摘　要:針對(duì)常規(guī)的差壓型流量計(jì)在大口徑管道氣體流量測(cè)量中受安裝位置等因素的限制,介紹了錐形流量計(jì)的特點(diǎn)、功能及其工作原理,比較了孔板流量計(jì)與錐形流量計(jì)的優(yōu)缺點(diǎn),指出錐形流量計(jì)具有壓損低、精度高等特點(diǎn),實(shí)踐證明錐形流量計(jì)在工藝風(fēng)計(jì)量方面的穩(wěn)定性、可靠性和準(zhǔn)確性。
　　在現(xiàn)代的化工和石油化工裝置中,時(shí)常會(huì)遇到一些大口徑管道,其中介質(zhì)大多為氣體,例如氮?dú)�、工藝風(fēng)、煙道氣、焦?fàn)t煤氣等介質(zhì)。如何準(zhǔn)確測(cè)量這些管道中氣體流量,有時(shí)是很重要的,例如在硫酸生產(chǎn)裝置中,工藝風(fēng)流量是一個(gè)非常重要的工藝參數(shù)。一方面工藝風(fēng)量大小和分配直接關(guān)系到沸騰爐內(nèi)硫是否能充分燃燒,避免爐內(nèi)升華硫的產(chǎn)生,防止?fàn)t膛燒結(jié);另一方面還關(guān)系到整個(gè)裝置的操作狀況和平穩(wěn)運(yùn)行,以及經(jīng)濟(jì)指標(biāo)的核算、標(biāo)定。因此,主風(fēng)量測(cè)量?jī)x表應(yīng)具備高可靠性和較高測(cè)量精度。
　　測(cè)量大口徑管道的氣體流量通常為孔板流量計(jì)、文丘里管以及阿牛巴流量計(jì)等差壓節(jié)流元件,但是,節(jié)流裝置在某些場(chǎng)合卻難以采用。在某硫酸裝置設(shè)計(jì)中,工藝風(fēng)流量測(cè)量遇到難題,若采用常規(guī)流量?jī)x表孔板、文丘里管或阿牛巴,則安裝位置受到限制。工藝管道公稱直徑700mm,其直管段前后僅有1m。對(duì)于大口徑管道的流量測(cè)量,a方案采用孔板流量計(jì),其安裝要求高,一般前10D、后5D應(yīng)為直管段,滿足不了這么長(zhǎng)的要求。b方案采用文丘里管,其本身長(zhǎng)度近5m,再加上滿足精度要求的最小安裝直管段(前5.5D、后3.5D),共計(jì)11.3m,受安裝條件限制,風(fēng)機(jī)出口管線根本滿足不了這么長(zhǎng)的直管段要求。c方案采用阿牛巴,其安裝要求一般為前5D、后2D,也滿足不了這么長(zhǎng)的直管段要求。
　　隨著測(cè)量技術(shù)的不斷發(fā)展,近期推出了先進(jìn)的流量測(cè)量?jī)x表———錐形流量計(jì)。該流量計(jì)不僅很好地解決了直管段長(zhǎng)度的要求,而且提高了測(cè)量精度,這是由于錐形流量計(jì)采用獨(dú)特的中心流線型結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),巧妙地解決了長(zhǎng)直管段整流的問題。中心懸掛的流線型錐體能重塑流速曲線,在緊靠錐體上游和下游較窄的區(qū)域內(nèi)(前0～3D、后0～1D),將流速不規(guī)則的流體直接整流成理想流體,獲得很高的測(cè)量精度和重復(fù)性,不需要直管段整流。因此在該管線的氣體流量測(cè)量中,設(shè)計(jì)采用了錐形流量計(jì)及差壓變送器進(jìn)行測(cè)量。本文將結(jié)合生產(chǎn)實(shí)際,著重比較孔板流量計(jì)與錐形流量計(jì)測(cè)量?jī)x表的各自優(yōu)缺點(diǎn),供大家參考。
1　孔板流量計(jì)的特點(diǎn)及功能
