Типы расходомеров пара

Существует много типов расходомеров, и к применению с паром и конденсатом подходят:

• Диафрагменные расходомеры.
• Турбинные расходомеры, включая шунтовые или байпасные типы.
• Расходомеры переменного сечения.
• Пружинные расходомеры переменного сечения.
• Прямоточные расходомеры переменного сечения (TVA).
• Ультразвуковые расходомеры.
• Вихревые расходомеры. Каждый из этих типов расходомеров имеет свои преимущества и ограничения. Чтобы обеспечить точную и стабильную работу расходомера для пара или конденсата, необходимо правильно подобрать его под предполагаемое применение. В этом модуле рассматриваются перечисленные выше типы расходомеров, их характеристики, преимущества и недостатки, типовые применения и типовые схемы установки.

Диафрагменные расходомеры Диафрагма относится к группе устройств, известных как устройства потери напора или расходомеры дифференциального давления. Проще говоря, среда в трубопроводе проходит через сужение, а перепад давления измеряется на этом сужении. На основе работ Daniel Bernoulli 1738 года (см. Модуль 4.2),

зависимость между скоростью среды, проходящей через отверстие, и потерей давления на нем пропорциональна квадратному корню из этой потери давления. К другим расходомерам группы дифференциального давления относятся трубки Вентури и сопла.

В диафрагменном расходомере сужение выполнено в виде пластины с отверстием, концентричным оси трубопровода. Это называется первичным элементом.

Для измерения перепада давления при протекании среды от точки отбора до и после диафрагмы прокладываются импульсные линии к вторичному устройству, известному как ячейка DP.

От ячейки DP информация может подаваться на простой индикатор расхода или на вычислитель расхода вместе с данными температуры и/или давления, что позволяет системе компенсировать изменения плотности среды.

В горизонтальных линиях, транспортирующих парообразные среды, вода или конденсат могут скапливаться у входной поверхности диафрагмы. Чтобы предотвратить это, в нижней части пластины может быть просверлено дренажное отверстие. Очевидно, что его влияние необходимо учитывать при определении размеров диафрагмы. Правильный подбор размеров и монтаж диафрагм абсолютно необходимы и хорошо описаны в международном стандарте ISO 5167. Монтаж Ниже рассмотрены некоторые из наиболее важных положений ISO 5167:

Точки отбора давления - малые по диаметру трубы, называемые импульсными линиями, соединяют точки отбора давления до и после диафрагмы с ячейкой DP.

Положение точек отбора давления может варьироваться. Наиболее распространенные варианты:

• На фланцах или держателе диафрагмы, как показано на Рисунке 4.3.3. Это удобно, но при нижнем расположении отборов нужно учитывать возможность их засорения.
• На расстоянии одного диаметра трубы до диафрагмы и 0.5 x диаметра трубы после нее. Это менее удобно, но потенциально более точно, поскольку измеряемый перепад давления здесь максимален в области vena contracta. Угловые отборы - обычно применяются на небольших диафрагмах, когда ограничения по месту затрудняют изготовление фланцевых отборов. Обычно это трубы диаметром DN50 и меньше.

От ячейки DP информация может подаваться на индикатор расхода или на вычислитель расхода вместе с данными температуры и/или давления для компенсации плотности.

Трубопровод - после диафрагмы требуется минимум пять прямых диаметров трубы, чтобы уменьшить влияние возмущений, вызванных трубопроводом.

Однако длина прямого участка трубы, необходимая до диафрагмы, зависит от ряда факторов, включая:

• Отношение ß; это отношение диаметра отверстия к диаметру трубы (см. Уравнение 4.3.1), и типично оно составляет около 0.7.
• Характер и геометрию предшествующего препятствия. Несколько примеров препятствий показаны на Рисунке 4.3.4: Таблица 4.3.1 объединяет отношение ß и геометрию трубопровода, рекомендуя количество прямых диаметров трубы для конфигураций, показанных на Рисунке 4.3.4.

