摘　要:針對(duì)常規的差壓(yā)型流量計在(zai)大口徑管道(dào)氣體流量測(ce)量中受安裝(zhuang)位置等因素(sù)的限制,介紹(shao)了錐形流量(liang)計的特點❄️、功(gōng)能✊及其工作(zuo)原理,比較了(le)孔闆流量❓計(jì)與錐形流量(liang)♉計的優缺點(dian),指出錐形流(liú)量計具有壓(ya)損低、精度‼️高(gāo)等特點,實踐(jian)證明錐形流(liú)量計 在工藝(yi)風計量方面(miàn)的穩定性、可(kě)靠性和準确(que)性。
　　在現代的(de)化工和石油(yóu)化工裝置中(zhong),時常會遇到(dao)一些大口徑(jìng)管💋道,其中介(jie)質大多爲氣(qì)體,例如氮氣(qi)、工藝風、煙道(dao)氣、焦爐煤氣(qi)等介質。如何(he)準确測量這(zhe)些管道中📞氣(qi)體流量,有時(shi)是很重要的(de),例如在硫酸(suan)生産裝置中(zhōng),工藝風流量(liàng)是一個非常(cháng)重要的工藝(yi)參數。一方面(miàn)工👨‍❤️‍👨藝風量大(da)小🌏和分配直(zhí)接關系到沸(fèi)騰🈚爐内硫是(shi)否🥵能充分燃(rán)燒,避免爐内(nei)升華硫的産(chan)生,防止爐膛(táng)燒結;另📧一方(fāng)面還關系到(dao)整個裝置的(de)操作狀況和(he)平穩運行🌈,以(yi)及經濟指标(biāo)的核算、标定(ding)。因此,主風量(liàng)測量儀表應(ying)具備高可靠(kao)性和較高⭐測(ce)量精度。
　　測量(liang)大口徑管道(dao)的氣體流量(liàng)通常爲 孔闆(pǎn)流量計 、文丘(qiu)裏管以及 阿(ā)牛巴流量計(ji) 等差壓節流(liú)元件,但是,節(jie)流裝置在某(mou)些場合卻難(nán)以💯采用。在🐕某(mou)硫酸裝置設(shè)計中,工藝風(feng)流量測量遇(yu)到難題,若🐪采(cǎi)用常規流量(liàng)儀表孔闆、文(wen)丘裏管或阿(ā)💃🏻牛巴,則安裝(zhuang)位置受到⛹🏻‍♀️限(xian)制。工藝管道(dào)公稱直徑700mm,其(qí)直管段前後(hòu)僅有1m。對于大(dà)口徑✏️管道的(de)流量測量,a方(fāng)案采用孔闆(pǎn)流量計,其安(an)💚裝要求高,一(yī)般前10D、後5D應爲(wei)直管段,滿足(zú)不了這麽長(zhang)的要求。b方案(àn)采用文丘裏(li)管,其本身‼️長(zhǎng)度近5m,再加上(shàng)滿足精度要(yào)求的最小安(ān)裝直管段(前(qian)5.5D、後3.5D),共計11.3m,受安(ān)裝條件限制(zhi),風機出口管(guan)✍️線根本滿🔴足(zu)不了這麽💰長(zhang)的直管段要(yao)求。c方案采用(yòng)☔阿牛巴,其安(an)裝要🛀求一般(bān)爲前5D、後2D,也滿(mǎn)足不了這麽(me)長的直管段(duan)要求。
　　随着測(cè)量技術的不(bú)斷發展,近期(qī)推出了先進(jin)的流量測量(liàng)儀表———錐形流(liú)量計。該流量(liang)計不僅很好(hǎo)地解決了直(zhi)管段長💃度的(de)🐪要求,而且提(ti)高了測量精(jing)度,這是由于(yú)錐形流🐉量計(ji)采用獨特的(de)中心流線型(xíng)結構設計,巧(qiao)妙地解決了(le)長直管段整(zheng)流的問⛱️題。中(zhong)心懸🈲挂的流(liú)線型錐體能(néng)重塑流速曲(qǔ)線,在緊靠錐(zhui)體上🌈遊和下(xia)遊較窄的區(qū)域内(前0～3D、後0～1D),将(jiāng)流速不規則(ze)的流🔞體直接(jie)整流成理🏃‍♂️想(xiang)流體,獲得很(hen)高🙇🏻的測量精(jīng)度和重複性(xing),不需要直管(guǎn)段整流。