓：測量液體的流量時，要(yao)确認(ren)工藝管道的壓(ya)力對于較(jiao)小的公稱(cheng)通徑(jing)而言有(you)足夠大(da)的背(bei)壓(ya)，避(bi)免氣(qi)穴産(chan)生(sheng)。流(liu)量計(ji)下遊的管(guan)道壓(ya)力應(ying)滿(man)足。
P≥2.7ΔP+1.3P0（4）
式中(zhong)，P爲流量計(ji)下遊(you)3.5~7.5D的最小管(guan)道壓(ya)力，kg/cm2（A）；P0爲液體(ti)的飽(bao)和蒸汽壓，kg/cm2。
（4）根據(ju)工藝要求(qiu)及現(xian)成安(an)裝(zhuang)環(huan)境選(xuan)擇耐壓(ya)、耐(nai)溫等(deng)級、防(fang)護(hu)等(deng)級、防(fang)爆等(deng)級、輸出信号等。
3測量(liang)熱解(jie)氣的(de)渦街流量(liang)計的(de)選型設計(ji)
　　熱解(jie)氣的(de)組分如表(biao)1所述，其工(gong)藝參數(shu)：操(cao)作密(mi)度0.63kg/m3，運(yun)動(dong)粘度2X10_5m2/s，操(cao)作溫度48.9℃，操作壓(ya)力7.5kPa，管(guan)道DN80，最小流(liu)量50Nm3/h，正(zheng)常流(liu)量100Nm3/h，最(zui)大流量150Nm3/h，儀表測(ce)量範圍選(xuan)擇0?180Nm3/h。
　　在(zai)裝置(zhi)運行的過(guo)程中(zhong)，業主(zhu)可能會根(gen)據(ju)需要适(shi)當調整(zheng)參(can)數，因此選擇(ze)量程比(bi)寬一些的流量(liang)計會有助于調(diao)整後(hou)的測(ce)量;另外熱(re)解氣作爲(wei)産品(pin)之(zhi)一，其流(liu)量是驗證工藝(yi)與關鍵設(she)備的工程(cheng)可(ke)行(hang)性、優(you)化工(gong)藝(yi)參(can)數的(de)關鍵(jian)參(can)數之一(yi)，因此使(shi)用(yong)精度(du)高一些的流量(liang)計也(ye)是有(you)必要的；熱(re)解氣的組(zu)分随(sui)着參數的調整也(ye)可(ke)能會(hui)發生變化(hua)，因此基于伯(bo)努(nu)利方(fang)程原理(li)的，如 孔(kong)闆流量計 、噴嘴(zui)、 阿牛(niu)巴流(liu)量計 、德爾(er)塔巴流量(liang)計、 平衡(heng)流(liu)量計(ji) 等都(dou)不能很好(hao)的測量，因(yin)爲這類流(liu)量(liang)計受流(liu)體物性（密(mi)度、粘(zhan)度）和組(zu)分(fen)變化(hua)影響(xiang)，且最(zui)終的(de)熱解(jie)氣産品或(huo)多或少都有焦(jiao)油的(de)存在，時間(jian)長了可能(neng)堵塞(sai)流量(liang)計。楔形流(liu)量計帶有(you)自清(qing)潔功能，如果采(cai)用法蘭取(qu)壓，變送器采用隔膜(mo)密封(feng)式變(bian)送器(qi)，其受焦油的影(ying)響較小， 楔形流(liu)量計(ji) 計(ji)算(suan)結果(guo)分别見圖(tu)1和圖2。

　　當H/D比(bi)爲0.2時，其壓(ya)力損(sun)失(shi)達到4kPa，已(yi)經大(da)于操(cao)作壓(ya)力的(de)一半(ban)，此種方案(an)不(bu)可可取(qu)，當H/D比(bi)爲(wei)0.3時(shi)，其壓(ya)力損(sun)失爲1.09kPa，可以(yi)接受，但(dan)最小流(liu)量時(shi)差(cha)壓(ya)隻有(you)0.11Kpa，甚至正常流量(liang)時的(de)差壓(ya)也有(you)隻有0.45kpa，由(you)于(yu)采用(yong)的是(shi)隔(ge)膜密封(feng)式變送器(qi)，此時(shi)的精(jing)度無法保(bao)證；另(ling)一(yi)類(lei)是基(ji)于線性連續方(fang)程原(yuan)理的，如渦(wo)街流(liu)量(liang)計、質量(liang)流量(liang)計等(deng)，考慮(lü)到爲(wei)一個實驗(yan)裝置，質量(liang)流量計價(jia)格(ge)昂貴，因(yin)此綜合考慮介(jie)質和(he)裝置的特(te)殊性(xing)、壓(ya)損(sun)、精度和費用(yong)等因素(su)，選用渦街流量計測(ce)量(liang)熱解氣(qi)的流(liu)量。
由式1可(ke)得最(zui)小流量對(dui)應的工(gong)作(zuo)狀态下的(de)體積流量(liang)：

　　由上述(shu)計算結(jie)果可(ke)知(zhi)，當流量(liang)計縮(suo)徑至(zhi)DN40時，雷(lei)諾數(shu)即(ji)可滿足(zu)要求。
按(an)式（3）可以(yi)核算(suan)下(xia)DN50和DN40口徑(jing)下的最(zui)大壓損(sun)：
DN50時：

