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工程設計中插入式煙氣流量計插入深度的選擇

點擊次數(shù):2150 發(fā)布時間:2021-01-08 05:54:55
摘 要 :描述插入式煙氣流量計的工作原理,根據(jù)流體力學中**的“卡門渦街”原理進行流量測量,同時根據(jù)被測介質流速分布情況,簡述渦旋發(fā)生體(非線性三角柱形體)以及探頭的結構形式;經試驗論證了插入式煙氣流量計在被測管道內正確的插入深度(主要是渦旋發(fā)生體和并聯(lián)方式的四片壓電晶體與被測管道的相對位置),從而確定安裝現(xiàn)場的通用原則和規(guī)范,當配合輔助工具(公司**產品:開孔器和推進、啟拔器)還可實現(xiàn)現(xiàn)場不停產安裝或更換,彌補了法蘭式煙氣流量計的體積大、整體重量過大、安裝不便等不足現(xiàn)象,具有很高的性價比。
引言
煙氣流量計均以管道法蘭式結構形式在用戶中廣泛使用,但其相對價格較高,且只有在現(xiàn)場管線停產檢修時才能進行安裝、維護。針對此種情況,研制了插入式渦街量計,因其特殊的結構形式,配合自主研發(fā)的專用配套工具(公司**產品:開孔器和推進、啟拔器),可實現(xiàn)現(xiàn)場管道在不停產的狀態(tài)下進行安裝或更換插入式煙氣流量計,該產品造價低廉、抗振性強、無零點漂移、可靠性高。通過長時間對插入式煙氣流量計進行大量波形分析和頻譜分析,設計出非常好的的探頭形狀、壁厚、高度、探頭桿直徑、發(fā)生體的幾何尺寸,和與之相配套采用并聯(lián)方式的四片壓電晶體及插入式煙氣流量計插入管道的深度,普遍適用于大口徑工業(yè)管道安裝特點。采用先進的加工中心進行生產加工各個零部件,確保各個零部件的同軸度和表面粗糙度等加工精度,再配合熱處理工藝,從而*大限度地克服煙氣流量計存在的固有自振蕩頻率對信號的影響,其準確度等級能夠達到±1% FS 以上,本文主要通過優(yōu)化設計和試驗,確定其插入深度的正確選擇。
1 測量原理
插入式煙氣流量計實現(xiàn)流量測量的理論基礎是流體力學中**的“卡門渦街”原理,在流動的流體中裝置一個非線性三角柱形體,即渦旋發(fā)生體,如圖 1 所示。當流體沿渦旋發(fā)生體繞流時,會在渦旋發(fā)生體下游產生兩列不對稱,但有規(guī)律交替地分離釋放出一系列漩渦束,只有當兩渦漩列之間的距離 h 和同列的兩渦漩之間的距離 L 之比滿足 h/L=0.281 時,所產生的渦街才是穩(wěn)定的。

按國際標準化組織 IS07145(在環(huán)形截面封閉管道中的流體流量測定--在截面一點的速度測量法),采用埋入壓電晶體的渦街測速探頭,插入大口徑工業(yè)管道內,將卡門旋渦頻率轉換為與流量成正比的標準信號:(4 ~ 20)mA DC。
2 插入式煙氣流量計優(yōu)化設計
根據(jù)流體力學的相關知識,從以下幾個方面進行探討與研究:
2.1 流體介質的密度
流體質量不隨外界條件變化而變化,但流體體積與溫度和壓力密切相關。也就是,流體密度是溫度和壓力的函數(shù)。
2.2 流體介質的粘度
先觀察河中水流動的現(xiàn)象,可以看到河中央的水流速*快,越靠近岸邊的水流得越慢。同樣,當流體在管道中流動時,管道中心的流速*快,越靠近管壁處的流速越慢,這是流體流動時,由于流體介質的粘度和在管道內部產生摩擦的緣故。
由于流體介質的密度和粘度的關系,一切流體介質在流動時內部各個層面的速度是不同的。在相鄰層的接觸面上存在著一對等值反向的力,速度較快的流層帶動流層速度較慢的流層,使之加快速度;速度較慢的流層阻滯速度較快的流層使之減速,這種阻滯力稱之為內摩擦力,流體之間的相互作用稱為流體內摩擦(即:牛頓內摩擦定律),而粘度是內摩擦的量度,是流體反抗變形的能力。
2.3 雷諾數(shù)和流態(tài)
根據(jù)測量管道內流體的流動狀態(tài)和流速的分布情況,雷諾數(shù)是表征流體流動特性的一個重要參數(shù)。雷諾數(shù)表征了流體流動時慣性力和粘性力的無綱量參數(shù),其比值如下式給出:
Re=VD/γ(管道為圓管時)
式中:V-流動橫截面的平均流速,單位:米 / 秒(m/s)。
D-流動的特性長度為管道直徑,單位:米(m)。
γ-流體的運動粘度,單位:平方米 / 秒(m 2 /s)。
對于流動介質的斷面為圓管時,有一個共同的臨界雷諾數(shù) Rec,一般情況下,Rec=2300。
當 Re < Rec 時,管道內流體為層流(層流是流體流動時,如果流體質點的軌跡隨初始空間坐標 x、y、z 和時間 t 而變,則是有規(guī)則的光滑曲線,*簡單的情形是直線),如圖 2(a)所示。
當 Re > Rec 時,管道內流體為湍流(湍流是流體的不規(guī)則運動,流場中各種量**間和空間坐標發(fā)生紊亂地變化),如圖 2(b)所示。

