矩形流量計(jì)在渣油測(cè)量中的應(yīng)用研究

朱琳

(中國(guó)昆侖工程有限公司 遼寧分公司 ,遼寧 遼陽(yáng) 111000)

渣油加氫處理就是在高溫、高壓和催化劑存在的條件下，使渣油和氫氣發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，剔除渣油中的硫、氮、重金屬等有害雜質(zhì)，將渣油部分轉(zhuǎn)化為汽油和柴油，剩余的部分可以通過(guò)催化、液化進(jìn)行加工處理，全部轉(zhuǎn)化為汽油和柴油[1]。但渣油是石油經(jīng)蒸餾加工后剩余的殘?jiān)浔嚷始s占石油加工前的50%。由于渣油質(zhì)量差，雜質(zhì)和非理想組分含量高，傳統(tǒng)的流量計(jì)受其影響易產(chǎn)生堵塞和嚴(yán)重磨損，造成無(wú)法正常使用或測(cè)量，致使生產(chǎn)效率降低。

本文采用某公司研制的矩形流量計(jì)并結(jié)合計(jì)算流體力學(xué)CFD(computational fluid dynamics)數(shù)值模擬技術(shù)，對(duì)渣油輸送管道進(jìn)行三維模擬計(jì)算。對(duì)比流量測(cè)試數(shù)據(jù)，驗(yàn)證了矩形流量計(jì)在該類(lèi)系統(tǒng)中的準(zhǔn)確性、穩(wěn)定性與可靠性，為矩形流量計(jì)在渣油加氫系統(tǒng)中應(yīng)用提供參考。

1 矩形流量計(jì)

矩形流量計(jì)是在楔形流量計(jì)與文丘里流量計(jì)的基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)出來(lái)的一種新型差壓式流量測(cè)量?jī)x表，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。矩形流量計(jì)既結(jié)合了楔形流量計(jì)和文丘里流量計(jì)的設(shè)計(jì)優(yōu)點(diǎn)，又在關(guān)鍵結(jié)構(gòu)上作了實(shí)質(zhì)改進(jìn)，用平緩收縮和擴(kuò)張的階梯矩形代替頂端尖銳的楔塊，從而在測(cè)量臟污磨損性流體時(shí)更加耐磨、穩(wěn)定和準(zhǔn)確[2]。

圖1 矩形流量計(jì)結(jié)構(gòu)示意

矩形流量計(jì)無(wú)可動(dòng)部件、耐磨損，測(cè)量精度可保持長(zhǎng)期不變，這是孔板流量計(jì)、楔形流量計(jì)等達(dá)不到的，解決了許多其他流量計(jì)無(wú)法解決或效果不佳的流量測(cè)量問(wèn)題，尤其是高黏度介質(zhì)、強(qiáng)腐蝕性介質(zhì)和重摩擦性介質(zhì)流量的高精度測(cè)量問(wèn)題[3]。矩形流量計(jì)采用的流量計(jì)算方法如式(1)～式(2)所示[4]：

(1)

(2)

式中：qV——體積流量；C——流出系數(shù)；ε——可膨脹系數(shù)；β——節(jié)流面積比，即流通面積與管道截面積之比；D——管道內(nèi)徑，mm；Δp——差壓，Pa；ρ——介質(zhì)密度，kg/m3。

2 渣油輸送基本參數(shù)及要求

某渣油輸送管道水平安裝，尺寸為DN150。渣油密度為877 kg/m3，黏度為12 mPa·s。正常生產(chǎn)狀況下體積流量為141.39 m3/h，最大體積流量為177.88 m3/h，最小體積流量為70.69 m3/h，壓力為1 MPa，溫度為167 ℃。加裝流量測(cè)量?jī)x表后，允許壓力損失為20 kPa，要求精度為±0.5%。

