低溫多效蒸餾海水淡化裝置流量儀表的選型

黃 巖，張風(fēng)友

（中國電子工程設(shè)計院 海水淡化工程技術(shù)研究中心，北京 100142）

低溫多效蒸餾海水淡化裝置流量儀表的選型

黃 巖，張風(fēng)友

（中國電子工程設(shè)計院 海水淡化工程技術(shù)研究中心，北京 100142）

對于低溫多效蒸餾海水淡化裝置，正確的儀表選型關(guān)系到裝置的平穩(wěn)、安全和經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。流量儀表的選型一直是儀表選型中的難點(diǎn)。該文總結(jié)了流量儀表選型的一般性原則，首先根據(jù)被測流體類型對流量計進(jìn)行初選，然后根據(jù)儀表性能、介質(zhì)特性、安裝和維護(hù)、環(huán)境條件、經(jīng)濟(jì)條件這5個因素對候選儀表進(jìn)行深入比較，排除不合適的儀表，并對適合的儀表進(jìn)行排序。最后，針對低溫多效蒸餾海水淡化裝置中水蒸氣、海水、產(chǎn)品水這3種典型介質(zhì)的流量測量，利用前面總結(jié)的選型原則進(jìn)行儀表選型，最終得到合適的儀表種類并對其進(jìn)行排序。

海水淡化；流量儀表；儀表選型

相比于其他過程測量儀表，流量儀表的種類繁多，據(jù)統(tǒng)計在工業(yè)中得到應(yīng)用的流量儀表種類超過了100種[1]。因此流量儀表的選型是一項(xiàng)復(fù)雜的工作，需要工程師具備良好的過程測量知識及豐富的經(jīng)驗(yàn)，熟悉常用儀表的類型、原理。

1 流量儀表類型及選型原則

1.1 流量儀表的分類

按照不同的原則，流量儀表有不同的分類方法。從儀表選型的角度來考慮，按照測量原理對流量儀表進(jìn)行分類是比較合理的。根據(jù)流量的測量原理，可以把工業(yè)中常用的流量儀表分成表1所示的10 種類型[2-3]。

表1 流量計分類Tab.1 Classifications of flowmeters

1.2 流量儀表的選型原則

在進(jìn)行流量儀表的選型之前，究竟需不需要流量計是首先需要確定的問題[4]。因?yàn)樵诤芏鄨龊舷?，用戶只是需要了解介質(zhì)流動是較快還是較慢，或者需要流量的高報警（與/或低報警）。在這些場合下，選擇流量指示器或流量開關(guān)可以用更低的費(fèi)用來滿足需求[5]。只有對精度要求更高（通常不超過5%），或者流量信號參與控制的情況下才需要使用流量計。

確定需要使用流量計之后就可以進(jìn)行流量計的選型，流量計選型的一個基本方法是排除法，即排除不符合測量需求的儀表種類。第一步要根據(jù)被測流體的類型（液態(tài)、氣態(tài)還是混合流體）進(jìn)行流量計的初選，如表2所示。

表2 流量計的應(yīng)用范圍Tab.2 Application range of flowmeters

經(jīng)過初選之后，根據(jù)以下5個方面的因素來深入分析比較，排除不合適的儀表種類，最終確定合適的流量計類型。

1）儀表性能

儀表性能方面，主要考慮的因素包括精度、重復(fù)性、線性度、量程比、壓力損失、輸出信號特性、響應(yīng)時間。儀表性能方面的考察基于工藝過程對測量的要求，如貿(mào)易交接測量對于精度要求較高，對于大口徑管線測量要求較小的壓力損失等。各種類型儀表性能可以通過查閱儀表的選型手冊來獲得，需要注意的是，儀表在不斷的更新?lián)Q代，因此在儀表選型時要保證獲得的儀表性能參數(shù)是最新的。

