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容积式流量计的选型

    容积式流量计由于具有精确的计量特性,在石油、化工、涂料、以及能源等工业部门计量昂贵介质的总量或流量。在这些流程工业中进药液注人、抽出或混合配比控制,化学液中触媒 · 硬化剂 · 聚合防止剂等添加剂的定量注人,向食品流体和化妆品添加香料,涂装线涂料的定量供给等。 PDF 最大用途是石油制品等的储运交接和分发等计量,这些应用领域可作为财务核算的依据或作为纳税和买卖双方执行合同的法定计量。有些国家和地域性法规规定在这类场所只能使用 PDF 和有限几种其他类型流量仪表,例如欧洲指令 71/319 EEc 《 除水外的液体用仪表 》 的规定。

    具有高精度、长期性能保持性和良好重复性的高品质容积式流量计,在比较法流量标准装置中用作标准流量计(又称校准用流量计, reference flowmeter 或 master flowmeter )作流量量值传递,例如液体仪表中刚性刮板式、螺杆式,气体仪表转筒式。国外也有用旋叶式气体流量计用作标准流量计。

   然而容积式流量计需要定期维护,因此在放射性或有毒流体等不允许人们接近维护的场所则不宜采用;最好选用无活动部件少维护仪表,如电磁式或超声式流量仪表。

    容积式流量计PDF无需外能源就能作现场总量计量;若附加定值控制积算器及组装在一起的控制阀,可作定量发货或批量混合控制等;在过程检测控制领域,附加发信远传组件,输出脉冲或模拟信号,作流量控制或管道混合配比。

    容积式流量计PDF 相对庞大笨重,尤其是大流量、大口径仪表,逐渐被涡轮式、电磁式、涡街式和科里奥利质量式替代一部分。然而其优良的重复性和精度长期保持性等性能优势,仍能保持着许多应用领域,在可预见的未来不会全被其他仪表所代替。 PDF 在国外还广泛应用于液化石油气,在我国则尚处于起动初始阶段 .

容积式流量计选用考虑因素

根据 容积式流量计PDF 的特点,应着重考虑以下因素。

l )使用目的是流程控制/工程管理还是储运交接/财贸核算?

2 )操作是连续测量还是间歇测量?使用的最高流量、常用流量、最小流量各为多少?

3 )最高、常用、最小工作温度和压力,允许的压损各为多少?

4 )被测介质的种类和特点,包括粘度、腐蚀性、夹带物的量和粒度尺寸。

5 )对流量计进行校准方法,离线校准还是现场校准?

6 )管线泵送种类,能力,有无脉动?

7 )安装场所可用空间情况。

 

容积式流量计流量范围、范围度、精确度、重复性

    各制造厂通常按被测介质种类(主要区别是粘度)、使用特点(连续使用或间歇使用)及测量精度规定流量范围,为了保持仪表良好的性能和较长的使用寿命,连续使用时的最大流量建议选在仪表最高(上限)流量的 80 %为宜。若制造厂未按介质类别和使用特点明确规定适宜的流量范围,则可参照下述原则选定:以用于中等粘度、有润滑性油品的仪表上限流量为 100 % ,用于无润滑性低粘度液体(如汽油、液化石油气)时上限流量降为 70 %一 80 % ,用于 100 ℃ 左右水时则为 40 %一 60 %,高粘度液体为 75 %一 85 % ;间歇使用时的最大流量可为上限流量的 100 % ;连续使用时的最大流量、中等粘度液体为上限流量的 80 % ,低粘度液体为 50 %一 60 %,高粘度液体亦为 50 % -60 %。

    大部分结构型号的液体仪表基本误差为士 0 . 5 % R, 较高精度仪表的基本误差为士( 0 . 1 一 0 . 2 ) % R ,如刚性刮板式、螺杆式、椭圆齿轮式等,个别制造厂声称可达士 0 . 05 % R (如 Dresser Wayne 公司的刮板式);较低精度仪表的基本误差为士( 1 一 1 . 5 ) % R ( 如弹性刮板式)。气体仪表的精度略低些,大部分结构型号为土( 1 一 1 . 5 ) % R (如腰轮式、 CVM 式),较高者为土 0 . 5 % R (如转筒式),较低者为士( 2 一 2 . 5 ) % R 。重复性误差一般为基本误差的 1/5 一 1/2 。