В особо сложных случаях могут использоваться выпрямители потока. Они подробнее обсуждаются в Модуле 4.5. Преимущества диафрагменных расходомеров пара:

• Простота и прочность.
• Хорошая точность.
• Невысокая стоимость.
• Калибровка или повторная калибровка не требуется, если расчеты, допуски и монтаж соответствуют ISO 5167. Недостатки диафрагменных расходомеров пара:
• Диапазон регулирования ограничен значениями от 4:1 до 5:1 из-за корневой зависимости между расходом и перепадом давления.
• Диафрагма может деформироваться из-за гидроудара и засоряться в плохо спроектированной или плохо смонтированной системе.
• Острая кромка отверстия со временем может изнашиваться, особенно если пар влажный или загрязненный. Это изменяет характеристики отверстия и влияет на точность. Поэтому необходимы регулярный осмотр и замена для обеспечения надежности и точности.
• Полная длина установленной системы измерения расхода с диафрагмой может быть значительной; для точности может потребоваться минимум 10 прямых диаметров до и 5 после диафрагмы. В компактных установках это может быть трудно реализовать. Рассмотрим систему с трубопроводом 100 mm, отношением ß = 0.7 и компоновкой, аналогичной показанной на Рисунке 4.3.4(b):

Требуемая длина трубопровода до расходомера = 36 x 0.1 m = 3.6 m

Требуемая длина трубопровода после расходомера = 5 x 0.1 m = 0.5 m

Общая требуемая длина прямого трубопровода = 3.6 + 0.5 m = 4.1 m

Типовые применения диафрагменных расходомеров пара:

• ****Везде, где расход остается в пределах ограниченного диапазона регулирования от 4:1 до 5:1. Это может включать котельную и применения, где пар подается на множество установок, часть которых в работе, часть выключена, но суммарный расход остается в допустимом диапазоне.

Турбинные расходомеры ****Первичный элемент турбинного расходомера состоит из многолопастного ротора, установленного под прямым углом к потоку и подвешенного в потоке среды на свободно вращающемся подшипнике. Скорость вращения турбины пропорциональна скорости, а следовательно, и объемному расходу измеряемой среды. Зная плотность среды, при необходимости можно вычислить массовый расход.

Скорость вращения турбины может определяться электронным датчиком приближения, установленным снаружи трубопровода и подсчитывающим импульсы, как показано на Рисунке 4.3.5. Турбинные расходомеры для жидкостей (конденсата) Турбинные расходомеры для жидкостей, например конденсата, обычно проектируются так, чтобы диаметр ротора был немного меньше внутреннего диаметра измерительной камеры.

На трубопроводах большого диаметра, чтобы снизить стоимость, турбинный элемент может быть установлен в байпасной линии, либо сам корпус расходомера может включать байпас или шунт, как показано на Рисунке 4.3.6.

Байпасные расходомеры содержат диафрагму, которая подобрана так, чтобы создать достаточное сопротивление и пропустить часть основного потока через параллельный контур. Хотя скорость вращения турбины по-прежнему может определяться описанным ранее способом, существует немало старых устройств с механическим выходом, как показано на Рисунке 4.3.6.

Очевидно, что в такой механической схеме трение между валом турбины и уплотнением сальника может быть значительным. Погружные турбинные расходомеры для пара, газа и жидкостей: Расходомеры турбинного типа погружного исполнения становятся все более популярными: их главное преимущество заключается в том, что они могут устанавливаться при полном рабочем режиме процесса, без остановки технологической линии. Это достигается методом горячей врезки. Принцип их работы остается таким же, как и у турбинных расходомеров для жидкостей: частота вращения лопастей ротора измеряется магнитным датчиком. Погружной турбинный расходомер измеряет локальную скорость в трубе, а затем микропроцессорная электроника использует профильный коэффициент для перевода локальной скорости в среднюю скорость по сечению трубы. Вычислитель расхода непрерывно обновляет этот профильный коэффициент на основе локальной скорости и диаметра трубы. После определения средней скорости объемный расход может быть рассчитан по площади поперечного сечения трубы. Добавление датчика температуры или давления позволяет расходомеру измерять плотность среды и рассчитывать массовый расход.

