一種新式差壓流量計的設(shè)計與應(yīng)用

上海上自儀公司分析了影響蒸汽流量準(zhǔn)確計量的主要因素，上海上自儀公司介紹了傳統(tǒng)的蒸汽流量計如孔板流量計和渦街流量計的使用局限性，詳細(xì)介紹了一種基于皮托管原理的新式差壓式流量計的設(shè)計原理、結(jié)構(gòu)特點及其標(biāo)定方法，通過實例給出了典型蒸汽工況下選擇流量計的考慮因素，以及應(yīng)用這種新式差壓式流量計的選型和計算過程。

引言

目前世界能源日益枯竭，節(jié)能降耗已成為能源利用的一致訴求。對在能源領(lǐng)域占有重大比重的蒸氣進(jìn)行準(zhǔn)確計量，對于進(jìn)節(jié)能降耗、提高產(chǎn)品質(zhì)量和企業(yè)能源管理水平起著關(guān)鍵的作用。蒸汽是一種特殊的汽液兩相流動的介質(zhì)，它隨著溫度和壓力的變化，性質(zhì)會發(fā)生變化。由鍋爐產(chǎn)生的蒸汽是飽和濕蒸汽，其蒸發(fā)速度等于冷凝速度，是工業(yè)上較好的熱源。蒸汽不同于其他流體如水、空氣等介質(zhì)，其流量測量難度較大，在實際測量中影響其精確測量的因素較多，因此經(jīng)常會出現(xiàn)流量計本身檢定合格，而實際卻感覺計量“不準(zhǔn)”的現(xiàn)象。影響蒸汽流量準(zhǔn)確計量的因素主要有以下３方面：一是實際蒸汽流量低于流量計的可精確計量的非常小流量，即量程比不足引起的小流量時測量不準(zhǔn)；二是流量計上下游安裝的直管段不足，存在流動擾動；三是蒸汽的密度補償不正確，蒸汽的溫度和壓力的變化會引起密度的變化［１］。

１蒸汽測量儀表的選擇

目前蒸汽流量測量大部分采用速度式測量方式，測量得到的是體積流量，若要得到質(zhì)量流量，必須由積算儀進(jìn)行實時的換算。測量蒸汽流量的一次儀表的選擇主要集中在孔板流量計和渦街流量計上，但這２種流量計在測量蒸汽工況時，都存在一定的局限性，選型使用時需要考慮其影響。

１．１孔板流量計

孔板流量計是一種差壓式流量計，其通過在管道中插入一塊開有小孔的節(jié)流元件來限制流動，流體流經(jīng)一個收縮截面，產(chǎn)生一定的壓差。為了測量流體流動時產(chǎn)生的壓差，在孔板的上下游開有壓力感應(yīng)孔，壓力感應(yīng)孔與二次儀表（差壓變送器）相連。孔板流量計測得的質(zhì)量流量與差壓的關(guān)系用式（１）來確定：式中：ｑｍ為質(zhì)量流量（ｋｇ／ｓ）；Ｃ為流出系數(shù)；β為直徑比，β＝ｄ／Ｄ；Ｄ為管道內(nèi)徑（ｍ）；ε為可膨脹系數(shù)；ｄ為工作條件下節(jié)流件的開孔直徑（ｍ）；Δｐ為差壓（Ｐａ）；ρ１為節(jié)流件正端取壓口平面上的流體密度（ｋｇ／ｍ３）。

式（１）中，β為常數(shù)，流量示值與ρ１密切相關(guān)，而蒸汽工況的變化，必然使ρ１產(chǎn)生相應(yīng)的變化，因此對差壓進(jìn)行測量的同時，必須對密度進(jìn)行補償。飽和蒸汽的密度變化與其壓力或溫度成正比關(guān)系，在實際應(yīng)用系統(tǒng)中，常用測量點附近的流體溫度、壓力，經(jīng)查表和計算后求得相應(yīng)的密度，與差壓變送器產(chǎn)生的信號一起輸出至積算儀，以求得瞬時質(zhì)量流量。孔板流量計結(jié)構(gòu)簡單，能適用于各種均勻的、單一狀態(tài)的氣體、液體或蒸汽，且適用溫度區(qū)域廣。但其缺點也較為明顯，一是測量范圍窄（量程比僅為１∶３～１∶５），在小流量條件下容易計量不準(zhǔn)，主要原因是引壓管線較長，很容易產(chǎn)生幾十帕的差壓疊加到孔板產(chǎn)生的差壓，導(dǎo)致非常終測量數(shù)據(jù)失真；二是壓力損失大（根據(jù)經(jīng)驗，通常為０．５倍差壓），輸出能耗效率較低；三是安裝長度要求較高，為了保證精度，必須保證上下游至少有１０Ｄ和５Ｄ的直管段。另外，當(dāng)測量蒸汽流量時，由于水錘的作用，孔板可能會變形，會堵塞管道，影響測量精度，因此需要經(jīng)常維護和檢定。