因此(cǐ)在該管線的(de)氣體流量測(ce)量中,設計采(cǎi)用了錐形流(liú)量計及差壓(yā)變送器進行(háng)測量。本文将(jiāng)結合生産實(shi)際,着重比較(jiao)孔闆🈲流量計(ji)與錐🛀🏻形流量(liang)計測量儀表(biao)的各自優缺(que)點,供大家⭕參(can)考。
1　孔闆流量(liàng)計的特點及(jí)功能
　　孔闆流(liu)量計是一種(zhǒng)差壓型的流(liu)量儀表,也是(shì)使用曆史悠(yōu)久、應用廣泛(fàn)的一種。它是(shì)基于流體流(liú)動的節流原(yuán)理,利用流體(tǐ)🙇🏻流經節流元(yuan)件時産生的(de)壓力差與其(qí)🧑🏾‍🤝‍🧑🏼流量有關而(ér)實🏃‍♂️現測量的(de)。
　　充滿管道的(de)流體,當它流(liu)經管道内的(de)節流元件孔(kǒng)闆時,流束将(jiāng)在節流元件(jian)處形成局部(bù)收縮(見圖1)。此(ci)時流速增大(dà)、靜❗壓降低,在(zài)💃🏻節流元件前(qián)後産生差壓(yā)👣,流量愈大,差(cha)壓愈大,因而(er)可根據差壓(yā)💯來衡量流量(liang)的大小。這種(zhong)測量方法是(shi)以連續性方(fāng)程和伯努利(li)☂️方程爲基礎(chǔ)💜。
　　孔闆流量計(ji)由節流元件(jian)、差壓變送器(qì)和流量顯示(shì)儀表組成。儀(yí)表無可動部(bù)件,工作可靠(kào),價格低,量程(chéng)🆚比約爲3∶1。應👉用(yong)範圍廣泛,适(shi)用于單相流(liu)體,包括液體(ti)、蒸汽、氣體皆(jie)可測量。檢💃測(cè)件,特别是标(biāo)準型的爲全(quán)🐕世界通用。但(dàn)現場安裝條(tiáo)件要求較高(gāo),需較長的直(zhi)管段長度,對(duì)✉️大口徑工藝(yi)配管一般難(nán)以滿足。對小(xiao)口徑管道(小(xiǎo)于50mm)的流量測(cè)量有困難,壓(ya)損較大,儀表(biǎo)刻度爲非線(xiàn)性,測量精度(dù)♉不很高,有時(shi)維護工作量(liang)較大。

2　錐形流量(liàng)計的特點及(jí)功能
　　錐形流(liu)量計是一種(zhǒng)新型的高精(jīng)度差壓型流(liu)量計。它與孔(kong)闆節🧑🏽‍🤝‍🧑🏻流相反(fan),通過在密閉(bi)管道中心線(xian)懸挂一個特(tè)制的流🐅線型(xíng)錐體來進行(háng)中央節流,用(yong)上遊❤️管壁和(he)錐體尾🙇🏻部測(cè)量的差壓來(lai)計算流量。其(qí)特點⭕:①沒有直(zhí)管段安裝要(yao)求,可以解決(jué)其他流量計(jì)安裝時要求(qiu)直管段長度(du)較長給現場(chang)配管帶來的(de)困難,尤其适(shi)用于大口徑(jìng)管道單相流(liu)體的計量;②低(di)壓損、高精度(du)(≤0.5%),适🏃‍♂️用于需♈要(yào)控制全廠能(néng)耗的公用工(gong)程流體流量(liang)的計量;③獨有(you)的雙法蘭取(qu)壓+密💚封🏒截流(liu)錐體結構設(shè)計,适用于測(cè)量高黏度(如(rú)油漿、原油、回(huí)煉油💚、渣油)、粉(fěn)塵介質的流(liu)量;④耐髒污,不(bú)易堵,長期穩(wen)定性好。
2.1　工作(zuò)原理