2）介質(zhì)特性

被測介質(zhì)的特性對所有類型的流量計都有不同程度的影響。常用的介質(zhì)的特性參數(shù)一般可以從相關(guān)手冊中查到，然后與流量計的規(guī)格參數(shù)對比，就可以初步確定哪些儀表是可以使用的。在選型時，主要考慮的因素包括密度、溫度、壓力、比重、黏度、等熵指數(shù)、壓縮系數(shù)、電導(dǎo)率、比熱容、導(dǎo)熱系數(shù)、流體的化學(xué)機(jī)械性質(zhì)等。

3）安裝和維護(hù)

不同類型的儀表對安裝的要求也不同。有些儀表（如表2中第1組和第4組中的儀表）需要上游有較長的直管段，而有些儀表（如表2中第3組中的儀表）則對上游直管段要求很低。主要考慮的因素包括安裝方向、介質(zhì)流向、上下游直管段、管徑、振動影響、閥門位置、電氣連接、附件（如過濾器、穩(wěn)壓補(bǔ)償裝置、整流器等）、爆炸危險區(qū)、非穩(wěn)定流情況等。

4）環(huán)境條件

環(huán)境條件主要考慮的因素包括環(huán)境溫度、濕度、大氣壓力、安全因素、電磁干擾等。

5）經(jīng)濟(jì)條件

流量儀表的全部費(fèi)用包括購置費(fèi)、附件費(fèi)、安裝費(fèi)、運(yùn)行費(fèi)、維護(hù)費(fèi)、校驗(yàn)費(fèi)和備品備件費(fèi)等。在考慮經(jīng)濟(jì)條件的時候，要綜合考慮各種因素而不能僅僅只考慮購置費(fèi)用。表3中列出了常用流量計的費(fèi)用比較。

2 實(shí)際應(yīng)用分析

在低溫多效蒸餾海水淡化裝置中，流量測量的主要介質(zhì)包括水蒸氣、海水、淡水。下文依次針對這3種介質(zhì)進(jìn)行流量計的選型分析。

表3 流量計的費(fèi)用比較Tab.3 Cost comparison of flowmeters

2.1 水蒸氣的流量測量

水蒸氣的流量測量條件和要求如下：

介質(zhì)：飽和水蒸氣；管徑：750 mm；操作溫度：153℃；操作壓力：0.6MPa（A）；正常流量：81200 kg/h；精度要求：2.5%；直管段限制：＜30 D；成本限制：無。

根據(jù)第1部分介紹的流量儀表選型的步驟，分析如下：

步驟1對照表2進(jìn)行流量計的初選，去掉不合適的類型，確定可用的流量計類型為第1、2、4、5、10組。

步驟2考察儀表性能，由于水蒸氣流量涉及到貿(mào)易交接，流量計精度不低于2.5%[6]；由于流量計下游為蒸汽噴射器，為了保證入口蒸汽的壓力，所以流量計的壓力損失要盡量小。因此確定可用的流量計類型為第1、2、4、5組。在能夠滿足測量精度的前提下，流量計的壓力損失對選型影響較大，因此從儀表性能方面對所選流量計進(jìn)行排位如下：1.第2 組，2.第 5 組，3.第 4 組，4.第 1 組。

步驟3考察介質(zhì)特性，主要考察雷諾數(shù)的計算結(jié)果，確定可用的流量計類型為第1、2、4、5組。

步驟4考察安裝和維護(hù)，主要是考察流量計要求的直管段長度對安裝的限制。經(jīng)過比較，第1、2、4、5組仍然滿足安裝和維護(hù)要求。

步驟5考察環(huán)境條件，候選儀表均可以滿足環(huán)境條件的要求。

步驟6考察經(jīng)濟(jì)條件，經(jīng)濟(jì)條件的主要影響因素為購置費(fèi)用、安裝費(fèi)用和校準(zhǔn)費(fèi)用。經(jīng)過比較，對所選流量計進(jìn)行排位如下：1.第1組，2.第2組，3.第5組，4.第4組。

