智能彎管流量計在陶瓷企業煤制氣計量中的應用

2017-03-29  來自: 肇慶市衆智自控系統有限公司 浏覽次數:749

智能彎管流量計在陶瓷企業煤制氣計量中的應用

 

肇慶市衆智自控系統有限公司  廖浩元

佛山市能源利用監測中心  謝炳豪

一、前言

随着燃油價格的高居和煤制氣設備、工藝技術的日臻成熟,陶瓷業窯爐燃料已逐步由使用燃油轉為使用煤制氣。在佛山地區和全國各地,發生爐煤氣作為陶瓷工業燃料已經普及應用。雖然這種燃料在行業内使用已有四、五年的曆史,但一直困擾的問題是無法對單台設備的燃料(煤制氣)消耗量的計量。一些企業曾經嘗試使用過傳統的孔闆式差壓流量計或渦街式流量計作為流量測量設備,但都無法解決煤制氣中存在的微量煤 焦 油堵塞和計量準确度誤差太大的問題。而且,這些傳統的流量測量設備都有附加的壓力損失。目前陶瓷行業新建或改造的窯爐都在300-400米以上,供氣管道在DN400-DN600之間,進窯爐前的煤氣壓力12000Pa左右,使用孔闆式差壓流量計的壓力損失最為明顯,往往導緻窯爐尾端的噴槍氣壓降低太大而影響燃燒。在未有使用煤氣計量裝置之前,陶瓷企業對燃燒煤制氣窯爐燃料消耗的統計,隻是以全廠用煤量對各台設備進行攤派攤分,對車間的産品燃料消耗計算誤差很大。為此,近三年來我們引入了一種智能彎管流量計,較為完全地解決了陶瓷企業用于煤制氣計量的一大難題。

二、彎管流量計的工作原理和特點

智能彎管流量計的研制和應用,具有堅實的理論基礎和實驗研究基礎。在理論研究方面主要是通過直接求解流體流過彎管的微分方程數值解的方法,全面揭示流體流經彎管的流動規律。在實驗研究方面既有實驗室的大量實驗研究,又有在國家三大流量檢定站(開封、煙台、華陽)對不同介質的流量測量的權威驗證。

智能彎管流量計原理基于:流體在流經彎管時,由于彎曲管壁的導流作用,使流體在流進彎管時其内側流速會逐漸增大,而外側流速卻逐漸減小,這就形成了各個過流斷面的近似梯形速度分布,且這種梯形速度分布狀态在彎管45°截面處達到極限狀态。彎管45°截面各質點流速分布如圖2-1所示。

根據質量守恒定律、能量守恒定律和動量守恒定律,流體在管道中流動時,在相同過流斷面各元流質點的能量不變,但由于各質點流速的變化(内側大、外側小)就形成了彎管的内外側壓差P。這個壓力差在45°截面時達到最大、最穩定。且45°彎管斷面的流體平均流速與壓差P的對應關系符合平方比例關系。深入的理論研究和大量的試驗分析證明流體流過彎管形成的差壓與流速的嚴格對應關系同彎管的幾何結構尺寸(彎曲半徑R和内徑D)有密切關系。由以上分析可知彎管傳感器的幾何結構尺寸确定之後,隻要測取流體流經彎管45°截面的外側、内側的壓差P和流體的密度就可以确定流體的平均流速其數學表達式為:

(1) QQ圖片20170330114256.png                               

 

式中:流體流速m/s)

α(R·D)流量系數(無量綱)

P45°截面外側、内側差壓(pa

D彎管内徑(mm

R彎管彎曲半徑(mm

流體密度kg/m3r

其對應的流量計算公式為:

=3.61/4πD2t/h             --------------- (2)

相對于其它型式的流量計量,彎管流量計的基本特點:

1測量介質全。可測量液體(熱水、冷水、油、液氨等)、蒸汽(過熱蒸氣、飽和蒸氣)、氣體(水煤氣、焦爐煤氣、氧氣、空氣、天然氣、乙炔、硫化氫等)等。

2、安裝特性優越。管徑範圍寬:DN10—DN2000mm;安裝範圍寬:直管段要求短,管道轉彎處和直管道上均能安裝,管道的轉彎處用90°标準傳感器,在實際流量測量工作中,隻要用彎管傳感器代替原來管道上的彎頭即可進行流量測量,在直管道上則用“V”型傳感器;量程比寬: 101;流速範圍寬: 5160米/秒(氣體介質包括蒸汽)的流體流量測量,且都能滿足測量準确度的要求;适用環境條件寬:彎管傳感器可在高溫、高壓、粉塵、振動、潮濕及其它環境惡劣,安裝條件極差的現場中正常使用。

3、無氣體壓力損失。由于彎管傳感器本身相當于是一個90°标準彎管,沒有任何插入件或節流件,因此在測量流量過程中不會對被測流體造成附加阻力損失,可節省流體輸送的動力消耗,降低運行費用。

4、準确度、穩定性高。彎管流量計系統測量準确度等級為0.51.5級(實流标定精度可以達到0.5級)。重複性精度為0.2%,長期運行性能不變。

三、彎管流量計在陶瓷企業窯爐應用的适用性

1、無附加壓力損失

由于彎管流量計一次傳感元件隻是一個90°直角彎頭,無插入件和節流件,因此無附加壓力損失。而孔闆壓力損失較大,一般為其差壓值的70%,每年由孔闆帶來的能源損耗巨大,應引起足夠重視。孔闆壓力損失造成水煤氣品質下降,也給用戶生産帶來不便,如:佛山西樵興輝陶瓷廠以水煤氣為生産熱源,早期采用孔闆流量計計量,由于孔闆流量計是通過縮小管徑的節流方式來産生差壓,DN300管縮小到DN165,壓力損失大,水煤氣氣量不能滿足正常生産,造成窯尾噴槍沒有氣,生産效率下降。同時為了提高水煤氣品質,煤氣站的加壓風機不得不提高供氣壓力,這就造成加壓風機效率下降,電耗增大。

