蒸汽涡街流量计与孔板流量计的选型温压补偿设
摘 要：本文首先详细介绍了蒸汽汽锤的成因和汽锤的5种具体的物理形态。在此基础上, 对安装在蒸汽管线上的涡街流量计和孔板流量计的设计选型, 进行了详细的比较和分析。研究并对比了蒸汽流量测量的2种不同的温压补偿设计方案。然后, 对气动球阀和气动单座阀在蒸汽工况下的应用也进行了深入探讨。***后, 本文指出了关于蒸汽工况下流量计和气动开关阀设计选型的若干建议。
1、概述：
化工行业经常使用饱和蒸汽对工艺介质进行加热, 因此蒸汽管线在化工厂里随处可见。蒸汽管线中的饱和蒸汽很容易发生冷凝, 并形成冷凝水。如果蒸汽管线过长, 且未进行合理支撑, 那么, 在重力的作用下, 管道的中间部分会下垂, 并在蒸汽管线停用后, 积存一部分冷凝水。蒸汽疏水阀设置和安装的不合理, 也会导致蒸汽管路的排水不畅。当蒸汽管线再次启用时, 进入管道的蒸汽和积存在管道内的冷凝水相遇, 就会在管道内形成汽锤。汽锤会对安装在蒸汽管线上的设备、仪表和阀门造成破坏。此外, 蒸汽的温度也较高。在工程设计中, 对这些不利因素都应加以考虑和防范。
2、汽锤的物理形态：
汽锤有以下5种主要的物理形态:
1) 蒸汽管线里积存的冷凝水, 在蒸汽的加热下快速蒸发, 使得管道内的气体体积迅速膨胀, 压力上升, 从而对安装在管线上的仪表和阀门形成压力冲击。
2) 蒸汽流速过快, 部分蒸汽冲入积存的冷凝水之中, 使得中间一段管道全部被蒸汽占据, 而两侧则仍然是冷凝水, 当这部分蒸汽在冷凝水中发生冷凝时, 形成局部真空, 使冷凝水从两头向中间快速流动, 填补真空, 并发生激烈碰撞, 在管线中产生较大的压强和冲击波。
3) 冷凝水在管线底部, 被进入管线的蒸汽吹动, 向下游流动, 像海水被海风吹拂着, 形成了海浪。当管线上的开关阀关闭过于迅速时, 流动的冷凝水涟漪, 也会如海浪叠加撞击岸边的峭壁一样, 叠加撞击并损坏开关阀的阀内件。
4) 如果蒸汽管线上的开关阀打开过快, 则阀后的冷凝水有可能会被高速流动的蒸汽吹起, 如子弹一般的, 撞击下游的管件和仪表, 并造成相应的损坏。
5) 如果蒸汽管线上的开关阀打开过快, 蒸汽流速较快, 则蒸汽会和原积存在管线内的, 低温的冷凝水混合在一起, 并在冷凝水内部形成由蒸汽构成的气泡, 当这些蒸汽气泡破裂时, 周围的冷凝水在瞬间填补蒸汽气泡破裂后形成的空间, 形成高压强, 并破坏临近的管件、阀门和仪表。这个过程有点类似于气蚀里的空化。
3 涡街流量计和孔板流量计分别应用于蒸汽管线
涡街流量计通常是利用差动电容, 测量漩涡发生体后产生的卡门涡街的漩涡频率, 从而推算出被测流体的流量。其量程比大致为10∶1。孔板流量计则是通过测量孔板前后的压差, 由伯努利方程 (孔板两侧的压差的开方值, 与流经孔板的流体的流量成正比) , 推算出流体的流量。其量程比比涡街流量计狭窄, 大致为3∶1。当涡街流量计和孔板流量计分别应用在蒸汽管线上时:
1) 涡街流量计测量漩涡的差动电容是完全处于蒸汽管线内部的。因此, 差动电容几乎时刻处于高温之中, 其使用寿命较短。孔板流量计分两种:一体化孔板流量计和带冷凝罐的孔板流量计。一体化孔板流量计的差压测量元件, 在管道上方, 并不在管道内。而带冷凝罐的孔板流量计, 其差压测量元件, 只接触冷凝罐内的冷凝水, 与蒸汽是完全隔绝的。因此, 孔板流量计差压测量元件的使用寿命较长。
涡街流量计通过可动部件 (通常为机械件极小的位移) , 去检测卡门涡街的漩涡, 并通过机械传动, 将这一物理位移传递给差动电容。当蒸汽管线内发生汽锤时, 该可动部件将受到较大的冲击力, 有可能发生形变。同时, 差动电容本身也可能被该可动部件传来的力直接破坏, 从而导致涡街流量计传感器损坏。而孔板流量计则没有任何可动部件。且安装在管道内, 作为孔板流量计一次测量部件的孔板, 机构简单, 非常坚固。因此, 孔板流量计很难被汽锤打坏。
当汽锤发生时, 蒸汽管线内的蒸汽受到压力波的干扰, 流场发生紊乱, 管线本身也强烈震动。这会严重干扰卡门涡街的稳定生成, 从而影响涡街流量计的正常测量。当然, 对涡街流量计两侧的管道, 进行额外的加固支撑, 可以在一定程度上减轻涡街流量计的震动。但却无法消除, 临近管道内所发生的汽锤所带来的管道内蒸汽流场本身的紊乱和波动。而对孔板流量计来说, 汽锤所产生的管道震动和流场紊乱, 并不会影响孔板前后的压差, 也就不会影响孔板流量计进行准确可靠的流量测量。
