摘　要:針對(duì)常規的差壓(yā)型流量計在(zài)大口徑管道(dào)氣🐉體流量測(ce)💃🏻量中受安裝(zhuang)位置等因素(su)的限制,介紹(shao)了錐形流量(liang)計的特點🈲、功(gōng)能及其工作(zuò)原理,比較了(le)孔闆流量計(ji)與錐形流量(liang)計的優缺點(diǎn),指出錐形流(liú)量計具有壓(ya)損低、精度高(gāo)等特點,實踐(jiàn)證明錐形流(liú)量計 在工藝(yi)風計量方面(mian)的穩定性、可(ke)靠性和準确(què)性。
　　在現代的(de)化工和石油(you)化工裝置中(zhōng),時常會遇到(dao)一些大口徑(jing)管道,其中介(jie)質大多爲氣(qì)體,例如氮氣(qì)、工藝風、煙道(dao)氣、焦爐煤✌️氣(qì)等🤟介質。如何(hé)準确測量這(zhe)些管道中氣(qì)體流量,有時(shí)是很重要的(de),例㊙️如在硫酸(suān)生産裝置中(zhōng),工藝風流量(liang)是一個非常(cháng)重要的工藝(yì)參數。一方面(miàn)工㊙️藝風量大(da)小和分配直(zhi)接關系到沸(fei)騰🌈爐内硫是(shi)否能充分燃(rán)燒,避免爐内(nei)升華硫的産(chǎn)生,防止爐膛(táng)🌍燒結;另一方(fang)面還關系到(dào)整個裝置的(de)操♈作🥰狀況和(hé)平穩運行,以(yǐ)及經濟指标(biao)的核🌂算、标定(ding)。因❌此,主風量(liang)測量儀表應(ying)具備高可靠(kào)性和較高測(ce)量精度。
　　測量(liàng)大口徑管道(dào)的氣體流量(liang)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(liu)元件,但是,節(jiē)流裝置在某(mǒu)些場合卻難(nán)以🈲采用。在某(mǒu)🌈硫酸裝置設(shè)計中,工藝風(fēng)流量測量遇(yù)😍到難題,若🌈采(cǎi)用常規🤟流量(liang)儀表孔闆、文(wen)丘裏管或阿(ā)牛巴,則安裝(zhuāng)位置受到限(xian)制。工藝管道(dào)公稱直徑700mm,其(qi)♻️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(fang)案采用孔闆(pan)流量計,其安(ān)裝要求高,一(yi)🏃般前10D、後5D應爲(wèi)直管段,滿足(zu)♌不了這麽長(zhang)的要求。b方案(an)采用文丘裏(li)🛀🏻管,其本身長(zhang)度近🤞5m,再加上(shàng)滿足精度要(yao)求的最小安(ān)裝直管段(前(qián)5.5D、後3.5D),共計🙇🏻11.3m,受安(an)裝條件限制(zhì),風🐕機出口管(guan)線根本滿足(zu)不了這麽長(zhang)的直管段要(yào)求。c方案💘采用(yòng)阿牛巴,其安(ān)裝要求一般(ban)爲前5D、後2D,也滿(mǎn)足不了這麽(me)🛀🏻長的直管段(duàn)要求。
　　随着測(ce)量技術的不(bu)斷發展,近期(qī)推出了先進(jìn)的流量測量(liàng)儀表———錐形流(liu)量計。該流量(liàng)計不僅很好(hǎo)地解決了直(zhí)管段長度的(de)要求,而且提(tí)高了測量精(jing)度,這是由于(yú)錐形流量計(jì)采用獨特的(de)中心流線型(xing)結構❗設計,巧(qiǎo)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(qu)線,在緊靠錐(zhui)體上遊和下(xia)遊較窄🛀的區(qu)域内(前0～3D、後0～1D),将(jiang)流速不規則(zé)💃的流體直接(jiē)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(ci)在該管線的(de)氣體流量測(ce)量中,設計采(cǎi)用了錐形👨‍❤️‍👨流(liu)量計及差壓(yā)變送✨器進行(hang)測量。本文将(jiang)結合生産實(shí)際,着重比較(jiào)孔闆流量計(jì)與錐形流量(liang)計測‼️量儀表(biao)的各自優缺(que)點,供大家參(cān)考。