Преимущества погружных турбинных расходомеров:

• Возможность установки при полном рабочем режиме процесса.
• Сравнительно невысокая стоимость на трубопроводах большого диаметра.
• Возможность использования на любых средах.
• Небольшое создаваемое падение давления благодаря минимальному препятствию потоку.
• Умеренная точность, обычно ±2% от показания для пара и ±1.5% для конденсата.
• Точное измерение расхода при диапазоне регулирования до 25:1
• Сравнительно компактная установка: обычно требуется лишь 10D и 5D прямого трубопровода до и после расходомера соответственно. Возможность измерения расхода в больших трубопроводах (> DN400)

Недостатки погружных турбинных расходомеров:

• Сравнительно высокая стоимость при использовании на трубах малого диаметра.
• Наличие движущихся частей требует регулярного технического обслуживания.
• Влажный пар может повредить турбину и ухудшить точность. Типовые применения погружных турбинных расходомеров:
• Сухой насыщенный пар.
• Перегретый пар.
• Линии возврата конденсата, однако перед измерением необходимо удалять воздух и вторичный пар.
• Газ и воздух. Расходомеры переменного сечения Расходомер переменного сечения (Рисунок 4.3.8), часто называемый ротаметром, состоит из вертикальной конической трубки, сужающейся книзу, и поплавка, который может свободно перемещаться в среде. Когда среда проходит через трубку, положение поплавка находится в равновесии между:
• Динамической подъемной силой среды.
• Силой тяжести, обусловленной массой поплавка.
• Следовательно, положение поплавка является показателем расхода. На практике этот тип расходомера представляет собой сочетание:
• Поплавка, выбранного по весу и химической стойкости к среде. Наиболее распространенный материал поплавка - нержавеющая сталь марки 316, однако для специальных применений используются и другие материалы, такие как Hastalloy C, алюминий или PVC.

В небольших расходомерах поплавок представляет собой просто шарик, а в более крупных применяются поплавки специальной формы для повышения устойчивости.

• Конической трубки, обеспечивающей измерительную шкалу обычно длиной от 40 mm до 250 mm в пределах расчетного диапазона расхода. Обычно трубка изготавливается из стекла или пластика. Однако если разрушение трубки представляет опасность, вокруг стеклянной трубки можно установить защитный кожух или использовать металлическую трубку.

В случае прозрачной трубки расход считывается визуально по положению поплавка относительно шкалы. Для высокотемпературных применений, где материал трубки непрозрачен, используется магнитное устройство для индикации положения поплавка.

Поскольку кольцевая площадь вокруг поплавка увеличивается с ростом расхода, дифференциальное давление остается почти постоянным. Преимущества расходомеров переменного сечения:

• Линейный выходной сигнал.
• Диапазон регулирования около 10:1.
• Простота и прочность.
• Падение давления минимально и относительно постоянно. Недостатки расходомеров переменного сечения:
• Трубка должна устанавливаться вертикально (см. Рисунок 4.3.9).
• Поскольку показания обычно считываются визуально, а поплавок имеет тенденцию колебаться, точность только умеренная. Это усугубляется ошибкой параллакса на больших расходах, поскольку поплавок находится на некотором расстоянии от шкалы.
• Прозрачные конические трубки ограничивают допустимые давление и температуру. Типовые применения расходомеров переменного сечения:
• Измерение расхода газов.
• Измерение расхода воздуха в трубках малого диаметра - в этих применениях трубка изготавливается из стекла, а калибровка наносится снаружи. Показания снимаются визуально.
• Лабораторные применения.
• Ротаметры иногда используются скорее как индикаторы потока, чем как измерительные приборы. Пружинные расходомеры переменного сечения Пружинный расходомер переменного сечения, являющийся развитием расходомера переменного сечения, использует пружину как уравновешивающую силу. Это делает расходомер независимым от силы тяжести, позволяя использовать его в любой плоскости, даже вверх ногами. Однако в своей базовой конфигурации, показанной на Рисунке 4.3.10, он имеет и ограничение: диапазон перемещения ограничен линейным диапазоном пружины и пределами ее деформации. Однако проявляется и еще одна важная особенность: если проходное сечение, то есть площадь между поплавком и трубкой, увеличивается с подходящей скоростью, то перепад давления на пружинном расходомере переменного сечения может быть прямо пропорционален расходу.

