摘　要:針對(duì)常規的差壓型(xing)流量計在大口(kou)徑管道氣體流(liú)量測量中受安(an)裝位置等因素(su)的限制,介紹了(le)錐形流量計的(de)特點、功能及其(qi)工作原理,比較(jiào)了孔✉️闆流量📧計(jì)與錐形流量計(jì)的優缺點,指出(chu)錐形流量💰計具(jù)有壓損低、精度(du)高等特點,實踐(jiàn)證明錐形流量(liang)計 在工藝風計(jì)量方面的穩定(dìng)性、可靠性和準(zhǔn)确性。
　　在現代的(de)化工和石油化(hua)工裝置中,時常(cháng)會遇到一些大(dà)口徑管道,其中(zhōng)介質大多爲氣(qi)體,例如氮氣、工(gong)藝風🌐、煙道氣、焦(jiāo)爐煤氣等⭐介質(zhi)。如何準确測量(liang)這些🔞管道中氣(qì)體流量,有時是(shì)很重要的,例如(rú)在硫酸生産裝(zhuang)置中,工藝風流(liu)量是一個非常(cháng)重要的工藝參(can)數。一方面工藝(yì)風量大小和分(fen)配直接關系到(dào)沸騰爐内硫是(shì)否能充分燃燒(shao),避免爐内升華(hua)硫的産生,防止(zhǐ)爐膛燒結;另一(yi)方面還關系到(dao)整個裝置的操(cāo)✍️作狀況和平穩(wen)運行,以及經濟(ji)指标的核算、标(biāo)定。因此,主風量(liàng)測量儀表應😍具(ju)備高可靠性和(he)較高測量精度(du)。
　　測量大口徑管(guan)道的氣體流量(liang)通常爲 孔闆流(liú)量計 、文丘裏管(guan)以及 阿牛巴流(liú)量計 等差壓節(jiē)流元件,但是,節(jiē)流裝置在某些(xiē)場合卻難以采(cai)用。在某硫酸裝(zhuāng)置設計中,工藝(yi)風流量測量遇(yù)到難題,若采用(yong)🤞常規流量儀表(biǎo)孔闆、文丘裏管(guan)或阿牛巴,則安(an)裝位置受到✍️限(xiàn)制。工藝管道公(gong)稱直徑700mm,其直管(guan)段前後僅有1m。對(dui)❤️于大口徑管道(dao)的流量測量,a方(fāng)案采用孔闆流(liú)量計,其安裝要(yao)求高,一般前10D、後(hòu)5D應爲直管段,滿(man)足不了這麽長(zhang)的要求。b方案采(cǎi)用文丘裏管,其(qi)本身長度近5m,再(zài)加上滿足精度(du)🌏要求的最小安(ān)裝直管段(前5.5D、後(hou)3.5D),共計11.3m,受安裝條(tiao)件限制,風💚機出(chu)口管線根本滿(man)足不了這麽長(zhang)的直管段要求(qiú)。c方案采用阿牛(niu)巴,其安裝要求(qiú)一般爲前5D、後2D,也(yě)滿足不了這麽(me)😄長的直管段要(yào)求。
　　随着測量技(ji)術的不斷發展(zhan),近期推出了先(xiān)進的流量測量(liang)儀表———錐形流量(liang)計。該流量計不(bu)僅很好地解決(jue)了直管段長💘度(du)的🔞要求,而且提(tí)高了測量精度(dù),這是由于錐形(xíng)流💯量計采用獨(dú)特的中心流線(xiàn)型結構設計,巧(qiao)妙地解決了長(zhang)直管段整流的(de)問題。中心懸⁉️挂(guà)的流線型錐體(ti)能重塑💁流速曲(qǔ)線,在緊靠錐體(tǐ)上遊和下遊較(jiào)👄窄的區域内(前(qian)0～3D、後0～1D),将流速不規(gui)則的流體直接(jiē)整流成理想流(liu)體🍉,獲得很高的(de)測量精度和重(zhong)複性,不需要直(zhi)管☎️段整流。因此(cǐ)在該管💞線的氣(qì)體流量測量🍓中(zhong),設計采用🐆了錐(zhuī)形流量計及差(cha)壓變送器進行(hang)測量。本文将結(jie)合生産實際,着(zhe)重✏️比較孔闆流(liu)量計與錐形流(liu)量計測💃🏻量儀表(biao)的各自優缺點(diǎn),供大家參考。