1　孔闆流量(liang)計的特點及(ji)功能
　　孔闆流(liu)量計是一種(zhong)差壓型的流(liu)量儀表,也是(shi)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(yuan)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(er)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(jiang)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(ya),流量愈大,差(cha)壓愈大,因而(er)可根據差壓(ya)🙇‍♀️來衡量流量(liàng)☔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(chu)。
　　孔闆流量計(ji)由節流元件(jiàn)、差壓變送器(qi)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(shì)用于單相流(liú)體,包括液體(tǐ)💛、蒸汽、氣體皆(jiē)可測量。檢測(ce)件,特别是标(biāo)準型的爲全(quan)世界通用。但(dan)現場安❄️裝條(tiao)件要求較高(gāo),需較長的直(zhi)🥰管段長度,對(dui)大口徑工藝(yi)配管一般難(nán)以滿足。對小(xiǎo)口徑管道(小(xiǎo)于🔞50mm)的流量測(cè)量有困難,壓(yā)損較大,儀表(biao)刻度爲非線(xian)性,測量精度(du)不很高,有時(shí)維護工作量(liang)較大。

2　錐形流量(liang)計的特點及(jí)功能
　　錐形流(liú)量計是一種(zhong)新型的高精(jing)度差壓型流(liú)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(te)制📐的流🛀🏻線型(xíng)錐體來進行(háng)中央節流,用(yòng)上遊管壁和(he)錐體尾部測(ce)量的差壓來(lái)計算🔴流量。其(qi)特點:①沒有直(zhí)管段安裝要(yào)求,可以解決(jué)其他流♋量計(ji)安裝時要求(qiú)直管段長度(du)較長給現場(chǎng)配管帶來的(de)困難,尤其适(shì)用于大口徑(jìng)管道單相流(liu)體的計量;②低(dī)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(gōng)程流體流量(liang)的計量;③獨有(yǒu)⁉️的雙法蘭取(qu)壓+密封✨截流(liú)錐體結構設(shè)計,适用于測(ce)量💯高黏度(如(ru)油漿、原油、回(hui)煉油、渣油)、粉(fen)塵介質的流(liu)量;④耐髒污,不(bú)易堵,長期穩(wěn)定性🔴好。
2.1　工作(zuò)原理
　　錐形流(liu)量計也是一(yī)種差壓型的(de)流量儀表。 差(chà)壓型流量計(jì) 是基于密封(fēng)管道中的能(néng)量轉換原理(lǐ),也就是說對(duì)于穩定流體(tǐ),管道中流體(tǐ)的流速與差(chà)壓的平方根(gēn)成正比。當🍉流(liú)體接近⭐錐體(ti)時,其壓力爲(wèi)p1,在通過錐體(tǐ)的節流區時(shi),速度會增🏃🏻加(jiā),壓力📞會降低(di)🌈至p2。如圖2所示(shi),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(liu)速發生變化(huà)時,錐形流量(liang)計的兩個取(qǔ)壓口之🈲間的(de)差壓值會增(zeng)大或縮小。當(dāng)流速相同時(shí),若節流🐇面積(jī)大,則産生的(de)差壓值⭐也大(da)。
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(chù)流體壓力,kPa;
p2———截(jié)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(biao)系數,1;
β———節流系(xi)數,1;
