插入式雙V型多點(diǎn)流量測(cè)量裝置的設(shè)計(jì)

蔡春林 張鳳霞 王 婷

（寧夏職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)械與電氣技術(shù)系，寧夏 銀川 750021）

1 引言

在工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中，對(duì)流體流量進(jìn)行正確測(cè)量和調(diào)節(jié)是保證生產(chǎn)過(guò)程安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行、提高產(chǎn)品質(zhì)量、降低物質(zhì)消耗、提高經(jīng)濟(jì)效益、實(shí)現(xiàn)科學(xué)管理的基礎(chǔ)。在整個(gè)過(guò)程的檢測(cè)儀表中，流量?jī)x表的產(chǎn)值約占1/5～1/4[1]。

目前，在工業(yè)管道測(cè)量中，對(duì)管道中的冷熱空氣，特別是對(duì)含塵量大的空氣進(jìn)行計(jì)量與測(cè)試的需求非常大。比如，在火力發(fā)電廠，鍋爐燃燒是否穩(wěn)定直接關(guān)系到其運(yùn)行的安全性和經(jīng)濟(jì)性。燃燒不穩(wěn)定，不僅影響鍋爐的效率，而且可能造成滅火。保證燃燒的經(jīng)濟(jì)性，必須保持合理的風(fēng)煤比，合理的一、二次風(fēng)配比及送、吸風(fēng)量的協(xié)調(diào)。在實(shí)際工況下對(duì)大型和中型管道中的風(fēng)量進(jìn)行在線測(cè)量需要解決如下問(wèn)題：①測(cè)量參數(shù)值必需真實(shí)客觀地反映管道中流體的狀況，測(cè)量精度要高；②壓力損失小，輸出差壓盡可能大；③防堵性能好，經(jīng)濟(jì)性好，使用維護(hù)方便等。

2 現(xiàn)有的插入式流量測(cè)量裝置存在的主要問(wèn)題

目前工業(yè)上常用的流量測(cè)量方法可分為容積式、速度式及質(zhì)量式三類，應(yīng)用最廣的是速度式測(cè)量方法中的差壓測(cè)量法。差壓測(cè)量法是利用伯努利方程原理，通過(guò)測(cè)量安裝在管道中的節(jié)流件輸出的流體差壓信號(hào)來(lái)反映流量[2]。隨著現(xiàn)代化進(jìn)程的日益加快，工業(yè)上所用的管道口徑在逐漸增大，而大口徑管道表面流量測(cè)量的特點(diǎn)是：①要求壓損越小越好；②流速普遍較低，流體中的淤泥、污垢等極易在管道內(nèi)壁沉積；③測(cè)量范圍要求大；④防護(hù)等級(jí)要求高。適合于大口徑管道流量測(cè)量的儀表主要有電磁流量計(jì)、超聲流量計(jì)和插入式流量計(jì)。插入式流量計(jì)以結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、安裝維護(hù)簡(jiǎn)便、壓損小、價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)受到人們的關(guān)注，基于這樣的工業(yè)背景，插入式流量計(jì)的研究有著現(xiàn)實(shí)的意義。

插入式流量計(jì)是基于安裝方式而分類的，它將測(cè)量裝置插入管道內(nèi)部，通過(guò)測(cè)量管道中一點(diǎn)或幾點(diǎn)的流速（或壓差）來(lái)反映整個(gè)管道的流量，適用于大口徑管道的測(cè)量。目前插入式流量計(jì)中發(fā)展起來(lái)的主要有渦街、渦輪、電磁、皮托管等流量計(jì)。

現(xiàn)有插入式流量測(cè)量裝置主要采用單點(diǎn)式測(cè)量方式和多點(diǎn)式測(cè)量方式。單點(diǎn)式存在檢測(cè)傳輸孔較小、容易堵塞、量程比小、壓差小等缺點(diǎn)。多點(diǎn)插入式測(cè)量裝置在火力發(fā)電廠的特殊工況條件下（大管徑、低流速、含粉塵量高）使用存在較多問(wèn)題，在實(shí)際運(yùn)行中主要存在堵灰問(wèn)題，需要定時(shí)進(jìn)行吹掃，存在吹掃維護(hù)工作量較大、難以準(zhǔn)確測(cè)量風(fēng)量、無(wú)法真實(shí)客觀地反映擋板變化時(shí)對(duì)應(yīng)風(fēng)量的真實(shí)變化趨勢(shì)等缺陷[3]。