　　錐形流(liú)量計也是一(yi)種差壓型的(de)流量儀表。 差(cha)壓型流量計(jì) 是基于密封(fēng)管道中的能(néng)量轉換原理(li),也就是說對(duì)于穩定流體(tǐ),管道中流體(ti)的流速與差(cha)壓的平方根(gen)成正比。當流(liú)體接近錐體(tǐ)時,其壓力爲(wèi)p1,在通過錐體(ti)的節流區時(shí),速度會增加(jia),壓力會降低(dī)至p2。如圖2所示(shì),p1和p2都通過錐(zhuī)形流量計的(de)取壓口引到(dao)後接的 差壓(yā)變送器 上。流(liú)速發生變化(huà)時,錐形流量(liàng)計的兩個取(qǔ)壓口之間的(de)差壓值會增(zēng)大或縮小。當(dāng)流速相同時(shi),若節流面積(ji)大,則産生的(de)差壓值也大(dà)。
錐形流量計(ji)也遵循機械(xie)能能量守恒(héng)定律:


因管道内的(de)流量相等,則(zé):

式中:p1———截面S1—S1處(chu)流體壓力,kPa;
p2———截(jie)面S2—S2處流體壓(yā)力,kPa;
ρ———介質密度(du),kg/m3;
v1———截面S1—S1處流體(ti)流速,m/s;
v2———截面S2—S2處(chu)流體流速,m/s;
g———重(zhong)力加速度,m/s2;
A1———截(jie)面S1—S1處流通面(mian)積,m2;
A2———截面S2—S2處流(liu)通面積,m2;
K———儀表(biǎo)系數,1;
β———節流系(xi)數,1;
Q———管道中流(liú)體流量,m3/h;
D———管道(dào)内徑,m;
d———錐形流(liu)量計錐體的(de)最大外徑,m。
由(you)式(7)可見,管道(dao)中流體流量(liàng)與差壓的平(píng)方根成正比(bǐ)🙇‍♀️。
2.2　系統組成
　　錐(zhuī)形流量計與(yǔ)傳統的差壓(ya)型流量計一(yi)樣,由節流⛱️元(yuán)件、引壓管、差(chà)壓變送器、流(liú)量計算機組(zǔ)成。流體爲幹(gàn)燥🔴氣體時,若(ruò)水平安裝在(zài)管道上,取壓(yā)孔方向應垂(chuí)直向上;在垂(chui)😘直管道🔴上,應(yīng)将高、低壓引(yǐn)壓管向上走(zou)平行後接入(rù)變送器。
2.3　性能(neng)特性
1、重塑流(liu)速曲線
　　重塑(su)流速曲線是(shi)錐形流量計(jì)的最大特點(diǎn)。節流錐🛀🏻體懸(xuán)挂在管線中(zhong)心迫使管道(dao)中心的流體(ti)繞着錐體流(liu)動,從📧而改變(bian)了管道中的(de)流速曲線。如(rú)果流體在理(lǐ)想☀️的管道👉中(zhong)沒有✉️任何阻(zu)礙和幹擾,那(na)它的流速分(fèn)布将⭐很均勻(yun)。靠近管壁的(de)流速幾乎爲(wèi)零,而管🆚道中(zhong)心的流速将(jiang)達到最大,見(jian)圖3。當将㊙️錐體(ti)懸挂在管線(xian)中心時,錐體(ti)将直接同流(liu)👄體的高速區(qu)接觸,迫使高(gāo)速區的流體(tǐ)同近管壁低(dī)速區的流體(ti)相混合,從🔱而(er)使流速均勻(yún)化,這樣測出(chu)的流體💋流速(su)更加準确。

　　在現(xian)實工況中,流(liu)速很難分布(bu)均勻,很多情(qíng)況都會造成(chéng)流體分布的(de)不均勻。管道(dào)上的任何變(bian)化都可能對(duì)流體造成影(ying)響:如彎☔頭、閥(fa)門等,見圖4。而(er)錐形流量計(jì)利用錐體對(dui)流速分布曲(qu)✌️線進行重新(xin)塑造,使得錐(zhui)體“整♋流”後的(de)流體分布均(jun1)勻,從而保⁉️證(zheng)較高的測量(liang)精度。