１．２渦街流量計

渦街流量計（旋渦流量計）是根據(jù)卡門（Ｋａｒｍａｎ）渦街原理生產(chǎn)的體積流量計，即流體雷諾數(shù)在一定范圍內(nèi)，其輸出只與體積流量成反比。其特點是壓力損失?。ㄖ挥锌装辶髁坑嫷模保担?，量程范圍大（量程比可達(dá)１∶２０），精度高，在測量工況體積流量時幾乎不受流體密度、壓力、溫度、黏度等參數(shù)的影響。由于測量部分無可動部件，其工作可靠高，壽命長，維護量少。盡管渦街流量計克服了壓損大和量程比小的影響，但在測量蒸汽流量時仍有一定局限性，一是其在流速較低時，不產(chǎn)生旋渦，流量計讀數(shù)偏低甚至為零，計量會不準(zhǔn)；二是由于是采用渦街發(fā)生（自激振蕩）原理進(jìn)行測量，對周圍環(huán)境振動較為敏感，振動會引起誤差；三是安裝條件較苛刻，上游需要至少１５Ｄ的直管段。另外，以目前的材料技術(shù)和生產(chǎn)水平，所測量流體的溫度不宜高于４００℃，一般選擇在３００℃以下較為合適。

２基于皮托管原理的新式差壓流量計

２．１皮托管流量測量原理

皮托管插入式流量計屬于點流速計型插入式流量計，其基本結(jié)構(gòu)如圖１所示，是根據(jù)插于管道中的測量頭所測流速，依據(jù)管道內(nèi)的流速分布與傳感器的幾何尺寸等計算出管道內(nèi)的流量。一次原件直接提取管道內(nèi)流體中心流速，再換算成流體體積流量與質(zhì)量流量的差壓式流量計。

皮托管是由２根同心圓管組成，內(nèi)管前端敞開，外管前端封閉，但管側(cè)壁在距前端一定距離處開有一些小孔［４］。將傳感器插入管道中心，迎面測壓孔測量的是總壓，與總壓管相連通，引出總壓信號，背面測壓孔測量的是靜壓，與靜壓管相，引出靜壓信號，２個壓力信號分別與差壓變送器“＋”“－”端相通，傳感器探頭產(chǎn)生的差壓信號，由差壓變送器進(jìn)行測量，然后進(jìn)入流量積算儀或ＤＣＳ系統(tǒng)進(jìn)行處理，得到流量信號。和孔板流量計一樣，對于密度受溫壓變化的蒸汽流體，還要進(jìn)行溫度、壓力修正補償，將溫度與壓力信號、差壓信號及流量系數(shù)等一同輸入智能積算儀中進(jìn)行運算后，顯示相關(guān)數(shù)據(jù)。流量計算的基本公式為：式中：ｑｖ為流體的體積流量（ｍ３／ｓ）；ｖｐ為介質(zhì)在管道內(nèi)各點流速的平均值（ｍ／ｓ）；Ｓ為管道內(nèi)的橫截面積（ｍ２）；ｋ為流量計的修正系數(shù)。對于點流速計式插入式流量計，流量系數(shù)ｋ是決定儀表計量精度的關(guān)鍵參數(shù)。它是指通過節(jié)流裝置的實際流量值與理論流量值之比，將它應(yīng)用到理論流量方程中以獲得實際的流量。對于皮托管式差壓流量計，該值的計算式是以大量實驗所確定的數(shù)值為依據(jù)，與傳感器探頭的速度分布系數(shù)和風(fēng)洞系數(shù)有關(guān)，并以標(biāo)準(zhǔn)的形式給出。

２．２新式差壓式流量計的設(shè)計

２．２．１傳感器防堵塞

新式差壓式流量計對傳統(tǒng)的皮托管測量頭進(jìn)行了改進(jìn)，探頭部分采用開放式的取壓孔結(jié)構(gòu)，Ｖ字型的斜面能夠有效的防堵，流量計從管道上部垂直向下安裝，流體流動時在總壓孔前部形成高壓區(qū)，撞擊在取壓孔上的固體塵粒受自身重力作用自然下落，從原理上解決了傳感器堵塞的問題，能長時間保持測量精度。新式差壓式流量計探頭形式。

２．２．２測量精度高

由于新式差壓式流量計的傳感器測出的是管道中心點的介質(zhì)流速，不能直接作為平均流速進(jìn)行流量計算，必須依據(jù)專用數(shù)據(jù)庫進(jìn)行修正。該數(shù)據(jù)庫通過對不同管道狀態(tài)下的流速分布建成無數(shù)實驗?zāi)Ｐ?，其中包括各種介質(zhì)、壓力、溫度下的補償，以及管道直管段不足情況下的實驗修正值，從而確保測量數(shù)據(jù)準(zhǔn)確。

２．２．３壓力損失小

傳感器探頭截面積很小，幾乎無壓力損失，運行成本大大減少，與孔板流量計相比，具有明顯的節(jié)能效果。該新式差壓式流量計可以逐臺設(shè)計校驗，壓力損失僅為０．０３倍差壓，在相同的差壓下，經(jīng)過計算，該流量計與孔板流量計的能耗比約為１∶１６。