由于插入式流量計（渦街、渦輪）的測量精度受到儀表安裝的影響很大，根據(jù)對其它已經(jīng)投產(chǎn)運(yùn)行的裝置的調(diào)研情況來看，插入式流量計 （渦街、渦輪）對于蒸汽測量的測量精度均不夠理想。由于本項(xiàng)目對儀表購置成本沒有嚴(yán)格的限制，因此，將插入式渦輪、插入式渦街流量計從待選清單中排除出去。綜合上述分析，最終得出流量計的排位如下：1.第 2 組（均速管），2.第 5 組（渦街），3.第 1 組（孔板、噴嘴）。根據(jù)HG/T20507中的規(guī)定，上述3組流量計均應(yīng)帶溫壓補(bǔ)償[7]。

2.2 鹽水的流量測量

鹽水流量測量條件和要求如下：

介質(zhì)：鹽水；管徑：450 mm；操作溫度：68℃；操作壓力：0.28 MPa（A）；正常流量：450 m3/h；精度要求：1.5%；直管段限制：＜10 D；成本限制：無。

根據(jù)第1部分介紹的流量儀表選型的步驟，分析如下：

步驟1對照表2進(jìn)行流量計的初選，去掉不合適的類型，確定除了第9組以外，另外9組流量計均可以滿足。

步驟2考察儀表性能，鹽水流量測量不涉及計量，但要參與蒸發(fā)器的液位控制，所以對精度有一定要求。對于低溫多效蒸餾海水淡化裝置來說，能耗是重要的考察指標(biāo)，從節(jié)約能源角度來考慮，選擇的流量計的壓力損失要盡量小。經(jīng)過比較，對所選流量計進(jìn)行排位如下：1.第6組，2.第7組，3.第2 組，4.第 1 組。

步驟3考察介質(zhì)特性，主要考察雷諾數(shù)的計算結(jié)果，確定可用的流量計類型為第1、2、6、7組。

步驟4考察安裝和維護(hù)，因?yàn)楹Ｋ髁坑嫷陌惭b位置位于設(shè)備下方的管廊上，為方便流量計的日常維護(hù)，應(yīng)選擇傳感器與變送器能夠分體安裝的流量計。同時應(yīng)考察流量計要求的直管段長度對安裝的限制。經(jīng)過考察，1、2、6、7組均滿足安裝和維護(hù)的需要。

步驟5考察環(huán)境條件，候選儀表均可以滿足環(huán)境條件的要求。

步驟6考察經(jīng)濟(jì)條件，經(jīng)濟(jì)條件的主要影響因素為購置費(fèi)用、安裝費(fèi)用和校準(zhǔn)費(fèi)用。經(jīng)過比較，對所選流量計進(jìn)行排位如下：1.第7組，2.第2組，3.第6組，4.第1組。

由于插入式流量計（電磁）的測量精度受到儀表安裝的影響很大，在資金充足的前提下，為保證測量結(jié)果的準(zhǔn)確性，不建議使用插入式流量計（電磁）。超聲波流量計（多普勒法）在使用中受管道振動、現(xiàn)場安裝等因素影響較大，在選型時應(yīng)予以綜合考慮。綜合上述分析，最終得出流量計的排位如下：1.第 6 組（電磁），2.第 7 組（多普勒法），3.第 2 組（均速管），4.第 1 組（文丘里管）。

2.3 產(chǎn)品水的流量測量

海水流量測量條件和要求如下：

介質(zhì)：水；管徑：600 mm；操作溫度：40℃；操作壓力：0.5 MPa（A）；正常流量：1450 m3/h；電導(dǎo)率：＜10 μs；精度要求：1.5%；直管段限制：＜10 D；成本限制：無。

根據(jù)第1部分介紹的流量儀表選型的步驟，分析如下：

步驟1對照表2進(jìn)行流量計的初選，去掉不合適的類型，確定除了第6、9組以外，另外8組流量計均可以滿足。

步驟2考察儀表性能，由于產(chǎn)品水流量測量涉及貿(mào)易交接，要求測量精度不低于1.5%。而且同海水流量測量一樣，從節(jié)約能源角度來考慮，選擇的流量計的壓力損失要盡量小。經(jīng)過比較，對所選流量計進(jìn)行排位如下：1.第 7組，2.第 5組，3.第 4組，4.第 1 組。