4、蒸汽流量测量的温压补偿：
蒸汽管线流量计设计选型的另一个要点是温压补偿。蒸汽在化工生产中的主要作用是对工艺介质进行加热, 工艺设计师和生产操作员所关心的是蒸汽的质量流量, 而不是体积流量。但涡街流量计和孔板流量计都是体积流量计, 无法直接测量质量流量。因此, 必须对涡街流量计和孔板流量计的测量结果进行温压补偿。过热蒸汽的温度和压力没有对应关系, 需对过热蒸汽的体积流量同时进行温度补偿和压力补偿。饱和蒸汽的温度和压力是一一对应的, 只需对饱和蒸汽的体积流量进行单一的温度补偿或压力补偿即可。
温压补偿有两种方案。种是在流量计内集成温度测量和压力测量元件, 并在变送器内进行温压补偿计算, 然后将补偿后的质量流量信号传给集散控制系统 (DCS) 。第二种方案是在管线上加装温度变送器和压力变送器, 然后将测得的压力信号, 和蒸汽流量计测得的补偿前的体积流量信号, 一起上传DCS, 并在DCS内根据公式进行温压补偿计算。
对过热蒸汽来说, 个别品牌的涡街流量计和孔板流量计, 同时集成了温度测量和压力测量的功能, 而这些型号的流量计价格也较贵。当温度或压力测量元件损坏后, 需更换整个流量计, 则更换成本和备品备件成本都非常昂贵。而采用第二种设计方案, 不但采购和更换成本低廉, 同时, 也可将过热蒸汽管线内的温度和压力信号一起上传至DCS。有利于生产操作人员更好的掌握蒸汽管线内的实际工况。
对饱和蒸汽来说, 可提供单一温度补偿的涡街流量计或孔板流量计都较为常见, 采购和更换成本都相对较低。且采用种方案可以简化设计, 减少施工现场的施工量和未来运行阶段的维护工作量, 因此相对较为合理。
5、球阀切断阀和单座切断阀分别应用于蒸汽管线：
与管道专业不同, 仪表专业通常不会选择单座阀作为气动切断阀。这不仅仅是因为单座阀所占用的安装空间较大, 也是因为单座阀的开关速度比球阀更慢。但在蒸汽管线上, 和气动球阀相比, 气动单座切断阀却有若干优势:
蒸汽汽锤的破坏力惊人, 实际工业生产中, 不止一次发生过阀门被汽锤打坏的案例。球阀的阀体和阀芯比较单薄, 所用钢材较少, 结构相对脆弱。而单座阀的阀体和阀芯用料厚实, 结构坚固。当汽锤发生在切断阀附近时, 阀体和阀内件会承受较大的冲击力。此时, 单座阀会比球阀更加坚固可靠, 不容易被汽锤打坏。
阀芯和阀座间密封的可靠性和密封面上的密封压力有很大的关系。球阀分浮动球球阀和固定球球阀两种。浮动球球阀关闭时, 依靠上下游的压差来实现阀芯和阀座间的密封, 固定球球阀关闭时, 依靠阀座内的弹簧来实现密封, 这两种密封力相对都较小。而单座阀则依靠执行机构的输出力, 将阀芯压在阀座上。因此, 只要选择合适的执行机构, 就能在单座阀阀芯阀座处获得较大的密封压力, 从而改善阀座处的密封性。当蒸汽管线停用时, 单座阀的密封性更好, 泄漏到下游管道的蒸汽量就较少, 管道内的凝结水也会随之减少。当蒸汽管线再次启用时, 汽锤的发生概率也会更低。
当蒸汽通过球阀时, 阀内温度上升, 球阀的阀球和阀座会发生热膨胀, 但由于钢材用料量的不同, 阀球和阀座的膨胀程度也会有所不同。这样一来, 阀球就有可能被阀座抱死无法动作。而直行程的单座阀, 其打开时, 阀芯直接提升, 离开阀座。阀芯和阀座之间不存在静摩擦力, 不会被抱死, 因此不存在球阀那样的问题。
6、结束语：
发生在蒸汽管线内的汽锤有5种主要的物理形态, 并且会对安装在蒸汽管线上的仪表和阀门造成破坏。孔板流量计在管道内没有测量元件和可动部件, 其测量也不受管道震动和流体紊乱的影响, 因此, 在量程比允许的情况下, 比涡街流量计更适合应用于蒸汽流量测量。蒸汽流量的测量需进行温压补偿, 对过热蒸汽而言, 应在管道上安装独立的温度变送器和压力变送器, 然后在DCS上进行补偿计算。而对饱和蒸汽来说, 可在涡街流量计或孔板流量计内部集成温度传感器, 并在流量变送器内部进行温度补偿计算。气动单座阀的阀内件坚固可靠, 关闭时的密封压力较大, 泄漏量小, 且可选择线性或等百分比的流量特性, 能较好的限制蒸汽流量的快速增加, 其阀芯也不会因为热膨胀而被阀座抱死。因此, 气动单座阀比气动球阀更适合应用于蒸汽管线的切断。