摘 要: 渦街流量計(jì)的工作原理、選型注意事項(xiàng)及安裝要求,分析渦街流量計(jì)在氧化鋁生產(chǎn)蒸汽計(jì)量使用過程中的常見問題及相應(yīng)對策。
拜耳法生產(chǎn)氧化鋁過程中,蒸汽是氧化鋁企業(yè)運(yùn)行中的重要能源,用于加熱苛性鈉溶液與鋁土礦石,同時(shí)也用于加熱濃縮分解后的母液。據(jù)統(tǒng)計(jì)蒸汽消耗占氧化鋁能源成本的40% ~60% 。對于氧化鋁企業(yè),蒸汽消耗成為企業(yè)成本的重要組成部分,在氧化鋁企業(yè)的發(fā)展和生存中起著決定性因素。
1 氧化鋁生產(chǎn)中蒸汽消耗分布及目前的現(xiàn)狀
在拜耳法氧化鋁生產(chǎn)中,工藝綜合能耗主要由蒸汽、電力、水、壓縮空氣和燃料組成,其中蒸汽是氧化鋁生產(chǎn)的主要能源消耗指標(biāo)之一,汽耗的高低直接反映這個(gè)企業(yè)的生產(chǎn)管理和駕馭生產(chǎn)的能力。以某一氧化鋁為例,工藝綜合能耗約15.72G J/t-A l 2 O 3 ,蒸汽約占42% ,其中蒸汽由高壓蒸汽和低壓蒸汽兩部分組成。表1為某氧化鋁企業(yè)高低壓蒸汽消耗點(diǎn)。
以表1為例,氧化鋁企業(yè)蒸汽需要計(jì)量點(diǎn)一般在8~10個(gè),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(yè)蒸汽計(jì)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(xù)方程原理的,如渦流量計(jì)、質(zhì)量流量計(jì),由于質(zhì)量流量計(jì)價(jià)格昂貴,且高溫狀態(tài)下精度喪失,故而又多以渦流量計(jì)計(jì)量為主。基于伯努力方程原理的蒸汽計(jì)量儀表,其流量計(jì)量方程式為(1):
公式(1)說明,一方面由于方程式中存在著介質(zhì)蒸汽的密度ρf,因此,計(jì)量儀表的標(biāo)定在氧化鋁企業(yè)中是個(gè)很麻煩而且往往不準(zhǔn)確的,一般生產(chǎn)廠大都采用水標(biāo)定,這種方法標(biāo)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(gè)氣體的膨脹系數(shù)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(shù)都不盡相同,因此,即使用壓縮空氣進(jìn)行標(biāo)定出來的精度也不代表測量蒸汽的精度。
2 渦街流量計(jì)工作原理
渦街流量計(jì)是基于線性連續(xù)方程原理:
在這個(gè)公式(2)中有2個(gè)函數(shù),一個(gè)是流體流速v,另一個(gè)是斯特勞哈爾數(shù)St,而斯特勞哈爾數(shù)St是雷諾數(shù)Re的函數(shù),當(dāng)雷諾數(shù)Re到達(dá)20000后,斯特勞哈爾數(shù)St就是一個(gè)常數(shù)。當(dāng)渦街流量計(jì)測量發(fā)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(xù)方程,通過圖1示渦街流量計(jì)測量模型推導(dǎo),得到流量計(jì)量方程式(3):
其中:St斯特勞哈爾數(shù),無量綱;f頻率H z/S;D流量計(jì)通徑 ;d迎流面寬度。渦街流量計(jì)是基于線性連續(xù)方程原理,只要雷諾數(shù)大于20000,測量與流體的性質(zhì)無關(guān),與密度、黏度等均無關(guān)。用水標(biāo)定出來的流量系數(shù)同樣適用于蒸汽計(jì)量,在常溫下標(biāo)定出的流量系數(shù)同樣適用于低溫和高溫蒸汽。這樣,渦街流量計(jì)更能適應(yīng)氧化鋁企業(yè)內(nèi)高低壓、不同溫度蒸汽計(jì)量的需求。
K為流量系數(shù),含義是每升流量由幾個(gè)脈沖表示,即是P/L,經(jīng)過公式變換,實(shí)際運(yùn)用中的渦街流量計(jì)計(jì)算公式(4):
一般,渦街流量計(jì)的流量系數(shù),其實(shí)在設(shè)計(jì)時(shí)就已經(jīng)定下來了,但是每個(gè)生產(chǎn)廠都要對每一臺流量計(jì)進(jìn)行標(biāo)定,就是為了檢驗(yàn)制造誤差。但不管這個(gè)數(shù)是什么數(shù),標(biāo)定合格了的流量系數(shù)就是正確計(jì)量的常數(shù),適用于不同工況狀態(tài)的蒸汽。另外要注意,從公式(4)可以看出,渦街流量計(jì)只能測流體的工況體積方,質(zhì)量方和標(biāo)準(zhǔn)體積方是根據(jù)密度或壓力溫度換算出來的。
3 氧化鋁生產(chǎn)中蒸汽計(jì)量設(shè)計(jì)選型
以表1為例,氧化鋁企業(yè)蒸汽需要計(jì)量點(diǎn)在8~10個(gè)左右,且一般均為過熱蒸汽,數(shù)學(xué)模式為二元函數(shù),因此,設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮壓力、溫度雙補(bǔ)償。