　　從(cong)圖3可(ke)見，出(chu)流量計口徑爲(wei)DN80時，最(zui)小流量無(wu)法測量；流量計(ji)口徑(jing)縮(suo)徑至DN50時(shi)，最小流量可測(ce)（此時(shi)流體的雷(lei)諾數非常(chang)接近(jin)2*104），但此時(shi)的(de)流量(liang)精度稍微(wei)差些(xie)；流量(liang)計口(kou)徑縮(suo)徑至DN40時，最(zui)小流(liu)量可(ke)測，且(qie)精度(du)也能(neng)得到(dao)保證(zheng)。用上述公(gong)式計(ji)算的壓損(sun)與軟(ruan)件計(ji)算出(chu)來也(ye)基本抑(yi)制(zhi)，差别(bie)來自計算值。如(ru)果流(liu)量(liang)計(ji)縮徑(jing)至DN25時(shi)，流量(liang)計的(de)壓損(sun)已經(jing)達到(dao)7.6kpa，壓損(sun)較(jiao)大，無法(fa)滿足(zu)工藝(yi)要求。因此(ci)選擇DN40口徑(jing)的流(liu)量計(ji)能滿(man)足要求。對于DN50口(kou)徑的方案(an)，如果(guo)流量(liang)大于54Nm3/h時，流(liu)量計的精度爲(wei)此款(kuan)流量計的(de)精度(du)，
　　爲1.0%，當(dang)流量(liang)爲50Nm3/h時，此(ci)時(shi)流量(liang)可測(ce)，隻(zhi)是(shi)精度(du)稍差(cha)寫，約(yue)爲1.81%，但(dan)流量計的壓損(sun)會小(xiao)很多(duo)，從節(jie)能降耗(hao)方(fang)面考(kao)慮，選(xuan)擇(ze)DN50口(kou)徑的(de)流量計也是可以的(de)，綜(zong)上，選擇(ze)DN40口徑和(he)DN50口(kou)徑的(de)渦街(jie)流量計都(dou)能滿足(zu)要(yao)求。
　　操(cao)作溫(wen)度爲(wei)48.9℃，沒有(you)特殊(shu)性，選擇普(pu)通的渦街(jie)流量(liang)計即可；根據現(xian)場情(qing)況，流量計(ji)爲露天(tian)安(an)裝，防(fang)護等(deng)級(ji)選擇IP65即(ji)可；根據《爆(bao)炸危(wei)險環境(jing)電(dian)力裝(zhuang)置設計規(gui)範》GB50058-2014，各(ge)介質(zhi)所在(zai)組别(bie)屬于危險(xian)物料(liao)，見表(biao)2.因(yin)此儀表(biao)防爆标(biao)志(zhi)選擇(ze)ExiaIICT4Gb即能(neng)滿足要求(qiu)。根據(ju)項目統一(yi)要求(qiu)輸出(chu)信号(hao)選擇爲4~20mA+HART。

　　至此，渦(wo)街流(liu)量計(ji)的選(xuan)型已經(jing)完(wan)成，但考慮到熱解氣(qi)中焦油的存在(zai)，選擇渦街流量(liang)計時(shi)，需(xu)要(yao)注意(yi)：1不能(neng)選用(yong)因爲(wei)技術需(xu)要(yao)而在(zai)渦街流(liu)量計中(zhong)設計了小(xiao)孔結(jie)構的(de)流量計，因(yin)爲焦油(you)有(you)可能(neng)堵塞(sai)這些孔，從(cong)而失去其(qi)原有(you)的作用；2焦(jiao)油有(you)可能附(fu)着(zhe)在漩(xuan)渦發生(sheng)體(ti)上，從(cong)而改變其結構(gou)，影響(xiang)測量(liang)精度(du)，因此(ci)需要采用帶防粘(zhan)附(fu)作用(yong)的發生體(ti)，另外(wai)考慮(lü)到熱解氣(qi)中焦油含(han)量較小，且(qie)由(you)于漩渦(wo)的存在，其(qi)有剝(bao)離附(fu)着發(fa)生體(ti)上的焦(jiao)油(you)作用(yong)，因此(ci)認爲(wei)對流(liu)量精(jing)度的影響(xiang)較小(xiao)。
4結(jie)語
　　目前(qian)項目已(yi)經(jing)開車(che)成功，渦(wo)街流量(liang)計現(xian)場使(shi)用效(xiao)果特(te)别(bie)好(hao)，在整(zheng)個實驗過(guo)程中(zhong)，都能(neng)很(hen)好的測(ce)出熱解氣(qi)的流量。現場的(de)使用(yong)結果(guo)表(biao)明，在發生體(ti)帶防粘附(fu)作用情(qing)況(kuang)下，低含量的焦(jiao)油對(dui)流量計(ji)的(de)測量精度(du)影(ying)響(xiang)不大(da)。目前(qian)化(hua)工(gong)廠常(chang)用的(de)流(liu)量計節(jie)流裝(zhuang)置孔(kong)闆等(deng)，其受(shou)流體(ti)物性(xing)影響大，量程比一般(ban)隻有(you)3:1，且容(rong)易出現堵(du)塞，直(zhi)管段要求甚至(zhi)高達(da)50倍管(guan)徑，另(ling)外導壓系統還(hai)容易出現(xian)洩露。渦街(jie)流(liu)量計因(yin)其儀表系(xi)數與(yu)流體(ti)特性無關(guan)（氣液通(tong)用）、精度(du)高、寬(kuan)量(liang)程比和(he)低壓(ya)損(sun)等(deng)優點，是節(jie)流(liu)裝(zhuang)置的(de)理想替代(dai)品，但(dan)隻有正确(que)設計(ji)、正确選型(xing)以及(ji)正确(que)安裝的條(tiao)件下才能(neng)發揮(hui)其應(ying)有的(de)作用(yong)。

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