摘　要:針對常(cháng)規的差壓型流量(liàng)計在大口徑管道(dào)氣體流量測量中(zhong)受安裝位置等因(yīn)素的限制,介紹了(le)錐形流量計的特(tè)點、功能及其工作(zuo)原理,比較了孔闆(pan)流量計與錐形流(liu)量計的優缺點,指(zhǐ)⛷️出錐形流量計具(ju)有壓損低、精度高(gao)等特點,實踐證明(ming)錐形流量計 在工(gong)藝風計量方面的(de)穩定性、可靠性和(he)準确性。
　　在現代的(de)化工和石油化工(gōng)裝置中,時常會遇(yu)到一🛀些大口徑管(guǎn)道,其中介質大多(duō)爲氣體,例如氮氣(qì)、工藝風、煙道氣、焦(jiao)爐煤氣等介質。如(ru)何準确測量這些(xie)📧管道中氣體流量(liàng),有時是很重👨‍❤️‍👨要的(de),例如在硫酸生産(chan)裝置中,工藝風流(liu)量是一個🌈非常重(zhòng)要的工藝參數。一(yi)方面工藝風量大(dà)小和分配直接關(guān)系到沸騰爐内硫(liú)是否能充分燃燒(shāo),避免爐内升華硫(liu)的産生,防止爐膛(tang)👣燒結;另一方面還(hai)關系到整個裝置(zhì)的操作狀況和平(píng)穩運行,以及經濟(ji)指标的核算、标定(ding)。因此,主風量測量(liàng)儀表應☁️具備高可(kě)靠性和較高🌂測量(liang)精度。
　　測量大口徑(jing)管道的氣體流量(liang)通常爲 孔闆流量(liang)計 、文丘裏管以及(jí) 阿牛巴流量計 等(deng)差壓節流元件,但(dàn)是,節流裝置在某(mou)些場合卻難以⚽采(cǎi)用。在某硫酸裝置(zhi)設計中,工藝風流(liu)量測量遇到難💯題(ti),若采用常規🍓流量(liàng)儀表孔闆、文丘裏(lǐ)管或阿牛巴,則安(ān)裝位置受到限制(zhi)。工🎯藝管道公稱直(zhí)徑700mm,其🚩直管段前後(hòu)僅有1m。對于大口徑(jing)管道的流量測量(liàng),a方案采用孔闆流(liú)量計,其安🌈裝要求(qiu)高,一般前10D、後5D應爲(wèi)✨直管段,滿足不了(le)這麽長的要🐆求。b方(fāng)案采用文丘裏管(guan),其本身😍長度近5m,再(zài)加上滿足精度要(yào)求的最小安裝直(zhí)管段(前5.5D、後3.5D),共計11.3m,受(shòu)安裝條件限制,風(feng)機出口管📐線根本(běn)滿足不了這麽長(zhǎng)的直管段要求。c方(fāng)案采用阿牛巴,其(qi)安裝要求一般爲(wei)前5D、後2D,也滿足不了(le)這麽長的直管段(duàn)要求。
　　随着測量技(jì)術的不斷發展,近(jìn)期推出了先進的(de)流量測量儀表———錐(zhui)形流量計。該流量(liàng)計不僅很好地解(jiě)決了直管😍段長度(dù)的要求💋,而且提高(gao)了測量精度,這是(shi)由于錐形流量計(ji)采✏️用獨特🏃🏻的中心(xīn)流線型結構設計(ji),巧妙地解決了長(zhǎng)直管段整流的問(wèn)💛題。中心懸🚩挂的流(liu)線型🈲錐體能重塑(su)流速曲線,在✉️緊靠(kào)錐體上🚩遊和下遊(you)較窄的區域内(前(qián)0～3D、後0～1D),将流速不規則(zé)🔱的流體直接整流(liu)成理想流體,獲得(de)很高的測量精度(dù)和重複性,不需要(yao)直管❗段整流。因此(ci)在該管線的氣體(ti)流量測量中,設計(jì)采用了錐形流量(liang)計及差壓🌈變送💘器(qì)進行測量。本文将(jiang)結合生産實際,着(zhe)重比較孔闆流量(liang)計與錐形流量計(ji)測量儀表的各自(zì)優缺點,供大家🐕參(can)考。
1　孔闆流量計的(de)特點及功能
　　孔闆(pǎn)流量計是一種差(cha)壓型的流量儀表(biao),也是使用👉曆史悠(yōu)📧久♊、應用廣泛的一(yi)種。它是基于流體(tǐ)流動的節流原理(li),利用流體🚶流經💋節(jie)流元件時産生的(de)壓力差與其流量(liang)有🐆關而實現測量(liàng)的。
