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渦街流量計在氧化鋁生産蒸汽計量中的應用分析

渦街流量計在氧化鋁生産蒸汽計量中的應用分析

时间:2019-11-12 09:55:27
摘 要: 渦街流量計的工作原理、选型注意事项及安装要求,分析渦街流量計在氧化铝生产蒸汽计量使用过程中的常见问题及相应对策。
拜耳法生产氧化铝过程中,蒸汽是氧化铝企业运行中的重要能源,用于加热苛性钠溶液与铝土矿石,同时也用于加热浓缩分解后的母液。据统计蒸汽消耗占氧化铝能源成本的40% ~60% 。对于氧化铝企业,蒸汽消耗成为企业成本的重要组成部分,在氧化铝企业的发展和生存中起着决定性因素。
1  氧化铝生产中蒸汽消耗分布及目前的现状
在拜耳法氧化铝生产中,工艺综合能耗主要由蒸汽、电力、水、压缩空气和燃料组成,其中蒸汽是氧化铝生产的主要能源消耗指标之一,汽耗的高低直接反映这个企业的生产管理和驾驭生产的能力。以某一氧化铝为例,工艺综合能耗约15.72G J/t-A l 2 O 3 ,蒸汽约占42% ,其中蒸汽由高压蒸汽和低压蒸汽两部分组成。表1为某氧化铝企业高低压蒸汽消耗点。
以表1爲例,氧化鋁企業蒸汽需要計量點一般在8~10個,用汽量從3.5~206t/h不等,溫度和壓力也不盡相同。
目前,在氧化鋁企業蒸汽計量儀表通常采用兩大類,一類是基于伯努力方程原理的,如差壓孔板﹑音速噴嘴、阿牛巴、德爾塔巴、平衡式等,在這類儀表中,又以差壓孔板、阿牛巴、德爾塔巴占比較多;另一類是基于線性連續方程原理的,如渦流量計、質量流量計,由于質量流量計價格昂貴,且高溫狀企业微信截图_20191112103327.jpg態下精度喪失,故而又多以渦流量計計量爲主。基于伯努力方程原理的蒸汽計量儀表,其流量計量方程式爲(1):
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公式(1)說明,一方面由于方程式中存在著介質蒸汽的密度ρf,因此,計量儀表的標定在氧化鋁企業中是個很麻煩而且往往不准確的,一般生産廠大都采用水標定,這種方法標定出來的精度,不代表測量蒸汽的精度。另一方面由于方程式(1)中還有一個氣體的膨脹系數τ,對于不同的蒸汽,不同的壓力,不同的溫度條件下的膨脹系數都不盡相同,因此,即使用壓縮空氣進行標定出來的精度也不代表測量蒸汽的精度。
2  渦街流量計工作原理
渦街流量計是基于線性連續方程原理:
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在這個公式(2)中有2個函數,一個是流體流速v,另一個是斯特勞哈爾數St,而斯特勞哈爾數St是雷諾數Re的函數,當雷諾數Re到達20000後,斯特勞哈爾數St就是一個常數。當渦街流量計測量發生體形狀固定,迎流面寬度就一定,這樣一來,頻率僅僅取決于流體流速,是線性連續方程,通過圖1示渦街流量計測量模型推導,得到流量計量方程式(3):
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其中:St斯特劳哈尔数,无量纲;f频率H z/S;D流量计通径 ;d迎流面宽度。渦街流量計是基于线性连续方程原理,只要雷诺数大于20000,测量与流体的性质无关,与密度、黏度等均无关。用水标定出来的流量系数同样适用于蒸汽计量,在常温下标定出的流量系数同样适用于低温和高温蒸汽。这样,渦街流量計更能适应氧化铝企业内高低压、不同温度蒸汽计量的需求。
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K为流量系数,含义是每升流量由几个脉冲表示,即是P/L,经过公式变换,实际运用中的渦街流量計计算公式(4):
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一般,渦街流量計的流量系数,其实在设计时就已经定下来了,但是每个生产厂都要对每一台流量计进行标定,就是为了检验制造误差。但不管这个数是什么数,标定合格了的流量系数就是正确计量的常数,适用于不同工况状态的蒸汽。另外要注意,从公式(4)可以看出,渦街流量計只能测流体的工况体积方,质量方和标准体积方是根据密度或压力温度换算出来的。
3  氧化铝生产中蒸汽计量设计选型
