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摘　要：旋進(jìn)流量計(jì)是速度流量計(jì)的一種，基于漩渦進(jìn)動(dòng)原理。結(jié)合工程設(shè)計(jì)，針對(duì)幾種氣體和液體的流量計(jì)選型進(jìn)行分析，分別研究了同一流量工況下不同流量計(jì)的適用性和優(yōu)缺點(diǎn)，并得出下列結(jié)論：旋進(jìn)流量計(jì)能夠滿足大部分所列出的流量工況，而且精度較高、量程范圍較大、安裝維護(hù)方便，但不適合低流速工況。
　　在石化裝置的工藝生產(chǎn)過(guò)程中，流量是一個(gè)非常重要的過(guò)程參數(shù)和監(jiān)控對(duì)象，流量的測(cè)量顯得尤為重要。隨著流量檢測(cè)技術(shù)的不斷發(fā)展，可供選擇的流量計(jì)很多。如何針對(duì)不同工況要求，選擇合適的流量計(jì)來(lái)滿足用戶對(duì)精度、維護(hù)量、可靠性、經(jīng)濟(jì)性等要求。
　　早期的旋進(jìn)流量計(jì)在1967年由德國(guó)FISCHERPORTER公司發(fā)明。經(jīng)過(guò)幾十年的技術(shù)發(fā)展，此種類(lèi)流量計(jì)已經(jīng)從簡(jiǎn)單的、僅能測(cè)量氣體流量的單一功能，發(fā)展到可以應(yīng)用于氣體、蒸汽和液體介質(zhì)的流量測(cè)量，并且可以帶溫度、壓力自動(dòng)補(bǔ)償，還可以進(jìn)行流量累計(jì)計(jì)量[1]的多種功能。所輸出的信號(hào)可以為支持HART協(xié)議的通訊信號(hào)、支持RS485通訊協(xié)議信號(hào)等。旋進(jìn)流量計(jì)具有精度高、可靠性好、壓力損失較小、對(duì)直管段要求短、安裝維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)，可以適用于較為廣泛的流量檢測(cè)場(chǎng)合。
1結(jié)構(gòu)及工作原理
1.1流量計(jì)的結(jié)構(gòu)
　　旋進(jìn)流量計(jì)本體由漩渦發(fā)生體（起旋器）、殼體、壓電傳感器和整流器組成，如圖1所示。
旋進(jìn)流量計(jì)剖面結(jié)構(gòu)如圖2所示。

漩渦發(fā)生體（起旋器）：螺旋狀葉片安裝在入口，用于產(chǎn)生漩渦流。
殼體：形狀類(lèi)似于文丘里管，用于產(chǎn)生二次漩渦。壓電傳感器：用于檢測(cè)漩渦的振動(dòng)頻率。振動(dòng)頻率與流速成正比。
整流器：安裝在流量計(jì)出口，用于消除漩渦流，減少對(duì)下游的影響。

1.2工作原理[1-3]
　　旋進(jìn)流量計(jì)是速度流量計(jì)的一種，基于漩渦進(jìn)動(dòng)現(xiàn)象進(jìn)行計(jì)量。流體進(jìn)入漩渦發(fā)生體后產(chǎn)生劇烈的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)形成漩渦流。漩渦流加速，沿流動(dòng)方向經(jīng)縮徑段，流動(dòng)強(qiáng)度增強(qiáng)。當(dāng)漩渦流進(jìn)入擴(kuò)散段后，在導(dǎo)流體回流的作用下，該漩渦產(chǎn)生二次旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，即漩渦進(jìn)動(dòng)。二次漩渦進(jìn)動(dòng)的頻率與流體的流速成正比。因此漩渦的頻率可以反映此流體的流速和流量大小。如果測(cè)量設(shè)備內(nèi)部采用最佳的設(shè)計(jì)，漩渦的頻率將在較寬的流量范圍內(nèi)呈線性。壓電傳感器測(cè)到此頻率后，將信號(hào)傳輸?shù)搅髁坑?jì)傳感器進(jìn)行下游處理。
漩渦進(jìn)動(dòng)頻率與介質(zhì)流速成正比，與截流體幾何尺寸成反比。

式中
f——漩渦進(jìn)動(dòng)頻率；
St——斯特羅哈爾常數(shù)（通過(guò)實(shí)驗(yàn)得到的無(wú)因次數(shù)）；
v——流速；
d——截流體因數(shù)（由截流體幾何尺寸決定）。
以上公式可得出，測(cè)量出漩渦進(jìn)動(dòng)頻率可測(cè)得流體流速和瞬時(shí)流量。
圖3表示出斯特羅哈爾常數(shù)與雷諾Re的關(guān)系。曲線的線性區(qū)域?qū)��?yīng)的為旋進(jìn)流量計(jì)的測(cè)量范圍。