2、量程比大,精度高,小流量性能好

彎管流量計的量程比達1:10,而孔闆流量計僅為1:3,在流量波動較大的情況下,彎管流量計有較大優勢。氣體流量計量中,彎管流量計測量範圍為5m/s-120m/s,彎管流量計在測量流量範圍及流量測量中均具有突出的優勢。關于精度問題,彎管流量計在國家技術監督局流量檢定站采用蒸汽冷凝重量法檢定,系統精度最大誤差為1.14%。孔闆流量計衆所周知精度在1-1.5級,可是往往由于安裝造成的誤差遠遠高于1.5級。而對于渦街流量計,其精度一般為1-1.5級,這一點對于管段式渦街流量計,在無外界幹擾(如振動、直管段滿足)的情況下,可以達到。可是對于插入式渦街流量計,由于其安裝誤差和流體截面積不能準确确定,造成流量測量精度的不确定,誤差遠遠高于1.5%,計量結算不宜采用。這些對于窯爐用氣波動較大而又要求準确性高時表現更達出。

3、耐磨損,免維護,壽命長

彎管流量計測量原理為:當介質流經管道轉彎處時必然做圓周運動,産生慣性離心力,測得此離心力即可計算出流體流速,從而進一步獲得流量。基于此原理,又從實際流量檢定中可知:磨損隻是對彎管傳感器口徑産生微小變化,最終對于流量測量值影響很小,所以彎管傳感器無須定期檢修。而采用焊接式安裝,更不會産生洩露,無任何維修量,其使用壽命與工業管道等同。孔闆流量計采用節流方式産生壓差,進行流量測量。為了與孔闆的數學模型匹配,要求孔闆入口邊緣銳利,可是該銳利邊緣在流體的沖刷下很快變鈍,水煤氣中的焦油會粘滞在該銳利邊緣,使流體流動狀态偏離原數學模型要求,造成測量出來的數值越來越少,測量誤差很大。為了保證測量精度,孔闆采用法蘭連接,并且要求一年就要對孔闆進行一次檢修,增加了很大的維護量及維修費用。而法蘭處在汽體停.送過程中,由于管道的熱應力極易造成洩露,即造成無謂的水煤氣損耗,也影響了生産的安全性。

4、耐高溫.耐壓.抗振動性能好

陶瓷企業生産現場屬于高溫、振動較大的環境。彎管流量計和孔闆流量計在較高的溫度及壓力下,均可常年穩定運行(目前彎管流量計現場已采用至5.2Mpa,500 的中溫.中壓工況下,無故障運行三年多)。而孔闆流量計在較高的溫度和壓力下,孔闆平面變形較大,需定期更換,否則産生較大的誤差;渦街流量計使用溫度一般則在300以下,質量較差的,工作溫度上限隻有180。由于彎管流量計和孔闆流量計均為差壓式流量計,振動和沖擊不影響其正常工作;而渦街流量計測量的是頻率信号,管道振動會作為一個頻率信号彈附加在真實的流體渦旋頻率信号上,造成測量值不真實,現場誤差較大。因此對現場振動較大的場合,不宜采用渦街流量計。

5、傳感器口徑範圍寬,前後直管段要求不嚴

彎管流量計應用最小中口徑為DN10,而孔闆為DN50;彎管流量計應用最大口徑已達DN1200以上,孔闆大口徑能做,但價格高昂;對于前後直管段的要求,彎管流量計存在着更大合優勢,隻需保證前5D(管徑)、後2D即可;而孔闆流量計至少要求前10D、後5D,并且管道中有節流件的情況下,更需加長直管段,很難找到合适的安裝地點,有時為了取得較長直管段,不得不改變管道工藝或加大廠房面積,增大投資。這一特點在陶瓷企業中顯得更為适用。

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五、彎管流量計的應用案例及效果

目前,陶瓷企業已經安裝、使用了彎管流量計的企業工程實例

   1.png

   2.png

至于安裝流量計作為窯爐燃氣計量的實際效益。一個實例是:某陶瓷企業未有在每一條窯爐安裝煤氣計量儀表之前,由于對窯爐未能考核單窯煤氣消耗,僅是按煤氣站燒了多少煤,然後按窯攤派。窯爐工人的操作隻是按長年的習慣性去操作,空爐了也不需調節、窯爐引風開大了也與其無關,隻因為無數據監督他們!去年,企業購置了彎管式煤氣流量計并在每條窯爐進氣管上安裝。當即,窯爐工人受到了數據的直接考核,緻使操作人員十分着意煤氣用量數據,适時地調節窯爐運行曲線,調節窯爐風機風量,注重了穩定生産。當月直接反映在煤氣站的用煤消耗與産品産量的比例上,下降幅度達8%。這就反映計量管理和定額考核的必要性和意義!

六、後語

随着政府對企業節能考核指标體系的推進和完善,國家強制性标準《用能單位能源計量器具配備和管理通則》(GB17167—2006的貫徹,企業能源計量管理和定額考核的逐步深入窯爐自控技術水平的提高,彎管流量計以至相關的計量自控儀表在燃料計量、考核中,将逐步得到了廣泛的應用。


關鍵詞: 陶瓷企業   制氣計量        

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