摘要:以環(huán)形孔板為流量檢測件的新型儀表一環(huán)形孔板流量計 ,已經(jīng)在冶金、石化、采油、化工、電力等行業(yè)得到了成功應(yīng)用。將環(huán)形孔板流量計與標(biāo)準(zhǔn)孔板流量計、V形錐流量計進行性能比較介紹了環(huán)形孔板流量計在典型環(huán)境中的應(yīng)用說明了環(huán)形孔板的原理和特點最后從理論和實踐兩個方面證明了環(huán)形孔板流量計良好的測量性能。
0引言
　　節(jié)流裝置是利用測量管內(nèi)流通面積的改變使流動的流體產(chǎn)生靜壓力差的一類流量儀表"。盡管流量儀表的種類有近百種但節(jié)流裝置依然是用量最大的儀表種類之一。
　　環(huán)形孔板節(jié)流裝置是對美國1939年-項發(fā)明的創(chuàng)新性改進.近年來,環(huán)形孔板在高爐煤氣、焦?fàn)t煤氣混合煤氣、轉(zhuǎn)爐煤氣、水煤氣、半水煤氣、天然氣、循環(huán)冷卻水、工業(yè)廢水、過熱蒸汽熱空氣、伴生氣和煙氣等介質(zhì)的流量測量中獲得了成功應(yīng)用在解決防堵塞、防堆積、耐高溫防變形、耐腐蝕等方面優(yōu)勢明顯。
1工作原理
　　標(biāo)準(zhǔn)孔板的最小流通截面是孔板中心的圓孔流體通過時因流通面積的突然減小而加速流體繞過孔板入口邊緣時產(chǎn)生的邊界層是圓柱形。環(huán)形孔板的最小流通截面是測流板的外緣和管內(nèi)壁形成的圓環(huán)流體通過時因流通面積的突然減小而加速流體繞過測流板入口邊緣時產(chǎn)生的邊界層也是圓柱形與標(biāo)準(zhǔn)孔板對流體產(chǎn)生阻力的機理是相近的。因此孔板或測流板對流體造成的阻力系數(shù)是也相近的這就使兩者有可能具有相近的流出系數(shù)。
　　環(huán)形孔板與標(biāo)準(zhǔn)孔板的區(qū)別是:標(biāo)準(zhǔn)孔板的最;小流通面是與管軸線同軸的圓,環(huán)形孔板的最小流通面是與管軸線同軸的圓環(huán)從流場的對稱性考慮,兩者都優(yōu)于圓缺孔板和偏心孔板;另一方面環(huán)形孔板把中間流速高、靠近管壁處流速低的流動模式強制變成了測流板附近的“靠近管壁處流速高、中間流速低”的流動模式相當(dāng)于流場的二次分配進入環(huán)形孔板的.上游流場如果因.上游局部阻力件的干擾產(chǎn)生了畸變(即不再軸對稱)在二次分配時就會因“均化”的趨勢恢復(fù)成軸對稱就像沒有受到局部阻力的干擾似的'5]。
　　節(jié)流裝置的原理是依據(jù)伯努利方程和流體連續(xù)性方程'，經(jīng)過單位換算,環(huán)形孔板的基本方程式為:

　　式中: qm為流體的質(zhì)量流量,kg/h; C為流出系數(shù)經(jīng)過流量或抽樣標(biāo)定、幾何尺寸檢查即可得知; ε為可膨脹性系數(shù),對于液體ε=1;β=d,/D為直徑比其中d,為工作條件下節(jié)流件最小截面處的等效流通直徑,mm;D為工作條件下儀表測量管的內(nèi)徑,mm;ΔP為從節(jié)流件上、下游取壓口處測取的差壓,kPa;ρ為儀表安裝處.上游段工作條件下的流體密度,kg/m3
　　由此可見環(huán)形孔板的基本方程式與一般節(jié)流裝置的基本方程式是相同的,所不同的是取壓方式和流出系數(shù)。由于環(huán)形孔板不是標(biāo)準(zhǔn)孔板故在樣機試驗時必須進行流體實流標(biāo)定在獲得流出系數(shù)與產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的相互關(guān)系并且取得足夠多的數(shù)據(jù)以后才有可能采取抽樣標(biāo)定。
2產(chǎn)品的特點
　　環(huán)形孔板節(jié)流裝置的特殊結(jié)構(gòu)決定了它具有許多特點這些特點不但有理論根據(jù)而且已通過現(xiàn)場使用效果證明。其主要特點如下。
①結(jié)構(gòu)牢固、性能穩(wěn)定.工作可靠基本上是“免維護儀表”。
