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渦街流量計在氧化鋁生產蒸汽計量中的應用分析

2016-05-23

拜耳法生產氧化鋁過程中,蒸汽是氧化鋁企業運行中的重要能源,用于加熱苛性鈉溶液與鋁土礦石,同時也用于加熱濃縮分解后的母液。據統計蒸汽消耗占氧化鋁能源成本的40% ~60% 。對于氧化鋁企業,蒸汽消耗成為企業成本的重要組成部分,在氧化鋁企業的發展和生存中起著決定性因素。

1 氧化鋁生產中蒸汽消耗分布及目前的現狀

在拜耳法氧化鋁生產中,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的主要能源消耗指標之一,汽耗的高低直接反映這個企業的生產管理和駕馭生產的能力。

以某一氧化鋁為例,工藝綜合能耗約15.72GJ/t-Al2O3,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為某氧化鋁企業高低壓蒸汽消耗點。

以表1為例,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。

表1 某氧化鋁企業蒸汽用汽點

目前,在氧化鋁企業蒸汽計量儀表通常采用兩大類,一類基于伯努利方程原理的,如差壓孔板、音速噴嘴、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,如渦街流量計、質量流量計,由于質量流量計價格昂貴,且高溫狀態下精度喪失,故而又多以渦街流量計為主。

基于伯努利方程原理的蒸汽計量儀表,其流量計量方程式為(1):

 公式(1)說明,一方面由于方程式中存在著介質蒸汽的密度ρƒ,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準確,一般生產廠大都采用水標定,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:

St=f×d/v或者f=St×d/v(2)

其中:

St斯特勞哈爾數,無量綱;

v介質流速;

 f頻率Hz/S:

 d迎流面寬度。

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是雷諾數Re的函數,當雷諾數Re到達20000后,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):

圖1 渦街流量計測量模型示意圖

    (3)

其中:St斯特勞哈爾數,無量綱; f頻率Hz/S;D流量計通徑;d迎流面寬度。

渦街流量計是基于線性連續方程原理,只要雷諾數大于20000,測量與流體的性質無關,與密度、黏度等均無關。用水標定出來的流量系數同樣適用于蒸汽計量,在常溫下標定出的流量系數同樣適用于低溫和高溫蒸汽。這樣,渦街流量計更能適應氧化鋁企業內高低壓、不同溫度蒸汽計量的需求。

K為流量系數,含義是每升流量由幾個脈沖表示,即是P/L,經過公式變換,實際運用中的渦街流量計計算公式(4):

             (4)

一般,渦街流量計的流量系數,其實在設計時就已經定下來了,但是每個生產廠都要對每一臺流量計進行標定,就是為了檢驗制造誤差。但不管這個數是什么數,標定合格了的流量系數就是正確計量的常數,適用于不同工況狀態的蒸汽。

另外要注意,從公式(4)可以看出,渦街流量計只能測流體的工況體積方,質量方和標準體積方是根據密度或壓力溫度換算出來的。

3 氧化鋁生產中蒸汽計量設計選型

以表1位例,氧化鋁企業蒸汽需要計量點在8~10個左右,且一般均為過熱蒸汽,數學模式為二元函數,因此,設計時需要考慮壓力、溫度雙補償。

3.1 工藝參數的選擇

設計選型時要考慮的因素包括:流量參數范圍、壓力參數范圍、溫度參數范圍,以流量選通徑。

同時遵循如下原則:

(1) 最高壓力情況下考慮最小流量是否該通徑的工作范圍之內;

(2)  最低壓力情況下考慮最大流量是否超出該通徑的工作范圍之內;

另外,最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:

     (5)

其中:

T為工況溫度;K為標準流量系數(一般在儀表銘牌上)。

3.2 通徑的選擇

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徑來選取流量計通徑。

蒸汽流量計通徑選擇可以采用查表法及計算驗證。

查表法即是在產品樣本上,根據工況壓力下蒸汽可測量范圍表查取流量通徑;然后計算驗證流速、雷諾數是否在一定范圍內。

(1) 流速計算:蒸汽流速范圍一般2m/s~60m/s,最高應<80m/s。

     (6)

其中:V為流速;Q為體積流量;D為流量計通徑。

(2)  雷諾數計算法:①最低流量時的雷諾數不得小于5000;②保證精度最低流量時的雷諾數不得小于20000。

                 (7)

其中:V為流速;ρ為密度;μ介質黏度;D為流量計通徑。

當然有的產品能提供計算機選型軟件,直接把相關工藝參數輸入,就能得到理想的結果。

3.3 注意事項

(1)選擇信號輸出時建議使用脈沖(頻率)輸出方式,如果要求輸出電流信號,轉換過程將喪失±0.2%~0.4%精度。

(2)在氧化鋁企業中,蒸汽的溫度一般都大于150℃,建議采用分體型渦街流量計,另外一定要考慮溫度和壓力補償問題。

4 安裝要求

在氧化鋁企業蒸汽測量過程中,被測蒸汽具有穩定流態是保證渦街流量計精確測量的前提條件,要使渦街流量計的測量值更溫度、準確,安裝時需注意以下幾點。

(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,當現場無法滿足直管段要求時,建議采用與渦街流量計配套的流量鎮流器。

表2 氧化鋁企業蒸汽計量上下游特殊情況前后直管段長度參考

(3) 安裝傳感器避開振動源或者在振動較小的地方,遠離大功率用電設備。(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 常見問題及注意事項

5.1 無流量有信號

首先檢查判斷是否有振動,如有輕微振動,處理方法是外部機械消振措施,如用橡膠軟接頭,橡膠軟墊等消振,用支架固定管道;或者是根據產品說明書調整參數設置,消除振動。如嚴重振動,則是更改流量計安裝位置、加固管線、流量計前后加軟連接。

其次檢測判斷是否有50HZ工頻干擾通常采用頻率計測量或電流值計算方法。這里介紹電流值計算方法,計算公式(8):

 或者   (8)

其中:

Qf體積方m3/h;Qm質量方Kg/h;ρ工況密度Kg/m3;Kt儀表流量系數。

如果計算出的寄過是或者接近50HZ,可采取保證轉換器的外殼接地螺釘可靠接地或者把整個轉換器浮地。

5.2 有流量無信號

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。處理方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 流量不穩定

現場觀察流量計安裝時墊片是否同心或伸入管道,工藝管道是否符合表2氧化鋁企業安裝要求或者產品說明書的最大要求。處理辦法就是正確選用配套墊片并正確裝配,更改流量計安裝位置或加流量鎮流器。

6 小結

渦街流量計是基于線性連續方程原理進行測量的新型流量計,因具有良好的介質適應能力,是節流式流量計的理想替代產品。它可以測量氧化鋁企業高低壓蒸汽,在氧化鋁行業中廣泛應用。但只有在正確設計、正確選型以及正確安裝的條件下才能保證其測量準確穩定,為降低氧化鋁能源消耗發揮其應有的作用。

文章摘自:甘長能, 李亮. 渦街流量計在氧化鋁生產蒸汽計量中的應用分析. 中國儀器儀表,  2016(4).

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