步驟3考察介質(zhì)特性，主要考察雷諾數(shù)的計算結(jié)果，候選儀表均可以滿足要求。

步驟4考察安裝和維護(hù)，因?yàn)楫a(chǎn)品水流量計的安裝位置位于設(shè)備下方的管廊上，為方便流量計的日常維護(hù)，應(yīng)選擇傳感器與變送器能夠分體安裝的流量計；同時，應(yīng)考慮流量計要求的直管段長度對安裝的限制。經(jīng)過考察，候選儀表均滿足安裝和維護(hù)的需要。步驟5考察環(huán)境條件，候選儀表均可以滿足環(huán)境條件的要求。

步驟6考察經(jīng)濟(jì)條件，經(jīng)濟(jì)條件的主要影響因素為購置費(fèi)用、安裝費(fèi)用和校準(zhǔn)費(fèi)用。經(jīng)過比較，按照費(fèi)用由低到高的順序?qū)λx流量計進(jìn)行排位如下：1.第 7 組，2.第 1 組，3.第 5 組，4.第 4 組。

綜合上述分析，最終得出流量計的排位為1.第7 組（傳播速度差法），2.第 5 組，3.第 4 組（渦輪），4.第 1 組（文丘里管、噴嘴）。

3 結(jié)語

在流量儀表的選型過程中，排除法是必要而且有效的方法。需要注意的是，流量測量技術(shù)在不斷發(fā)展，流量儀表的性能在不斷提高，所以在選型時參考的表格需要不斷地更新。

[1]R.W.Miller.Flow Measurement Engineering Handbook[M].Third Edition.New York：McGRAW HILL，1996.

[2] BS 7405-1991 Guide to Selection and Application of Flowmeters for the Measurement of Fluid Flow in Closed Conduits[S].London：British Standards Institution，1991.

[3] API RP 551-93 Process Measurement Instrumentation[S].Washington，D.C：American Petroleum Institute，1993.

[4] R.A.Furness.BS 7405：The principles of flowmeter selection[J].Flow Measurement and Instrumentation，1991，10（2）：233-242.

[5] 陸德民.石油化工自動控制設(shè)計手冊[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2001.

[6]GB 17167-2006用能單位能源計量器具配備和管理通則[S].北京：中國國家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會，2006.

[7]HG/T 20507-2014自動化儀表選型設(shè)計規(guī)范[S].北京：中華人民共和國工業(yè)和信息化部，2014.

Flow Instruments Selection of Low Temperature Multi-effect Desalination Unit

HUANG Yan，ZHANG Feng-you
（Desalination Technology Engineering Center，China Electronics Engineering Design Institute，Beijing 100142，China）

For low temperature multi-effect distillation desalination unit，the correct instrument selection is important to the smooth，safe and economical operation.The flowmeter selection is always difficult in instrument selection.This paper summarizes the general principle of flow instrument selection.First，the flowmeters are selected according to the type of fluid to be measured.Then according to the performance，fluid property，installation and maintenance，environmental conditions and economic conditions of the candidate instruments in-depth comparison，eliminate unsuitable instruments and sorting for the suitable ones.Finally，according to the 3 typical flow measurements of vapor，brine and water in low temperature multi-effect distillation desalination unit，select instruments with the principle summarized before，finally get the appropriate instrument types and the order.

desalination；flow instrument；instrument selection

TH814

B

1001-9944（2017）11-0020-04

10.19557/j.cnki.1001-9944.2017.11.005

2017-06-15；

2017-09-19

中共北京市委組織部2016年北京市優(yōu)秀人才培養(yǎng)資助計劃項(xiàng)目；科技部國家科技支撐計劃項(xiàng)目（2015BAB08B00）

黃巖（1983—），男，碩士，高級工程師，研究方向?yàn)閮x表與控制設(shè)計；張風(fēng)友（1980—），男，工程師，研究方向?yàn)楹Ｋ?xiàng)目管理。