Повторим несколько ранее сделанных утверждений Для диафрагменных расходомеров:

• По мере увеличения расхода увеличивается и дифференциальное давление.
• Измеряя этот перепад давления, можно вычислить расход через расходомер.
• Проходное сечение, например размер отверстия в диафрагме, остается постоянным. Для любого расходомера переменного сечения:
• Дифференциальное давление остается почти постоянным при изменении расхода.
• Расход определяется по положению поплавка.
• Проходное сечение, то есть площадь между поплавком и трубкой, через которую проходит поток, увеличивается с ростом расхода. На Рисунке 4.3.11 сравниваются эти два принципа. Принцип пружинного расходомера переменного сечения представляет собой гибрид этих двух устройств, и для определения расхода через расходомер можно использовать либо:
• Перемещение поплавка - Вариант 1 или
• Дифференциальное давление - Вариант 2 ...в зависимости от конструкции.

В Варианте 1, то есть при определении перемещения поплавка или лепестка, для паровых систем можно развить эту идею за счет:

• Использования торсионной пружины для расширения рабочего диапазона.
• Использования системы катушек для точного определения угла лепестка, отклоняемого потоком пара через расходомер. В Варианте 2 (Рисунок 4.3.13), то есть при определении дифференциального давления, концепция может быть дополнительно развита путем специальной формы поплавка, обеспечивающей линейную зависимость между перепадом давления и расходом. На Рисунке 4.3.13 показан пример пружинного расходомера переменного сечения, измеряющего дифференциальное давление. Поплавок здесь называют конусом из-за его формы. Преимущества пружинного расходомера переменного сечения (SLVA):
• Высокий диапазон регулирования, до 100:1.
• Хорошая точность ±1% от показания для трубопроводного узла.
• Компактность - межфланцевый узел DN100 требует всего 60 mm между фланцами.
• Подходит для многих сред. Недостатки пружинного расходомера переменного сечения:
• Может быть дорогим из-за необходимости дополнительных устройств, таких как ячейка DP и вычислитель расхода. Типовые применения пружинного расходомера переменного сечения:
• Измерение расхода в котельной.
• Измерение расхода на крупных установках. Чтобы расходомер обеспечивал оптимальные характеристики, правильный монтаж имеет решающее значение.

На Рисунке 4.3.14 показана типовая станция измерения расхода пара с расходомером SLVA, а также отмечены другие рекомендуемые компоненты, необходимые для оптимальной работы. Следует помнить, что каждое применение отличается, и для других типов расходомеров могут потребоваться иные компоненты, чем показанные на Рисунке 4.3.14. Расходомер Target Variable Area (TVA) Расходомер TVA работает по хорошо известному принципу пружинного расходомера переменного сечения (SLVA), где площадь кольцевого отверстия непрерывно изменяется прецизионно сформированным подвижным конусом.

Этот конус может свободно перемещаться в осевом направлении, преодолевая сопротивление пружины.

Однако в отличие от других расходомеров SLVA, TVA не использует измерение перепада давления на расходомере для расчета расхода, а измеряет силу, возникающую при отклонении конуса, через серию высококачественных тензодатчиков. Чем выше расход пара, тем больше сила. Это устраняет необходимость в дорогостоящих преобразователях дифференциального давления, снижая стоимость монтажа и уменьшая вероятность проблем (Рисунок 4.3.15).