1　孔(kong)闆流量計的特(te)點及功能
　　孔闆(pǎn)流量計是一種(zhǒng)差壓型的流量(liàng)儀表,也是使用(yòng)曆史悠久、應用(yòng)廣泛的一種。它(tā)是基于流體流(liú)動的節流原理(lǐ),利用流體流經(jing)節流元件時産(chan)生的壓力差與(yu)其流量有關而(ér)實現測量的。
　　充(chong)滿管道的流體(ti),當它流經管道(dào)内的節流元件(jiàn)孔闆時,流👉束将(jiāng)在節流元件處(chu)形成局部收縮(suō)(見圖1)。此💁時流速(sù)增大、靜壓降低(dī),在節流元件前(qian)後産生差壓,流(liu)量愈💃大,差壓愈(yù)大,因而可根據(ju)差壓來衡量流(liú)量的大小。這🌈種(zhǒng)測量方法是以(yǐ)連🏃續性方程和(he)伯努利方程爲(wèi)基礎。
　　孔闆流量(liang)計由節流元件(jiàn)、差壓變送器和(hé)流量顯示儀👨‍❤️‍👨表(biǎo)組🍉成。儀表無可(kě)動部件,工作可(ke)靠,價格低,量程(cheng)比約爲3∶1。應用範(fàn)圍廣泛,适用于(yú)單相流體,包括(kuo)液體、蒸汽、氣體(ti)皆可測量。檢測(ce)件,特别是标準(zhǔn)型的爲全世界(jiè)通用。但現場安(an)裝條件要💁求較(jiao)高,需較長的直(zhi)管段長度,對大(da)口徑工藝配管(guǎn)一般難以滿足(zú)。對小♈口徑管道(dào)(小于🌐50mm)的流量測(cè)量有困難,壓損(sun)較大,儀表刻度(dù)爲非🥵線性,測量(liang)精度不很高,有(you)時維護工作量(liàng)較大。

2　錐形(xíng)流量計的特點(diǎn)及功能
　　錐形流(liú)量計是一種新(xin)型的高精度差(chà)壓型流量計。它(ta)與孔闆節流相(xiàng)反,通過在密閉(bi)管道中心線懸(xuán)挂一個特制🐇的(de)流線型錐體💃🏻來(lái)進行中央節流(liu),用上遊♊管壁和(he)錐體尾部測量(liàng)的差壓來計算(suàn)流量。其特點:①沒(mei)有直管段安裝(zhuāng)要求,可以解決(jué)其他流🌍量計安(an)裝🐅時要求直管(guan)🏃‍♀️段長度較長⁉️給(gei)現場配管帶來(lái)的困難🌂,尤其适(shi)用于大口徑管(guan)道單相流體的(de)計量;②低壓損🏒、高(gao)精度(≤0.5%),适用于需(xū)🏃‍♀️要控制全廠能(neng)耗的公用工程(cheng)流🙇🏻體流量的計(jì)量;③獨有㊙️的雙法(fǎ)蘭取壓+密🍉封截(jie)流錐體結構設(she)計,适用于測量(liàng)高黏度❤️(如油漿(jiang)、原油、回煉油、渣(zha)油)、粉塵介質的(de)流量;④耐⚽髒污,不(bu)易堵,長期穩定(ding)性🙇‍♀️好。
2.1　工作原理(lǐ)
