摘要:以環(huán)形孔板為流量檢測(cè)件的新型儀表一環(huán)形孔板流量計(jì) ,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(jì)與標(biāo)準(zhǔn)孔板流量計(jì)、V形錐流量計(jì)進(jìn)行性能比較介紹了環(huán)形孔板流量計(jì)在典型環(huán)境中的應(yīng)用說(shuō)明了環(huán)形孔板的原理和特點(diǎn)最后從理論和實(shí)踐兩個(gè)方面證明了環(huán)形孔板流量計(jì)良好的測(cè)量性能。
0引言
節(jié)流裝置是利用測(cè)量管內(nèi)流通面積的改變使流動(dòng)的流體產(chǎn)生靜壓力差的一類流量?jī)x表"。盡管流量?jī)x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(duì)美國(guó)1939年-項(xiàng)發(fā)明的創(chuàng)新性改進(jìn).近年來(lái),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(guò)熱蒸汽熱空氣、伴生氣和煙氣等介質(zhì)的流量測(cè)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(shì)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(guò)時(shí)因流通面積的突然減小而加速流體繞過(guò)孔板入口邊緣時(shí)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(cè)流板的外緣和管內(nèi)壁形成的圓環(huán)流體通過(guò)時(shí)因流通面積的突然減小而加速流體繞過(guò)測(cè)流板入口邊緣時(shí)產(chǎn)生的邊界層也是圓柱形與標(biāo)準(zhǔn)孔板對(duì)流體產(chǎn)生阻力的機(jī)理是相近的。因此孔板或測(cè)流板對(duì)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(chǎng)的對(duì)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(dòng)模式強(qiáng)制變成了測(cè)流板附近的“靠近管壁處流速高、中間流速低”的流動(dòng)模式相當(dāng)于流場(chǎng)的二次分配進(jìn)入環(huán)形孔板的.上游流場(chǎng)如果因.上游局部阻力件的干擾產(chǎn)生了畸變(即不再軸對(duì)稱)在二次分配時(shí)就會(huì)因“均化”的趨勢(shì)恢復(fù)成軸對(duì)稱就像沒(méi)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(guò)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(guò)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(duì)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(cè)量管的內(nèi)徑,mm;ΔP為從節(jié)流件上、下游取壓口處測(cè)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(jiàn)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(jī)試驗(yàn)時(shí)必須進(jìn)行流體實(shí)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(diǎn)
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(diǎn)這些特點(diǎn)不但有理論根據(jù)而且已通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)使用效果證明。其主要特點(diǎn)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(hù)儀表”。
②儀表本體是一段直的測(cè)量管內(nèi)壁經(jīng)過(guò)加工,精度高、安裝誤差(偏心、密封墊片伸入管道等)對(duì)儀.表的測(cè)量幾乎沒(méi)有影響;節(jié)流件和測(cè)量管內(nèi)壁都是形狀簡(jiǎn)單的圓形容易達(dá)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(shí)際使用精度比標(biāo)準(zhǔn).孔板高。
③流體進(jìn)入儀表本體后經(jīng)過(guò)測(cè)流板的突然阻擋被強(qiáng)制再分配并均化了流體進(jìn)入時(shí)的畸變通過(guò)環(huán)孔節(jié)流再加_上“均壓環(huán)”取壓裝置使得進(jìn)入差壓變送器的測(cè)量值(差壓)很少受.上游局部阻力的影響。例如在-一個(gè)直角彎頭的下游有3D長(zhǎng)度的前直管即可滿足要求在一個(gè)收縮接頭的下游有0. 5D長(zhǎng)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(cè)量一般流體的流量還可以測(cè)量含雜質(zhì)的流體流量。因?yàn)闄z測(cè)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(dòng)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(cè)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(duì)于環(huán)形孔板流量計(jì)流體中的雜質(zhì)會(huì)隨著主流一-起高速通過(guò)最小流通截面(環(huán)隙)不容易堆積在測(cè)流板附近,取壓口遠(yuǎn)離滯流區(qū)不容易堵塞,且采取了多個(gè)取壓口(冗余設(shè)計(jì))并聯(lián)在均壓環(huán)上只.有全部堵死才會(huì)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(jì)”的均壓環(huán).上與取壓口正對(duì)著的管壁處設(shè)有“堵頭”或排污球閥,可定期旋開(kāi)排污或用捅條疏通雜物。對(duì)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(cè)量焦?fàn)t煤氣等含有黏附物的流體時(shí),可以選帶有“清污窗口”的防堵型流量計(jì)定期打開(kāi)窗口、徹底清理測(cè)流板附近的黏附物。