    在全部流量仪表中 PDF 是精度最高的一类。制造厂所列规范书中的是在实验室参比条件下校验所得的基本误差。实际使用现场条件往往偏离参比条件,必然带来附加误差。实际误差应是基本误差和附加误差的合成。在选型及使用中要针对现场可能出现的问题采取措施,以保持良好的测量精度。

     流量范围度在( 5 : 1 )一( 100 : l )之间,大部分为( 10 : 1 ) - ( 20 : 1 )度等级时所得范围度较低,欲得较大范围度则要降低精度等级,同一台仪表额定较高精度等级时所得范围度较低,欲得较大范围度则要降低精度等级, 例如各类转子式液体仪表范围度为 5 : 1 时,基本误差为土 0 . 2 % R ;范围度为 10 : 1 时,则降为土 0 . 5 % R 。

 

容积式流量计脉动

    除螺杆式、刮板式等少数仪表运转平稳,不会产生因测量引起明显脉动外,大部分 PDF 如椭圆式、腰轮式、旋转活塞式等,由于转动不等速,液体流过仪表会形成脉动,大流量时还会产生较大噪声,甚至振动。

    日本早稻田大学工学研究所曾对 PDF 的脉动特性提出研究报告,得出腰轮式、椭圆齿轮式的转子角速度变化,如图 5 . 14 所示。图中θ 1 和ω 1 分别为一对转子中一只转子的旋转角度和角速度(平均角速度ω 1=1 ) , ρ 1 ρ 2 为两转子的瞬时节圆半径, Jl 为与转子转动惯量 I1 ,、仪表后管道截面积 A 和长度 L 、液体密度γ、重力加速度 g 有关的系数,即 J1= γ L/I1gA b 为椭圆齿轮偏心率。

容积式流量计

容积式流量计压力损失

    PDF 要靠流体能量推动测量元件,因此带来相当高的压力损失。 PDF 的压力损失要比同口径和流量的涡轮式或其他有阻碍流量计大。液体用仪表在最大流量时粘度为 1 一 5mPa · s ,液体的压力损失在为 20~100kPa 之间;低气压用仪表,腰轮式为 200~500pa ,膜式为 130~400pa 。

    要正确选择仪表勿使其达到不能接受的压力损失 ,尤其在测量高蒸气压的液体,过度的压降会导致气蚀。若气蚀持续存在会损坏元件,某些允许短时超流到测量上限 120 %的仪表更应注意这一问题。

 

容积式流量计流体腐蚀性

    流体腐蚀性是确定仪表材质的主要因素。对于各种石油制品,采用铸钢铸铁制造 ; 对于腐蚀性轻微的化学液体以及冷温水,用铜合金制造;对于纯水、高温水、原油、沥青、高温液体、化学液体、食品或食品原料,用不锈钢制造。 PDF 的耐腐蚀性不是强项。食品和生物制药业由于卫生要求,经常清洗消毒灭菌,与流体接触的零件必须用不锈钢及其他符合卫生要求的材料制成,结构上要易于拆卸,无漪液部位等。椭圆齿轮式、旋转活塞式流量计等在我国已有食品专用产品投放市场。

 

容积式流量计液体粘度对仪表性能影响

    各种气体的粘度相接近,变化不大,对仪表性能可以说没有影响;若液体粘度相差较多,则对仪表性能带来一定影响。有些 PDF 为适应粘度高达 500mpa · s 的液体,生产具有大间隙等设计措施的专用品种, PDF 在流量仪表中具有较多应用于高粘度液体的经验。 PDF 虽然受一些液体粘度影响,但与差压式、浮子式、涡轮式等流量计相比,影响量要小得多 . 粘度对 PDF 性能有三个方面影响,即测量误差、压力损失和流量范围。