　　錐形流量計也(yě)是一種差壓型(xíng)的流量儀表。 差(cha)壓型流量計 是(shi)基于密封管道(dào)中的能量轉換(huàn)原理,也就是說(shuo)對于穩定流👌體(tǐ),管道中流體的(de)流速與差壓的(de)平方根成正比(bi)。當流體接近錐(zhuī)體時,其壓力爲(wèi)p1,在通過錐體🐆的(de)節流區時,速度(du)會增加,壓力會(huì)降低至p2。如圖2所(suo)示,p1和p2都通過錐(zhui)形流量計的取(qǔ)壓口引到後接(jiē)的 差壓變送器(qi) 上。流速發生變(bian)化時,錐形流量(liang)計的兩個取壓(ya)口之間的差壓(yā)值會增大或縮(suō)小。當流速相同(tóng)時,若節流面積(ji)大,則産生的差(cha)壓值也大。
錐形(xíng)流量計也遵循(xún)機械能能量守(shou)恒定律:


因管(guan)道内的流量相(xiàng)等,則:

式中:p1———截面(mian)S1—S1處流體壓力,kPa;
p2———截(jié)面S2—S2處流體壓力(lì),kPa;
ρ———介質密度,kg/m3;
v1———截面(mian)S1—S1處流體流速,m/s;
v2———截(jie)面S2—S2處流體流速(su),m/s;
g———重力加速度,m/s2;
A1———截(jie)面S1—S1處流通面積(jī),m2;
A2———截面S2—S2處流通面(miàn)積,m2;
K———儀表系數,1;
β———節(jie)流系數,1;
Q———管道中(zhong)流體流量,m3/h;
D———管道(dào)内徑,m;
d———錐形流量(liang)計錐體的最大(da)外徑,m。
由式(7)可見(jiàn),管道中流體流(liú)量與差壓的平(ping)方根成正比。
2.2　系(xì)統組成
　　錐形流(liu)量計與傳統的(de)差壓型流量計(ji)一樣,由節流元(yuan)件、引👄壓管、差壓(yā)變送器、流量計(ji)算機組成。流體(ti)爲幹燥📱氣體✔️時(shi),若水平安裝在(zài)管道上,取壓孔(kong)方向應垂直向(xiàng)上;在垂直管道(dao)上,應将高、低壓(yā)引壓管向上走(zou)平行後接入變(bian)送器。
2.3　性能特性(xing)
1、重塑流速曲線(xiàn)
　　重塑流速曲線(xian)是錐形流量計(jì)的最大特點。節(jiē)流錐體懸挂在(zài)💛管線中心迫使(shi)管道中心的流(liu)體繞着錐體流(liú)動,從而改變了(le)管道✨中的流速(su)曲線。如果流體(ti)在理想的管道(dào)中沒有任何阻(zu)礙和幹擾,那它(tā)的流速分布将(jiāng)很均勻。靠近管(guan)壁的流速幾乎(hū)爲零,而管💜道中(zhōng)心的流速将達(da)到最大,見圖3。當(dāng)将錐體懸挂在(zai)管線中心時,錐(zhui)☀️體将直接同流(liu)體的高速區接(jie)觸,迫💁使高速區(qu)的流體同近管(guǎn)🌂壁低速區的流(liú)體相混合,從而(ér)使流速均勻化(hua),這樣測出的流(liú)體流⭐速更加準(zhun)确。

　　在現實(shí)工況中,流速很(hěn)難分布均勻,很(hěn)多情況都會📧造(zao)成流🆚體✔️分布的(de)不均勻。管道上(shàng)的任何變化都(dōu)可能對流體造(zao)成影響:如彎頭(tóu)、閥門等,見圖4。而(ér)錐形流量計利(lì)用錐體對流速(sù)分布曲🐇線進行(hang)😘重新塑造,使得(dé)錐體“整流”後的(de)流體分布均勻(yún),從而保證較高(gāo)的測量精度。