⑤檢測(cè)件一 “測(cè)流板”的周邊無(wú)約束可以自由熱膨脹在高溫流體中測(cè)流板尺寸的變化可以計(jì)算出來(lái)能保持關(guān)鍵部位一測(cè)流板外沿的形狀和尖銳度,因而流出系數(shù)不變。對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)孔板其周邊受法蘭的強(qiáng)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(jiàn)本產(chǎn)品適用于測(cè)量高溫流體的流量。
⑥采用標(biāo)準(zhǔn)孔板測(cè)量過(guò)熱蒸汽、飽和蒸汽的流量停汽時(shí)形成的冷凝水會(huì)堆積在孔板的兩側(cè)再次通汽時(shí)必須把這些冷凝水帶走,否則可能引起水錘現(xiàn)象還會(huì)產(chǎn)生測(cè)量誤差。若采用不可能產(chǎn)生這些問(wèn)題。因此,適用于測(cè)量水蒸汽的流量。
⑦對(duì)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(chǎng)合,工作可靠而且成本比標(biāo)準(zhǔn)孔板低。
⑧對(duì)于腐蝕性流體不但要求檢測(cè)件材質(zhì)耐腐蝕而且還要求防堵(因?yàn)榱黧w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?jiǎn)栴}也無(wú)法解決(因?yàn)橥ǔ２捎盟芰现谱鞣ㄌm和環(huán)室不耐高壓)。若采用防腐型環(huán)形孔板流量計(jì)可在法蘭與測(cè)量管內(nèi)壁內(nèi)襯塑料或者搪瓷既耐腐又耐壓,可以測(cè)量較高壓力下腐蝕流體的流量。
⑨對(duì)于易結(jié)晶、易粘附的流體需要在儀表檢測(cè)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(duì)此可采用夾套型環(huán)形孔板流量計(jì)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(duì)于高溫流體如熱風(fēng)為了減少流程管道的熱擴(kuò)散損失常常在管內(nèi)壁襯耐熱保溫層或在流量計(jì)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(jì)難度大、成本較高;如果采用環(huán)形孔板流量計(jì)則較容易實(shí)現(xiàn)。
3環(huán)形孔板和V形錐流量計(jì)的比較
比較環(huán)形孔板和V形錐這兩種流量計(jì)的結(jié)構(gòu)兩者具有以下相同點(diǎn)和不同點(diǎn)。
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(dòng)調(diào)整功能,因此都可以使用在現(xiàn)場(chǎng)直管段長(zhǎng)度不足、流體中含有雜質(zhì)的場(chǎng)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(hào)的平方根成正比，也就是說(shuō)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(dá)到大于10倍的量程比10。
③兩者都帶一段測(cè)量短管可以和現(xiàn)場(chǎng)流程管道用法蘭連接或直接對(duì)焊安裝誤差(內(nèi)徑不等造成的凸臺(tái)或者偏心、密封墊圈突入管內(nèi))對(duì)測(cè)量精度的影響小。
④V形錐流量計(jì)和環(huán)形孔板流量計(jì)在開(kāi)孔比(B)相同的情況下前者差壓信號(hào)小因而壓力損失小、能耗小更適合測(cè)大流量液體介質(zhì)或氣體介質(zhì)而后者更適合測(cè)小流量氣體介質(zhì)或液體介質(zhì)。
⑤V形錐流量計(jì)的檢測(cè)元件是錐體,錐角的大小、錐體最大截面處的軸向長(zhǎng)度以及下游取壓口的位置等參數(shù)直接影響流量計(jì)的流出系數(shù)[3] ,目前各個(gè)廠家尚未統(tǒng)一仍按 “逐臺(tái)實(shí)流標(biāo)定”的原則。有的生產(chǎn)廠家沒(méi)有標(biāo)定設(shè)備或者不愿意花標(biāo)定費(fèi)而采用估算的流出系數(shù)但這樣無(wú)法確定實(shí)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(jiǎn)單容易正確復(fù)制、實(shí)現(xiàn)幾何相似在流動(dòng)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(dá)到穩(wěn)定的紊流狀態(tài)以后與流體的雷諾數(shù)基本無(wú)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(cè)流板)之間的分離點(diǎn)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(cè)量范圍這些相似點(diǎn)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(méi)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(jì)達(dá)到1級(jí)精度(如果單臺(tái)標(biāo)定,同樣可以達(dá)到0.5級(jí))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(jì)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(jìn)入下游取壓管內(nèi)部。由于下游取壓管較長(zhǎng)且有拐角不易清理所以V形錐流量計(jì)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(kāi)在管壁上不易堵塞即使堵塞也容易清理。大量實(shí)踐證明對(duì)1939年初級(jí)階段環(huán)形孔板進(jìn)行實(shí)質(zhì)性改進(jìn)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(jì)都屬于節(jié)流裝置各有利弊應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況合理挑選使用兩者適用的范圍如下。