3.1 工藝參數(shù)的選擇
設(shè)計(jì)選型時(shí)要考慮的因素包括:流量參數(shù)范圍、壓力參數(shù)范圍、溫度參數(shù)范圍,以流量選通徑。同時(shí)遵循如下原則:
(1)#高壓力情況下考慮#小流量是否在該通徑的工作范圍之內(nèi);
(2)#低壓力情況下考慮#大流量是否超出該通徑的工作范圍之內(nèi);
另外,#高溫度對應(yīng)脈沖輸出時(shí)應(yīng)考慮發(fā)生體寬度的膨脹系數(shù),工況溫度條件下的流量系數(shù)Kt:
其中:T為工況溫度;K為標(biāo)準(zhǔn)流量系數(shù)(一般在儀表銘牌上)。
3.2 通徑的選擇
設(shè)計(jì)選型時(shí),考慮到減少壓力損失,在進(jìn)行蒸汽計(jì)量時(shí),對流量下限有一定要求,要根據(jù)蒸汽流量的大小來選取流量計(jì)的通徑,而不能根據(jù)原管道內(nèi)競么選取流量計(jì)通徑。
蒸汽流量計(jì)通徑選擇可以采用查表法及計(jì)算驗(yàn)證。
查表法即是在產(chǎn)品樣本上,根據(jù)工況壓力下蒸汽可測流量范圍表查取流量通徑;然后計(jì)算驗(yàn)證流速、雷諾數(shù)是否在一定范圍內(nèi)。
(1)流速計(jì)算:蒸汽流速范圍一般2m /s~60m /s,#高應(yīng)<80m /s。
其中:V為流速;ρ為密度;μ介質(zhì)黏度;D為流量計(jì)通徑。
當(dāng)然有的產(chǎn)品能提供計(jì)算機(jī)選型軟件,直接把相關(guān)工藝參數(shù)輸入,就能得到理想的結(jié)果。
3.3 注意事項(xiàng)
(1)選擇信號輸出時(shí)建議使用脈沖(頻率)輸出方式,如果要求輸出電流信號,轉(zhuǎn)換過程將喪失±0.2% ~ 0.4% 精度。
(2)在氧化鋁企業(yè)中,蒸汽的溫度一般都大于150℃,建議采用分體型渦街流量計(jì),另外一定要考慮溫度和壓力補(bǔ)償問題。
4 安裝要求
在氧化鋁企業(yè)蒸汽測量過程中,被測蒸汽具有穩(wěn)定流態(tài)是保證渦街流量計(jì)精que測量的前提條件,要使渦街流量計(jì)的測量值更穩(wěn)定、準(zhǔn)確,安裝時(shí)需注意以下幾點(diǎn)。
(1)安裝確保傳感器銘牌上的箭頭指向與流體流向一致。
(2)安裝建議遵循直管段的要求,見表2,當(dāng)現(xiàn)場無法滿足直管段要求時(shí),建議采用與渦街流量計(jì)配套的流量鎮(zhèn)流器。
(3)安裝傳感器避開振動(dòng)源或者在振動(dòng)較小的地方,院秒大功率用電設(shè)備。
(4)安裝帶焊接時(shí)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 常見問題及注意事項(xiàng)
5.1 無流量有信號
shou先檢測判斷是否有振動(dòng),如有輕微振動(dòng),處理方法是外部機(jī)械消振措施,如用橡膠軟接頭,橡膠軟墊等消振,用支架固定管道;或者是根據(jù)產(chǎn)品說明書調(diào)整參數(shù)設(shè)置,消除振動(dòng)。如嚴(yán)重振動(dòng),則是更改流量計(jì)安裝位置、加固管線、流量計(jì)前后加軟連接。
其次檢測判斷是否有50H z工頻干擾通常采用頻率計(jì)測量或電流值計(jì)算方法。這里介紹電流值計(jì)算方法,計(jì)算公式(8):
如果計(jì)算出的結(jié)果是或者接近50H z,可采取保證轉(zhuǎn)換器的外殼接地螺釘可靠接地或者把整個(gè)轉(zhuǎn)換器浮地。
5.2 有流量無信號
shou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(fā)生體、轉(zhuǎn)換器是否損壞。
其次判斷實(shí)際工藝蒸汽流量是否太小,判斷方法是在靠近流量計(jì)的管道旁有規(guī)律地連續(xù)敲擊,無論何種型號的流量計(jì)均會(huì)出現(xiàn)流量顯示。處理辦法就是更換通徑小一些的流量計(jì)或在工藝條件允許的情況下加大流量。
5.3 流量不穩(wěn)定
現(xiàn)場觀察流量計(jì)安裝時(shí)墊片是否同心或伸人管道,工藝管道是否符合表2氧化鋁企業(yè)安裝要求或者產(chǎn)品說明書的#大要求。處理辦法就是正確選用配套墊片并正確裝配,更改流量計(jì)安裝位置或加流量鎮(zhèn)流器。
6 小結(jié)
渦街流量計(jì)是基于線性連續(xù)方程原理進(jìn)行測量的新型流量計(jì),因具有良好的介質(zhì)適應(yīng)能力,是節(jié)流式流量計(jì)的理想替代產(chǎn)品。它可以測量氧化鋁企業(yè)高低壓蒸汽,在氧化鋁行業(yè)中廣泛應(yīng)用。但只有在正確設(shè)計(jì)、正確選型以及正確安裝的條件下才能保證其測量準(zhǔn)確穩(wěn)定,為降低氧化鋁能源消耗發(fā)揮其應(yīng)有的作用。