Q———管道中流(liu)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(yóu)式(7)可見,管道(dào)中流體流量(liàng)與差壓的平(ping)方根成正比(bǐ)。
2.2　系統組成
　　錐(zhuī)形流量計與(yu)傳統的差壓(yā)型流量計一(yī)樣,由節流🈲元(yuán)件🔞、引壓👌管、差(chà)壓變送器、流(liu)量計算機組(zǔ)成。流體爲幹(gàn)燥♉氣體時,若(ruò)水平安裝在(zai)管道上,取壓(ya)孔方向應垂(chui)直向上;在垂(chui)直管道🍓上,應(ying)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(néng)特性
1、重塑流(liu)速曲線
　　重塑(su)流速曲線是(shi)錐形流量計(ji)的最大特點(diǎn)。節流錐體📐懸(xuan)挂在管線中(zhong)心迫使管道(dào)中心的流體(tǐ)繞着錐體流(liú)動,從📐而改變(bian)了管道中的(de)流速曲線。如(ru)果流體在理(li)想的管道中(zhong)沒有任何阻(zǔ)礙和幹擾,那(nà)它的流速分(fen)布将很均勻(yún)。靠近管壁的(de)流速幾乎爲(wei)零,而管道中(zhong)心的流速将(jiāng)達到最大,見(jian)圖3。當将錐體(ti)懸挂在管線(xiàn)中心時,錐體(ti)将直接同流(liú)🤟體的高速區(qū)接觸,迫使高(gāo)速區的流體(tǐ)㊙️同近管壁低(di)速區的流體(tǐ)相混合,從而(ér)使流速均勻(yún)化✔️,這樣測出(chu)的流體流速(sù)更加準确。

　　在現(xiàn)實工況中,流(liu)速很難分布(bu)均勻,很多情(qing)況都會造成(cheng)流體分布的(de)不均勻。管道(dao)上的任何變(bian)化都可能對(dui)流體造成🍉影(ying)響:如彎頭、閥(fa)門等,見圖4。而(ér)錐形流量計(jì)利用錐體對(duì)流速分布曲(qu)線進行重新(xīn)塑造,使得錐(zhui)體“整流”後的(de)流體分布均(jun)🍓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(da)錐體邊緣,因(yīn)此錐體邊緣(yuán)不會經常性(xing)地受到不潔(jie)流體的磨損(sǔn),β值可保持不(bú)變,儀表可長(zhǎng)期使🌐用而勿(wù)需重✂️新标定(dìng)。錐形流量計(ji)所産生的信(xin)号有較高的(de)穩定♍性(見圖(tu)5)。它産生的是(shì)低幅♌、高頻波(bō)動信号,而孔(kong)闆流量計産(chan)生的是高幅(fu)、低頻信号。

3、永(yǒng)久壓力損失(shī)恒定
　　由于沒(mei)有銳利的緣(yuan)口,錐形流量(liang)計引起的永(yǒng)久性壓力損(sun)失恒定且比(bǐ)孔闆的小,接(jie)近文丘裏管(guan)。同時👨‍❤️‍👨,極其穩(wěn)定🤟的信号使(shi)得差壓的量(liàng)程下限遠比(bi)一般差壓流(liu)量計的低,因(yīn)此量程得以(yi)向下限擴展(zhan),量程比可達(dá)到15∶1,可測量最(zui)高雷諾數爲(wei)5×106,最低雷諾數(shù)爲1000仍可保持(chí)信号的線性(xing)。如果⭐采用曲(qǔ)線修🥵正,在更(gèng)低的雷諾數(shu)條件♻️下㊙️仍然(rán)可測量,并可(ke)保證較好的(de)重複性。
4、無滞(zhì)留死區
　　錐體(ti)的這種“吹掃(sǎo)式”設計不存(cún)在死區,因此(ci)在錐體💔上🐆不(bu)會堆積流體(tǐ)的碎片、黏渣(zha)或雜質。
3　錐形(xing)流量計與孔(kong)闆流量計性(xing)能比較
　　通過(guo)對孔闆流量(liang)計及錐形流(liu)量計的工作(zuò)原理和結構(gou)特點的對比(bǐ),不難看出他(ta)們的具體差(chà)别如下🛀🏻。
1、精度(dù)
　　錐形流量計(jì)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(fú)性
