現今石油化工裝置布置往緊湊型方向發展已成為一個趨勢, 在保證設備安裝、工藝需求之后, 儀表的安裝空間越來越受限制, 作為石油化工裝置中應用較為廣泛的標準節流式差壓流量計, 由于其較長的直管段要求, 經常成為工藝布管的痛點。并且現在工程設計基本都是時間緊、周期短, 工藝布管與儀表設計采購并行, 在布管的時候大部分儀表尚未完成設計及訂貨, 為設計進度的要求, 通常讓配管按照***大的直管段要求預留空間, 這對緊湊型的裝置布置來說常常是難以實現的, 往往產生不少遺留問題。本文通過對常用的節流式差壓流量測量儀表的分析對比, 提出了在這種情況下較適宜的流量計選型。

  節流元件是節流式差壓流量計的測量元件, 其測量原理是利用在管道中的定常流流經節流件后產生壓差與流量的對應關系, 計算得出通過流體的流量值。圖1是流體流經單孔節流件壓力和流速的變化圖, 差壓越大, 流速越快。其由流動連續方程和伯努力方程推導的流量計算公式如式 (1) 所示。

式中qm——質量流量, kg/s;

qv——體積流量, m3/s;

c——流出系數;

ε——可膨脹系數;

β——直徑比;

d——工作條件下節流件的孔徑, m;

D——工作條件下上游管道內徑, m;

?p——差壓, Pa;

ρ1——上游流體密度, kg/m3。

  從節流式差壓流量測量原理和計算公式中, 可看出該流量測量方式是以流速為基礎的, 其實對絕大多數常用流量儀表來說, 流速分布對流量計測量精度有相當關鍵的作用, 國內外行業標準為此都明確規定了流量儀表應有足夠的前后直管段, 只有當管內的流速分布達到充分紊流, 才能具有確定的分布規律, 才能保證測量的度。

  孔板是節流式差壓流量計中***常用的一種類型。多孔孔板流量計是節流式差壓流量計的一種, 測量機制同樣基于上述基本測量原理和計算公式。其多孔的結構近似一個整流器, 孔的尺寸和分布是基于廠家特殊的公式和測試數據而定制的, 流體流經這些多孔時被平衡整流成近似理想流體。多孔孔板流量計本身具備的這個功能使其可以縮短對直管段的要求。

  為確保工藝裝置流量測量精度要求, 在設計階段就必須考慮管道安裝流量計需要的直管段, 大部分常用流量計都有一定的直管段要求。

  標準節流裝置有國際公認的各種數據, 其加工都有要求, 與其配合的差壓變送器度, 已從早年的±2.5%提高到了至今的±0.025%, 提高了100倍, 因此提高計量度關鍵是減少管路直管段長度要求, 以保證計量孔板的度。

  標準孔板是工程設計中***常用的流量測量元件, 按標準GB/T 2624.2—2006《用安裝在圓形截面管道中的差壓裝置測量滿管流體流量》第2部分:孔板及HG/T 21581—2010《自控安裝圖冊》, 其直管段長度要求為~44D/ (4~8) D (孔板前/孔板后) [1], 其工藝決定因素有孔板前的不同管件彎頭及管道變徑, 這些在管路中一般是不可變的, 孔板本身β (孔板孔徑/管道內徑) 對直管段要求也有比較大的影響?？装迩? 同一平面上2個90°彎頭時, 當β=0.50時直管段為22D/10D, 當β=0.75時直管段為44D/20D[1]。在采用標準孔板流量計時其直管段要求, 孔板前/孔板后一般按20D/5D考慮, 有些重要的控制或聯鎖場合, 為保證其數據, 會考慮將配管拉長, 對在大管道中的應用將會擴大占地。

  對于緊湊型現場布置的工程設計, 需解決的難題是: (1) 其一采用標準孔板或其他單孔節流元件沒有足夠的直管段長度可以留出, 尤其是大管道流量測量。 (2) 設計階段在未能確定β值的情況下, 為滿足設計進度提供配管直管段要求時, 往往為確保測量精度會取值偏大, 但又會大大提高配管難度。

  標準孔板僅中間一個節流孔, 直管段要求長;多孔孔板流量計采用多個節流孔, 常用的對稱4孔、對稱多孔等。其中多孔節流的平衡流量計采用中間節流孔與周圍多功能孔結合的結構, 功能孔具有整流的功能, 可明顯縮短直管段長度要求。表1以A+K平衡流量計 (多孔平衡) 和Rosemount 405C緊湊型四孔孔板與Rosemount 405P緊湊型單孔孔板為例進行結構對比。