針對(duì)普通差壓式流量計(jì)壓力損失大、量程比小這一問(wèn)題，希望能設(shè)計(jì)出一種新型的流量計(jì)，結(jié)合插入式的安裝方式與差壓式測(cè)量原理，通過(guò)獨(dú)特的斷面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，使該測(cè)量裝置具有壓力損失低、量程范圍寬、測(cè)量精度高、經(jīng)濟(jì)實(shí)用的優(yōu)點(diǎn)，并具有本質(zhì)防堵耐磨功能。

3 新型流量測(cè)量裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.1 設(shè)計(jì)方案

插入式雙V型多點(diǎn)流量測(cè)量裝置的關(guān)鍵技術(shù)點(diǎn)：實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)截面式均速測(cè)量，能夠全面反映整個(gè)管道流體的真實(shí)狀況，精度高；增大輸出壓差，增大量程比，減小壓損，并具有防堵耐磨功能。

首先要解決均速測(cè)量。在設(shè)計(jì)中包括主測(cè)量管及安裝在主測(cè)量管內(nèi)與之平行設(shè)置的正取壓管和負(fù)取壓管，并根據(jù)管道尺寸大小，按一定規(guī)律在主測(cè)量管上設(shè)置多個(gè)測(cè)量點(diǎn)，采用全壓管和錐管取壓的多點(diǎn)結(jié)合進(jìn)行測(cè)量，形成多點(diǎn)面測(cè)量方式，從而能夠全面地反映整個(gè)管道流體的真實(shí)狀況，極大地提高測(cè)量精度。其次，進(jìn)行獨(dú)特的雙V型結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)中集合錐形流量計(jì)和威力巴流量計(jì)的各自優(yōu)勢(shì)，在主測(cè)量管上安裝若干個(gè)錐形尾端，提高輸出壓差，增大量程比，減小壓損。根據(jù)流體運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)理論的分析，檢測(cè)孔布置應(yīng)避開雜質(zhì)和粉塵聚集區(qū)，以實(shí)現(xiàn)本質(zhì)防堵。

在整個(gè)項(xiàng)目研發(fā)過(guò)程中，經(jīng)過(guò)嚴(yán)密的理論分析和計(jì)算，并結(jié)合流量標(biāo)定試驗(yàn)分析，分步擊破難點(diǎn)，成功研制出流量測(cè)量裝置，以滿足市場(chǎng)需求。

3.2 結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及功能分析

經(jīng)過(guò)理論分析計(jì)算，所設(shè)計(jì)的雙V型多點(diǎn)測(cè)量裝置結(jié)構(gòu)原理如圖1所示。該測(cè)量裝置主要由正壓腔、負(fù)壓腔及取壓元件組成，其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及功能如下：

圖1 插入式雙V型多點(diǎn)測(cè)量裝置結(jié)構(gòu)原理

3.2.1 多點(diǎn)測(cè)量，輸出平均正壓和平均負(fù)壓。正壓腔位于取壓元件最前端，在正壓腔前端設(shè)置多個(gè)防堵型正壓取壓孔，通過(guò)大容積的正壓腔傳輸來(lái)自多個(gè)正壓取壓孔取出的正壓，然后輸出一個(gè)平均正壓。負(fù)壓腔位于正壓腔后部，與正壓腔隔離，在負(fù)壓腔兩側(cè)對(duì)稱布置多組負(fù)壓取壓元件，由多組方形文丘里管或錐形管組成，這些測(cè)點(diǎn)按規(guī)則分布。每個(gè)負(fù)壓取壓元件都由收縮加速段、穩(wěn)流取壓段、抽吸放大段組成，它們?nèi)颗c負(fù)壓腔相通，由負(fù)壓腔將壓力平均后輸出負(fù)壓。正負(fù)壓腔所傳輸?shù)膲毫νㄟ^(guò)儀表閥門輸入差壓變送器。

3.2.2 方形文丘里管或錐形管結(jié)構(gòu)降低壓損，提高壓差。在流量?jī)x表中，節(jié)流式差壓流量計(jì)（如孔板和噴嘴）壓力損失大，是一個(gè)很大的缺點(diǎn)，壓損大的原因是節(jié)流件后產(chǎn)生較大的渦流區(qū)。在本設(shè)計(jì)中采用插入式流量計(jì)可大大降低壓損，同時(shí)采用方形文丘里管或錐形管結(jié)構(gòu)，其流道可使液體流動(dòng)順暢、無(wú)阻礙，進(jìn)一步降低壓損。另外在工況運(yùn)行時(shí)，流體經(jīng)過(guò)收縮加速段時(shí)被收縮提速，到達(dá)穩(wěn)定取壓段時(shí)再進(jìn)行整流取壓，被取壓力進(jìn)入負(fù)壓腔，在后續(xù)的抽吸段作用下流速增大，負(fù)壓值減小，進(jìn)而提高壓差值。

