蒸汽流量计
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弯管蒸汽流量计在蒸汽测量中采用水平导压管取代冷凝罐的可行性

弯管蒸汽流量计在蒸汽测量中采用水平导压管取代冷凝罐的可行性 ,弯管蒸汽流量计是一种新型节能的可用于蒸汽和其他低粘度介质测量的新一代仪表。弯管流量计的一次测量元件是一个90度的标准弯管传感器,利用惯性离心力的原理测量介质的流量。在弯管传感器的四十五度内外侧打孔取压,通过引压管将取得的正负差压信号传递到差压变送器,差压变送器将得到的差压信号转变为4~20mA标准电流信号输入二次表,经过计算和分析,实现流量测量。

                        

弯管蒸汽流量计前些年在蒸汽测量中一直采用冷凝罐作为冷凝装置,在应用过程中发现诸多问题,如安装困难、安装精度难以有效保证、冷凝液容易汽化或完全液化等。

1 冷凝罐在弯管流量计蒸汽测量中对计量精度的影响

差压式流量计在蒸汽介质的测量中,按常规方式传感器的引压口处必须加装冷凝罐,通过调整使得正负压侧冷凝罐的液面保持相同的高度,确保差压变送器获得真实而有意义的差压信号。

对于孔板流量计,这种安装方法相对简单。因其正负两个冷凝罐都安在同一侧且并排靠在一起,高度极易调平,空气对流状况及环境温度等外部条件较容易保持一致,所以正负冷凝罐内液面的变化基本一致。孔板流量计是通过节流取压(节流装置造成局部缩流,提高了介质流速),它获得的差压值很大,一般都在几万帕。尽管有时正负罐内的液面高低略有差别,但这一点高差对孔板的测量精度影响较小。

弯管流量计是根据介质在管道内的自然流动所产生的差压信号来测量介质流量的,它获得的差压信号较小,一般在几千帕、几百帕甚至几十帕,因此对冷凝罐的安装和使用要求就非常严格。首先,冷凝罐必须安装在弯管传感器的内外两侧(弯管流量计取压点在弯管传感器45o内外两侧)。由于距离较远,正负两个冷凝罐难以保证水平,在小流量测量时容易引起误差;其次,蒸汽温度、压力的变化会破坏吸热速率与散热速率的动态平衡,在达到新平衡的过程中会引起液面波动。由于受到现场安装条件及环境的限制,两侧冷凝罐的空气对流和散热等条件不同,出现两侧液面波动不同步,从而引入较大误差,影响弯管流量计的高精度测量。

2 用水平导压管取代冷凝罐的可行性分析

冷凝罐最大的缺点是当蒸汽温度、压力及环境条件变化时液面会上下波动,影响差压的测量。如果使液面由上下波动改为水平波动,问题就会得到根本解决。为此,我们选用φ14mm x 2mm无缝钢管作成水平导压管取代冷凝罐。当水平段导压管足够长时,无论蒸汽温度、压力变化再大,管内冷凝水始终保持恒定高度,这样弯管传感器实测差压值就能准确地传递给差压变送器,从而保证弯管蒸汽流量计的高精度和高稳定性。

采用水平导压管的前提是在测量中必须保证蒸汽冷凝在导压管水平段上。那末水平段多长才能保证对任意工况条件下的蒸汽都适用呢?

导压管内流体状态如图1所示。

由流体力学所知,导压管内流体相对静止,呈动态平衡状态。其冷凝过程分三个阶段:L1段—过热蒸汽逐渐降温至饱和蒸汽;L2段—饱和蒸汽在恒温条件下放出潜热生成同温冷凝水;L3段—高温冷凝水降温至常温水。因此,水平段应大于L1+L2+L3。

2.1 导压管吸热与散热的导热速率应当相同。在速率平衡状态时吸热主要以热传导方式进行。一是通过金属管壁由根部向外导热,二是通过内部蒸汽传热。散热既有管壁的热传导,又有空气对流散热和辐射散热。空气对流传热系数为5~25,我们取不利于散热的系数α1=5(W/m2℃)。辐射散热可融于对流散热,只需对传热系数加以修正,即α=α1+α2。

其中辐射系数α2为:

ε-碳钢的黑度,0.8;C0-黑体辐射系数,5.67;T2-辐射体的温度;T1-环境温度。

经计算,取α=10

2.2 据热传导学傅立叶定律:dQ=- λSdt/dn

dt/dn-温度梯度

Q-导热速率,方向与梯度相反,单位W(=J/S)

S-等温表面面积,单位m2

λ-导热系数,单位W/m℃

由此推出:平壁热传导公式为Q=λS(T2-T1)/b

其中:b-壁厚,S-平壁面积。

单层圆筒壁的传导公式 Q=-λ(2πrl)dt/dr

积分得 Q=2πLλ(T2-T1)/In(r2/r1)

L-圆筒长度;r2-圆筒外半径;r1-圆筒内半径。

又知,壁面与流体间对流传热速率

dQ=α(T2-T1)ds

工程计算中常用平均对流传热系数,则

Q=αS(T2-T1)

由以上知识可以方便地求出L1、L2、L3

(1)、L1段:设蒸汽吸热速率为Q1,钢管吸热速率Q2,高温端为过热蒸汽温度Tg,低温端为饱和蒸汽温度Tb,因此吸热速率

λ1-蒸汽导热系数,0.04;λ2-碳钢导热系数,45.8;

r2-导压管外半径,7mm;r1-导压管内半径,5mm。

散热过程为,先由管壁传导散热,再与空气对流、辐射联合传热,故传热可看作串联过程。导压管外环境温度(T1)都一样,但管内温度(T2)却是逐渐降低的,应取平均值T2=(Tg+Tb)/2

总热阻

散热速率

平衡状态

Qx=Qs (4)

(1)~(4)式联立得:

L2段:为恒温散热过程。饱和蒸汽散热生成同温冷凝水,散热途径分为向空气散热和向L3导压管散热(=L3吸收的热量)

吸热过程:其单位时间内吸收的热量要始终保持蒸汽不冷凝成水,经查表每公斤蒸汽的冷凝潜热约2.5×106焦耳。

设饱和蒸汽密度为ρb

则 Qx=2.5 x106 x ρb x πr12L2 (7)

L3段:热水散热至常温,同理

(5)~(9)联立得:L2=(Tb-T1)/8ρb(mm)

L3=178.6mm

对于L1:Tb-T1>0

对于L2:

(Tb-T1)/8ρb

因此

L=L1+L2+L3 <177+40+178.5=395.6mm

由以上分析得知,用400~500mm长的水平导压管作为冷凝装置完全可以取代冷凝罐,且性能稳定、可靠。

通过四年来的现场实践证明,弯管蒸汽流量计在蒸汽测量中采用水平导压管取代冷凝罐是可行的。为了便于安装及提高水平安装精度,我们将其升级成盘式冷凝器(如图2所示),现场利用水平尺即可高质量地一步安装到位。盘式冷凝器现在已经成为我厂定型产品,盘式冷凝器和弯管传感器一同配套出厂,既简单实用,便于安装,更保证了测量精度,进二步提高了弯管流量计在蒸汽测量中的适应性。

 

 

点击次数:  更新时间:2017-09-21  【打印此页】  【关闭
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