矩形流量計(jì)在工程應(yīng)用中的體會(huì)

王海兵，劉冰

(航天長征化學(xué)工程股份有限公司 蘭州分公司，蘭州 730050)

石油和化工生產(chǎn)裝置中，采用傳統(tǒng)的流量計(jì)在測量高黏度、含有顆粒狀的流體時(shí)容易產(chǎn)生流量計(jì)堵塞和磨損，造成無法正常使用或測量不準(zhǔn)。矩形流量計(jì)作為一種新型差壓流量計(jì)，測量管道可以是方形管道，也可以是圓形管道，適用范圍廣。矩形流量計(jì)無可動(dòng)部件、耐磨損，測量精度可保持長期不變，這是孔板流量計(jì)、楔形流量計(jì)、質(zhì)量流量計(jì)、透平式(渦輪)流量計(jì)等達(dá)不到的，解決了許多其他流量計(jì)無法解決或解決效果不佳的流量測量問題，尤其是高黏度介質(zhì)、強(qiáng)腐蝕性介質(zhì)和重摩擦性介質(zhì)流量的高精度測量問題[1-4]。矩形流量計(jì)已經(jīng)逐步應(yīng)用到煤化工、多晶硅工業(yè)、電力行業(yè)中。

1 測量原理

矩形流量計(jì)是一種產(chǎn)生差壓信號(hào)的節(jié)流部件，根據(jù)流體力學(xué)方程，由差壓信號(hào)與流量的對應(yīng)關(guān)系，可以精確地測量流體的流量。矩形流量計(jì)的節(jié)流塊具有楔形流量計(jì)節(jié)流楔塊的部分特征，又具有文丘里流量計(jì)的大部分特征，通俗地講，矩形流量計(jì)是楔形流量計(jì)和文丘里流量計(jì)的結(jié)合體。矩形流量計(jì)采用單向流體通過標(biāo)準(zhǔn)孔板的標(biāo)準(zhǔn)公式[5]，流量計(jì)算見以下公式。

(1)

(2)

式中：qV——體積流量；C——流出系數(shù)；ε——可膨脹系數(shù)；m——節(jié)流面積比，流通弓形面積/管道截面積；D——管道內(nèi)徑， mm；Δp——差壓，Pa；ρ——介質(zhì)密度，kg/m3。其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 矩形流量計(jì)結(jié)構(gòu)示意

2 矩形流量計(jì)的性能分析

2．1 耐磨性

在煤氣化工藝過程中，介質(zhì)主要由煤反應(yīng)后的煤灰和水混合而成，即黑水，該介質(zhì)工藝條件通常是溫度為200 ℃，壓力等級為10．0 MPa，含煤顆粒8%～10%，這樣的工藝條件對流量計(jì)提出了比較苛刻的要求，一般流量計(jì)難以滿足要求。測量該種高黏度、高磨損性流體一般采用楔形流量計(jì)，由于楔形流量計(jì)結(jié)構(gòu)有一個(gè)小于90度的棱角節(jié)流線[6-7]，如圖2所示，才能保證產(chǎn)生可測量的節(jié)流效果和下游流動(dòng)狀態(tài)，但同時(shí)當(dāng)流體經(jīng)過楔形流量計(jì)時(shí)在節(jié)流塊棱角處會(huì)急速縮流，而后又急速恢復(fù)壓力，在棱角處會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)烈的渦流，這種渦流一方面沖刷楔棱的背面，另一方面還反沖節(jié)流棱角，產(chǎn)生強(qiáng)烈的磨損，從而降低測量精度。

圖2 楔形流量計(jì)結(jié)構(gòu)示意

根據(jù)圖1可見矩形流量計(jì)的節(jié)流塊是一個(gè)鈍角或圓弧線，不存在棱角的問題，流動(dòng)狀態(tài)平穩(wěn)地從收縮段進(jìn)入喉部，這樣可以大幅減小磨損。同時(shí)矩形流量計(jì)采用流線型節(jié)流通道，具有1個(gè)適當(dāng)長度的喉管，該喉管起到整流的作用，有效地平擬了流體的波動(dòng)，再加上后部的壓力恢復(fù)段，延伸了這種流線型流道，使得整個(gè)流量計(jì)內(nèi)部不會(huì)產(chǎn)生渦流和震動(dòng)，避免了因渦流產(chǎn)生的磨損。矩形流量計(jì)可以連續(xù)使用3年且測量精度不變，其使用壽命是楔形流量計(jì)的4倍以上[8]。

