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聯(lián)系我們0、引言
國外一位流量專家F .C .King ho ro 曾經說過,流量計是少數幾種使用比制造艱難的儀表之一。這是因為流量是一個動態(tài)量, 處于運動狀態(tài)的液體內部不僅存在著粘性摩擦作用, 還會產生不穩(wěn)定的旋渦和二次流等復雜流動現象。測量儀表本身受到眾多因素, 如:管道、口徑大小、形狀(圓形、矩形)、邊界條件、介質的物性(溫度、壓力、密度、粘度、臟污性、腐蝕性等)、流體的流動狀態(tài)(紊流狀態(tài)、速度分布等)以及安裝條件與水平的影響。面對國內外十幾類、上百個品種的流量儀表(先后發(fā)展起來的有容積式、差壓式、渦街式、電磁式、超聲波式和熱式流量計等類型), 如何根據流量、流態(tài)、安裝要求與環(huán)境條件、經濟性等因素合理選型, 是應用好流量儀表的前提和基礎。除了儀表自身質量要得到保證, 工藝數據的提供和儀表的安裝、使用、維護是否合理也相當重要。本文介紹在污水流量計量中經常使用的電磁式、渦街式、節(jié)流式等幾種流量計的選型設計, 并結合污水處理工藝特點, 從理論和實踐兩方面闡述它們各自的特點。
1、電磁流量計選型設計
電磁流量計自20 世紀50 年代末國內工業(yè)應用以來, 七八十年代在流量測量中運用和發(fā)展很快。電磁流量計的工作原理是基于法拉第電磁感應定律, 即被測介質垂直于磁力線方向流動, 因而在與介質流動和磁力線都垂直的方向上產生一感應電動勢Ex
式中:Ex 為感應電動勢,V;B 為磁感應強度,T ;D 為兩電極間的距離, mm ;v 為被測介質的平均流速,m/s。
被測介質的流量Q 與d(等同于D , 均指兩極間距離)和v 有關:
其中, K 為常數。
由式(4)可知, 感應電動勢Ex 與被測介質流量(流速)成正比, 電磁流量計不受溫度、壓力、粘度、密度等外界因素的影響, 測量管內部無收縮或凸出部分的壓力損失, 另外, 流量元件檢測出的zui初信號,是一個與流體平均流速成線性變化的電壓, 它與流體的其他性質無關, 具有很大的*性。
根據污水具有流量變化大、含雜質、有一定的導電能力等特性, 測量污水的流量, 電磁流量計是一個很好的選擇。它結構緊湊、體積小, 安裝、操作、維護方便, 如測量系統(tǒng)采用智能化設計, 整體密封加強,能在較惡劣的環(huán)境下正常工作?？蛇x用氯丁橡膠襯里, 含鉬不銹鋼(0Cr18Ni12Mo2Ti)電極的電磁流量計, 即可滿足污水流量計量的要求。
某冶煉廠在生產中, 由于生產工藝的需要, 會產生大量的工業(yè)污水, 污水處理廠必須對污水的流量進行監(jiān)控。在以往的選型設計中, 流量儀表不少都選用旋渦流量計和孔板流量計。而實際應用中發(fā)現測量的流量顯示值與實際流量偏差較大, 改用電磁流量計偏差大大減小。
2、渦街流量計選型設計
渦街流量計作為一種新型流量計, 20 世紀80年代中期以來發(fā)展較快, 它在流量測量方面有著諸多的優(yōu)點和長處, 在現代流量測量中應用越來越廣泛。在國內使用渦街流量計進行流量測量也愈來愈得到重視, 目前我國已有性能優(yōu)良并有自主知識產權的產品系列。渦街流量計是基于流體振動發(fā)展起來的, 根據旋渦的不同, 檢測方式從熱絲式、熱敏式逐漸發(fā)展了應力式、磁敏式及差動開關電容式、超聲波式等。渦街流量計幾乎可用于一切可形成旋渦列的場合, 不僅可用于封閉的管道, 還可用于開放的溝槽。與渦輪流量計相比, 渦街流量計沒有可動的機械部件, 維護工作量小, 儀表常數穩(wěn)定;與孔板式流量計相比, 渦街流量計測量范圍大, 壓力損失小, 準確度高, 安裝與維護簡單。但渦街流量計的環(huán)境相關參數較多, 容易在使用現場被忽略而影響流量計性能的正確發(fā)揮。
渦街流量計的原理是在流量計管道中, 設置一滯流件, 當流體流經滯流件時, 由于滯流件表面的滯流作用等原因, 在其下游會產生兩列不對稱的旋渦,這些旋渦在滯流件的側后方分開, 形成所謂的卡門(Karman)旋渦列, 兩列旋渦的旋轉方向是相反的,卡門從理論上證明了當h/ L =0.281(h 為兩旋渦列之間的寬度;L 為兩個相鄰旋渦間的距離)時, 旋渦列是穩(wěn)定的, 在此情況下, 產生旋渦的頻率f 與流量計管道中流體流速v 的關系為;f =sv/d ；v =d f /s