　　充滿管道的流(liú)體,當它流經管道(dào)内的節流元件孔(kong)闆時,流束❌将在節(jie)流元件處形成局(jú)部收縮(見圖1)。此時(shi)流😄速增大、靜壓降(jiang)🧑🏾‍🤝‍🧑🏼低,在節流元件前(qian)後産生差壓,流量(liàng)愈大,差壓愈大,因(yin)✍️而可根⭐據差壓來(lái)衡量流量的大小(xiao)。這種測量方法是(shì)以連續性方程和(he)伯努利🈲方程爲基(ji)礎。
　　孔闆流量計由(you)節流元件、差壓變(biàn)送器和流量顯示(shi)儀表組⭐成。儀表無(wu)可動部件,工作可(ke)靠,價格低,量程❌比(bǐ)約爲3∶1。應♻️用範圍廣(guang)泛,适用于單相流(liú)體,包括液體、蒸汽(qi)、氣體皆可🏃測量。檢(jian)❗測件,特♉别是标準(zhun)型的爲全♻️世界通(tong)用。但現場安裝條(tiao)件要求較高,需較(jiào)長的直🌈管段長度(dù),對大口徑工藝配(pei)管一般難以滿足(zu)。對小口徑管道(小(xiǎo)于50mm)的流量測量有(you)困難,壓損較大✂️,儀(yí)表刻度爲非線性(xing),測量精度不很高(gāo),有時維護工作量(liang)較大。

2　錐形流量計(ji)的特點及功能
　　錐(zhuī)形流量計是一種(zhong)新型的高精度差(chà)壓型流量計。它與(yu)😘孔闆節流相反,通(tong)過在密閉管道中(zhōng)心線懸挂一個特(te)制的流線型錐體(tǐ)來進行中央節流(liú),用上遊管壁和錐(zhuī)體尾部測量的差(cha)壓來計算流量。其(qí)特點:①沒有直管段(duan)安裝要求,可以解(jie)決其他流量計安(an)裝時要求直管段(duàn)長度較長給現場(chang)配管帶來的困難(nán),尤其适用于大🤩口(kou)徑管道單相流體(tǐ)的計量;②低壓損、高(gāo)精度(≤0.5%),适用于需要(yào)控制全廠能耗的(de)公用工程流體流(liú)量的計量;③獨有的(de)雙法蘭取壓+密🈚封(fēng)❤️截流錐體🙇‍♀️結構設(shè)計❤️,适用于測量🆚高(gao)黏度(如油漿、原油(yóu)、回煉油、渣油)、粉塵(chen)介質的流量;④耐髒(zang)污,不易堵,長期穩(wen)定性好。
2.1　工作原理(li)
　　錐形流量計也是(shì)一種差壓型的流(liu)量儀表。 差壓型流(liu)量計 是基于密封(feng)管道中的能量轉(zhuan)換原理,也就是說(shuō)對于穩定流體,管(guǎn)道中流體的流速(sù)與差壓的平方根(gēn)成正比。當流體接(jiē)近錐體時,其壓力(li)爲p1,在通過錐體🔅的(de)節流區時,速度會(huì)增🐅加,壓力會降低(dī)至p2。如圖2所示,p1和p2都(dou)通過‼️錐形流量🔴計(ji)的取壓口引到後(hou)接的 差壓變送器(qi) 上。流速發生變化(huà)時,錐形流量計的(de)兩個取壓口之間(jian)的差🤞壓值🍓會增大(da)或縮小。當流速相(xiàng)同時,若節流面積(ji)大,則産生的差壓(yā)值也大。
錐形流量(liang)計也遵循機械能(neng)能量守恒定律:


因管(guan)道内的流量相等(děng),則:

式中:p1———截面S1—S1處流(liu)體壓力,kPa;
p2———截面S2—S2處流(liu)體壓力,kPa;
ρ———介質密度(du),kg/m3;
v1———截面S1—S1處流體流速(su),m/s;
v2———截面S2—S2處流體流速(su),m/s;
g———重力加速度,m/s2;
A1———截面(miàn)S1—S1處流通面積,m2;
A2———截面(mian)S2—S2處流通面積,m2;
K———儀表(biao)系數,1;
β———節流系數,1;
