環形孔板流量計的特點和應用

林福成 沈新建 翟小金 邵朋誠

(開封儀表有限公司，河南 開封 475002)

0 引言

節流裝置是利用測量管內流通面積的改變使流動的流體產生靜壓力差的一類流量儀表[1]。盡管流量儀表的種類有近百種，但節流裝置依然是用量最大的儀表種類之一。

本文介紹的環形孔板節流裝置是對美國1939年一項發明的創新性改進(主要是對取壓方式進行了改進)，此發明已分別于1992年、1998年兩次在本質上被進行了改進，均取得了國家實用新型專利。近年來，環形孔板在高爐煤氣、焦爐煤氣、混合煤氣、轉爐煤氣、水煤氣、半水煤氣、天然氣、循環冷卻水、工業廢水、過熱蒸汽、熱空氣、伴生氣和煙氣等介質的流量測量中獲得了成功應用，在解決防堵塞、防堆積、耐高溫防變形、耐腐蝕等方面優勢明顯[2]。

1 工作原理

標準孔板的最小流通截面是孔板中心的圓孔，流體通過時因流通面積的突然減小而加速，流體繞過孔板入口邊緣時產生的邊界層是圓柱形。環形孔板的最小流通截面是測流板的外緣和管內壁形成的圓環，流體通過時因流通面積的突然減小而加速，流體繞過測流板入口邊緣時產生的邊界層也是圓柱形，與標準孔板對流體產生阻力的機理是相近的。因此，孔板或測流板對流體造成的阻力系數是也相近的，這就使兩者有可能具有相近的流出系數[3－4]。

環形孔板與標準孔板的區別是:標準孔板的最小流通面是與管軸線同軸的圓，環形孔板的最小流通面是與管軸線同軸的圓環，從流場的對稱性考慮，兩者都優于圓缺孔板和偏心孔板;另一方面，環形孔板把中間流速高、靠近管壁處流速低的流動模式強制變成了測流板附近的“靠近管壁處流速高、中間流速低”的流動模式，相當于流場的二次分配，進入環形孔板的上游流場如果因上游局部阻力件的干擾產生了畸變(即不再軸對稱)，在二次分配時就會因“均化”的趨勢恢復成軸對稱，就像沒有受到局部阻力的干擾似的[5]。

節流裝置的原理是依據伯努利方程和流體連續性方程[5－6]。經過單位換算，環形孔板的基本方程式為:

式中:qm為流體的質量流量，kg/h;C為流出系數，經過流量或抽樣標定、幾何尺寸檢查即可得知;ε為可膨脹性系數，對于液體ε=1;β=db/D為直徑比，其中，db為工作條件下節流件最小截面處的等效流通直徑，mm;D為工作條件下儀表測量管的內徑，mm;ΔР為從節流件上、下游取壓口處測取的差壓，kPa;ρ1為儀表安裝處上游段工作條件下的流體密度，kg/m3。

由此可見，環形孔板的基本方程式與一般節流裝置的基本方程式是相同的，所不同的是取壓方式和流出系數。由于環形孔板不是標準孔板，故在樣機試驗時必須進行流體實流標定，在獲得流出系數與產品結構的相互關系，并且取得足夠多的數據以后，才有可能采取抽樣標定。

2 產品的特點

環形孔板節流裝置的特殊結構決定了它具有許多特點，這些特點不但有理論根據，而且已通過現場使用效果證明。其主要特點如下。

①結構牢固、性能穩定、工作可靠，基本上是“免維護儀表”。

②儀表本體是一段直的測量管，內壁經過加工，精度高、安裝誤差(偏心、密封墊片伸入管道等)對儀表的測量幾乎沒有影響;節流件和測量管內壁都是形狀簡單的圓形，容易達到較高的尺寸精度、較嚴的形位公差，利用“干式標定”就能獲得高精度，流出系數離散度小。因此，本儀表的實際使用精度比標準孔板高。

③流體進入儀表本體后經過測流板的突然阻擋，被強制再分配，并均化了流體進入時的畸變，通過環孔節流再加上“均壓環”取壓裝置，使得進入差壓變送器的測量值(差壓)很少受上游局部阻力的影響。例如，在一個直角彎頭的下游，有3D長度的前直管即可滿足要求，在一個收縮接頭的下游，有0.5D長度的前直管即可滿足要求[5－7]。

④環形孔板節流裝置不但可以測量一般流體的流量，還可以測量含雜質的流體流量。因為本產品的檢測件結構形式與標準孔板有本質不同，本產品最小流通面是緊貼管內壁的圓環，而標準孔板最小流通面是處于管中心的同心圓。流體中的雜質流速較低，一般是緊貼著管壁邊流動，在標準孔板的附近，雜質流得更慢，很容易沉淀堆積，導致取壓口堵塞，影響測量精度，即使是圓缺孔板或偏心孔板，也避免不了這種故障[7－8]。然而對于環形孔板流量計，流體中的雜質會隨著主流一起高速通過最小流通截面(環隙)，不容易堆積在測流板附近，取壓口遠離滯流區，不容易堵塞，且采取了多個取壓口(冗余設計)并聯在均壓環上，只有全部堵死才會失效，這就加大了檢修周期。此外，在“防堵型環形孔板流量計”的均壓環上與取壓口正對著的管壁處設有“堵頭”或排污球閥，可定期旋開排污或用捅條疏通雜物。對含塵量更大的流體，可以選帶隔離膜片的差壓變送器，使堵塞的可能性更小。在測量焦爐煤氣等含有黏附物的流體時，可以選帶有“清污窗口”的防堵型流量計，定期打開窗口、徹底清理測流板附近的黏附物。