2．2 永久性壓力損失小及差壓值大

在工程應(yīng)用中，運(yùn)行成本中包括泵和壓縮機(jī)所消耗的電能，通過選取壓力損失小的流量計(jì)可以有效地降低介質(zhì)的輸送成本，并且介質(zhì)的輸送成本是一項(xiàng)動(dòng)態(tài)投資，在長期運(yùn)行中遠(yuǎn)超儀表的一次投資[9]。

一般節(jié)流裝置如楔形流量計(jì)通過節(jié)流塊產(chǎn)生節(jié)流形成差壓來測量流量，節(jié)流件后利用流體力學(xué)的原理自由恢復(fù)壓力，通常這樣壓頭損失往往很大，而且測量精度越高，量程比越大，壓頭損失就越大，一般來說壓頭損失為測量壓差的30%～60%。由圖1可知矩形流量計(jì)結(jié)構(gòu)類似于文丘里流量計(jì)的壓頭恢復(fù)段，可以最大限度地恢復(fù)壓力，壓頭損失為測量壓差的15%～25%。

矩形流量計(jì)由于采用喉部中心取壓，因?yàn)橹行奶幜魉僮羁?，根?jù)伯努利方程可以得出的差壓值遠(yuǎn)大于其他類型的流量計(jì)，所以被廣泛應(yīng)用于微壓、低壓損工況，如電廠送吸風(fēng)、加熱爐送風(fēng)的測量。

2．3 高精度測量

經(jīng)過大量的理論研究和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)以及嚴(yán)格的制造檢驗(yàn)程序，使得矩形流量計(jì)的精度達(dá)到了0．25% 以上。同時(shí)，由于矩形流量計(jì)的特殊結(jié)構(gòu)能夠保證在較寬的雷諾數(shù)范圍內(nèi)流量系數(shù)為線性且穩(wěn)定，因此無論針對大流量還是小流量都可以精確測量。在多晶硅行業(yè)中氫氣是一種難以測量的工業(yè)氣體，還原爐的氫氣進(jìn)料量是通過預(yù)先設(shè)定好的配比來控制進(jìn)料調(diào)節(jié)閥的。如果測量到的流量波動(dòng)比較大或者流量小測量不到，導(dǎo)致調(diào)節(jié)閥頻繁動(dòng)作，從而影響硅棒品質(zhì)，甚至導(dǎo)致倒棒急停；如果流量測量不準(zhǔn)確，會(huì)導(dǎo)致吹掃置換不干凈，存在安全隱患。通常情況下采用質(zhì)量流量計(jì)測量氫氣，但是需要通過縮徑來提高流速，使壓力損失很大，同時(shí)由于流量計(jì)出口處的流速很快，有發(fā)生危險(xiǎn)的可能，并且流量計(jì)后端需要很長的直管段流速才能恢復(fù)?，F(xiàn)在采用矩形流量計(jì)測量氫氣不但精度高而且性能穩(wěn)定，很好地解決了這一難題。

2．4 寬量程比

在丙烷流量測量中，最小流量與最大流量之比為1∶66，這是矩形流量計(jì)大量程比的基本要求，由于現(xiàn)在流量差壓變送器的限制，例如橫河變送器，精度為0．04%，量程比為200∶1，差壓為0．5～100．0 kPa，為了保證小流量的精確測量，采用2臺(tái)差壓變送器，一臺(tái)可以精確測量0．5 kPa以上的差壓值，另一臺(tái)差壓變送器量程為0．1～10．0 kPa可以精確測量0．1～0．5 kPa段的差壓值，使得在小流量測量時(shí)可以保證精度，所以流量計(jì)在較寬的流量范圍內(nèi)都可以精確測量。通過調(diào)整流量計(jì)的β值使得流量計(jì)在最小流量時(shí)差壓不小于0．1 kPa。

3 矩形流量計(jì)與楔形流量計(jì)等的性能對比

矩形流量計(jì)與其他差壓流量計(jì)性能對比見表1所列。

表1 矩形流量計(jì)與其他差壓流量計(jì)性能對比

4 結(jié)束語

矩形流量計(jì)作為一種新型流量計(jì)被廣泛應(yīng)用于煤化工、多晶硅、電力等行業(yè)。其工作穩(wěn)定、結(jié)構(gòu)簡單、使用壽命長且準(zhǔn)確度適中、維護(hù)量小，能夠適用多種介質(zhì)的測量。通過對矩形流量計(jì)的性能分析，其測量精度是傳統(tǒng)節(jié)流裝置的4倍左右，永久壓力損失是傳統(tǒng)節(jié)流裝置的1/3左右，同時(shí)流量計(jì)要求直管段最小可以達(dá)到1．5D，因而省去了大量的直管段，由于沒有活動(dòng)部件，安裝和維護(hù)相對容易?？傊?，矩形流量計(jì)具有廣泛的發(fā)展空間。

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