Q———管(guǎn)道中流體流量,m3/h;
D———管(guǎn)道内徑,m;
d———錐形流量(liàng)計錐體的最大外(wài)徑,m。
由式(7)可見,管道(dào)中流體流量與差(cha)壓的平方根成正(zhèng)比。
2.2　系統組成
　　錐形(xíng)流量計與傳統的(de)差壓型流量計一(yī)樣,由節流元件🔞、引(yin)壓管、差壓變送器(qì)、流量計算機組成(chéng)。流體爲幹燥氣體(ti)時,若水平安裝在(zài)管道上,取壓孔方(fāng)向應垂直向上;在(zai)垂直管道上,應将(jiang)高、低壓引壓管向(xiang)上走平行後🧡接入(ru)變送器。
2.3　性能特性(xing)
1、重塑流速曲線
　　重(zhòng)塑流速曲線是錐(zhuī)形流量計的最大(dà)特點。節流錐體🔞懸(xuan)挂在🔞管線中心迫(pò)使管道中心的流(liú)體繞着錐㊙️體流動(dong),從⛱️而改變了管道(dao)中的流速曲線。如(ru)果流體在理想的(de)管道中沒有任何(hé)阻✨礙和幹擾,那它(ta)的流速分布将很(hěn)均勻。靠近管壁的(de)流速幾乎爲零,而(er)管道中心的流🔱速(sù)将達到最🙇‍♀️大,見圖(tu)3。當将錐體懸挂在(zài)管線中心時,錐體(ti)将直接同流體的(de)高速區接觸,迫使(shi)高速區✔️的流體📱同(tong)近管壁低速區的(de)流體相混合,從而(er)使流速均勻化🎯,這(zhè)樣測出的流體流(liú)速更加準🧡确。

　　在現(xiàn)實工況中,流速很(hen)難分布均勻,很多(duō)情況都會造成流(liu)體分🐆布的不均勻(yún)。管道上的任何變(biàn)化都可能對流體(tǐ)造成影響:如彎頭(tóu)、閥門等,見圖4。而錐(zhuī)形流量計利用錐(zhui)體對流速分布曲(qǔ)線進行重新塑造(zao),使得錐體“整流”後(hòu)的流體分布均勻(yún),從而保證較高的(de)測量精度。

2、長期性(xing)能穩定
　　錐體的外(wai)形設計應保證流(liu)體在流經錐體時(shí)是一💯種漸⛹🏻‍♀️變的過(guo)程,無突變。流體經(jīng)過錐體後到達錐(zhui)體邊緣,因此錐體(ti)💞邊緣🏒不會🧡經常性(xing)地受到不潔流體(tǐ)的磨損,β值可保持(chí)不變,儀表可長期(qi)使😘用而勿需重新(xīn)标定。錐形流量計(jì)所産生的信号有(yǒu)較高的穩定性(見(jian)圖5)。它産生的是低(di)幅、高頻波動信♌号(hao),而孔闆流量計産(chǎn)生的🛀🏻是高幅、低頻(pín)信号👄。

3、永久壓力損失(shī)恒定
　　由于沒有銳(ruì)利的緣口,錐形流(liu)量計引起的永久(jiǔ)性壓🛀力損失恒定(ding)且比孔闆的小,接(jie)近文丘裏管。同時(shí),極其穩定的信号(hao)使得差壓的量程(chéng)下限遠比一般差(cha)壓流量計的低,因(yīn)此量程得以向下(xià)限擴展,量程比可(ke)達到15∶1,可測量最高(gāo)雷諾數爲5×106,最低雷(léi)🔞諾數爲1000仍可保持(chi)信号的線性。如果(guǒ)采用曲線修正,在(zài)更低的雷諾數條(tiáo)件☀️下仍然可測量(liang),并🐆可保證較好的(de)重複👉性。
4、無滞留死(sǐ)區
　　錐體的這種“吹(chuī)掃式”設計不存在(zai)死區,因此在錐體(ti)上不會堆積流體(ti)的碎片、黏渣或雜(zá)質。
3　錐形流量計與(yǔ)孔闆流量計性能(neng)比較
　　通過對孔闆(pǎn)流量計及錐形流(liú)量計的工作原理(li)和🔞結構特點🐪的對(duì)比,不難看出他們(men)的具體差别如下(xia)。
1、精度
　　錐形流量計(ji)的測量精度高(讀(du)數±0.5%),孔闆的測量精(jing)度低(讀數±1.5%)。
2、重複性(xing)
