我国低阶煤资源储藏丰富，占可采储量 40%以上。然而它的高效利用一直是业内努力攻克的难题。低 阶 煤 含 水 量 高， 热 值 低， 机 械 强 度低，化学稳定性差。为此，北京低碳清洁能源研究所承担国家高技术研究发展计划项目课题 “煤分级炼制清洁燃料关键技术研究”，采用热解分级炼制新工艺对煤及液化残渣进行炼制利用，在温和的条件下对原料进行加工处理，分步骤地将其中有用的成分充分提取出来，得到的产品之一为热解气，去除焦油后的热解气组成见表 1，本工程中采用涡街流量计对其进行测量。

1 涡街流量计概述

            涡街流量计是 20 世纪 70 年代发展起来的一种新型流量仪表，80 年代制定了涡街流量计专业标准 ( ZBN 12008 － 1989) 和 检 测 规 程 ( JJG 620 －1989) 。涡街流量计目前已发展成为主流流量仪表之一，因其有诸多优点，吸引了国内外众多研究者和企业的关注。研究者从多方面对其进行深入的研究: ① 旋涡发生体的研究［1，2］; ② 压电传感器探头位置的研究［3］; ③ 数字信号处理方法的研究［4］; ④涡街信号检测方法的研究［5］; ⑤ 数值仿真方法的研究［6］。

 

在众多流量计中，涡街流量计的安装、运行、维护费低于节流式、容积式等，购置费低于容积式、质量式等，是一种实用性和经济性都较好的流量计，受到用户广泛欢迎。该流量计优点如下:

( 1) 在一定雷诺数 Ｒe 范围内 ( 2 × 104 ～ 2 ×106) ，输出频率信号不受流体物性 ( 密度、粘度)和组分变化影响，即仪表系数仅与旋涡发生体的形状尺寸及管道的形状尺寸有关，可以在一种典型介质中校验而适用于各种介质。

( 2) 精确度较高 ( 与差压式、浮子式流量计比较) 。

( 3) 量程比可达 10 ∶1 或 20 ∶1，目前已有厂家在研制适用于气体测量能达到 80 ∶1 的涡街流量计。

( 4 ) 压 损 小 ( 约为孔板流量计的 25% ～50%) ，大幅度降低能耗。

( 5) 结构简单牢固，安装维护方便。

( 6) 使用范围广，可测量液体、气体、蒸汽和部分混相流体。

 

2 涡街流量计的参数计算

2. 1 工作状态和标准状态下的体积流量换算

涡街流量计的输出信号是与工作状态的体积流量成正比例，气体的体积流量受温度、压力影响较大，在流量计选型时，若提供的流量是标准状态下的体积流量或质量流量，应把它换算成工作状态下的体积流量。

qV = qn PnTZ/P TnZn ( ) ( 1)

式中，qV、qn分别为工作状态和标准状态下的体积流量，m3 /h; P、Pn分别为工作状态和标准状态下的绝对压力，Pa; T、Tn分别为工作状态和标准状态下的热力学温度，K。

 

2. 2 雷诺数、压力损失和背压的计算

            在涡街流量计选择流量计通径时，主要是对流量下限值进行核算雷诺数，好小雷诺数不应低于下限雷诺数，即雷诺数 Ｒe≥2×104。在测量介质为液态时，还应检查好小工作压力是否高于工作温度下的饱和蒸汽压，即是否产生气穴现象。

( 1) 雷诺数 Ｒe 是一个表针流体惯性力与粘性力之比的无量纲量:

式 中，Q 为 体 积 流 量，m3 /h; D 为 流 量 计 内径，mm; v 为运动粘度，m2 /s。

 

( 2) 压力损失: 选择流量计时，通?？赡芑岫粤髁考频耐ň督惺实彼跣?，以取得较大的流速和合适的流量量程。但是如果缩径过于严重，可能会导致较大的压力损失，能 耗 会 增加，因此在选择流量计的通径时，也需要适当考虑压力损失，尽可能减小压力损失。压力损失△P计算:

△P= 1. 1×10－5ρ·V2 ( 3)

式 中，△P 为 压 力 损 失，kg /m2; ρ 为 流 体 密度，kg /m3; V 为流速，m /s。

( 3) 背压: 测量液体的流量时，要确认工艺管道的压力对于较小的公称通径而言有足够大的背压，避免气穴产生。流量计下游的管道压力应满足:

P≥2. 7△P+1. 3 P0 ( 4)

式中，P 为流量计下游 3. 5 ～ 7. 5D 的好小管道压力，kg /cm2 ( A ) ; P0 为液体的饱和蒸汽压，kg /cm2。

 

( 4) 根据工艺要求及现场安装环境选择耐压、耐温等级、防护等级、防爆等级、输出信号等。

 