式中:d 為圓柱形滯流件的直徑;s 為無量綱常數, 稱為Strouhal 數, 與流體流動狀態(tài)的雷諾數Re有關。
流量計圓截面管道的雷諾數Re 為:Re =v dρ/ μ
式中:v 為流體的流速, m/s ;ρ為流體的密度,kg/m3 ;μ為流體的動力粘度, Pa·s 。
而流體的流量:Q =A ×v
從上式可見, 流量Q 不僅與f 有關, 而且與雷諾數Re 也有關。雷諾數Re 是表征粘性流體流動特性的一個無量綱數, 其物理意義是流體流動的慣性力與粘滯力的比值。因此, 流體的流動狀態(tài)對渦街流量計的使用也有一定的影響。如果環(huán)境參數對流體流動狀態(tài)有影響也會影響到渦街流量計的使用性能。
經過實踐, 如下幾個方面對渦街流量計的使用都有影響, 應對這些問題進行分析:
1)渦街流量計的測量范圍較大, 一般10∶1 , 但測量下限受許多因素限制:Re >10000 是渦街流量計工作的zui基本條件, 除此以外, 它還受旋渦能量的限制, 介質流速較低, 則旋渦的強度、旋轉速度也低,難以引起傳感元件產生響應信號, 旋渦頻率f 也小, 還會使信號處理發(fā)生困難。測量上限則受傳感器的頻率響應(如磁敏式一般不超過400Hz)和電路的頻率限制, 因此設計時一定要對流速范圍進行核算, 根據流體的流速進行選擇。使用現場環(huán)境條件復雜, 選型時除注意環(huán)境溫度、濕度、氣氛等條件外,還要考慮電磁干擾。在強干擾如高壓輸電電站、大型整流所等場合, 磁敏式、壓電應力式等儀表不能正常工作或不能準確測量。
2)振動是影響該類儀表的重要因素。因此在使用時注意避免機械振動, 尤其是管道的橫向振動(垂直于管道軸線又垂直旋渦發(fā)生體軸線的振動), 這種影響在流量計結構設計上是無法抑制和消除的。由于渦街信號對流場影響同樣敏感, 故直管段長度不能保證穩(wěn)定渦街所必要的流動條件時, 是不宜選用的。即使是抗振性較強的電容式、超聲波式, 保證流體為充分發(fā)展的單向流, 也是不可忽略的。
3)介質溫度對渦街流量計的使用性能也有很大的影響。如壓力應力式渦街流量計不能長期使用在300 ℃狀態(tài)下, 因其絕緣阻抗會由常溫下的10MΨ～100MΨ急降至1MΨ～ 10kΨ, 輸出信號也變小, 導致測量特性惡化, 對此宜選用磁敏式或電容式結構。在測量系統(tǒng)中, 傳感器與轉換器宜采用分離安裝方式, 以免長期高溫影響儀表可靠性和使用壽命。
渦街流量計是一種比較新型的流量計, 處于發(fā)展階段, 還不很成熟, 如果選擇不當, 性能也不能很好發(fā)揮。在經過合理選型、正確安裝后, 還需要在使用過程中認真定期維護, 不斷積累經驗, 提高對系統(tǒng)故障的預見性以及判斷、處理問題的能力, 從而達到令人滿意的效果。
3、節(jié)流式流量計選型設計
節(jié)流式流量計是早期大量使用的一種測量流量的計量裝置, 其歷史zui長, 用量zui多?，F在常見的為圓孔板型和錐形入口板型, 其工作原理是在流體管道中加入一孔板節(jié)流件, 通過導壓管引入壓差變送器測出節(jié)流件上、下游的壓差, 根據所測的壓差經過計算即得出流量的瞬時值。由于導壓管內水的不流動性, 在較寒冷地區(qū), 冬天室外安裝的孔板取壓管容
易凍裂(凍住), 使差壓儀器無法正常工作。測量較臟的污水時, 孔板需經常清洗。如清洗不及時, 測量準確度降低, 取壓管經常被污物堵死, 儀表無法使用。用孔板的方式測流量時還有壓力損失大、維護量大等缺點。因此改變取壓方式, 例如用徑距取壓法, 就可以減少污物的影響。
以上幾種污水流量計量流量計中, 電磁流量計性能較好, 節(jié)流流量計應用范圍廣, 而渦街流量計比較新型, 并正在不斷發(fā)展。只有了解這幾種流量計各自的性能特點, 才能對流量計選型設計好, 使污水流量的測量和控制達到度和可靠性要求。
污水流量計 熱水流量計 鹽酸流量計 酒精流量計