容积式流量计

( l )测量误差影响

    PDF 有一个与许多其他流量计流量受粘度增加而测量误差增加的不同特性,因粘度增加间隙泄漏量减少而改善性能。图 5 . 15 所示是液体粘度对一台腰轮流量计基本误差影响。在 0 . 8 一 11mPa · s 粘度范围内,粘度影响较大,粘度从 5 ; 65mp · s 下降到 0.8mp · s ,误差负向增加约 0 . 5 % ;在 11 一 51mp · s ,时,粘度对仪表误差仍有明显影响;粘度大于 51mPa.s ,时,粘度对误差的影响已不明显。上述只是实验一例,间隙不同,粘度影响程度是不一样的。由此可见,精度要求愈高的测量,愈要注意粘度带来的误差影响。对于 0 . 2 级精度 PDF ,测量过程中粘度不能有很大变化,才能保证精度。在校准时的液体粘度要与实际使用的液体粘度相接近,如做不到这一点,则可用两种粘度上下相邻的液体校准,再按下式内插法求之。

容积式流量计

( 2 )压力损失影响

    若液体粘度增加, PDF 的压力损失随着增加。图 5 . 16 例示椭圆齿轮流量计在不同粘度液体下流量一压力损失曲线,从中可以看到在相同流量下,粘度增加造成压损增加的程度。压力损失△ p 与流量 q 之间的关系式可用△ p=kq n 表示(其中 k 为系数 n 为指数)。粘度在 0.005Pa · s ( =5mp.s )以下时 n = 2 ;在 0.5Pa .s , ( =500mp.s )以上。 N=1 ;在二者之间 n =1 . 9 一 1 . 1 。

    活动测量元件用于高粘度液体时负荷增加,压力损失增加。高粘度专用仪表通常采用加间隙的办法,有增加到 0 . 5 mm 者。椭圆齿轮流量计为减少液体在齿隙间挤压负荷,还在齿轮上开若干沟槽卸荷(≥ 150mPa.s ),大于 150mPa.s 时,则采用欠齿的椭圆齿轮。

容积式流量计

( 3 )流量范围影响前文已提到一些流量范围与粘度的关系。压力损失因粘度增加而增加,对于使用压力损失有限制的场所,则必须降低流量上限值,即缩小流量范围。流量下限随着粘度增加而下降,是扩大了流量范围;作为一个粗略估计,粘度增加 10 倍,流量下限值下降到原值的 1 / 10 一 1/3 。

 

容积式流量计压力与温度

    对所有仪表均规定了工作温度范围和最大工作压力。最大工作压力是指在常温和冲击压力下承受的压力。当用于较高温度时必须降低最大工作压力等级,有些产品使用说明书对此未作说明。急剧关闭或急剧开启阀门会产生水锤效应等冲压力,冲击压力可能超过工作压力,冲击压力还有可能引起虚假读数,必要时装缓冲罐减少这类缺陷影响。

    温度影响仪表受压强度外,还因仪表测量元件受热胀改变测量室和间隙尺寸,影响测量精度,间隙减小甚至使运动件卡住。因此用于较高温度时要预留特殊尺寸间隙来补偿,特是不同材料组合使用时更要注意热胀系数的差异。温度变化还会改变液体粘度而引起流量值变化。温度引起的测量元件尺寸变动改变测量室腔体积,例如椭圆齿轮流量计计量室和轮均为铸铁时,测量值变化十 0 . 33 % / l 0 ℃ ;计量室为铸铁,齿轮为铸铝时则为+ 0 . 14 % / 10 ℃ 。亦有采用自动温度补偿把计量室体积变化修正到一个认定的标准温度(如 20 ℃ ),例如用一个输出传动比可作调整的装置来修正。

    高温流体进人冷的流量计,在未达到热平衡前就启动,可能因间隙大而增加测量误差;温度超过规定值则运动测量元件可能被卡住。因此使用前要有适合的预热时间,并观察是否能正常运转。

 

容积式流量计压缩性

    通常液体的压缩性可忽略不计,然而在高精度测量油品时则不应忽视。 API 标准 1101 所列油品压缩系数在( 5 -20 ) x 10 / -4 MPa 之间,例如重油压力从 0.5MPa 升高到 6Mpa 时体积压缩 0.45 %。液化石油气的压缩性更大(见 5 . 6 . 11 节)。