2、長期性能(neng)穩定
　　錐體的(de)外形設計應(ying)保證流體在(zài)流經錐體時(shí)是一🌈種♌漸變(biàn)的過程,無突(tu)變。流體經過(guo)錐體後到達(dá)錐體邊緣🔆,因(yin)此錐體👄邊緣(yuan)⛱️不會經常性(xìng)地受到不潔(jié)流體的磨損(sun)😘,β值可保持不(bu)變,儀表可長(zhǎng)期使用而勿(wù)需重新标定(dìng)。錐形流量計(jì)所産生的信(xìn)号有較⭕高的(de)穩定🌐性(見圖(tú)5)。它産生的是(shì)低幅☂️、高頻波(bō)動信号,而孔(kong)闆流🈚量計産(chǎn)生的是高幅(fú)、低頻信号。

3、永(yong)久壓力損失(shī)恒定
　　由于沒(mei)有銳利的緣(yuán)口,錐形流量(liàng)計引起的永(yǒng)久性壓力損(sǔn)失恒🤟定且比(bǐ)孔闆的小,接(jie)近文丘裏管(guǎn)。同時,極其穩(wěn)定的信号使(shǐ)得差🏒壓的量(liang)程下限遠比(bi)一般差壓流(liú)量計的低,因(yin)此量程得以(yi)向下限擴展(zhǎn),量程✨比可達(dá)到🐕15∶1,可測量最(zui)高雷諾數🎯爲(wèi)5×106,最低雷諾數(shu)爲1000仍可保持(chí)信号的線性(xing)。如果🚩采用曲(qu)線修正,在更(gèng)低的雷諾數(shù)條件下仍然(ran)可測量,并可(kě)保證較好的(de)重複性。
4、無滞(zhì)留死區
　　錐體(tǐ)的這種“吹掃(sǎo)式”設計不存(cún)在死區,因此(cǐ)在錐體上不(bu)🐪會🎯堆♉積流體(tǐ)的碎片、黏渣(zha)或雜質。
3　錐形(xíng)流量計與孔(kong)闆流量計性(xing)能比較
　　通過(guo)對孔闆流量(liàng)計及錐形流(liú)量計的工作(zuo)原理和結構(gou)特點📧的對比(bi),不難看出他(tā)們的具體差(cha)别如下。
1、精度(du)
　　錐形流量計(ji)的測量精度(du)高(讀數±0.5%),孔闆(pan)的測量精度(du)低(讀數±1.5%)。
2、重複(fu)性
　　由于錐體(tǐ)對流速的整(zhěng)形,使流速達(da)到理想狀态(tài),幹擾源少❌,因(yīn)此錐形流量(liàng)計測量數據(ju)的重複性好(hao)(優于±0.1%)。孔闆隻(zhī)♻️能依靠直🈲管(guan)段對流體整(zhěng)形,直管段整(zheng)形㊙️隻能達到(dào)較爲接近的(de)流體完全理(lǐ)想狀态,并且(qie)孔闆本身的(de)節流又破壞(huài)流體理想狀(zhuang)态,因🈲此幹擾(rao)源🌐多,重複性(xìng)差。
3、安裝要求(qiu)
　　錐形流量計(jì)安裝要求低(di)(前0～3D、後0～1D),無論是(shi)泵、壓縮機、閥(fa)門‼️或者彎管(guan)(一個單彎管(guan)或兩個不在(zai)一個平面上(shang)的雙彎管),對(dui)測量精度都(dōu)沒有影響。孔(kǒng)闆流量計安(an)裝要求高(一(yi)般前10D、後5D),複雜(za)工況🐉還要加(jiā)大到前20D、後5D。
4、長(zhǎng)期穩定性
　　錐(zhuī)形流量計長(zhǎng)期穩定性好(hao)。流體流經圓(yuán)錐體無突然(rán)波動,而是沿(yán)着錐形體形(xíng)成一個邊界(jie)層,并引導流(liú)體離開錐體(ti)🌈的後角。所以(yi)錐體夾角不(bu)受不清潔流(liu)體的磨損,β值(zhí)可長期不變(biàn),并保證長期(qi)精确測量。孔(kǒng)闆流量計長(zhang)期穩☁️定性差(cha)。由🐉于流體流(liú)經孔闆銳利(lì)緣口,截流産(chan)生高速摩擦(cā),引起孔闆🤟口(kǒu)磨損,髒污改(gai)變孔闆口大(dà)小,使β值發生(shēng)變化,不能保(bǎo)持長期精确(que)測量。