雷諾數(shù)（Re）的計(jì)算：
Re=?ρ?/(2827×V×D)
式中
ρ——工作密度，kg/m3；
V——運(yùn)動(dòng)黏度，m2/s；
D——管徑，m。
2工程設(shè)計(jì)中的選型考慮
　　工程設(shè)計(jì)中主要根據(jù)流量工況，按工藝要求（精度、測(cè)量范圍、壓力損失等），從適用性、可靠性、安裝方便、經(jīng)濟(jì)性等方面考慮進(jìn)行流量計(jì)的選型。本文列舉的旋進(jìn)流量計(jì)為某進(jìn)口品牌產(chǎn)品，并有多種場(chǎng)合的應(yīng)用。
2.1適用性方面的考慮
（1）流體介質(zhì)旋進(jìn)流量計(jì)適用于氣體、蒸汽和液體介質(zhì)。
（2）精度旋進(jìn)流量計(jì)在最小雷諾數(shù)Remin和最大流量Qmax之間的線性范圍測(cè)量精度為≤±0.5%。
（3）流速旋進(jìn)流量計(jì)在測(cè)量介質(zhì)時(shí)，要考慮流速不能過(guò)低（具體以廠家計(jì)算為準(zhǔn)）。
（4）流量計(jì)口徑市場(chǎng)上常見(jiàn)旋進(jìn)流量計(jì)最大尺寸為DN400，最小為DN15。流量計(jì)口徑的選擇基于最大工作流量Qmax。建議最大工作流量應(yīng)大于該口徑允許量程一半時(shí)的流量�？梢赃x擇縮徑，但最大工作流量不要低于該口徑允許最大量程時(shí)流量的15%。
（5）材料的選擇
a.測(cè)量管材料通常為不銹鋼316/316L，HastelloyC。
b.內(nèi)襯材料根據(jù)介質(zhì)的腐蝕性、溫度等要求來(lái)選擇具體材料。
PTFE（-55~260℃）
石墨（-55~280℃）
Kalrez（-20~275℃）
2.2安裝和應(yīng)用
（1）被測(cè)介質(zhì)的流動(dòng)方向需要與流量計(jì)上的指示方向一致。
（2）避免管路的機(jī)械振動(dòng)（如有必要，安裝支架）。
（3）選擇符合環(huán)境條件的流量計(jì)。流量計(jì)周?chē)�不能有�?qiáng)烈磁場(chǎng)干擾。
（4）輸送設(shè)備的振動(dòng)頻率不得在流量計(jì)的測(cè)量頻率范圍以內(nèi)�？梢允褂眠m當(dāng)?shù)淖枘嵫b置減弱活塞泵或壓縮機(jī)輸送過(guò)程中的交替（脈動(dòng)）流量。
（5）閥門(mén)通常布置在流量計(jì)的下游。如果通過(guò)活塞泵或壓縮機(jī)輸送測(cè)量介質(zhì)（液體）壓力10bar[145psi]，當(dāng)閥門(mén)閉合時(shí)，可能會(huì)產(chǎn)生液壓振動(dòng)，這時(shí)閥門(mén)必須安裝在流量計(jì)上游，并且可能需要安裝合適的阻尼裝置（例如：空氣罐）。
（6）流量計(jì)在測(cè)量液體時(shí)要避免氣穴現(xiàn)象的產(chǎn)生。
（7）測(cè)量高溫介質(zhì)時(shí)
流量計(jì)在測(cè)量>150℃的高溫介質(zhì)時(shí)，傳感器的安裝必須是變送器朝向一側(cè)或朝下，或者采用分體式安裝。
（8）流量計(jì)傳感器帶保溫層時(shí)，考慮保溫層厚度，具體咨詢廠家。
2.3直管段要求
　　流量計(jì)安裝直管段要求滿足與否，直接影響流量測(cè)量的穩(wěn)定性和精度。旋進(jìn)流量計(jì)進(jìn)出口直管段要求見(jiàn)表1。從表1可知，其直管段要求并不高，這一優(yōu)勢(shì)在舊裝置擴(kuò)容改造的應(yīng)用中尤為突出。

2.4多探頭的選擇
　　基于旋進(jìn)流量計(jì)的漩渦特點(diǎn)，并在其本體尺寸允許的條件下，旋進(jìn)流量計(jì)可以采用多探頭的測(cè)量方式。這種選擇為用戶實(shí)現(xiàn)三取二流量聯(lián)鎖提供了經(jīng)濟(jì)可行的實(shí)施方案。
3應(yīng)用分析
　　適用于氣體、蒸汽和液體介質(zhì)測(cè)量的流量計(jì)有多種可選，在此選擇精度較好的4種流量計(jì)與旋進(jìn)流量計(jì)做對(duì)比，主要針對(duì)測(cè)量范圍、精度和壓損是否符合工藝條件進(jìn)行對(duì)比分析。所選流量計(jì)如下，均為在國(guó)內(nèi)外石化裝置上有多年應(yīng)用的國(guó)外產(chǎn)品。
旋進(jìn)流量計(jì)（精度為液體±0.5%，氣體±5%）
（精度為液體±0.75%，氣體±0.9%）
渦街流量計(jì)科里奧利質(zhì)量流量計(jì)（精度為液體±0.075%~0.1%，氣體±0.5%）
熱式質(zhì)量流量計(jì)（精度為±0.5%，主要測(cè)氣體介質(zhì)）
電磁流量計(jì)（精度±0.5%，主要測(cè)量導(dǎo)電類(lèi)液體）
　　以上渦街流量計(jì)的精度低于其他流量計(jì)，但是也屬于精度較好且常用的流量計(jì)。并且由于渦街流量計(jì)和旋進(jìn)流量計(jì)的原理類(lèi)似，在下列對(duì)比中渦街流量計(jì)的精度雖然不能達(dá)到本文所列的工藝條件，但可以對(duì)比渦街流量計(jì)和旋進(jìn)流量計(jì)的測(cè)量范圍和壓損。
3.1氣體測(cè)量
（1）當(dāng)測(cè)量介質(zhì)為氫氣，工藝要求精度高時(shí)，不能低于±0.5%。市場(chǎng)上測(cè)量氣體精度較好的流量計(jì)有熱式質(zhì)量流量計(jì)和科里奧利質(zhì)量流量計(jì)（我們選擇測(cè)量氣體精度為±0.5%的產(chǎn)品），這里選擇這2種流量計(jì)與旋進(jìn)流量計(jì)做對(duì)比。表2為工藝條件，表3~表5為3種流量計(jì)的選型后的量程范圍和壓力損失，通過(guò)表6對(duì)比流量計(jì)是否滿足工藝條件。