    气体有很大的压缩性,在低压下其体积缩小与压力增高成比率关系,大部分 PDF 应用于低压状态,可直接换算,但在高压条件下体积缩小与压力增高不成比例,变化率减小,则应考虑使用气体的压缩系数。

 

气体 PDF 的选用

    前文各节的有些内容已涉及到气体 PDF ,很多考虑因素同样适用,本节再作若干补充。 PDF 用于气体测量的有:膜式气体流量计、湿式气体流量计、腰轮气体流量计和旋叶式气体流量计。

1 )膜式气体流量计 膜式气体流量计可用于煤气、天然气和石油气等燃气耗量的总量计量。它的可靠性高,价格低廉,是城市居民家用煤气表的主要品种,此外,大容量仪表还广泛应用于食堂、宾馆以及厂矿企业车间等处。

2 )湿式气体流量计 即转筒式气体流量计,其主要特点为:高精确度,宽范围度,性能稳定,但需由训练有素的人员操作,方能保持其优良特性。本仪表大多数应用在实验室,作为气体流量标准装置的标准表,亦应用于其他需精确计量总量的场所。

3 )气体腰轮流量计 气体腰轮流量计可用各种中小气体流量的测量,其主要技术参数为:流量范围: 2 . 5 一 2000m3 / h ,仪表精确度(土 1 %一士 2 . 5 % ) R ,仪表口径: DN 50 -300 ,工作压力:一般为≤ 1 一 1 . 6MPa ,较大者为鉴 10MPa 。气体腰轮流量计与其他推理式气体流量计比较,其特点为:仪表精确度高,范围度宽( 5 : 1 一 10 : 1 ) ,仪表不受管道内流场畸变的影响,无需配置长的直管段。不足之处为:对介质脏污较敏感,上游需安装过滤器,流量计工作时有振动与噪音,仪表支座应牢固支撑。使用时应注意不能有迅速的流量变化(如,使用快开阀),因腰轮的惯性作用,迅速变化的流量将产生较大附加惯性力,产生撞击,使转子损坏。

4 )旋叶式气体流量计 目前国内市场产品主要技术参数为,流量范围:≤ 160m3 / h (国外有达 1200m3/h 的),仪表口径: DN50~80 ,仪表精确度:土 1 . 5 % R ,范围度: 20 : l 。旋叶式气体流量计适用于各种气体的测量,与气体腰轮流量计比较,流量计工作比较平稳,无振动及噪音。由于它具有良好的计量特性,国外曾采用作为气体流量标准装置的标准表。

 

应用于液化石油气

    液化石油气( LPG )槽车发送。加油站加液常用 PDF ( 如螺杆式)计量。石油气因产地而异含有不同含量的丙烷、丁烷等构成,在大气压条件下是气态,只有压力大于它们的蒸气压力时才呈液态。因此 LPG 用 PDF 的额定工作压力通常为 2MPa 或更高。 LPG 的密度较小,介于 0 . 51 一 0 . 58g/cm3 之间,随成分、压力、温度而异。

     LPG 的粘度低,低于汽油的粘度 0 . 7mpa.s 很多,仅为 0 . 10 -0 . 17mpa.s 。用水(粘度约 l mpa.s )校准的 PDF 用于测量 LPG ,仅粘度影响就可能带来一 0 . 5 %左右示值偏移和最小流量的升高;此外,还有润滑性差带来的影响。因此为改善润滑性能差的缺点, LPG 用 PDF 必须有外加润滑剂的润滑系统。

     LPG 与其他石油制品相比有大得多的压缩性,压力增加体积压缩达( 0 . 44 一 0 . 73 ) % / MPa 。对于 0 . 25 %或 0 . 5 %精度的仪表,是不容忽视的静压影响量。

    LPG 系统任何时候即使停止运行,仪表、泵等必须充满液体,尽量避免空管或半空。因为未充满时液体蒸发在仪表等器件表面析出沉积,沉积垢屑将磨损仪表,缩短使用寿命。

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