2、長期性能穩(wěn)定
　　錐體的外形(xíng)設計應保證流(liu)體在流經錐體(tǐ)時是一種❗漸變(bian)的過程,無突變(bian)。流體經過錐體(ti)後到達錐體邊(biān)緣,因此錐體邊(biān)緣不會經常性(xìng)地受到不潔流(liu)體🙇‍♀️的磨損,β值可(ke)保🔴持不變,儀表(biǎo)可長期使用而(ér)勿需重新标定(dìng)。錐形流量計所(suǒ)産生的信号有(yǒu)較高的穩定性(xing)(見圖5)。它産生的(de)是低幅、高頻波(bō)動信号,而孔闆(pǎn)流⚽量計産生的(de)🤞是高幅、低頻信(xìn)号。

3、永久壓(yā)力損失恒定
　　由(yóu)于沒有銳利的(de)緣口,錐形流量(liang)計引起的永久(jiǔ)性壓力損📱失♈恒(héng)定且比孔闆的(de)小,接近文丘裏(lǐ)管。同時,極其🌏穩(wen)定的信号使得(de)差壓的量程下(xia)限遠比一般差(cha)壓流量計的💰低(dī),因此量程得以(yi)向下限擴展,量(liang)程比可達到15∶1,可(ke)測量最高雷諾(nuo)數爲5×106,最低雷諾(nuò)數爲1000仍❓可保持(chi)信号的線性。如(rú)果采用曲線修(xiū)正,在更低的雷(léi)諾數條件下🤩仍(reng)然可測量,并可(ke)保證較好的重(zhong)複性。
4、無滞留死(si)區
　　錐體的這種(zhong)“吹掃式”設計不(bú)存在死區,因此(ci)在錐體上不會(huì)堆積㊙️流體的碎(suì)片、黏渣或雜質(zhì)。
3　錐形流量計與(yǔ)孔闆流量計性(xing)能比較
　　通過對(duì)孔闆流量計及(jí)錐形流量計的(de)工作原理和結(jié)構特點的對比(bi),不難看出他們(men)的具體差别如(ru)下。
1、精度
　　錐形流(liu)量計的測量精(jīng)度高(讀數±0.5%),孔闆(pǎn)的測量精度低(di)🍉(讀數±1.5%)。
2、重複性
　　由(yóu)于錐體對流速(su)的整形,使流速(sù)達到理想狀态(tài),幹擾源少,因此(cǐ)錐形流量計測(ce)量數據的重複(fu)性好(優于±0.1%)。孔闆(pan)隻✌️能依靠直管(guan)段對流體整形(xíng),直管段整形隻(zhi)能達到較爲接(jie)近的流體完全(quán)理想狀态,并且(qiě)孔闆本身的節(jie)流又破壞流體(tǐ)理想狀态,因此(ci)幹擾源多,重複(fu)性差。
3、安裝要求(qiu)
　　錐形流量計安(an)裝要求低(前0～3D、後(hou)0～1D),無論是泵、壓縮(suo)機、閥門或者彎(wān)管(一個單彎管(guǎn)或兩個不在一(yī)個平面上的雙(shuang)彎管),對測㊙️量精(jīng)😘度都沒有影響(xiǎng)。孔闆流量計安(an)裝要求高(一般(bān)前10D、後5D),複雜工況(kuàng)還要加大到前(qián)20D、後5D。
4、長期穩定性(xìng)
　　錐形流量計長(zhǎng)期穩定性好。流(liu)體流經圓錐體(tǐ)無突然波動,而(ér)是🙇‍♀️沿着錐形體(ti)形成一個邊界(jiè)層,并引導流體(tǐ)離開錐體🈚的後(hòu)🔞角。所以錐體夾(jiá)角不受不清潔(jie)✍️流體的磨損,β值(zhi)可長期不變,并(bing)保證長期精确(que)測量。孔闆流量(liàng)🔴計長期穩定性(xing)差。由于流體流(liu)🔴經孔闆銳㊙️利緣(yuan)口,截流産生高(gao)速摩擦,引起孔(kǒng)闆口磨損,髒污(wu)改變孔闆口👨‍❤️‍👨大(dà)小,使β值發生變(biàn)化,不能保持長(zhǎng)期精确測量。