　　由于錐體(tǐ)對流速的整(zheng)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(zhi)能依⚽靠直管(guan)段對流體整(zhěng)形,直管段整(zhěng)形隻能達到(dao)較爲接近的(de)流體完全理(li)想狀态,并且(qie)孔闆本身的(de)節流又破🙇🏻壞(huai)流體理想狀(zhuang)态,因此幹擾(rao)源多,重複性(xing)差。
3、安裝要求(qiú)
　　錐形流量計(jì)安裝要求低(di)(前0～3D、後0～1D),無論是(shì)泵、壓縮機、閥(fá)門或者彎管(guan)(一個單彎管(guan)或兩個不在(zài)一個平面上(shang)的雙彎管),對(dui)測📞量精度都(dou)沒有影響。孔(kǒng)闆流量計安(ān)裝要求高(一(yi)般📞前10D、後5D),複雜(zá)工況還要加(jia)🌍大到前20D、後5D。
4、長(zhǎng)期穩定性
　　錐(zhui)形流量計長(zhang)期穩定性好(hao)。流體流經圓(yuán)錐體無突然(ran)波動,而是🍉沿(yan)着錐形體形(xíng)成一個邊界(jiè)層,并引導流(liú)體離開錐體(ti)的後角。所以(yǐ)錐體夾角不(bu)受不清潔流(liu)體的磨損,β值(zhí)可長期🌈不變(bian),并保證長期(qī)精确測量。孔(kong)闆流量計長(zhǎng)期穩定性差(cha)。由于流體流(liú)經孔闆銳利(lì)緣口,截流産(chǎn)生高速摩擦(cā),引起孔闆口(kǒu)磨損,髒污🍉改(gǎi)變孔闆口㊙️大(dà)小,使β值發生(sheng)變化,不能保(bao)持長期精确(què)測量。
5、信号穩(wěn)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(zhuī)形流❗量計産(chǎn)生高頻低幅(fu)信号,并且信(xìn)号在錐體尾(wei)部流向中央(yang),相互抵消,因(yīn)此👉幹擾小💞。
孔(kǒng)闆流量計信(xin)号不穩定,流(liu)體流經孔闆(pǎn)後産生的😄渦(wo)‼️流✂️較🌈長,這♌些(xiē)長渦流使孔(kong)闆産生低頻(pín)高幅的信号(hao),信号幹擾大(dà)🤞,會嚴重幹擾(rǎo)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(liang)程寬,量程比(bǐ)通常爲15∶1～50∶1。錐體(ti)的流線型♈設(shè)計使壓損大(da)大減小,最小(xiǎo)可至0.06kPa,在所有(yǒu)的差壓型流(liu)👈量計中,隻有(yǒu)錐形流量計(ji)的壓損與文(wen)丘裏接近。由(yóu)于沒有銳利(li)的緣口,錐形(xing)流🏃🏻量計引起(qǐ)的永久性壓(yā)📱力損失恒⛱️定(ding)且比孔闆小(xiǎo)。同時,極其穩(wěn)定的信号使(shǐ)得差壓的量(liang)程下限遠比(bi)一般差壓型(xing)流量計的低(dī),因此量程得(dé)以向下限擴(kuo)展,雷諾數低(dī)至8000仍可保持(chi)信号線性。如(ru)果采用曲線(xiàn)修正,在更低(dī)的雷諾數下(xià)仍然可測量(liàng)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(shì)平面💘阻擋💃🏻,加(jiā)🈲上銳利的緣(yuan)口,因此壓損(sun)大,小信号波(bo)動大、幹擾♌大(dà),小量程無法(fa)測量。
7、β值範圍(wéi)和差壓
　　錐形(xíng)流量計獨特(tè)的幾何形狀(zhuàng)使其有很寬(kuan)的β值範圍。标(biao)準的🐅β值爲0.450、0.550、0.650、0.750和(hé)0.850,也可按用戶(hu)要求特定β值(zhi),以保證用戶(hu)特定的差壓(yā)輸✏️出。并且有(yǒu)較大的差壓(ya)信号,滿标尺(chǐ)差壓信号🌈從(cong)0.1kPa到幾十kPa,保證(zheng)測量的準确(que)性。
8、髒污的影(yǐng)響和維護