⑤本流量計的檢測件——“測流板”的周邊無約束，可以自由熱膨脹，在高溫流體中測流板尺寸的變化可以計算出來，能保持關鍵部位——測流板外沿的形狀和尖銳度，因而流出系數不變。對于標準孔板，其周邊受法蘭的強力約束，高溫下的膨脹量只有伸向板內孔邊緣，本應是尖銳直角的入口邊緣卻變成了喇叭口，改變了流出系數，從而產生較大誤差，由此可見，本產品適用于測量高溫流體的流量。

⑥采用標準孔板測量過熱蒸汽、飽和蒸汽的流量，停汽時形成的冷凝水會堆積在孔板的兩側，再次通汽時必須把這些冷凝水帶走，否則可能引起水錘現象，還會產生測量誤差。若采用本產品，就不可能產生這些問題。因此，本產品適用于測量水蒸汽的流量。

⑦對高壓流體，電力行業為確保可靠性常采用直接焊接方式，本產品的高壓型適合這種場合，工作可靠，而且成本比標準孔板低。

⑧對于腐蝕性流體，不但要求檢測件材質耐腐蝕，而且還要求防堵(因為流體中常有雜質)。若采用標準孔板或圓缺孔板，除了容易堵塞取壓口以外，耐高壓問題也無法解決(因為通常采用塑料制作法蘭和環室，不耐高壓)。若采用防腐型環形孔板流量計，可在法蘭與測量管內壁內襯塑料或者搪瓷，既耐腐又耐壓，可以測量較高壓力下腐蝕流體的流量。

⑨對于易結晶、易粘附的流體，需要在儀表檢測件附近采取措施以防止溫度的降低而引起的結晶或粘附。對此，可采用夾套型環形孔板流量計，夾套可內通蒸汽或采取電伴熱措施。若采用標準孔板，則不容易采取這些措施。

⑩對于高溫流體，如熱風，為了減少流程管道的熱擴散損失，常常在管內壁襯耐熱保溫層，或在流量計本身內襯隔熱材料。如果采用標準孔板，則結構設計難度大、成本較高;如果采用環形孔板流量計，則較容易實現。

3 環形孔板和V形錐流量計的比較

比較環形孔板和V形錐這兩種流量計的結構，兩者具有以下相同點和不同點。

①兩者都屬于“環形通道”型，都具有自清潔功能和流束自動調整功能，因此都可以使用在現場直管段長度不足、流體中含有雜質的場合[9]。

②兩者都是基于流體伯努利方程理論，因此流量都與差壓信號的平方根成正比，也就是說流量量程的大小與差壓變送器的量程有關。如果采用帶數字通信功能的差壓變送器，都可以達到大于10倍的量程比[10]。

③兩者都帶一段測量短管，可以和現場流程管道用法蘭連接或直接對焊，安裝誤差(內徑不等造成的凸臺或者偏心、密封墊圈突入管內)對測量精度的影響小。

④V形錐流量計和環形孔板流量計在開孔比(β)相同的情況下，前者差壓信號小因而壓力損失小、能耗小，更適合測大流量液體介質或氣體介質，而后者更適合測小流量氣體介質或液體介質。

⑤V形錐流量計的檢測元件是錐體，錐角的大小、錐體最大截面處的軸向長度以及下游取壓口的位置等參數直接影響流量計的流出系數[3]，目前各個廠家尚未統一，仍按“逐臺實流標定”的原則。有的生產廠家沒有標定設備或者不愿意花標定費，而采用估算的流出系數，但這樣無法確定實際精度[11]。

⑥環形孔板節流裝置具有標準孔板節流裝置的結構特征，即幾何形狀簡單，容易精確復制、實現幾何相似，在流動的最小截面處，流體和阻流之間的邊界層尺寸很小，因此流體受到的阻力在達到穩定的紊流狀態以后，與流體的雷諾數基本無關[5]。邊界層與阻流體(標準孔板的板片或環形孔板的測流板)之間的分離點是固定的，因此在很寬的雷諾數變化區間內的流出系數是穩定的。原理上，環形孔板與標準孔板都具有很寬的測量范圍，這些相似點預示著環形孔板有可能和標準孔板那樣被標準化，成為又一種“量大面廣”的儀表。但在沒有“標準化”之前，采用抽樣標定的辦法，同樣可以使流量計達到1級精度(如果單臺標定，同樣可以達到0.5級)，既能滿足大多數用戶的要求，又能大大降低成本。