　　通過(guò)以上對(duì)比，可知旋進(jìn)流量計(jì)在流速大于一定值時(shí)，測(cè)量時(shí)的精度和流量范圍可以與科里奧利質(zhì)量流量計(jì)和熱式質(zhì)量流量計(jì)相媲美。但是在流速很小的情況下，旋進(jìn)流量計(jì)與這兩種流量計(jì)相比則遜色很多。
　　這3種流量計(jì)在價(jià)格方面，科里奧利質(zhì)量流量計(jì)是旋進(jìn)流量計(jì)價(jià)格的3~5倍。熱式質(zhì)量流量計(jì)和科里奧利質(zhì)量流量計(jì)針對(duì)不同工況下的應(yīng)用選型，在價(jià)格方面各有優(yōu)勢(shì)。
（2）測(cè)量介質(zhì)為氣體（除氫氣外）時(shí)，在此選擇旋進(jìn)流量計(jì)（精度為氣體±0.5%）、渦街流量計(jì)（精度為氣體±0.9%）和科里奧利質(zhì)量流量計(jì)（精度為氣體±0.5%）做對(duì)比分析，以下主要對(duì)比3種流量計(jì)的測(cè)量范圍（3種流量計(jì)都為同一品牌產(chǎn)品）。表7為工藝條件，表8~表10為3種流量計(jì)的選型后的量程范圍和壓力損失，通過(guò)表11對(duì)比流量計(jì)是否滿足工藝條件。

　　通過(guò)列表可以看出旋進(jìn)流量計(jì)在測(cè)量氣體時(shí)，保證精度±0.5%的情況下，量程比較大，可以滿足1∶30的量程比。
3.2測(cè)量介質(zhì)為液體
　　測(cè)量液體時(shí)，選擇旋進(jìn)流量計(jì)（精度為液體±0.5%）、渦街流量計(jì)（精度為液體±0.75%）、科里奧利質(zhì)量流量計(jì)（精度為液體±0.1%）和電磁流量計(jì)（精度為液體±0.5%）進(jìn)行對(duì)比分析。表12為工藝條件，表13~表16為3種流量計(jì)的選型后的量程范圍和壓力損失，通過(guò)表17的對(duì)比，可知流量計(jì)是否滿足工藝條件要求。



　　通過(guò)以上比較，可知旋進(jìn)流量計(jì)在測(cè)量液體時(shí)也有很大的優(yōu)勢(shì)，量程比大，精度較高，還可以測(cè)量非導(dǎo)電類(lèi)類(lèi)液體。
在產(chǎn)品的價(jià)格方面，以渦街流量計(jì)的價(jià)格作為標(biāo)準(zhǔn)來(lái)衡量，科里奧利流量計(jì)（精度液體為±0.1%.氣體±0.5%）是渦街的3~5倍左右，旋進(jìn)流量計(jì)是渦街流量計(jì)的1.3~1.7倍左右，電磁流量計(jì)是渦街流量計(jì)的0.8~1倍左右（以上4種流量計(jì)價(jià)格均以同一廠家產(chǎn)品的價(jià)格作為基礎(chǔ)）。
4結(jié)束語(yǔ)
　　旋進(jìn)流量計(jì)精度（±0.5%）較高，可以滿足大多數(shù)應(yīng)用場(chǎng)合的測(cè)量要求；可達(dá)1：30的量程比，滿足寬測(cè)量范圍的應(yīng)用；直管段要求不高，在工藝裝置配管緊湊的場(chǎng)合，應(yīng)用優(yōu)勢(shì)明顯。尤其在可實(shí)現(xiàn)多探頭傳感器應(yīng)用方面，為安全儀表系統(tǒng)流量測(cè)量子系統(tǒng)的可靠性/可用性冗余架構(gòu)設(shè)計(jì)提供了一種便利的實(shí)施方案，具有較為突出的優(yōu)勢(shì)。

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