　　孔板流量計(jì)是一種差壓型的流量?jī)x表,也是使用歷史悠久、應(yīng)用廣泛的一種。它是基于流體流動(dòng)的節(jié)流原理,利用流體流經(jīng)節(jié)流元件時(shí)產(chǎn)生的壓力差與其流量有關(guān)而實(shí)現(xiàn)測(cè)量的。
　　充滿管道的流體,當(dāng)它流經(jīng)管道內(nèi)的節(jié)流元件孔板時(shí),流束將在節(jié)流元件處形成局部收縮(見圖1)。此時(shí)流速增大、靜壓降低,在節(jié)流元件前后產(chǎn)生差壓,流量愈大,差壓愈大,因而可根據(jù)差壓來衡量流量的大小。這種測(cè)量方法是以連續(xù)性方程和伯努利方程為基礎(chǔ)。
　　孔板流量計(jì)由節(jié)流元件、差壓變送器和流量顯示儀表組成。儀表無可動(dòng)部件,工作可靠,價(jià)格低,量程比約為3∶1。應(yīng)用范圍廣泛,適用于單相流體,包括液體、蒸汽、氣體皆可測(cè)量。檢測(cè)件,特別是標(biāo)準(zhǔn)型的為全世界通用。但現(xiàn)場(chǎng)安裝條件要求較高,需較長(zhǎng)的直管段長(zhǎng)度,對(duì)大口徑工藝配管一般難以滿足。對(duì)小口徑管道(小于50mm)的流量測(cè)量有困難,壓損較大,儀表刻度為非線性,測(cè)量精度不很高,有時(shí)維護(hù)工作量較大。

2　錐形流量計(jì)的特點(diǎn)及功能
　　錐形流量計(jì)是一種新型的高精度差壓型流量計(jì)。它與孔板節(jié)流相反,通過在密閉管道中心線懸掛一個(gè)特制的流線型錐體來進(jìn)行中央節(jié)流,用上游管壁和錐體尾部測(cè)量的差壓來計(jì)算流量。其特點(diǎn):①?zèng)]有直管段安裝要求,可以解決其他流量計(jì)安裝時(shí)要求直管段長(zhǎng)度較長(zhǎng)給現(xiàn)場(chǎng)配管帶來的困難,尤其適用于大口徑管道單相流體的計(jì)量;②低壓損、高精度(≤0.5%),適用于需要控制全廠能耗的公用工程流體流量的計(jì)量;③獨(dú)有的雙法蘭取壓+密封截流錐體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),適用于測(cè)量高黏度(如油漿、原油、回?zé)捰汀⒃��?、粉塵介質(zhì)的流量;④耐臟污,不易堵,長(zhǎng)期穩(wěn)定性好。
2.1　工作原理
　　錐形流量計(jì)也是一種差壓型的流量?jī)x表。差壓型流量計(jì)是基于密封管道中的能量轉(zhuǎn)換原理,也就是說對(duì)于穩(wěn)定流體,管道中流體的流速與差壓的平方根成正比。當(dāng)流體接近錐體時(shí),其壓力為p1,在通過錐體的節(jié)流區(qū)時(shí),速度會(huì)增加,壓力會(huì)降低至p2。如圖2所示,p1和p2都通過錐形流量計(jì)的取壓口引到后接的差壓變送器上。流速發(fā)生變化時(shí),錐形流量計(jì)的兩個(gè)取壓口之間的差壓值會(huì)增大或縮小。當(dāng)流速相同時(shí),若節(jié)流面積大,則產(chǎn)生的差壓值也大。
錐形流量計(jì)也遵循機(jī)械能能量守恒定律:


因管道內(nèi)的流量相等,則:

式中:p1———截面S1—S1處流體壓力,kPa;
p2———截面S2—S2處流體壓力,kPa;
ρ———介質(zhì)密度,kg/m3;
v1———截面S1—S1處流體流速,m/s;
v2———截面S2—S2處流體流速,m/s;
g———重力加速度,m/s2;
A1———截面S1—S1處流通面積,m2;
A2———截面S2—S2處流通面積,m2;