②儀表本體是一段直的測量管內(nèi)壁經(jīng)過加工,精度高、安裝誤差(偏心、密封墊片伸入管道等)對儀.表的測量幾乎沒有影響;節(jié)流件和測量管內(nèi)壁都是形狀簡單的圓形容易達到較高的尺寸精度、較嚴(yán)的.形位公差利用“干式標(biāo)定”就能獲得流出系數(shù)離散度小。因此,實際使用精度比標(biāo)準(zhǔn).孔板高。
③流體進入儀表本體后經(jīng)過測流板的突然阻擋被強制再分配并均化了流體進入時的畸變通過環(huán)孔節(jié)流再加_上“均壓環(huán)”取壓裝置使得進入差壓變送器的測量值(差壓)很少受.上游局部阻力的影響。例如在-一個直角彎頭的下游有3D長度的前直管即可滿足要求在一個收縮接頭的下游有0. 5D長度的前直管即可滿足要求['5 -7]
④環(huán)形孔板節(jié)流裝置不但可以測量一般流體的流量還可以測量含雜質(zhì)的流體流量。因為檢測件結(jié)構(gòu)形式與標(biāo)準(zhǔn)孔板有本質(zhì)不同，最小流通面是緊貼管內(nèi)壁的圓環(huán)而標(biāo)準(zhǔn)孔板最小流通面是處于管中心的同心圓。流體中的雜質(zhì)流速較低,一般是緊貼著管壁邊流動在標(biāo)準(zhǔn)孔板的附近雜質(zhì)流得更慢很容易沉淀堆積導(dǎo)致取壓口堵塞影響測量精度即使是圓缺孔板或偏心孔板,也避免不了這種故障'7-8]。然而對于環(huán)形孔板流量計流體中的雜質(zhì)會隨著主流一-起高速通過最小流通截面(環(huán)隙)不容易堆積在測流板附近,取壓口遠離滯流區(qū)不容易堵塞,且采取了多個取壓口(冗余設(shè)計)并聯(lián)在均壓環(huán)上只.有全部堵死才會失效這就加大了檢修周期。此外在“防堵型環(huán)形孔板流量計”的均壓環(huán).上與取壓口正對著的管壁處設(shè)有“堵頭”或排污球閥,可定期旋開排污或用捅條疏通雜物。對含塵量更大的流體,可以選帶隔離膜片的差壓變送器使堵塞的可能性更小。在測量焦?fàn)t煤氣等含有黏附物的流體時,可以選帶有“清污窗口”的防堵型流量計定期打開窗口、徹底清理測流板附近的黏附物。
⑤檢測件一 “測流板”的周邊無約束可以自由熱膨脹在高溫流體中測流板尺寸的變化可以計算出來能保持關(guān)鍵部位一測流板外沿的形狀和尖銳度,因而流出系數(shù)不變。對于標(biāo)準(zhǔn)孔板其周邊受法蘭的強力約束高溫下的膨脹量只有伸向板內(nèi)孔邊緣本應(yīng)是尖銳直角的入口邊緣卻變成了喇叭口,改變了流出系數(shù)從而產(chǎn)生較大誤差由此可見本產(chǎn)品適用于測量高溫流體的流量。
⑥采用標(biāo)準(zhǔn)孔板測量過熱蒸汽、飽和蒸汽的流量停汽時形成的冷凝水會堆積在孔板的兩側(cè)再次通汽時必須把這些冷凝水帶走,否則可能引起水錘現(xiàn)象還會產(chǎn)生測量誤差。若采用不可能產(chǎn)生這些問題。因此,適用于測量水蒸汽的流量。
⑦對高壓流體電力行業(yè)為確保可靠性常采用直接焊接方式,高壓型適合這種場合,工作可靠而且成本比標(biāo)準(zhǔn)孔板低。
⑧對于腐蝕性流體不但要求檢測件材質(zhì)耐腐蝕而且還要求防堵(因為流體中常有雜質(zhì))。若采用標(biāo)準(zhǔn)孔板或圓缺孔板除了容易堵塞取壓口以外耐高壓問題也無法解決(因為通常采用塑料制作法蘭和環(huán)室不耐高壓)。若采用防腐型環(huán)形孔板流量計可在法蘭與測量管內(nèi)壁內(nèi)襯塑料或者搪瓷既耐腐又耐壓,可以測量較高壓力下腐蝕流體的流量。
⑨對于易結(jié)晶、易粘附的流體需要在儀表檢測件附近采取措施以防止溫度的降低而引起的結(jié)晶或粘附。對此可采用夾套型環(huán)形孔板流量計夾套可內(nèi)通蒸汽或采取電伴熱措施。若采用標(biāo)準(zhǔn)孔板則不容易采取這些措施。
　　對于高溫流體如熱風(fēng)為了減少流程管道的熱擴散損失常常在管內(nèi)壁襯耐熱保溫層或在流量計本身內(nèi)襯隔熱材料。如果采用標(biāo)準(zhǔn)孔板則結(jié)構(gòu)設(shè)計難度大、成本較高;如果采用環(huán)形孔板流量計則較容易實現(xiàn)。