根據(jù)以上各種參數(shù)的分析,*終設計出探頭部件,如圖 3 所示。

3 實踐當中遇到的實際難題
根據(jù)中華人民共和國機械行業(yè)標準:JB/T9249-2015《煙氣流量計》進行插入式煙氣流量計的研制與設計。在試驗過程中,因為理論研究不充分,再加上經驗不足,采用插入深度是按照以往其它產品(插入式電磁流量計)的經驗,以插入深度為現(xiàn)場管道內徑的 12.5% 進行試驗,其對介質流量的檢測值與同種規(guī)格管道法蘭式結構的煙氣流量計進行比較,偏差值較大、儀表準確度無法滿足設計要求。試驗安裝位置和安裝方法如圖 4 所示。


插入式煙氣流量計插入深度為現(xiàn)場管道內徑的 12.5%時,試驗數(shù)據(jù)如下(以 DN200 為例):
插入式煙氣流量計標校原始記錄, 流量范圍 :(90 ~ 400)m 3 /h;標定介質:水;標定溫度:20℃;標定壓力:1.0Mpa。
標定結論:*大儀表系數(shù) :2.45N/L ;*小儀表系數(shù) :1.743N/L ;*終儀表系數(shù) :2.0965N/L ;線性誤差 :16.86% ;重復性誤差 :0.20%。
對以上的試驗結果與相同規(guī)格、型號、量程的法蘭式煙氣流量計相對比,其準確度無法相比。結論 :插入深度有問題,或插入式煙氣流量計的采集信號的探頭結構有問題。

經過分析、研究,插入式煙氣流量計的采集信號的探頭結構確定沒有問題。
對插入式煙氣流量計和插入式電磁流量計的結構原理進行分析,插入式電磁流量計的信號采集點在標校管道內12.5% 為宜,因它屬電磁類流量計,而煙氣流量計是根據(jù)“卡門渦街”原理進行測量管道內流量,根據(jù)標校管道內層流和湍流的分析,以及插入式煙氣流量計獨特的探頭結構形式,確定插入式煙氣流量計的插入深度為標校管道內 50%,試驗安裝位置和安裝方法如圖 5 所示。

插入式煙氣流量計插入深度為現(xiàn)場管道內徑的50%時,試驗數(shù)據(jù)如下(以 DN200 為例):
插入式煙氣流量計標校原始記錄,流量范圍 :(90 ~ 400)m 3 /h;標定介質:水;標定溫度:20℃;標定壓力:1.0MPa。
檢定結論:*大儀表系數(shù):0.144N/L;*小儀表系數(shù):0.143N/L ;*終儀表系數(shù) :0.143N/L ;線性誤差 :0.23% ;
重復性誤差 :0.20% ;儀表精度 :0.31%。
4 結論
本文提出了一種插入式煙氣流量計在實際應用過程中,經過該儀表特殊結構分析和根據(jù)流體力學的特性,對探頭進行優(yōu)化設計,以及插入深度的確定,確保提高其在現(xiàn)場運行過程中的穩(wěn)定性、準確度等級和抗干擾能力,充分發(fā)揮插入式煙氣流量計自有優(yōu)勢,對該產品質量的提升以及可操作性都具有實質性推動作用,同時配合輔助工具(公司**產品 :開孔器和推進、啟拔器)還可實現(xiàn)現(xiàn)場不停產安裝或更換,彌補了法蘭式煙氣流量計體積大、整體重量過大、安裝不便等現(xiàn)象,為用戶提供了方便,特別適用于大管道介質的測量,其性價比高、適用廣泛。

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