⑦V形錐流量計下游取壓口的位置一般在錐體的尾部，這里是雜質聚集區，雜質很容易進入下游取壓管內部。由于下游取壓管較長且有拐角，不易清理，所以V形錐流量計并不適用于臟污流體。而環形孔板節流裝置的取壓口開在管壁上，不易堵塞，即使堵塞也容易清理。大量實踐證明，對1939年初級階段環形孔板進行實質性改進后的環形孔板能夠在臟污流體中可靠工作。

從上述比較中不難發現，這兩種流量計都屬于節流裝置，各有利弊，應根據實際情況，合理挑選使用，兩者適用的范圍如下。

①V形錐流量計壓力損失較小，但是流出系數較大，同樣流量時差壓(即流量信號)較小，適用于大流量;環形孔板流量計正好相反，適用于小流量。

②V形錐流量計的檢測件是錐體，體積較大，臟污物易粘附在錐體上不易清理，而環形孔板的檢測件是塊薄板，臟污物粘附不多且易清理，更適合在臟污流體或混相流體(如伴生氣、焦爐煤氣、油品)中使用[3]。

當前，流量儀表的技術交流平臺對V形錐流量計關注較多，過多地強調了它的優點(如量程比大、精度高等)，在不適宜的場合(如臟污流體、黏稠液體)也推薦它，這會對V形錐流量計的推廣產生負面影響。相反，對環形孔板流量計的推廣宣傳尚顯不足。

4 典型應用場合及其注意事項

環形孔板流量計的典型應用場合及注意事項簡要說明如下。

①在焦爐煤氣、半水煤氣等臟污介質中的應用

這一類流體介質中含有粉塵、焦油、萘、硫化物、水等物質，使用熱式流量計等插入式儀表常常發生介質沾污檢測元件的情形[11]。在儀表結構方面，環形孔板流量計采用均壓環和多個取壓口設計，在均壓環上與取壓口相對的地方，焊接一段與取壓管相同內徑的排污管并連接1個球閥，清污時打開球閥排污或者在停氣時用捅條疏通，也可以在不停氣時采用頂桿插入均壓環清理取壓管。

②在油田伴生氣等混相流體中的應用

伴生氣常常含有一些油品在管道底部流動，以體積論其大小，可以忽略不計。如果采用標準孔板，它會堆積在孔板的上游側，且越積越多，最終占據板片下部形成月牙形“堰塞湖”，從而導致孔板上游側管道的有效流通面積減少，大大降低測量精度。如果采用環形孔板流量計，環隙流通面使油品隨時流走、不會堆積，不影響測量精度。因此，環形孔板流量計非常適合油田伴生氣的流量測量。

③在過熱蒸汽、飽和蒸汽等介質中的應用

這一類流體介質常常會出現停汽現象，由于熱量散失，一部分蒸汽變成冷凝水。當使用標準孔板時，由于板片邊緣的阻擋(有的孔板上開有疏液孔，但由于孔太小、幾乎不起作用)，冷凝水積存在管道的底部，在恢復通汽時被蒸汽夾帶著流過孔板，引起兩相流而導致不能準確計量，甚至有可能發生水錘現象，損壞管件。若使用環形孔板，冷凝水隨時可以從環形孔板的邊沿流走，不會堆積在孔板附近，因此也就不會產生計量誤差。

環形孔板流量計在各類企業的蒸汽管路上都有應用，均滿足用戶需求。需要注意的是環形孔板應安裝在垂直管道上，以保證流體是從下往上流動，差壓變送器在現場調零時要考慮環形孔板兩個取壓口之間的距離產生的零點偏移。

④在天然氣輸送管路中的應用

這一類介質的壓力較高，流量范圍較寬。采用本儀表配備的HART協議智能差壓變送器，流量量程可以達到10∶1，能夠滿足需要。

⑤在冷卻循環水等臟污液體介質中的應用

工業過程中，往往要用循環水進行冷卻，冷卻水一般都比較臟且可能含有鐵銹，電磁流量計易受鐵磁性物質的影響，讀數不夠穩定。

若使用文丘里管，儀表的體積太大，安裝困難(循環水管道一般鋪設在地下，儀表安裝在地溝里，儀表體積過大會給施工和維修帶來不便)。

若使用本儀表就不會產生此類問題，目前已有數百臺環形孔板流量計在此介質中獲得了成功應用。

⑥在高爐熱風流量測量中的應用

煉鐵高爐要送熱風，熱風爐離高爐一般比較近，且彎頭較多。過去使用標準孔板，因直管段不夠長而產生較大誤差。本儀表因為有均壓環和多個取壓口，故使用2D長的前直管段即可。本儀表已經在百余座熱風爐上安裝使用，運行情況良好。

5 結束語

本文詳細介紹了環形孔板流量計的測量原理及其特點，在結構及性能方面與標準孔板和V形錐流量計做了比較，并結合近些年來在現場的應用情況，介紹了該產品在典型環境中的應用。環形孔板在外形結構和取壓口設置上均做了大量的技術改進，并在流體實驗室做了大量的試驗。試驗證實了該結構具有壓損小、差壓信號強、測量精度高、耐臟污等特點，特別適合大口徑、臟污流體的流量計量。

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