TVA имеет встроенный датчик температуры, который обеспечивает полную компенсацию плотности для применений насыщенного пара. Расходомер пара TVA (Рисунок 4.3.15) имеет системную неопределенность, то есть точность, в соответствии с EN ISO / IEC 17025:

• ±2% от фактического расхода при доверительной вероятности 95% в диапазоне от 10% до 100% от максимального номинального расхода.

• ±0.2% FSD при доверительной вероятности 95% в диапазоне от 2% до 10% от максимального номинального расхода.

Поскольку TVA является автономным устройством, указанная неопределенность относится ко всей системе в целом. Многие расходомеры заявляют неопределенность только для трубопроводного узла, но для всей системы необходимо учитывать отдельные значения неопределенности всего сопутствующего оборудования, например ячеек DP.

Диапазон регулирования расходомера - это отношение максимального расхода к минимальному расходу, в пределах которого расходомер соответствует своим заявленным характеристикам или рабочему диапазону. Расходомер TVA имеет высокий диапазон регулирования до 50:1, что дает рабочий диапазон до 98% от его максимального расхода. Ориентация потока Ориентация расходомера TVA может влиять на его рабочие характеристики. При установке в горизонтальный трубопровод TVA имеет предельное давление пара 32 bar g и диапазон регулирования 50:1. Как показано на Рисунке 4.3.17, при установке TVA с вертикальным направлением потока предел давления снижается из-за потери водяного затвора, защищающего электронику от температуры пара.

Кроме того, диапазон регулирования уменьшается, если поток направлен вертикально вверх. Это связано с тем, что масса конуса заставляет его прижиматься к отверстию при малых расходах. Когда конус достигает этого положения, датчик уже не может точно фиксировать дальнейшее уменьшение расхода. Ультразвуковые расходомеры Принцип работы ультразвукового расходомера transit-time основан на измерении времени, за которое ультразвуковые импульсы проходят между двумя преобразователями, закрепленными на трубе с контролируемой средой (Рисунок 4.3.18). Каждый преобразователь поочередно посылает ультразвуковые импульсы, и время прохождения каждого импульса до второго преобразователя зависит от скорости среды, текущей по трубе. Зная эту информацию, можно вычислить скорость потока, а затем объемный и массовый расход контролируемой среды. Это подробнее рассматривается в Модуле 4.2 Принципы измерения расхода. Типичное применение ультразвуковых расходомеров - энергетический мониторинг, где датчики температуры сопротивления (RTD's) входят в состав сборки преобразователей. RTD's измеряют температуру протекающей жидкости, что позволяет рассчитывать скорость переноса энергии через трубопровод по следующему уравнению: Одно из самых больших преимуществ ультразвукового расходомера заключается в том, что преобразователи или RTD's устанавливаются снаружи. Это означает отсутствие врезки в трубопровод и отсутствует необходимость останавливать линию. Кроме того, поскольку в измеряемом потоке нет движущихся частей или элементов, не возникает проблем коррозии и эрозии, а значит, минимизируются требования к техническому обслуживанию. Любое необходимое обслуживание может выполняться без остановки трубопровода.

Ультразвуковые расходомеры лучше всего подходят для мониторинга жидкостей, например для измерения возврата конденсата. Среда, проходящая по измеряемой трубе, должна быть однофазной, то есть линия должна быть заполненной. Ультразвуковые расходомеры не могут точно измерять смесь воды и пара или воздуха. Преимущества ультразвуковых расходомеров:

