摘要:以环形孔板为流量检测件的新型仪表一环形孔板流量计 ,已经在冶金、石化、采油、化工、电力等行业得到了成功应用。将环形孔板流量计与标准孔板流量计、V形锥流量计进行性能比较介绍了环形孔板流量计在典型环境中的应用说明了环形孔板的原理和特点最后从理论和实践两个方面证明了环形孔板流量计良好的测量性能。
0引言
节流装置是利用测量管内流通面积的改变使流动的流体产生静压力差的一类流量仪表"。尽管流量仪表的种类有近百种但节流装置依然是用量最大的仪表种类之一。
环形孔板节流装置是对美国1939年-项发明的创新性改进.近年来,环形孔板在高炉煤气、焦炉煤气混合煤气、转炉煤气、水煤气、半水煤气、天然气、循环冷却水、工业废水、过热蒸汽热空气、伴生气和烟气等介质的流量测量中获得了成功应用在解决防堵塞、防堆积、耐高温防变形、耐腐蚀等方面优势明显。
1工作原理
标准孔板的最小流通截面是孔板中心的圆孔流体通过时因流通面积的突然减小而加速流体绕过孔板入口边缘时产生的边界层是圆柱形。环形孔板的最小流通截面是测流板的外缘和管内壁形成的圆环流体通过时因流通面积的突然减小而加速流体绕过测流板入口边缘时产生的边界层也是圆柱形与标准孔板对流体产生阻力的机理是相近的。因此孔板或测流板对流体造成的阻力系数是也相近的这就使两者有可能具有相近的流出系数。
环形孔板与标准孔板的区别是:标准孔板的最;小流通面是与管轴线同轴的圆,环形孔板的最小流通面是与管轴线同轴的圆环从流场的对称性考虑,两者都优于圆缺孔板和偏心孔板;另一方面环形孔板把中间流速高、靠近管壁处流速低的流动模式强制变成了测流板附近的“靠近管壁处流速高、中间流速低”的流动模式相当于流场的二次分配进入环形孔板的.上游流场如果因.上游局部阻力件的干扰产生了畸变(即不再轴对称)在二次分配时就会因“均化”的趋势恢复成轴对称就像没有受到局部阻力的干扰似的'5]。
节流装置的原理是依据伯努利方程和流体连续性方程'，经过单位换算,环形孔板的基本方程式为:
式中: qm为流体的质量流量,kg/h; C为流出系数经过流量或抽样标定、几何尺寸检查即可得知; ε为可膨胀性系数,对于液体ε=1;β=d,/D为直径比其中d,为工作条件下节流件最小截面处的等效流通直径,mm;D为工作条件下仪表测量管的内径,mm;ΔP为从节流件上、下游取压口处测取的差压,kPa;ρ为仪表安装处.上游段工作条件下的流体密度,kg/m3
由此可见环形孔板的基本方程式与一般节流装置的基本方程式是相同的,所不同的是取压方式和流出系数。由于环形孔板不是标准孔板故在样机试验时必须进行流体实流标定在获得流出系数与产品结构的相互关系并且取得足够多的数据以后才有可能采取抽样标定。
2产品的特点
环形孔板节流装置的特殊结构决定了它具有许多特点这些特点不但有理论根据而且已通过现场使用效果证明。其主要特点如下。
①结构牢固、性能稳定.工作可靠基本上是“免维护仪表”。
②仪表本体是一段直的测量管内壁经过加工,精度高、安装误差(偏心、密封垫片伸入管道等)对仪.表的测量几乎没有影响;节流件和测量管内壁都是形状简单的圆形容易达到较高的尺寸精度、较严的.形位公差利用“干式标定”就能获得流出系数离散度小。因此,实际使用精度比标准.孔板高。
③流体进入仪表本体后经过测流板的突然阻挡被强制再分配并均化了流体进入时的畸变通过环孔节流再加_上“均压环”取压装置使得进入差压变送器的测量值(差压)很少受.上游局部阻力的影响。例如在-一个直角弯头的下游有3D长度的前直管即可满足要求在一个收缩接头的下游有0. 5D长度的前直管即可满足要求['5 -7]