3環(huán)形孔板和V形錐流量計的比較
比較環(huán)形孔板和V形錐這兩種流量計的結(jié)構(gòu)兩者具有以下相同點和不同點。
①兩者都屬于“環(huán)形通道”型都具有自清潔功能和流束自動調(diào)整功能,因此都可以使用在現(xiàn)場直管段長度不足、流體中含有雜質(zhì)的場合[1。
②兩者都是基于流體伯努利方程理論,因此流量都與差壓信號的平方根成正比，也就是說流量量程的大小與差壓變送器的量程有關(guān)。如果采用帶數(shù)字通信功能的差壓變送器,都可以達到大于10倍的量程比10。
③兩者都帶一段測量短管可以和現(xiàn)場流程管道用法蘭連接或直接對焊安裝誤差(內(nèi)徑不等造成的凸臺或者偏心、密封墊圈突入管內(nèi))對測量精度的影響小。
④V形錐流量計和環(huán)形孔板流量計在開孔比(B)相同的情況下前者差壓信號小因而壓力損失小、能耗小更適合測大流量液體介質(zhì)或氣體介質(zhì)而后者更適合測小流量氣體介質(zhì)或液體介質(zhì)。
⑤V形錐流量計的檢測元件是錐體,錐角的大小、錐體最大截面處的軸向長度以及下游取壓口的位置等參數(shù)直接影響流量計的流出系數(shù)[3] ,目前各個廠家尚未統(tǒng)一仍按 “逐臺實流標(biāo)定”的原則。有的生產(chǎn)廠家沒有標(biāo)定設(shè)備或者不愿意花標(biāo)定費而采用估算的流出系數(shù)但這樣無法確定實際精度"。
⑥環(huán)形孔板節(jié)流裝置具有標(biāo)準(zhǔn)孔板節(jié)流裝置的結(jié)構(gòu)特征即幾何形狀簡單容易正確復(fù)制、實現(xiàn)幾何相似在流動的最小截面處流體和阻流之間的邊界層尺寸很小因此流體受到的阻力在達到穩(wěn)定的紊流狀態(tài)以后與流體的雷諾數(shù)基本無關(guān)'5]。邊界層與阻流體(標(biāo)準(zhǔn)孔板的板片或環(huán)形孔板的測流板)之間的分離點是固定的因此在很寬的雷諾數(shù)變化區(qū)間內(nèi)的流出系數(shù)是穩(wěn)定的。原理.上環(huán)形孔板與標(biāo)準(zhǔn)孔板都具有很寬的測量范圍這些相似點預(yù)示著環(huán)形孔板有可能和標(biāo)準(zhǔn)孔板那樣被標(biāo)準(zhǔn)化成為又一種“量大面廣”的儀表。但在沒有“標(biāo)準(zhǔn)化”之前采用抽樣標(biāo)定的辦法同樣可以使流量計達到1級精度(如果單臺標(biāo)定,同樣可以達到0.5級)既能滿足大多數(shù)用戶的要求,又能大大降低成本。.
⑦V形錐流量計下游取壓口的位置-般在錐體的尾部這里是雜質(zhì)聚集區(qū)雜質(zhì)很容易進入下游取壓管內(nèi)部。由于下游取壓管較長且有拐角不易清理所以V形錐流量計并不適用于臟污流體。而環(huán)形孔板節(jié)流裝置的取壓口開在管壁上不易堵塞即使堵塞也容易清理。大量實踐證明對1939年初級階段環(huán)形孔板進行實質(zhì)性改進后的環(huán)形孔板能夠在臟污流體中可靠工作。
從上述比較中不難發(fā)現(xiàn)這兩種流量計都屬于節(jié)流裝置各有利弊應(yīng)根據(jù)實際情況合理挑選使用兩者適用的范圍如下。
①V形錐流量計壓力損失較小但是流出系數(shù)較大同樣流量時差壓(即流量信號)較小適用于大流量;環(huán)形孔板流量計正好相反適用于小流量。
②V形錐流量計的檢測件是錐體體積較大,臟污物易粘附在錐體上不易清理而環(huán)形孔板的檢測件是塊薄板臟污物粘附不多且易清理更適合在臟污流體或混相流體(如伴生氣、焦?fàn)t煤氣、油品)中使用“。
當(dāng)前流量儀表的技術(shù)交流平臺對V形錐流量計關(guān)注較多過多地強調(diào)了它的優(yōu)點(如量程比大、精度高等)在不適宜的場合(如臟污流體、黏稠液體)也推薦它這會對V形錐流量計的推廣產(chǎn)生負面影響。相反對環(huán)形孔板流量計的推廣宣傳尚顯不足。
4典型應(yīng)用場合及 其注意事項
環(huán)形孔板流量計的典型應(yīng)用場合及注意事項簡要說明如下。