　　由于錐體對流速(sù)的整形,使流速達(da)到理想狀态,幹擾(rǎo)源🤩少,因此錐形流(liu)量計測量數據的(de)重複性好(優于±0.1%)。孔(kong)👨‍❤️‍👨闆隻能依靠直管(guan)段對流體整形,直(zhi)管段整形隻能達(da)到較爲✍️接近的🛀🏻流(liú)體完💔全理想狀态(tài),并且孔闆本身的(de)節流又破壞流體(tǐ)理想狀态,因此幹(gàn)擾源多,重複性差(chà)。
3、安裝要求
　　錐形流(liu)量計安裝要求低(dī)(前0～3D、後0～1D),無論是泵、壓(yā)縮機、閥💞門或者彎(wān)管☂️(一個單彎管或(huo)兩個不在一個平(píng)面上👨‍❤️‍👨的雙🧡彎管㊙️),對(duì)測量精度都沒有(yǒu)影響。孔闆流量計(jì)安裝要求高(一般(bān)📧前10D、後5D),複雜工況還(hái)要加大到前20D、後5D。
4、長(zhǎng)期穩定性
　　錐形流(liu)量計長期穩定性(xing)好。流體流經圓錐(zhui)體無突然波動🈲,而(er)🧡是沿着錐形體形(xíng)成一個邊界層,并(bing)引導🈚流體離開錐(zhui)體的後角。所以錐(zhuī)體夾角不受不清(qīng)潔流體的磨損,β值(zhí)可長期不變,并保(bao)證長🌂期精确測量(liang)。孔闆流量計長期(qi)穩定性差。由于流(liú)體流經孔闆銳🌈利(lì)緣口,截流産生高(gao)速摩🈲擦,引起孔闆(pan)口磨損,髒污改變(biàn)孔闆口大小,使β值(zhí)發生變化,不能保(bǎo)持長期精确測量(liàng)。
5、信号穩定性
　　錐形(xíng)流量計信号穩定(dìng),“信号波動”僅是孔(kǒng)闆的1/10。流體流經錐(zhui)體形成非常短的(de)渦流,這些渦流使(shi)錐形流🌐量計👅産生(sheng)高頻低幅🐅信号,并(bing)且信号在錐體尾(wei)部流向中央,相互(hu)抵消,因此幹擾小(xiǎo)。
孔闆流量計信号(hao)不穩定,流體流經(jīng)孔闆後産生的渦(wo)流較長,這些長渦(wo)流使孔闆産生低(dī)頻高幅的信号,信(xìn)号幹擾大,會嚴✏️重(zhòng)幹擾差壓變送器(qì)讀數的準确性。
6、壓(yā)損和量程
　　錐形流(liu)量計壓損低、量程(cheng)寬,量程比通常爲(wei)15∶1～50∶1。錐體的流線🏃🏻型設(she)計使壓損大大減(jiǎn)小,最小可至0.06kPa,在所(suǒ)有的差壓型流量(liàng)計中,隻有錐形流(liu)量計的壓損與文(wen)丘裏接近✍️。由于沒(mei)🐕有銳利㊙️的緣口🈚,錐(zhui)形流量計引起的(de)永久性壓力損失(shī)恒定且比孔闆小(xiao)。同時,極其穩定的(de)信号使得差壓的(de)量程🍉下限遠比一(yi)般差壓型流量計(jì)的低,因此量程得(de)以向下限擴展,雷(léi)諾數低至8000仍可保(bao)持信号線性。如果(guǒ)采用曲線修正,在(zai)更低的雷諾數下(xià)仍然可測量并可(ke)得到較好❗的重複(fú)性。
孔闆流量計壓(ya)損大、量程小,量程(chéng)比通常爲3∶1～5∶1。由于是(shi)平面阻擋,加上銳(rui)利的緣口,因此壓(yā)損大,小信号波動(dong)大、幹擾大,小量程(cheng)無法測量。
7、β值範圍(wei)和差壓
　　錐形流量(liang)計獨特的幾何形(xing)狀使其有很寬的(de)β值範☎️圍。标準♋的β值(zhi)爲0.450、0.550、0.650、0.750和0.850,也可按用戶(hù)要求特定β值,以保(bǎo)證用戶🙇🏻特定的差(chà)壓輸出。并且有較(jiao)大的差壓信号,滿(mǎn)标尺差🏃🏻‍♂️壓信号從(cóng)0.1kPa到幾👈十kPa,保證測量(liàng)的準确性。
8、髒污的(de)影響和維護