K———儀表系數(shù),1;
β———節(jié)流系數(shù),1;
Q———管道中流體流量,m3/h;
D———管道內(nèi)徑,m;
d———錐形流量計(jì)錐體的最大外徑,m。
由式(7)可見,管道中流體流量與差壓的平方根成正比。
2.2　系統(tǒng)組成
　　錐形流量計(jì)與傳統(tǒng)的差壓型流量計(jì)一樣,由節(jié)流元件、引壓管、差壓變送器、流量計(jì)算機(jī)組成。流體為干燥氣體時(shí),若水平安裝在管道上,取壓孔方向應(yīng)垂直向上;在垂直管道上,應(yīng)將高、低壓引壓管向上走平行后接入變送器。
2.3　性能特性
1、重塑流速曲線
　　重塑流速曲線是錐形流量計(jì)的最大特點(diǎn)。節(jié)流錐體懸掛在管線中心迫使管道中心的流體繞著錐體流動(dòng),從而改變了管道中的流速曲線。如果流體在理想的管道中沒有任何阻礙和干擾,那它的流速分布將很均勻�？拷�管壁的流速幾乎為零,而管道中心的流速將達(dá)到最大,見圖3。當(dāng)將錐體懸掛在管線中心時(shí),錐體將直接同流體的高速區(qū)接觸,迫使高速區(qū)的流體同近管壁低速區(qū)的流體相混合,從而使流速均勻化,這樣測(cè)出的流體流速更加準(zhǔn)確。

　　在現(xiàn)實(shí)工況中,流速很難分布均勻,很多情況都會(huì)造成流體分布的不均勻。管道上的任何變化都可能對(duì)流體造成影響:如彎頭、閥門等,見圖4。而錐形流量計(jì)利用錐體對(duì)流速分布曲線進(jìn)行重新塑造,使得錐體“整流”后的流體分布均勻,從而保證較高的測(cè)量精度。

2、長(zhǎng)期性能穩(wěn)定
　　錐體的外形設(shè)計(jì)應(yīng)保證流體在流經(jīng)錐體時(shí)是一種漸變的過程,無突變。流體經(jīng)過錐體后到達(dá)錐體邊緣,因此錐體邊緣不會(huì)經(jīng)常性地受到不潔流體的磨損,β值可保持不變,儀表可長(zhǎng)期使用而勿需重新標(biāo)定。錐形流量計(jì)所產(chǎn)生的信號(hào)有較高的穩(wěn)定性(見圖5)。它產(chǎn)生的是低幅、高頻波動(dòng)信號(hào),而孔板流量計(jì)產(chǎn)生的是高幅、低頻信號(hào)。

3、永久壓力損失恒定
　　由于沒有銳利的緣口,錐形流量計(jì)引起的永久性壓力損失恒定且比孔板的小,接近文丘里管。同時(shí),極其穩(wěn)定的信號(hào)使得差壓的量程下限遠(yuǎn)比一般差壓流量計(jì)的低,因此量程得以向下限擴(kuò)展,量程比可達(dá)到15∶1,可測(cè)量最高雷諾數(shù)為5×106,最低雷諾數(shù)為1000仍可保持信號(hào)的線性。如果采用曲線修正,在更低的雷諾數(shù)條件下仍然可測(cè)量,并可保證較好的重復(fù)性。
4、無滯留死區(qū)
　　錐體的這種“吹掃式”設(shè)計(jì)不存在死區(qū),因此在錐體上不會(huì)堆積流體的碎片、黏渣或雜質(zhì)。
3　錐形流量計(jì)與孔板流量計(jì)性能比較
　　通過對(duì)孔板流量計(jì)及錐形流量計(jì)的工作原理和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)的對(duì)比,不難看出他們的具體差別如下。
1、精度
　　錐形流量計(jì)的測(cè)量精度高(讀數(shù)±0.5%),孔板的測(cè)量精度低(讀數(shù)±1.5%)。
2、重復(fù)性