• Быстрый и простой монтаж без остановки установки, поскольку все компоненты монтируются снаружи.
• Двунаправленное измерение потока.
• Высокая точность, до 1% расхода.
• Возможность измерения потока энергии.
• Электропроводность среды не имеет значения.
• Коррозионно-активные среды не являются проблемой.
• При правильном монтаже можно получить диапазон регулирования 30:1.
• Стоимость прибора не зависит от диаметра трубопровода, что делает его коммерчески привлекательным для больших трубопроводов. Недостатки ультразвуковых расходомеров:
• Только для однофазных жидкостей.
• Требуются прямые участки трубопровода длиной 10-30D.
• Точность ниже, чем у врезных линейных расходомеров.
• Ненадежная работа, если в трубопроводе более 5% газа или пара. Типовые применения ультразвуковых расходомеров:
• Измерение расхода жидкостей: как и для всех жидкостей, перед измерением необходимо удалить воздух и газы. Если прибор используется для измерения расхода конденсата, важно, чтобы линия была заполнена и в ней не было живого или вторичного пара.
• Мониторинг энергии в системах отопления и охлаждения. Каждый ультразвуковой расходомер работает в пределах минимальной и максимальной силы сигнала, необходимых для точного измерения. Если сигнал слишком слабый, расходомер не обнаружит поток, а если сила сигнала превысит максимально допустимое значение, трубопровод будет считаться залитым, и принимаемый сигнал приведет к неточному измерению расхода. Для получения оптимальных результатов сила сигнала должна находиться в диапазоне, указанном производителем. Вихревые расходомеры Эти расходомеры используют тот факт, что при размещении в потоке плохообтекаемого тела, или bluff body, за ним регулярно срываются вихри. Эти вихри можно обнаруживать, подсчитывать и отображать. В определенном диапазоне расходов частота срыва вихрей пропорциональна расходу, что позволяет измерять скорость.

Плохообтекаемое тело создает препятствие, которое поток вынужден обтекать. Заставляя среду обтекать тело, оно вызывает изменение направления движения среды и, следовательно, скорости. Среда, находящаяся ближе всего к телу, испытывает трение о его поверхность и замедляется. Поскольку между телом и внутренним диаметром трубы площадь сечения уменьшается, среда, удаленная от тела, вынуждена ускоряться, чтобы пропустить необходимый объем через уменьшенное пространство. После прохождения тела среда стремится заполнить пространство за ним, что вызывает вращательное движение и образование вихря.

Скорость потока, возникающая из-за сужения, не одинакова по обе стороны плохообтекаемого тела. Когда скорость увеличивается с одной стороны, она уменьшается с другой. То же относится и к давлению.

На стороне высокой скорости давление низкое, а на стороне низкой скорости давление высокое.

Поскольку давление стремится перераспределиться и область высокого давления перемещается к области низкого давления, зоны давления меняются местами, и попеременно по разные стороны тела образуются вихри различной интенсивности.

Частота срыва вихрей и скорость среды имеют почти линейную зависимость при соблюдении правильных условий.

Частота срыва пропорциональна числу Strouhal (Sr), скорости потока и обратно пропорциональна диаметру плохообтекаемого тела. Эти факторы приведены в Уравнении 4.3.3. Число Strouhal определяется экспериментально и обычно остается постоянным в широком диапазоне чисел Reynolds; это указывает на то, что частота срыва не зависит от изменения плотности среды и прямо пропорциональна скорости для любого заданного диаметра плохообтекаемого тела. Например: Тогда объемный расход qv в трубопроводе можно вычислить, как показано в Уравнении 4.3.4: Преимущества вихревых расходомеров:

• Приемлемый диапазон регулирования, при условии допустимости высоких скоростей и больших перепадов давления.
• Отсутствие движущихся частей.
• Небольшое сопротивление потоку. Недостатки вихревых расходомеров:
• При малых расходах импульсы не генерируются, и расходомер может занижать показания или показывать ноль.
• Максимальные расходы часто указываются для скоростей 80 или 100 m/s, что создало бы серьезные проблемы в паровых системах, особенно если пар влажный и/или загрязненный. Более низкие скорости, характерные для паропроводов, уменьшают пропускную способность вихревых расходомеров.
• Вибрация может вызывать ошибки точности.
• Правильный монтаж критически важен, так как выступающая прокладка или сварной валик могут вызывать образование вихрей и приводить к неточности.
• Необходимы длинные прямые участки трубопровода до расходомера, как и в случае диафрагменных расходомеров. Типовые применения вихревых расходомеров:
• Прямое измерение расхода пара как в котельной, так и в точках потребления.
• Измерение расхода природного газа для подачи топлива в котлы.