3 流體力學(xué)數(shù)值模擬分析

按照正常體積流量141.39 m3/h分析矩形流量計(jì)所在管道內(nèi)的流場(chǎng)。圖2為矩形流量計(jì)的管道壓力云圖，從圖中的壓力坐標(biāo)可以看出，矩形流量計(jì)前端取壓點(diǎn)和喉部取壓點(diǎn)的壓力相對(duì)平穩(wěn)，且差壓值較大，在8 kPa左右，非常適合該類(lèi)差壓式流量計(jì)的取壓和計(jì)算。

圖2 矩形流量計(jì)管道壓力云示意(數(shù)值單位： kPa)

圖3為矩形流量計(jì)的管道截面速度云圖，根據(jù)圖3可知，管道中渣油的流速變化幅度相對(duì)不大。根據(jù)伯努利方程可知，流速越高，壓力越小，所以可定性分析出矩形流量計(jì)的壓力損失相對(duì)較小。

圖3 矩形流量計(jì)管道速度云示意(數(shù)值單位： m/s)

圖4 矩形流量計(jì)管道速度矢量圖示意

矩形流量計(jì)的管道截面的局部速度矢量圖如圖4所示，通過(guò)圖4較為流暢的箭頭可以發(fā)現(xiàn)，加裝矩形流量計(jì)之后管道中基本不存在渦流區(qū)域，這是由于矩形流量計(jì)采用流線型節(jié)流通道，具有一個(gè)適當(dāng)長(zhǎng)度的喉管，該喉管起到整流的作用，有效地平抑了流體的波動(dòng)，再加上后部的壓力恢復(fù)段，延伸了該流線型流道，使得整個(gè)流量計(jì)內(nèi)部不會(huì)產(chǎn)生渦流和震動(dòng)，避免了因渦流產(chǎn)生的磨損。矩形流量計(jì)可以連續(xù)使用3 a且測(cè)量精度不變，其使用壽命是楔形流量計(jì)的4倍以上[6]。上述現(xiàn)象也可表明矩形流量計(jì)的壓力損失相對(duì)較小，同時(shí)精度較高。

差壓流量計(jì)的體積流量均可根據(jù)式(1)簡(jiǎn)化為式(3)所示的形式：

(3)

式中：k——儀表系數(shù)。

根據(jù)式(3)采用數(shù)字化技術(shù)對(duì)矩形流量計(jì)所在管道進(jìn)行多種工況下的數(shù)字化標(biāo)定，結(jié)果見(jiàn)表1所列。

從表1中可以看出，在最小流量70.69 m3/h下，差壓值為2.16 kPa，滿足工程中最低測(cè)量差壓要求；常用流量141.39 m3/h下差壓值為8.53 kPa；最大流量177.88 m3/h下差壓值為13.45 kPa，差壓和體積流量呈良好的對(duì)應(yīng)關(guān)系。儀表系數(shù)為45.266 62，精度等級(jí)為0.5級(jí)，線性度也滿足要求，并且永久壓力損失為0.57～2.72 kPa。

4 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，渣油加氫系統(tǒng)中渣油管道通過(guò)加裝矩形流量計(jì)，利用數(shù)字化技術(shù)對(duì)該流量計(jì)所在工況進(jìn)行流場(chǎng)分析和數(shù)字化標(biāo)定后，可得出如下結(jié)論：

表1 矩形流量計(jì)工況標(biāo)定結(jié)果

1)矩形流量計(jì)在該管道中前端取壓點(diǎn)和喉部取壓點(diǎn)的壓力相對(duì)平穩(wěn)，且差壓值較大，非常適合取壓和計(jì)算。

2)矩形流量計(jì)在該管道中精度為0.5級(jí)，測(cè)量準(zhǔn)確度高，并且永久壓力損失最高為2 718.57 Pa，符合工藝設(shè)計(jì)要求。

3)矩形流量計(jì)在結(jié)構(gòu)上較傳統(tǒng)楔形流量計(jì)具有一根適當(dāng)長(zhǎng)度的喉管，該喉管起到整流的作用，使其更耐磨損且壽命增加，可靠性大幅提升。