3.2.3 多點(diǎn)截面式測(cè)量提高測(cè)量的準(zhǔn)確度。在進(jìn)行大管道流體測(cè)量時(shí)，可以同時(shí)安裝多個(gè)插入式雙V型多點(diǎn)測(cè)量裝置，形成多點(diǎn)截面式取壓方式，能夠反映出整個(gè)管道流量的真實(shí)狀況，能精確地檢測(cè)到平均壓差，并能產(chǎn)生一個(gè)非常穩(wěn)定的差壓信號(hào)。

3.2.4 穩(wěn)定的低流速測(cè)量性能。測(cè)量裝置的正負(fù)壓腔貫穿整個(gè)流體管道，正壓腔前端面（即迎流面）由兩段圓弧組成流線型結(jié)構(gòu)，迎流面面積小，減小了測(cè)量大管道時(shí)流體流場(chǎng)分布和流動(dòng)狀態(tài)的影響，并且表面經(jīng)過(guò)磨砂硬化處理，具有很好的低流速測(cè)量效果，滿足測(cè)量精度要求。

3.2.5 獨(dú)特的雙V型結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)本質(zhì)防堵。流體在正壓腔的前端圓弧面形成高壓區(qū)，壓力略高于管道靜壓，阻止了顆粒進(jìn)入正壓腔。在開機(jī)時(shí)，流體在管道靜壓作用下，進(jìn)入正壓腔，很快形成了壓力平衡的狀態(tài)。此時(shí)，流體在正壓腔的進(jìn)口處遇到高壓，繞道而行，不再進(jìn)入正壓腔中，故正壓取壓孔不會(huì)被堵塞。在負(fù)壓腔的兩側(cè)對(duì)稱分布著多組檢測(cè)取壓元件，一般情況下，管道中粉塵、沙子和顆粒在渦街力的作用下，集中在檢測(cè)元件的后部，在此處取壓則容易堵塞，而雙V型結(jié)構(gòu)的獨(dú)特設(shè)計(jì)，使低壓取壓孔位于取壓元件中間、流體分離點(diǎn)和尾跡區(qū)的前部，從而避開雜質(zhì)與粉塵聚集區(qū)，實(shí)現(xiàn)本質(zhì)防堵。

3.3 測(cè)量原理

新型流量測(cè)量裝置基于差壓式測(cè)量原理，其流量計(jì)算公式為[4]：

式中，Qm為質(zhì)量流量（kg/s）；K為流量常數(shù)；ε為被測(cè)介質(zhì)的可膨脹系數(shù)（對(duì)于不可壓縮流體，ε=1）；β 為直徑比，β=d/D，D為工作條件下上游管道內(nèi)徑；C為管道流出系數(shù)，是一個(gè)統(tǒng)計(jì)量；d為工作條件下節(jié)流件的節(jié)流孔直徑，m；ΔP為流量計(jì)輸出差壓，Pa；ρ 為流體密度，kg/m3。

4 結(jié)論

本文基于差壓式流量測(cè)量原理和插入式安裝方式，創(chuàng)新地研究開發(fā)了新型插入式雙V型多點(diǎn)流量測(cè)量裝置。該測(cè)量裝置在保留現(xiàn)有插入式流量測(cè)量裝置優(yōu)點(diǎn)的基礎(chǔ)上，將單點(diǎn)測(cè)量變?yōu)槎帱c(diǎn)截面式測(cè)量，能夠全面準(zhǔn)確地反映整個(gè)管道流體的真實(shí)狀況；通過(guò)獨(dú)特的雙V型截面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，迎流面采用流線型，使裝置的輸出壓差增大，量程比增大，壓損減小，并具有本質(zhì)防堵耐磨功能，很好地滿足了測(cè)量精度要求。

新型插入式流量測(cè)量裝置具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，安裝、調(diào)試方便等特點(diǎn)，特別適用于大管道流量測(cè)量，具有廣闊的工程應(yīng)用前景。

[1]紀(jì)綱.流量測(cè)量?jī)x表應(yīng)用技巧[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2009：1-30.

[2]王池，王自如，張寶珠，等.流量測(cè)量技術(shù)全書（上冊(cè)）[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2012.

[3]吳國(guó)熙，電廠鍋爐常用風(fēng)量測(cè)量裝置的比較與應(yīng)用[J].山東電力技術(shù)，2011（1）：73-76.

[4]李杰，張武軍，王航.淺談差壓式流量計(jì)的流量計(jì)算[J].自動(dòng)化儀表，2013（7）：89-91.