２．２．４安裝方便

安裝時只需在管道合適的位置（直管段來流方向７０％處），開一個適當(dāng)?shù)目?，把傳感器的頭部插到管道中心即可，對有些工況還可實現(xiàn)帶壓在線安裝。由于傳感器屬于差壓式測量原理，本身無需維護，只需按計量器具定期檢定要求，對差壓變送器進(jìn)行零點和滿度校驗，以及二次表輸入相應(yīng)的電流進(jìn)行檢驗即可。

２．２．５直管段要求短

不同于孔板流量計和渦街流量計對安裝條件的嚴(yán)苛性，該新式差壓式流量計僅需要非常短前直管段３Ｄ。若不滿足此條件，也可根據(jù)現(xiàn)場管段長度進(jìn)行現(xiàn)場實標(biāo)，保證測量的準(zhǔn)確度。

２．３系統(tǒng)構(gòu)成

新式差壓式流量計測量蒸汽流量的系統(tǒng)構(gòu)成。

１）傳感器的總、靜壓接口處各安裝一個截止閥，安裝此閥的目的是為了在必要時，隔離傳感器和差壓變送器等儀表，可以在線維修校驗。

２）該新式差壓式流量計與其他差壓式流量計相比，其突出特點在于其中的“一體化冷凝罐”。冷凝罐的作用是使導(dǎo)壓管內(nèi)被測量的蒸汽冷凝成水，并充滿導(dǎo)壓管內(nèi)，使高溫蒸汽與變送器隔離，達(dá)到保護變送器的目的。２個冷凝罐亦須處于同一水平上，使正、負(fù)導(dǎo)壓管中冷凝液面有相等高度及保持長期穩(wěn)定，保證測量精度。

３）在差壓變送器前安裝一個三閥組，用于保護差壓變送器，并起到使總、靜壓平衡，達(dá)到調(diào)零的功能。

２．４流量計的標(biāo)定

流量計的標(biāo)定技術(shù)和設(shè)備是保證流量計計量準(zhǔn)確的重要環(huán)節(jié)。根據(jù)ＪＪＧ５１８《皮托管檢定規(guī)程》，風(fēng)洞試驗是對皮托管流量計流體測量校驗的非常有效手段，標(biāo)準(zhǔn)皮托管安裝在風(fēng)洞工作段的一側(cè)，被檢皮托管安裝在另一側(cè)。標(biāo)準(zhǔn)皮托管和被檢皮托管的總壓孔應(yīng)處于風(fēng)洞工作段同一截面上，且必須對準(zhǔn)氣流來向。針對上述新式差壓式流量計，設(shè)計了流量計專用閉口直流式風(fēng)洞設(shè)備，如圖４所示，對流量計各項性能指標(biāo)進(jìn)行檢測。需校驗的傳感器放入風(fēng)洞中，設(shè)定不同的風(fēng)速（范圍０～１００ｍ／ｓ），將流量計的設(shè)計流量與風(fēng)洞的標(biāo)準(zhǔn)流量進(jìn)行校驗對比，根據(jù)取得的數(shù)據(jù)對流量計進(jìn)行修正，進(jìn)一步提高流量計質(zhì)量，保證流量計精準(zhǔn)。

３應(yīng)用實例

某海上熱采平臺３英寸（Ｄ＝０．０８ｍ）蒸汽管道設(shè)計溫度４００℃，設(shè)計壓力１９．５ＭＰａ，流量范圍為ｑｍ＝１０～１８ｔ／ｈ，介質(zhì)黏度ｖ＝０．０６ｃＰ，允許壓力損失１０ｋＰａ。工況溫度為３５７℃，工況壓力為１８．１ＭＰａ，查表得工況下蒸汽密度為９０．９４ｋｇ／ｍ３。經(jīng)研究和初步計算，孔板流量計壓損較大，約為５０ｋＰａ，不滿足上述壓損要求；渦街流量計不適用于４００℃高溫。因此，擬選擇皮托管式新式差壓式流量計，下面將根據(jù)工況和流量范圍進(jìn)行差壓變送器的選擇和壓力損失的驗證。

該流量計采用風(fēng)洞標(biāo)定裝置，其流量系數(shù)根據(jù)雷諾數(shù)、速度分布系數(shù)α＝０．８５８和風(fēng)洞系數(shù)γ＝０．８５確定。流量系數(shù)Ｋ＝α×γ＝０．８５８×０．８５＝０．７２９。非常大流量中心流速：

選擇羅斯蒙特３０５１ＤＰ２Ａ系列差壓變送器，量程為－６２．２～６２．２ｋＰａ。

４：上海上自儀公司介紹的新式差壓式流量計較好地克服了傳統(tǒng)的孔板流量計和渦街流量計測量蒸汽時的壓力損失大、量程比小和溫度適用范圍窄等缺點。該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的組成和嚴(yán)格的標(biāo)定流程進(jìn)一步提高了測量精度，是既達(dá)到工藝要求，又具有高可靠性、低造價的蒸汽流量計量系統(tǒng)。選用合適的蒸汽測量儀表不僅能節(jié)約能源，還從根本上提高了企業(yè)的經(jīng)濟效益。