　　錐(zhui)形流量計無(wú)停滞區,長期(qi)免維護。錐形(xing)流線型徹底(di)吹掃式🆚設🔞計(jì)避免了流體(tǐ)中的殘渣、凝(níng)結物或顆粒(lì)的滞留,可以(yǐ)保持錐體🈲長(zhǎng)期清潔。由于(yú)錐體對流體(ti)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(jiā)速離去,故負(fù)取壓孔不🔞會(huì)污損。所以在(zai)較長的時間(jiān)内(2～3年)無須維(wéi)護清洗,可以(yǐ)保證精确測(cè)量。
孔闆流量(liang)計由于是平(píng)面阻擋,髒污(wu)容易堆積,一(yī)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(liǎng)相介質(濕氣(qi))
　　對濕氣(氣體(ti)中含有水分(fen))的流體測量(liàng)始終是流量(liang)測量中的一(yi)個難點。錐形(xíng)流量計采用(yong)獨特的錐體(ti)設計📱,使氣💜體(tǐ)中所含有的(de)大部分水分(fen),沿錐體從管(guan)道中央溫度(du)較高的地方(fāng)向周圍溫度(dù)較低的地方(fāng)快速移動,産(chǎn)生的凝露沿(yan)錐體向管道(dao)底部下滴。由(yóu)于錐體對流(liú)👄體整形,加速(sù)了管壁流體(tǐ)的流速,水分(fen)🌈也快速通過(guo),不會在取壓(ya)口産生大量(liàng)凝露。所以氣(qi)體含有少量(liàng)水分對錐形(xíng)流量計取🌐壓(ya)口産生的幹(gan)擾信号少,提(tí)高了測🐕量準(zhun)确性。通常要(yào)求氣體中含(han)🈲水量不超💘過(guo)5%爲好,最大不(bú)超過💜10%。
　　孔闆對(dui)流體産生阻(zǔ)擋,在孔闆中(zhōng)央産生滴露(lu),同時👈管💯壁流(liu)體受到阻擋(dang),流速減慢,正(zhèng)取壓口附近(jìn)産生🙇🏻的凝露(lu)會影響🆚取壓(yā)🍉信号;流體流(liu)經孔闆後,産(chǎn)生的渦流向(xiàng)管壁作波動(dòng)性發散,會⭐影(yǐng)響負🧑🏽‍🤝‍🧑🏻取壓口(kǒu)取壓信号。因(yīn)此🈲,濕氣對孔(kǒng)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(yin)此,孔闆及其(qí)他方式測量(liàng)濕氣往往難(nán)以達到預期(qi)的效果。
10、錐形(xing)流量計安裝(zhuang)調試注意事(shi)項
　　每台錐形(xing)流量計上均(jun1)有箭頭指示(shi)流體流過設(she)備⛷️的方向,高(gāo)壓孔位于上(shang)遊,低壓孔位(wei)于下遊,在安(ān)裝🌈差壓變送(song)器前需确認(rèn)高壓孔的具(jù)體位置。
4　孔闆(pan)與錐形流量(liàng)計的壓損和(he)精度
已知條(tiáo)件:
被測流體(tǐ)　　　　　　　工藝風
流量(liang)(标準狀況)??????? Q20max=5750m3/h,
Q20com=4950m3/h,
Q20min=2500m3/h
工(gōng)作壓力　　　　　　　p1=3MPa
工作(zuo)溫度　　　　　　　t1=40℃
相對濕(shi)度　　　　　　　φ=0
管道内徑(jing)　　　　　　　D20=300mm
管道材質　　　　　　　15碳(tàn)鋼,無縫管
有(you)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(yú)表1。

從表1可看(kan)出:孔闆流量(liang)計的壓損要(yao)遠大于錐形(xing)流量計⭐,而精(jīng)🛀🏻度也不及錐(zhui)形流量計的(de)高。
5　結束語
　　該(gāi)錐形流量計(jì)自開車以來(lai),一直運行較(jiào)好,不僅解決(jué)了設計過程(chéng)中遇到直管(guan)段短,普通流(liu)量儀表難以(yi)檢測的問題(ti)㊙️,同時也提📞高(gao)了測量精度(dù),由原來的1.25%提(tí)高到💯0.5%,壓損由(yóu)⭕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(gao),建議在重要(yao)場所或不能(neng)有壓損的地(di)方使用。

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