　　錐形(xíng)流量計無停滞區(qū),長期免維護。錐形(xing)流線型徹底吹掃(sao)💃🏻式設計避免了流(liú)體中的殘渣、凝結(jié)物或顆✉️粒的滞留(liu),可以✨保持錐體長(zhang)期清潔。由于錐體(tǐ)對流體整形,加速(su)了管壁流體的流(liu)速,因此減少了正(zheng)取壓口的髒🐕污停(ting)留;倒㊙️角的設計使(shǐ)流體流經錐體後(hòu)加速離去,故負取(qǔ)壓孔不會污損。所(suo)以在較長的時間(jiān)内(2～3年)無須維護清(qīng)洗,可以保證精确(què)測量。
孔闆流量計(ji)由于是平面阻擋(dǎng),髒污容易堆積,一(yi)般3個👈月須✂️清洗一(yi)次,才能保證較好(hao)的精度。
9、氣液兩相(xiàng)介質(濕氣)
　　對濕氣(qì)(氣體中含有水分(fen))的流體測量始終(zhong)是流量測量中的(de)一個難點。錐形流(liú)量計采用獨特的(de)錐體設計,使氣體(tǐ)中所含有的大部(bù)分水分,沿錐體從(cóng)管道中央溫度較(jiao)高的地方向周圍(wéi)溫度較低的地方(fāng)快速移動,産生的(de)凝露沿錐體向管(guan)道底部下滴。由于(yú)錐體對流⁉️體整形(xing),加速了管壁流體(ti)的流速,水分💔也快(kuài)速通過,不會在取(qǔ)壓口産生大量凝(ning)露。所♻️以氣體含有(you)少量水分對錐形(xíng)流量計取🌂壓口産(chǎn)生的幹擾信号少(shǎo),提高了測💘量準确(què)性。通常要✊求👉氣體(tǐ)中含水量不超✂️過(guò)5%爲好,最大不超過(guò)🈚10%。
　　孔闆對流體産生(sheng)阻擋,在孔闆中央(yāng)産生滴露,同時管(guan)壁流體受到阻擋(dǎng),流速減慢,正取壓(yā)口附近産生的凝(níng)露會影響🔞取壓信(xin)号;流體流經孔闆(pǎn)後,産生的渦流向(xiang)管壁作波動性發(fa)散,會影響負取壓(ya)口取壓信号。因此(cǐ),濕氣對孔🏃‍♂️闆的測(ce)量精度會産❌生較(jiào)大的負面影響,從(cóng)而影響測量精度(du)。因此,孔闆及其他(ta)方式測量濕氣往(wang)✌️往難以達到預🧑🏾‍🤝‍🧑🏼期(qi)的效果。
10、錐形流量(liang)計安裝調試注意(yì)事項
　　每台錐形流(liu)量計上均有箭頭(tóu)指示流體流過設(she)備的方向,高✍️壓孔(kǒng)位于上遊,低壓孔(kǒng)位于下遊,在安裝(zhuang)差壓變送器前需(xū)确認高壓孔的具(ju)體位置。
4　孔闆與錐(zhui)形流量計的壓損(sǔn)和精度
已知條件(jiàn):
被測流體　　　　　　　工藝風(feng)
流量(标準狀況)??????? Q20max=5750m3/h,
Q20com=4950m3/h,
Q20min=2500m3/h
工(gong)作壓力　　　　　　　p1=3MPa
工作溫度(dù)　　　　　　　t1=40℃
相對濕度　　　　　　　φ=0
管道内(nei)徑　　　　　　　D20=300mm
管道材質　　　　　　　15碳鋼(gang),無縫管
有關孔闆(pan)流量計與錐形流(liú)量計的壓損及精(jīng)度的計算過程,在(zài)🐕此簡略,現将計算(suàn)結果列于表1。

從表(biao)1可看出:孔闆流量(liàng)計的壓損要遠大(dà)于錐形流量計,而(er)精度也不及錐形(xing)流量計的高。
5　結束(shu)語
　　該錐形流量計(jì)自開車以來,一直(zhi)運行較好,不僅解(jiě)決了設計✊過☔程中(zhōng)遇到直管段短,普(pǔ)通流量儀表難以(yǐ)檢測的🚩問題,同時(shí)也提高了測量精(jing)度,由原來的1.25%提高(gao)到0.5%,壓損由9.37kPa降到1.28kPa,滿(mǎn)足了生産要求.但(dan)錐形流量計價格(gé)比💰孔闆流量計要(yào)高,建💔議在重要😄場(chang)所或不🍉能有壓損(sun)的地方使用。

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