④环形孔板节流装置不但可以测量一般流体的流量还可以测量含杂质的流体流量。因为检测件结构形式与标准孔板有本质不同，最小流通面是紧贴管内壁的圆环而标准孔板最小流通面是处于管中心的同心圆。流体中的杂质流速较低,一般是紧贴着管壁边流动在标准孔板的附近杂质流得更慢很容易沉淀堆积导致取压口堵塞影响测量精度即使是圆缺孔板或偏心孔板,也避免不了这种故障'7-8]。然而对于环形孔板流量计流体中的杂质会随着主流一-起高速通过最小流通截面(环隙)不容易堆积在测流板附近,取压口远离滞流区不容易堵塞,且采取了多个取压口(冗余设计)并联在均压环上只.有全部堵死才会失效这就加大了检修周期。此外在“防堵型环形孔板流量计”的均压环.上与取压口正对着的管壁处设有“堵头”或排污球阀,可定期旋开排污或用捅条疏通杂物。对含尘量更大的流体,可以选带隔离膜片的差压变送器使堵塞的可能性更小。在测量焦炉煤气等含有黏附物的流体时,可以选带有“清污窗口”的防堵型流量计定期打开窗口、彻底清理测流板附近的黏附物。
⑤检测件一 “测流板”的周边无约束可以自由热膨胀在高温流体中测流板尺寸的变化可以计算出来能保持关键部位一测流板外沿的形状和尖锐度,因而流出系数不变。对于标准孔板其周边受法兰的强力约束高温下的膨胀量只有伸向板内孔边缘本应是尖锐直角的入口边缘却变成了喇叭口,改变了流出系数从而产生较大误差由此可见本产品适用于测量高温流体的流量。
⑥采用标准孔板测量过热蒸汽、饱和蒸汽的流量停汽时形成的冷凝水会堆积在孔板的两侧再次通汽时必须把这些冷凝水带走,否则可能引起水锤现象还会产生测量误差。若采用不可能产生这些问题。因此,适用于测量水蒸汽的流量。
⑦对高压流体电力行业为确�？煽啃猿２捎弥苯雍附臃绞�,高压型适合这种场合,工作可靠而且成本比标准孔板低。
⑧对于腐蚀性流体不但要求检测件材质耐腐蚀而且还要求防堵(因为流体中常有杂质)。若采用标准孔板或圆缺孔板除了容易堵塞取压口以外耐高压问题也无法解决(因为通常采用塑料制作法兰和环室不耐高压)。若采用防腐型环形孔板流量计可在法兰与测量管内壁内衬塑料或者搪瓷既耐腐又耐压,可以测量较高压力下腐蚀流体的流量。
⑨对于易结晶、易粘附的流体需要在仪表检测件附近采取措施以防止温度的降低而引起的结晶或粘附。对此可采用夹套型环形孔板流量计夹套可内通蒸汽或采取电伴热措施。若采用标准孔板则不容易采取这些措施。
对于高温流体如热风为了减少流程管道的热扩散损失常常在管内壁衬耐热保温层或在流量计本身内衬隔热材料。如果采用标准孔板则结构设计难度大、成本较高;如果采用环形孔板流量计则较容易实现。
3环形孔板和V形锥流量计的比较
比较环形孔板和V形锥这两种流量计的结构两者具有以下相同点和不同点。
①两者都属于“环形通道”型都具有自清洁功能和流束自动调整功能,因此都可以使用在现场直管段长度不足、流体中含有杂质的场合[1。
②两者都是基于流体伯努利方程理论,因此流量都与差压信号的平方根成正比，也就是说流量量程的大小与差压变送器的量程有关。如果采用带数字通信功能的差压变送器,都可以达到大于10倍的量程比10。
③两者都带一段测量短管可以和现场流程管道用法兰连接或直接对焊安装误差(内径不等造成的凸台或者偏心、密封垫圈突入管内)对测量精度的影响小。
④V形锥流量计和环形孔板流量计在开孔比(B)相同的情况下前者差压信号小因而压力损失小、能耗小更适合测大流量液体介质或气体介质而后者更适合测小流量气体介质或液体介质。
⑤V形锥流量计的检测元件是锥体,锥角的大小、锥体最大截面处的轴向长度以及下游取压口的位置等参数直接影响流量计的流出系数[3] ,目前各个厂家尚未统一仍按 “逐台实流标定”的原则。有的生产厂家没有标定设备或者不愿意花标定费而采用估算的流出系数但这样无法确定实际精度"。
⑥环形孔板节流装置具有标准孔板节流装置的结构特征即几何形状简单容易正确复制、实现几何相似在流动的最小截面处流体和阻流之间的边界层尺寸很小因此流体受到的阻力在达到稳定的紊流状态以后与流体的雷诺数基本无关'5]。边界层与阻流体(标准孔板的板片或环形孔板的测流板)之间的分离点是固定的因此在很宽的雷诺数变化区间内的流出系数是稳定的。原理.上环形孔板与标准孔板都具有很宽的测量范围这些相似点预示着环形孔板有可能和标准孔板那样被标准化成为又一种“量大面广”的仪表。但在没有“标准化”之前采用抽样标定的办法同样可以使流量计达到1级精度(如果单台标定,同样可以达到0.5级)既能满足大多数用户的要求,又能大大降低成本。.