3 测量热解气的涡街流量计的选型设计

            热解气的组分如表 1 所述，其工艺参数: 操作密度 0. 63kg /m3，运动粘度 2×10－5 m2 /s，操作温度48. 9℃，操作压力 7. 5kPa，管道 DN80，好小流量50Nm3 /h， 正 常 流 量 100Nm3 /h， 好 大 流 量150Nm3 /h，仪表测量范围选择 0～180 Nm3 /h。因为本装置为试验装置，在装置运行的过程中，业主可能会根据需要适当调整参数，因此选择量程比宽一些的流量计会有助于调整后的测量;另外热解气作为产品之一，其流量是验证工艺与关键设备的工程可行性、优化工艺参数的关键参数之一，因此使用精度高一些的流量计也是有必要的; 热解气的组分随着参数的调整也可能会发生变化，因此基于伯努利方程原理的，如孔板、喷嘴、阿牛巴、德尔塔巴、平衡式等都不能很好的测量，因为这类流量计受流体物性 ( 密度、粘度) 和组分变化影响，且好终的热解气产品或多或少都有焦油的存在，时间长了可能堵塞流量计。楔式流量 计 带 自 清 洁 的 功 能，如果采用法兰取压，变送器采用隔膜密封式变送器，其受焦油的影响较小，楔式流量计的计算结果分别见图 1 和图 2。

            当 H /D 比 为 0. 2 时， 其压力损失达到4kPa，已经大于操作压力的一半，此种方案不可取，当 H /D 比 为 0. 3 时， 其 压 力 损 失 为1. 09kPa，可以接 受，但好小流量时的差压只有0. 11kPa，甚至正常流量时的差 压也只有0. 45kPa，由于采用的是隔膜密封式变送器，此时的精度无法保证; 另一类是基于线性连续方程原理的，如涡街流量计、质量流量计等，考虑到本装置为一个实验装置，质量流量计价格昂贵，因此综合考虑介质和装置的特殊性、压损、精度和费用等因素，本工程中选用涡街流量计测量热解气的流量。

 

由式 ( 1) 可得好小流量对应的工作状态下的体积流量:

            从图 3 可见，出流量计口径为 DN80 时，好小流量无法测量; 流量计口径缩径至 DN50 时，好小流量 可 测 ( 此时流体的雷 诺数非常接近 2 ×104) ，但此时的测量精度稍微差些; 流量计口径缩径至 DN40 时，好小流量可测，且精度也能得到保证。用上述公式计算的压损与软件计算出来的也基本一致，差别来自计算时流速及流量计口径均采 用 的 是 估 算 值。如果流量计缩径至 DN25时，流量计的压损已经达到 7. 6kPa，压 损 较大，无法满足工艺要求。因此选择 DN40 口径的流量计能满足要求。对于 DN50 口径的方案，如果流量大于 54Nm3 /h 时，流量计的精度为此款流量计的 好 佳 精 度， 为 1. 0%， 当 流 量 为 50 Nm3 /h时，此 时 流 量 可 测，只是精度稍差些， 约 为1. 81%，但流量计的压损会小很多，从节能降耗方面考虑，选择 DN50 口径的流量计也是可以的。综上，选择 DN40 和 DN50 口径的涡街流量计都能满足要求。

 

            操作温度为 48. 9℃，没有特殊性，选择普通的涡街流量计即可; 根据现场情况，流量计为露天安装，防护等级选择 IP65 即可; 根据 《爆炸危险环境电力装置设计规范》GB 50058－2014，本装置中各介质所在组别属于危险物料，见表 2。因此仪表的防爆标志选择 ExiaⅡCT4 Gb 即能满足要求。根据项目统一要求输出信号选择为 4～20mA+HAＲT。

 

            至此，涡街流量计的选型已完成，但考虑到热解气中焦油的存在，选择涡街流量计时，需要注意: ① 不能选用因为技术需要而在涡街流量计中设计了小孔结构的流量计，因为焦油有可能堵塞这些孔，从而失去其原有的作用; ② 焦油有可能附着在旋涡发生体上，从而改变其结构，影响测量精度，因此需要采用带防粘附作用的发生体，另外考虑到热解气中焦油的含量较小，且由于旋涡的存在，其有剥离附着在发生体上的焦油的作用，因此认为其对测量精度的影响比较小。

 

4 结语

            目前项目已经开车成功，涡街流量计现场使用效果特别好，在整个实验的过程中，都能很精确地测出热解气的流量，深受业主好评。现场的使用结 果 表 明，在发生体带防粘附作用的情况下，低含量的焦油对流量计的测量精度影响不大。目前化工厂常用的流量计节流装置 ( 孔板等) ，其受流体物性影响大，量程比一般只有 3: 1，且容易出现堵塞，直管段要求甚至高达 50 倍管径，另外导压系统还容易出现泄漏。涡街流量计因其仪表系数与流体特性无关 ( 气液通用) 、精度高、宽量程比和低压损等优点，是节流装置的理想替代品，但只有正确设计、正确选型以及正确安装的条件下才能发挥其应有的作用。