　　由于錐體對(duì)流速的整形,使流速達(dá)到理想狀態(tài),干擾源少,因此錐形流量計(jì)測(cè)量數(shù)據(jù)的重復(fù)性好(優(yōu)于±0.1%)�？装逯荒芤揽恐惫芏螌�(duì)流體整形,直管段整形只能達(dá)到較為接近的流體完全理想狀態(tài),并且孔板本身的節(jié)流又破壞流體理想狀態(tài),因此干擾源多,重復(fù)性差。
3、安裝要求
　　錐形流量計(jì)安裝要求低(前0～3D、后0～1D),無論是泵、壓縮機(jī)、閥門或者彎管(一個(gè)單彎管或兩個(gè)不在一個(gè)平面上的雙彎管),對(duì)測(cè)量精度都沒有影響。孔板流量計(jì)安裝要求高(一般前10D、后5D),復(fù)雜工況還要加大到前20D、后5D。
4、長(zhǎng)期穩(wěn)定性
　　錐形流量計(jì)長(zhǎng)期穩(wěn)定性好。流體流經(jīng)圓錐體無突然波動(dòng),而是沿著錐形體形成一個(gè)邊界層,并引導(dǎo)流體離開錐體的后角。所以錐體夾角不受不清潔流體的磨損,β值可長(zhǎng)期不變,并保證長(zhǎng)期精確測(cè)量�？装辶髁坑�(jì)長(zhǎng)期穩(wěn)定性差。由于流體流經(jīng)孔板銳利緣口,截流產(chǎn)生高速摩擦,引起孔板口磨損,臟污改變孔板口大小,使β值發(fā)生變化,不能保持長(zhǎng)期精確測(cè)量。
5、信號(hào)穩(wěn)定性
　　錐形流量計(jì)信號(hào)穩(wěn)定,“信號(hào)波動(dòng)”僅是孔板的1/10。流體流經(jīng)錐體形成非常短的渦流,這些渦流使錐形流量計(jì)產(chǎn)生高頻低幅信號(hào),并且信號(hào)在錐體尾部流向中央,相互抵消,因此干擾小。
孔板流量計(jì)信號(hào)不穩(wěn)定,流體流經(jīng)孔板后產(chǎn)生的渦流較長(zhǎng),這些長(zhǎng)渦流使孔板產(chǎn)生低頻高幅的信號(hào),信號(hào)干擾大,會(huì)嚴(yán)重干擾差壓變送器讀數(shù)的準(zhǔn)確性。
6、壓損和量程
　　錐形流量計(jì)壓損低、量程寬,量程比通常為15∶1～50∶1。錐體的流線型設(shè)計(jì)使壓損大大減小,最小可至0.06kPa,在所有的差壓型流量計(jì)中,只有錐形流量計(jì)的壓損與文丘里接近。由于沒有銳利的緣口,錐形流量計(jì)引起的永久性壓力損失恒定且比孔板小。同時(shí),極其穩(wěn)定的信號(hào)使得差壓的量程下限遠(yuǎn)比一般差壓型流量計(jì)的低,因此量程得以向下限擴(kuò)展,雷諾數(shù)低至8000仍可保持信號(hào)線性。如果采用曲線修正,在更低的雷諾數(shù)下仍然可測(cè)量并可得到較好的重復(fù)性。
孔板流量計(jì)壓損大、量程小,量程比通常為3∶1～5∶1。由于是平面阻擋,加上銳利的緣口,因此壓損大,小信號(hào)波動(dòng)大、干擾大,小量程無法測(cè)量。
7、β值范圍和差壓
　　錐形流量計(jì)獨(dú)特的幾何形狀使其有很寬的β值范圍。標(biāo)準(zhǔn)的β值為0.450、0.550、0.650、0.750和0.850,也可按用戶要求特定β值,以保證用戶特定的差壓輸出。并且有較大的差壓信號(hào),滿標(biāo)尺差壓信號(hào)從0.1kPa到幾十kPa,保證測(cè)量的準(zhǔn)確性。
8、臟污的影響和維護(hù)