5、信(xìn)号穩定性
　　錐形(xing)流量計信号穩(wěn)定,“信号波動”僅(jǐn)是孔闆的1/10。流體(tǐ)流經錐體形成(chéng)非常短的渦流(liu),這些渦流使錐(zhuī)形流量計🥵産生(shēng)高頻低幅信号(hao),并且信号在錐(zhui)體尾部流向中(zhōng)央,相互抵🐅消,因(yīn)此幹擾小。
孔闆(pǎn)流量計信号不(bu)穩定,流體流經(jing)孔闆後産生的(de)🐕渦流較長,這些(xiē)長渦流使孔闆(pǎn)産生低頻高幅(fú)的信号,信号幹(gan)擾大,會嚴重幹(gàn)擾差壓變送器(qì)讀數的準确性(xing)。
6、壓損和量程
　　錐(zhuī)形流量計壓損(sǔn)低、量程寬,量程(chéng)比通常爲15∶1～50∶1。錐體(ti)的流線型設🔱計(jì)使壓損大大減(jian)小,最小可至0.06kPa,在(zai)所有的差壓型(xing)流量計中,隻有(you)錐形流量計的(de)壓損與文丘裏(li)接近。由于沒有(yǒu)銳利的緣口,錐(zhuī)形流量計引起(qi)的永久性壓✏️力(li)損失恒定且比(bǐ)孔✏️闆小。同時🐆,極(ji)其穩定的信号(hào)使得差壓的量(liàng)程下限遠比一(yī)般差壓型流量(liang)計的低,因🍓此量(liang)程得以向下限(xiàn)擴展,雷諾數低(dī)至🈲8000仍可保持😘信(xìn)号線性。如果采(cǎi)用曲線修正,在(zai)更低的雷諾數(shù)下仍然可測量(liang)并可得到較好(hǎo)的重複性。
孔闆(pǎn)流量計壓損大(da)、量程小,量程比(bǐ)通常爲3∶1～5∶1。由于是(shi)平面阻擋,加上(shàng)銳利的緣口,因(yīn)此壓損大,小信(xìn)号波動大、幹擾(rǎo)大,小量程無法(fǎ)測量。
7、β值範圍和(hé)差壓
　　錐形流量(liang)計獨特的幾何(hé)形狀使其有很(hěn)寬的β值範圍。标(biao)準的β值爲0.450、0.550、0.650、0.750和0.850,也(ye)可按用戶要求(qiu)特定β值,以保證(zhèng)☂️用戶特定的差(chà)壓輸出。并且有(yǒu)較大的差壓信(xìn)号,滿标尺差壓(ya)信号從0.1kPa到幾十(shi)kPa,保證測量的準(zhun)确性。
8、髒污的影(yǐng)響和維護
　　錐形(xing)流量計無停滞(zhì)區,長期免維護(hu)。錐形流線型徹(che)底吹💞掃式設計(jì)避免了流體中(zhong)的殘渣、凝結物(wù)或顆粒的滞留(liu),可以保持錐體(ti)長期清潔。由于(yu)錐體對流體整(zhěng)形,加速了管壁(bì)流體的流速,因(yin)此減少了正取(qu)壓口的髒污停(ting)留;倒角的設計(jì)使流體流經錐(zhuī)體後🥵加速離去(qu),故負取壓孔不(bu)會污損。所以👌在(zài)較長的時✉️間内(nei)(2～3年)無須維護清(qīng)洗,可以保證精(jīng)确測量。
孔闆流(liú)量計由于是平(ping)面阻擋,髒污容(róng)易堆積,一般3個(gè)月須清🔅洗一次(ci),才能保證較好(hǎo)的精度。
9、氣液兩(liang)相介質(濕氣)