①在焦?fàn)t煤氣、半水煤氣等臟污介質(zhì)中的應(yīng)用這-類流體介質(zhì)中含有粉塵、焦油、萘、硫化物、水等物質(zhì)使用熱式流量計等插入式儀表常常發(fā)生介質(zhì)沾污檢測元件的情形"。在儀表結(jié)構(gòu)方面環(huán)形孔板流量計采用均壓環(huán)和多個取壓口設(shè)計在均壓環(huán)上與取壓口相對的地方焊接一段與取壓管相同內(nèi)徑的排污管并連接1個球閥清污時打開球閥排污或者在停氣時用捅條疏通，也可以在不停氣時采用頂桿插入均壓環(huán)清理取壓管。
②在油田伴生氣等混相流體中的應(yīng)用伴生氣常常含有- -些油品在管道底部流動以體積論其大小，可以忽略不計。如果采用標(biāo)準(zhǔn)孔板它會堆積在孔板的上游側(cè).且越積越多最終占據(jù)板片下部.形成月牙形“堰塞湖”從而導(dǎo)致孔板上游側(cè)管道的有效流通面積減少大大降低測量精度。如果采用環(huán)形孔板流量計環(huán)隙流通面使油品隨時流走、不會堆積,不影響測量精度。因此環(huán)形孔板流量計非常適合油田伴生氣的流量測量。
③在過熱蒸汽、飽和蒸汽等介質(zhì)中的應(yīng)用這一類流體介質(zhì)常常會出現(xiàn)停汽現(xiàn)象,由于熱量散失,一部分蒸汽變成冷凝水。當(dāng)使用標(biāo)準(zhǔn)孔板時由于板片邊緣的阻擋(有的孔板.上開有疏液孔,但由于孔太小、幾乎不起作用)冷凝水積存在管道的底部,在恢復(fù)通汽時被蒸汽夾帶著流過孔板引起兩相流而導(dǎo)致不能準(zhǔn)確計量甚至有可能發(fā)生水錘現(xiàn)象損壞管件。若使用環(huán)形孔板冷凝水隨時可以從環(huán)形孔板的邊沿流走不會堆積在孔板附近因此也就不會產(chǎn)生計量誤差。
環(huán)形孔板流量計在各類企業(yè)的蒸汽管路，上都有應(yīng)用均滿足用戶需求。需要注意的是環(huán)形孔板應(yīng)安裝在垂直管道上以保證流體是從下往.上流動差壓變送器在現(xiàn)場調(diào)零時要考慮環(huán)形孔板兩個取壓口之間的距離產(chǎn)生的零點偏移。
④在天然氣輸送管路中的應(yīng)用這一類介質(zhì)的壓力較高流量范圍較寬。采用配備的HART協(xié)議智能差壓變送器流量量程可以達到10: 1能夠滿足需要。
⑤在冷卻循環(huán)水等臟污液體介質(zhì)中的應(yīng)用工業(yè)過程中往往要用循環(huán)水進行冷卻冷卻水一般都比較臟且可能含有鐵銹電磁流量計易受鐵磁性物質(zhì)的影響讀數(shù)不夠穩(wěn)定。
　　若使用文丘里管儀表的體積太大安裝困難(循環(huán)水管道一般鋪設(shè)在地下儀表安裝在地溝里儀表體積過大會給施工和維修帶來不便)。
　　若使用就不會產(chǎn)生此類問題,目前已有數(shù)百臺環(huán)形孔板流量計在此介質(zhì)中獲得了成功應(yīng)用。
⑥在高爐熱風(fēng)流量測量中的應(yīng)用煉鐵高爐要送熱風(fēng)熱風(fēng)爐離高爐一般比較近,且彎頭較多。過去使用標(biāo)準(zhǔn)孔板,因直管段不夠長而產(chǎn)生較大誤差。因為有均壓環(huán)和多個取壓口故.使用2D長的前直管段即可。已經(jīng)在百余座熱.風(fēng)爐上安裝使用運行情況良好。
5結(jié)束語
　　環(huán)形孔板流量計的測量原理及其特點在結(jié)構(gòu)及性能方面與標(biāo)準(zhǔn)孔板和V形錐流量計做了比較并結(jié)合近些年來在現(xiàn)場的應(yīng)用情況介紹了該產(chǎn)品在典型環(huán)境中的應(yīng)用。環(huán)形孔板在外形結(jié)構(gòu)和取壓口設(shè)置上均做了大量的技術(shù)改進并在流體實驗室做了大量的試驗。試驗證實了該結(jié)構(gòu)具有壓損小、差壓信號強、測量精度高、耐臟污等特點特別適合大口徑、臟污流體的流量計量。

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