　　錐形流量計(jì)無停滯區(qū),長(zhǎng)期免維護(hù)。錐形流線型徹底吹掃式設(shè)計(jì)避免了流體中的殘?jiān)�、凝結(jié)物或顆粒的滯留,可以保持錐體長(zhǎng)期清潔。由于錐體對(duì)流體整形,加速了管壁流體的流速,因此減少了正取壓口的臟污停留;倒角的設(shè)計(jì)使流體流經(jīng)錐體后加速離去,故負(fù)取壓孔不會(huì)污損。所以在較長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)(2～3年)無須維護(hù)清洗,可以保證精確測(cè)量。
孔板流量計(jì)由于是平面阻擋,臟污容易堆積,一般3個(gè)月須清洗一次,才能保證較好的精度。
9、氣液兩相介質(zhì)(濕氣)
　　對(duì)濕氣(氣體中含有水分)的流體測(cè)量始終是流量測(cè)量中的一個(gè)難點(diǎn)。錐形流量計(jì)采用獨(dú)特的錐體設(shè)計(jì),使氣體中所含有的大部分水分,沿錐體從管道中央溫度較高的地方向周圍溫度較低的地方快速移動(dòng),產(chǎn)生的凝露沿錐體向管道底部下滴。由于錐體對(duì)流體整形,加速了管壁流體的流速,水分也快速通過,不會(huì)在取壓口產(chǎn)生大量凝露。所以氣體含有少量水分對(duì)錐形流量計(jì)取壓口產(chǎn)生的干擾信號(hào)少,提高了測(cè)量準(zhǔn)確性。通常要求氣體中含水量不超過5%為好,最大不超過10%。
　　孔板對(duì)流體產(chǎn)生阻擋,在孔板中央產(chǎn)生滴露,同時(shí)管壁流體受到阻擋,流速減慢,正取壓口附近產(chǎn)生的凝露會(huì)影響取壓信號(hào);流體流經(jīng)孔板后,產(chǎn)生的渦流向管壁作波動(dòng)性發(fā)散,會(huì)影響負(fù)取壓口取壓信號(hào)。因此,濕氣對(duì)孔板的測(cè)量精度會(huì)產(chǎn)生較大的負(fù)面影響,從而影響測(cè)量精度。因此,孔板及其他方式測(cè)量濕氣往往難以達(dá)到預(yù)期的效果。
10、錐形流量計(jì)安裝調(diào)試注意事項(xiàng)
　　每臺(tái)錐形流量計(jì)上均有箭頭指示流體流過設(shè)備的方向,高壓孔位于上游,低壓孔位于下游,在安裝差壓變送器前需確認(rèn)高壓孔的具體位置。
4　孔板與錐形流量計(jì)的壓損和精度
已知條件:
被測(cè)流體　　　　　　　工藝風(fēng)
流量(標(biāo)準(zhǔn)狀況)??????? Q20max=5750m3/h,
Q20com=4950m3/h,
Q20min=2500m3/h
工作壓力　　　　　　　p1=3MPa
工作溫度　　　　　　　t1=40℃
相對(duì)濕度　　　　　　　φ=0
管道內(nèi)徑　　　　　　　D20=300mm
管道材質(zhì)　　　　　　　15碳鋼,無縫管
有關(guān)孔板流量計(jì)與錐形流量計(jì)的壓損及精度的計(jì)算過程,在此簡(jiǎn)略,現(xiàn)將計(jì)算結(jié)果列于表1。

從表1可看出:孔板流量計(jì)的壓損要遠(yuǎn)大于錐形流量計(jì),而精度也不及錐形流量計(jì)的高。
5　結(jié)束語
　　該錐形流量計(jì)自開車以來,一直運(yùn)行較好,不僅解決了設(shè)計(jì)過程中遇到直管段短,普通流量?jī)x表難以檢測(cè)的問題,同時(shí)也提高了測(cè)量精度,由原來的1.25%提高到0.5%,壓損由9.37kPa降到1.28kPa,滿足了生產(chǎn)要求.但錐形流量計(jì)價(jià)格比孔板流量計(jì)要高,建議在重要場(chǎng)所或不能有壓損的地方使用。

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