　　對(dui)濕氣(氣體中含(hán)有水分)的流體(ti)測量始終是流(liu)量測量🌂中的一(yi)💋個難點。錐形流(liú)量計采用獨特(te)的錐體設計,使(shǐ)氣體中所含有(you)的大部分水分(fèn),沿錐體從管道(dào)中央😄溫度較高(gāo)的地方向周🔱圍(wéi)溫度較低的地(di)方快速移動,産(chǎn)生的凝露沿錐(zhuī)體向管道底部(bu)下滴。由于錐體(ti)對流體整形,加(jia)速⭐了管壁流體(tǐ)的流速,水分💜也(yě)快速通過🏒,不會(hui)在取壓口産生(shēng)大量凝露。所以(yǐ)氣體含有少量(liang)水分對錐形流(liú)量計取壓口産(chǎn)生的幹擾信号(hao)少,提高了測量(liàng)準确性。通常要(yào)求氣體中含水(shuǐ)量不超過5%爲好(hǎo),最大不超過10%。
　　孔(kong)闆對流體産生(shēng)阻擋,在孔闆中(zhōng)央産生滴露,同(tong)時管壁流體受(shou)到阻擋,流速減(jian)慢,正取壓口附(fu)近産生的凝露(lu)會影響取壓信(xìn)号;流體流經孔(kǒng)闆後,産生的渦(wo)流向管壁作波(bo)動性發散,會影(ying)響負取壓口取(qu)壓信号。因此,濕(shī)氣對孔闆的測(cè)量精度會産🏒生(sheng)較大的🍓負面影(yǐng)響,從而影響測(cè)量精度。因此,孔(kǒng)👉闆及其他方式(shì)測量濕氣往往(wǎng)難以達到預期(qī)的效果。
10、錐形流(liú)量計安裝調試(shi)注意事項
　　每台(tai)錐形流量計上(shang)均有箭頭指示(shi)流體流過設備(bèi)的方向,高壓🔞孔(kǒng)位于上遊,低壓(yā)孔位于下遊,在(zai)安裝差壓變送(sòng)器前需确認高(gao)💛壓孔的具體位(wei)置。
4　孔闆與錐形(xing)流量計的壓損(sǔn)和精度
已知條(tiao)件:
被測流體　　　　　　　工(gōng)藝風
流量(标準(zhun)狀況)??????? Q20max=5750m3/h,
Q20com=4950m3/h,
Q20min=2500m3/h
工作壓力(li)　　　　　　　p1=3MPa
工作溫度　　　　　　　t1=40℃
相對(dui)濕度　　　　　　　φ=0
管道内徑(jìng)　　　　　　　D20=300mm
管道材質　　　　　　　15碳鋼(gāng),無縫管
有關孔(kǒng)闆流量計與錐(zhuī)形流量計的壓(yā)損及精度的📱計(ji)⭐算過程,在此簡(jiǎn)略,現将計算結(jie)果列于表1。

從表(biǎo)1可看出:孔闆流(liu)量計的壓損要(yào)遠大于錐形流(liú)量計,而精度也(yě)不及錐形流量(liàng)計的高。
5　結束語(yǔ)
　　該錐形流量計(ji)自開車以來,一(yī)直運行較好,不(bu)僅解決了設計(jì)⭕過程中遇到直(zhi)管段短,普通流(liú)量儀表難⭕以檢(jiǎn)測的問題,同時(shi)🆚也提高了測量(liang)精度,由原來的(de)1.25%提高到0.5%,壓損由(you)9.37kPa降到1.28kPa,滿🔱足了生(shēng)産要求.但錐形(xíng)流量計價格比(bi)孔闆流量♊計要(yao)高,建議在重要(yào)場所或不能有(yǒu)壓損的地方使(shǐ)用。

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