5、信号穩(wen)定性
　　錐形流(liu)量計信号穩(wen)定,“信号波動(dong)”僅是孔闆的(de)1/10。流體流🙇🏻經錐(zhuī)體形成非常(chang)短的渦流,這(zhè)些渦流使錐(zhui)形流量計産(chǎn)生高頻低幅(fú)信号☀️,并且信(xìn)号在錐體尾(wěi)部流🚶向中央(yāng),相互抵消,因(yin)此幹擾小。
孔(kǒng)闆流量計信(xin)号不穩定,流(liu)體流經孔闆(pan)後産生的渦(wo)流較長,這🚶‍♀️些(xiē)長渦流使孔(kǒng)闆産生低頻(pín)高幅的信号(hào),信号幹擾大(da),會嚴🌈重幹㊙️擾(rao)差壓變送器(qi)讀數的準🌐确(què)性。
6、壓損和量(liang)程
　　錐形流量(liang)計壓損低、量(liàng)程寬,量程比(bi)通常爲15∶1～50∶1。錐體(ti)的流線♻️型🚩設(she)🚩計使壓損大(dà)大減小,最小(xiǎo)可至0.06kPa,在所有(you)的差壓型流(liú)量計中,隻有(you)錐♉形流量計(ji)的壓損與文(wén)丘裏接近。由(you)于沒有銳利(lì)的緣口,錐形(xing)流量計引起(qi)的永久性壓(ya)力損失恒定(dìng)且比孔闆小(xiǎo)。同時,極其穩(wen)定的信号使(shǐ)得差壓的量(liàng)程下限遠比(bǐ)一般差壓型(xing)流🐉量計的低(dī),因此量程得(de)以向下限擴(kuo)展,雷諾數低(dī)至8000仍可保持(chí)信号線性。如(ru)果采用曲線(xian)🌏修正,在更低(dī)的💞雷諾數下(xia)仍然可測量(liang)并可得到較(jiao)好的重複性(xìng)。
孔闆流量計(jì)壓損大、量程(cheng)小,量程比通(tōng)常爲3∶1～5∶1。由于是(shi)💋平面阻擋,加(jia)🏒上銳利的緣(yuán)口,因此壓損(sun)大,小信号波(bō)✔️動大、幹擾大(dà),小量程無法(fǎ)測量。
7、β值範圍(wei)和差壓
　　錐形(xing)流量計獨特(tè)的幾何形狀(zhuàng)使其有很寬(kuān)的β值範圍。标(biāo)準🌈的β值爲0.450、0.550、0.650、0.750和(he)0.850,也可按用戶(hù)要求特定β值(zhi),以保證用戶(hù)特定的差壓(yā)輸♊出。并🛀且有(you)較大的差壓(ya)信号,滿标尺(chi)差壓信号從(cong)0.1kPa到幾十kPa,保證(zhèng)測量的準确(que)性。
8、髒污的影(ying)響和維護
　　錐(zhui)形流量計無(wu)停滞區,長期(qi)免維護。錐形(xing)流線型徹底(dǐ)吹掃式設🐆計(ji)避免了流體(tǐ)中的殘渣、凝(níng)結物或顆粒(lì)的滞留,可以(yi)保持錐體長(zhǎng)期清潔。由于(yu)錐體對流✨體(tǐ)整形,加速了(le)管壁流🈲體的(de)流🌈速,因此減(jian)少了正取💔壓(yā)口的髒♻️污停(tíng)留;倒💛角的設(shè)計使流體流(liu)經錐體後加(jia)速離去,故負(fu)取壓孔不會(hui)污損。所以在(zai)較長的時間(jiān)内(2～3年)無須維(wei)🙇‍♀️護清洗,可以(yi)保🈲證精确測(ce)量。
孔闆流量(liàng)計由于是平(ping)面阻擋,髒污(wū)容易堆積,一(yi)般3個月🔱須清(qing)洗一次,才能(neng)保證較好的(de)精度。
9、氣液兩(liang)相介質(濕氣(qi))