①V形錐流量計(jì)壓力損失較小但是流出系數(shù)較大同樣流量時(shí)差壓(即流量信號(hào))較小適用于大流量;環(huán)形孔板流量計(jì)正好相反適用于小流量。
②V形錐流量計(jì)的檢測(cè)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(cè)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?jī)x表的技術(shù)交流平臺(tái)對(duì)V形錐流量計(jì)關(guān)注較多過(guò)多地強(qiáng)調(diào)了它的優(yōu)點(diǎn)(如量程比大、精度高等)在不適宜的場(chǎng)合(如臟污流體、黏稠液體)也推薦它這會(huì)對(duì)V形錐流量計(jì)的推廣產(chǎn)生負(fù)面影響。相反對(duì)環(huán)形孔板流量計(jì)的推廣宣傳尚顯不足。
4典型應(yīng)用場(chǎng)合及 其注意事項(xiàng)
環(huán)形孔板流量計(jì)的典型應(yīng)用場(chǎng)合及注意事項(xiàng)簡(jiǎn)要說(shuō)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(jì)等插入式儀表常常發(fā)生介質(zhì)沾污檢測(cè)元件的情形"。在儀表結(jié)構(gòu)方面環(huán)形孔板流量計(jì)采用均壓環(huán)和多個(gè)取壓口設(shè)計(jì)在均壓環(huán)上與取壓口相對(duì)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(gè)球閥清污時(shí)打開(kāi)球閥排污或者在停氣時(shí)用捅條疏通，也可以在不停氣時(shí)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(dòng)以體積論其大小，可以忽略不計(jì)。如果采用標(biāo)準(zhǔn)孔板它會(huì)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(cè)量精度。如果采用環(huán)形孔板流量計(jì)環(huán)隙流通面使油品隨時(shí)流走、不會(huì)堆積,不影響測(cè)量精度。因此環(huán)形孔板流量計(jì)非常適合油田伴生氣的流量測(cè)量。
③在過(guò)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(huì)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(shí)由于板片邊緣的阻擋(有的孔板.上開(kāi)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(shí)被蒸汽夾帶著流過(guò)孔板引起兩相流而導(dǎo)致不能準(zhǔn)確計(jì)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(shí)可以從環(huán)形孔板的邊沿流走不會(huì)堆積在孔板附近因此也就不會(huì)產(chǎn)生計(jì)量誤差。
環(huán)形孔板流量計(jì)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(dòng)差壓變送器在現(xiàn)場(chǎng)調(diào)零時(shí)要考慮環(huán)形孔板兩個(gè)取壓口之間的距離產(chǎn)生的零點(diǎn)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(dá)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(guò)程中往往要用循環(huán)水進(jìn)行冷卻冷卻水一般都比較臟且可能含有鐵銹電磁流量計(jì)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(guò)大會(huì)給施工和維修帶來(lái)不便)。
若使用就不會(huì)產(chǎn)生此類問(wèn)題,目前已有數(shù)百臺(tái)環(huán)形孔板流量計(jì)在此介質(zhì)中獲得了成功應(yīng)用。
⑥在高爐熱風(fēng)流量測(cè)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(guò)去使用標(biāo)準(zhǔn)孔板,因直管段不夠長(zhǎng)而產(chǎn)生較大誤差。因?yàn)橛芯鶋涵h(huán)和多個(gè)取壓口故.使用2D長(zhǎng)的前直管段即可。已經(jīng)在百余座熱.風(fēng)爐上安裝使用運(yùn)行情況良好。
5結(jié)束語(yǔ)
環(huán)形孔板流量計(jì)的測(cè)量原理及其特點(diǎn)在結(jié)構(gòu)及性能方面與標(biāo)準(zhǔn)孔板和V形錐流量計(jì)做了比較并結(jié)合近些年來(lái)在現(xiàn)場(chǎng)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(jìn)并在流體實(shí)驗(yàn)室做了大量的試驗(yàn)。試驗(yàn)證實(shí)了該結(jié)構(gòu)具有壓損小、差壓信號(hào)強(qiáng)、測(cè)量精度高、耐臟污等特點(diǎn)特別適合大口徑、臟污流體的流量計(jì)量。
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