⑦V形锥流量计下游取压口的位置-般在锥体的尾部这里是杂质聚集区杂质很容易进入下游取压管内部。由于下游取压管较长且有拐角不易清理所以V形锥流量计并不适用于脏污流体。而环形孔板节流装置的取压口开在管壁上不易堵塞即使堵塞也容易清理。大量实践证明对1939年初级阶段环形孔板进行实质性改进后的环形孔板能够在脏污流体中可靠工作。
从上述比较中不难发现这两种流量计都属于节流装置各有利弊应根据实际情况合理挑选使用两者适用的范围如下。
①V形锥流量计压力损失较小但是流出系数较大同样流量时差压(即流量信号)较小适用于大流量;环形孔板流量计正好相反适用于小流量。
②V形锥流量计的检测件是锥体体积较大,脏污物易粘附在锥体上不易清理而环形孔板的检测件是块薄板脏污物粘附不多且易清理更适合在脏污流体或混相流体(如伴生气、焦炉煤气、油品)中使用“。
当前流量仪表的技术交流平台对V形锥流量计关注较多过多地强调了它的优点(如量程比大、精度高等)在不适宜的场合(如脏污流体、黏稠液体)也推荐它这会对V形锥流量计的推广产生负面影响。相反对环形孔板流量计的推广宣传尚显不足。
4典型应用场合及 其注意事项
环形孔板流量计的典型应用场合及注意事项简要说明如下。
①在焦炉煤气、半水煤气等脏污介质中的应用这-类流体介质中含有粉尘、焦油、萘、硫化物、水等物质使用热式流量计等插入式仪表常常发生介质沾污检测元件的情形"。在仪表结构方面环形孔板流量计采用均压环和多个取压口设计在均压环上与取压口相对的地方焊接一段与取压管相同内径的排污管并连接1个球阀清污时打开球阀排污或者在停气时用捅条疏通，也可以在不停气时采用顶杆插入均压环清理取压管。
②在油田伴生气等混相流体中的应用伴生气常常含有- -些油品在管道底部流动以体积论其大小，可以忽略不计。如果采用标准孔板它会堆积在孔板的上游侧.且越积越多最终占据板片下部.形成月牙形“堰塞湖”从而导致孔板上游侧管道的有效流通面积减少大大降低测量精度。如果采用环形孔板流量计环隙流通面使油品随时流走、不会堆积,不影响测量精度。因此环形孔板流量计非常适合油田伴生气的流量测量。
③在过热蒸汽、饱和蒸汽等介质中的应用这一类流体介质常常会出现停汽现象,由于热量散失,一部分蒸汽变成冷凝水。当使用标准孔板时由于板片边缘的阻挡(有的孔板.上开有疏液孔,但由于孔太小、几乎不起作用)冷凝水积存在管道的底部,在恢复通汽时被蒸汽夹带着流过孔板引起两相流而导致不能准确计量甚至有可能发生水锤现象损坏管件。若使用环形孔板冷凝水随时可以从环形孔板的边沿流走不会堆积在孔板附近因此也就不会产生计量误差。
环形孔板流量计在各类企业的蒸汽管路，上都有应用均满足用户需求。需要注意的是环形孔板应安装在垂直管道上以保证流体是从下往.上流动差压变送器在现场调零时要考虑环形孔板两个取压口之间的距离产生的零点偏移。
④在天然气输送管路中的应用这一类介质的压力较高流量范围较宽。采用配备的HART协议智能差压变送器流量量程可以达到10: 1能够满足需要。
⑤在冷却循环水等脏污液体介质中的应用工业过程中往往要用循环水进行冷却冷却水一般都比较脏且可能含有铁锈电磁流量计易受铁磁性物质的影响读数不够稳定。
若使用文丘里管仪表的体积太大安装困难(循环水管道一般铺设在地下仪表安装在地沟里仪表体积过大会给施工和维修带来不便)。
若使用就不会产生此类问题,目前已有数百台环形孔板流量计在此介质中获得了成功应用。
⑥在高炉热风流量测量中的应用炼铁高炉要送热风热风炉离高炉一般比较近,且弯头较多。过去使用标准孔板,因直管段不够长而产生较大误差。因为有均压环和多个取压口故.使用2D长的前直管段即可。已经在百余座热.风炉上安装使用运行情况良好。
5结束语
环形孔板流量计的测量原理及其特点在结构及性能方面与标准孔板和V形锥流量计做了比较并结合近些年来在现场的应用情况介绍了该产品在典型环境中的应用。环形孔板在外形结构和取压口设置上均做了大量的技术改进并在流体实验室做了大量的试验。试验证实了该结构具有压损小、差压信号强、测量精度高、耐脏污等特点特别适合大口径、脏污流体的流量计量。
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