以表1爲例,氧化鋁企業蒸汽需要計量點在8~10個左右,且一般均爲過熱蒸汽,數學模式爲二元函數,因此,設計時需要考慮壓力、溫度雙補償。
3.1 工艺参数的选择
設計選型時要考慮的因素包括:流量參數範圍、壓力參數範圍、溫度參數範圍,以流量選通徑。同時遵循如下原則:
(1)非常高壓力情況下考慮非常小流量是否在該通徑的工作範圍之內;
(2)非常低壓力情況下考慮非常大流量是否超出該通徑的工作範圍之內;
另外,非常高溫度對應脈沖輸出時應考慮發生體寬度的膨脹系數,工況溫度條件下的流量系數Kt:
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其中:T爲工況溫度;K爲標准流量系數(一般在儀表銘牌上)。
3.2 通径的选择
設計選型時,考慮到減少壓力損失,在進行蒸汽計量時,對流量下限有一定要求,要根據蒸汽流量的大小來選取流量計的通徑,而不能根據原管道內競麽選取流量計通徑。
蒸汽流量計通徑選擇可以采用查表法及計算驗證。
查表法即是在産品样本上,根据工况压力下蒸汽可测流量范围表查取流量通径;然后计算验证流速、雷诺数是否在一定范围内。
(1)流速计算:蒸汽流速范围一般2m /s~60m /s,非常高应<80m /s。
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其中:V爲流速;ρ爲密度;μ介質黏度;D爲流量計通徑。
当然有的産品能提供计算机选型软件,直接把相关工艺参数输入,就能得到理想的结果。
3.3 注意事项
(1)选择信号输出时建议使用脉冲(频率)输出方式,如果要求输出电流信号,转换过程将丧失±0.2% ~ 0.4% 精度。
(2)在氧化铝企业中,蒸汽的温度一般都大于150℃,建议采用分体型渦街流量計,另外一定要考虑温度和压力补偿问题。
4  安装要求
在氧化铝企业蒸汽测量过程中,被测蒸汽具有稳定流态是保证渦街流量計精确测量的前提条件,要使渦街流量計的测量值更稳定、准确,安装时需注意以下几点。
(1)安裝確保傳感器銘牌上的箭頭指向與流體流向一致。
(2)安装建议遵循直管段的要求,见表2,当现场无法满足直管段要求时,建议采用与渦街流量計配套的流量镇流器。
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(3)安裝傳感器避開振動源或者在振動較小的地方,院秒大功率用電設備。
(4)安裝帶焊接時要注意搭鐵的位置,防止壓電晶片的損壞,一般要件焊左搭左,焊右搭右。
5  常见问题及注意事项
5.1 无流量有信号
首先检测判断是否有振动,如有轻微振动,处理方法是外部机械消振措施,如用橡胶软接头,橡胶软垫等消振,用支架固定管道;或者是根据産品说明书调整参数设置,消除振动。如严重振动,则是更改流量计安装位置、加固管线、流量计前后加软连接。
其次检测判断是否有50H z工频干扰通常采用频率计测量或电流值计算方法。这里介绍电流值计算方法,计算公式(8):
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如果计算出的结果是或者接近50H z,可采取保证转换器的外壳接地螺钉可靠接地或者把整个转换器浮地。
5.2 有流量无信号
首先檢測接線是否正確,供電電源的電壓等級是否符合要求,電源極性是否接正確,分體式的還要檢測專用電纜是否連接正確,再有就是檢查發生體、轉換器是否損壞。
其次判斷實際工藝蒸汽流量是否太小,判斷方法是在靠近流量計的管道旁有規律地連續敲擊,無論何種型號的流量計均會出現流量顯示。處理辦法就是更換通徑小一些的流量計或在工藝條件允許的情況下加大流量。
5.3 流量不稳定
现场观察流量计安装时垫片是否同心或伸人管道,工艺管道是否符合表2氧化铝企业安装要求或者産品说明书的非常大要求。处理办法就是正确选用配套垫片并正确装配,更改流量计安装位置或加流量镇流器。
6  小结
渦街流量計是基于线性连续方程原理进行测量的新型流量计,因具有良好的介质适应能力,是节流式流量计的理想替代産品。它可以测量氧化铝企业高低压蒸汽,在氧化铝行业中广泛应用。但只有在正确设计、正确选型以及正确安装的条件下才能保证其测量准确稳定,为降低氧化铝能源消耗发挥其应有的作用。
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