  對A+K平衡流量計按美國航天局 (NASA) 的數據及華東理工大學的對A+K的測試報告, 一般工況為2D/2D或更短[2-3]。

  對405C按羅斯蒙特緊湊型一次元件數據, 一般工況為 (2D/2D) ~ (5D/2D) , 見表2。

  對405P緊湊型單孔孔板的直管段要求, 不同的應用場合, 其直管段要求差別相當大, 見表3。

  從表2、表3可看出多孔節流與整流結合使直管段大大縮短。

  從以上分析可知, 一般工況下, 選用多孔孔板均可按5D/2D預留管道直管段就能保證檢測度, 同時使車間管道布置對所占空間的要求大大降低 (因標準孔板 (6~44) D/ (4~8) D考慮參見GB/T2624.2—2006《用安裝在圓形截面管道中的差壓裝置測量滿管流體流量》第2部分:孔板[1], 參見表3) , 裝置布置更加緊湊。當然, 對非表2、3所述工況, 必須采用更大β工況時, 可以優化β, 使直管段、度及壓損等指標處在合適的狀態。

  以下列舉某工藝裝置中兩處流量測量儀表的計算選型比較, 分析合理的選型結果。儀表的工藝要求如表4。

  表4中1#處的流量計, 用于測量30" (750mm) 管道內的循環水流量, 從三維配管模型上看, 水平管道基本上沒有安裝空間, 豎直管道前后彎頭之前距離約4 m。分別用標準孔板、四孔孔板和平衡流量計的計算和安裝要求對比見表5。

  采用標準孔板計算, 此工況下孔板β=0.65, 壓損22.9 k Pa, 根據GB/T 2624.2—2006《用安裝在圓形截面管道中的差壓裝置測量滿管流體流量》第2部分:孔板[1], 該β值下保證測量精度的***小前后直管段要求是44D/20D (孔板前/后) , 即要求其安裝管道上至少要有約15 m的直管段。顯然, 該直管段要求無法滿足。

  采用四孔孔板流量計計算, β=0.67, 壓損14.7 k Pa, 直管段要求為2D/2D, 該處4 m的管道空間足夠安裝。

  采用平衡流量計計算, β=0.70, 壓損8.47k Pa, 直管段要求為2D/2D, 加上流量計本身約220mm的長度, 該處4 m的管道空間剛好足夠。

  基于以上分析計算, 1#工況下選用多孔孔板流量計從直管段要求和壓損比較上, 尤其是直管段要求上, 都要優于標準孔板, 而且平衡流量計的壓損更小。

2) 表4中2#處的流量計, 用于測量8"管道內氧氣介質的流量, 此處約有7 m的直管安裝空間, 分別用標準孔板、四孔孔板和A+K平衡流量計的計算和安裝要求對比見表6。

  從表6中可以看出, 三種流量儀表計算出來的β值都能滿足要求;從差壓要求來看, 三種方式都可滿足工藝允許壓損的要求, 標準孔板壓損相對較大, A+K平衡流量計的壓損***小, 多孔孔板的差壓在允許壓損范圍內, A+K平衡流量計的壓損更小。

  從不確定度來看, A+K平衡流量計的度***高;從安裝的直管段要求來看, 標準孔板直管段要求***長, 四孔孔板和A+K平衡流量計前后直管段要求一致。以上方面比較, 在滿足各項工藝參數要求的情況下, A+K平衡流量計可節省更多的安裝空間要求, 裝置布置更緊湊。

  孔板作為節流式差壓流量計的一種類型, 由于其結構簡單、經濟和可靠, 能涵蓋大部分的工藝工況, 在生產裝置中廣泛的應用, 但標準孔板要求其安裝管道必須有幾十倍管徑的直管段來保證流體平衡以保證測量的度, 這個要求在現在快節奏的工程設計以及緊湊的工藝布置中難以得到充分滿足。多孔孔板流量計在標準孔板的基礎上, 采取多孔流通的方式, 用節流加整流來優化直管段的問題, 大大避免了標準孔板在使用時壓損大, 前后直管段要求長的缺點, 同時比文丘里更經濟, 在緊湊型化工裝置中是較好的流量測量儀表選擇。