　　對濕氣(氣體(ti)中含有水分(fen))的流體測量(liang)始終是流量(liang)測量中的一(yī)個難點。錐形(xing)流量計采用(yòng)獨特的錐體(tǐ)設計,使氣體(tǐ)中所含有的(de)✂️大部分水分(fèn),沿錐體從管(guǎn)👈道中央溫度(du)較高的地方(fang)向周圍溫度(du)較低的地方(fāng)快速移動,産(chan)生的凝露沿(yán)錐體向管道(dao)底部下滴。由(you)于錐體對流(liu)體整形,加速(sù)了管壁流體(tǐ)的流速,水分(fèn)🔴也快速通過(guo),不會在取壓(ya)口産生大量(liang)凝露。所⛹🏻‍♀️以氣(qi)體含有少量(liàng)水分對錐形(xíng)流量計取🌈壓(yā)口産生的幹(gàn)擾⛷️信号少,提(ti)高了測量準(zhǔn)确性。通常要(yào)求氣體中含(hán)水量不超過(guò)5%爲好,最大不(bu)超過10%。
　　孔闆對(dui)流體産生阻(zǔ)擋,在孔闆中(zhōng)央産生滴露(lù),同時管壁流(liú)體受到阻擋(dǎng),流速減慢,正(zhèng)取壓口附近(jin)産生的凝⭐露(lù)會影響取壓(ya)信号;流體流(liú)經孔闆後,産(chǎn)生的渦流向(xiang)管壁作波動(dong)性發散,會影(yǐng)響負取壓口(kou)取壓信号。因(yīn)此,濕氣對孔(kong)闆的測量精(jīng)度會産生較(jiào)大的負面影(yǐng)響,從而影響(xiang)測量💚精度。因(yīn)此,孔闆及其(qí)他方🎯式測量(liàng)濕氣往往難(nan)以達到預期(qī)的效果。
10、錐形(xing)流量計安裝(zhuāng)調試注意事(shi)項
　　每台錐形(xíng)流量計上均(jun)有箭頭指示(shi)流體流過設(she)備🔞的方向,高(gao)🆚壓孔位于上(shàng)遊,低壓孔位(wei)于下遊,在安(an)裝😍差壓⭕變送(sòng)器前需确認(rèn)高壓孔的具(ju)體位置。
4　孔闆(pǎn)與錐形流量(liang)計的壓損和(hé)精度
已知條(tiao)件:
被測流體(ti)　　　　　　　工藝風
流量(liang)(标準狀況)??????? Q20max=5750m3/h,
Q20com=4950m3/h,
Q20min=2500m3/h
工(gong)作壓力　　　　　　　p1=3MPa
工作(zuo)溫度　　　　　　　t1=40℃
相對濕(shī)度　　　　　　　φ=0
管道内徑(jing)　　　　　　　D20=300mm
管道材質　　　　　　　15碳(tan)鋼,無縫管
有(yǒu)關孔闆流量(liàng)計與錐形流(liu)量計的壓損(sǔn)及精度的計(jì)算過👈程,在此(ci)簡略,現将計(ji)算結果列于(yu)表1。

從表1可看(kan)出:孔闆流量(liàng)計的壓損要(yao)遠大于錐形(xíng)流♌量💛計☀️,而精(jīng)💰度也不及錐(zhuī)形流量計的(de)高。
5　結束語
　　該(gāi)錐形流量計(jì)自開車以來(lái),一直運行較(jiao)好,不僅解決(jue)了設計過程(cheng)中遇到直管(guǎn)段短,普通流(liú)量儀表難以(yi)檢💔測的🌂問題(tí)♈,同時也提高(gāo)了測量精度(dù),由原來的🏃🏻1.25%提(tí)高到0.5%,壓損由(you)9.37kPa降到1.28kPa,滿足了(le)生産要求🌈.但(dàn)錐形流量計(ji)價格比🆚孔闆(pǎn)流量計要高(gāo),建🔞議在重要(yào)場所或不能(neng)有壓損的地(di)方使用。

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