V形錐流量計(jì)在特種材料有限公司的應(yīng)用

龐奇志

（銅陵泰富特種材料有限公司，安徽銅陵 244100）

0 引言

V形錐流量計(jì)屬于新型差壓類流量測(cè)量?jī)x表，其基本原理和傳統(tǒng)差壓類儀表一樣，唯一的差別在于結(jié)構(gòu)形式的不同，正因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)形式的改變形成了其鮮明、獨(dú)有的優(yōu)點(diǎn)。與傳統(tǒng)的流量測(cè)量?jī)x表相比，V形錐流量計(jì)具有自整流、自混合、自清掃、自保護(hù)、量程比大、壓損小、精度高、重復(fù)性好等優(yōu)點(diǎn)。

銅陵泰富特種材料有限公司（以下簡(jiǎn)稱“公司”）在建廠之初，通過(guò)參觀、學(xué)習(xí)逐步了解了V形錐流量計(jì)的各種實(shí)用優(yōu)點(diǎn)，通過(guò)和其他各種流量計(jì)的綜合對(duì)比以及到V形錐流量計(jì)生產(chǎn)廠家的實(shí)地考察后，確定在焦?fàn)t煤氣、壓縮空氣、過(guò)熱蒸汽等場(chǎng)合使用V形錐流量計(jì)進(jìn)行流量測(cè)量。公司在保證測(cè)量精度的前提下主要使用V形錐流量計(jì)的自整流（所需直管段短）、自清掃（耐臟污）、永久壓損小（節(jié)能）等特點(diǎn)，通過(guò)一段時(shí)間的實(shí)際應(yīng)用，V形錐流量計(jì)的優(yōu)點(diǎn)得到體現(xiàn)，也得到了全公司計(jì)量人員的認(rèn)可。

1 V形錐流量計(jì)幾何結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

V形錐流量計(jì)流量測(cè)量公式與其他差壓式儀表有所類似，但是在幾何結(jié)構(gòu)方面差異較大，受到這一結(jié)構(gòu)的影響，V形錐流量計(jì)具有傳統(tǒng)差壓流量計(jì)沒(méi)有的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)。在很長(zhǎng)管道中，若不存在阻擋物和干擾作用，出現(xiàn)流體則為充分發(fā)展流。若在管道截面上選取一條徑向線，線上各點(diǎn)流速均具有差異。和管壁緊貼的流體，因?yàn)槭艿侥Σ亮Φ挠绊懀俣融吔诹悖窃诖诉^(guò)程中中心處存在有最大流速。若在管道中心懸掛一個(gè)V形錐體，則會(huì)對(duì)中心處流速產(chǎn)生迫使作用，降低流速，同時(shí)管壁附近流速會(huì)不斷加大，實(shí)現(xiàn)流速“勻化”。其他類型的差壓式流量計(jì)中心位置為空，無(wú)法出現(xiàn)流速“勻化”效果。因此在V形錐流量計(jì)中這是一個(gè)顯著優(yōu)點(diǎn)，能夠保障在低流速情況下出現(xiàn)足夠的差壓，尤其是在流速逐漸降低過(guò)程中，這一作用更加顯著。但是如果采用的是傳統(tǒng)差壓儀表，在此情況下已經(jīng)無(wú)法測(cè)量。

傳統(tǒng)差壓流量計(jì)存在有“信號(hào)跳躍”（Signal bounce）現(xiàn)象。即為就算是在流動(dòng)穩(wěn)定情況下，也存在有信號(hào)脈動(dòng)。由于流體在管道中流動(dòng)，節(jié)流下游會(huì)出現(xiàn)旋渦，在差壓流量加檢測(cè)中節(jié)流件下游旋渦因?yàn)槭艿藉F體下游的影響，出現(xiàn)高頻低幅且具有對(duì)稱性的小旋渦，孔板出現(xiàn)的是低頻高幅大漩渦。如果在某一工況中，V形錐流量計(jì)和孔板出現(xiàn)的均是1 kPa差壓，孔板下游渦流高幅波動(dòng)中可能會(huì)引發(fā)出現(xiàn)0.5 kPa的干擾信號(hào)。簡(jiǎn)而言之，在這一情況下孔板有效信號(hào)在噪聲信號(hào)中淹沒(méi)量可能達(dá)到50%，但是V形錐流量計(jì)干擾信號(hào)只有0.1 kPa。從這一點(diǎn)可以看出，V形錐流量計(jì)的信號(hào)噪聲很低，就算是在流量和差壓較低情況下，也具有一定的測(cè)量精度和穩(wěn)定性，因此在低密度和低流速氣體測(cè)量中非常適用。

2 V形錐流量計(jì)特點(diǎn)的應(yīng)用

2.1 自整流、自清掃特點(diǎn)的應(yīng)用

焦?fàn)t煤氣自身的特點(diǎn)導(dǎo)致在測(cè)量方面存在兩個(gè)最主要的難題：由于黏性導(dǎo)致固體物的堆積，從而引起截流件β 值的改變，最終引起測(cè)量誤差，不能進(jìn)行連續(xù)的、長(zhǎng)期的、有效的、精確的流量測(cè)量；造成差壓測(cè)量取壓孔的堵塞。考慮到V形錐流量計(jì)具有自清掃（耐臟污）的特點(diǎn)，決定在所有測(cè)量焦?fàn)t煤氣的場(chǎng)合全部采用V形錐流量計(jì)，在半年的現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行過(guò)程中，讀數(shù)一直很穩(wěn)定，和理論值的差別在誤差允許范圍之內(nèi)。在停車?yán)袡z修時(shí)，在V形錐流量計(jì)供應(yīng)商的配合下，拆下一臺(tái)V形錐流量計(jì)進(jìn)行了實(shí)際觀察，發(fā)現(xiàn)其邊緣無(wú)明顯磨損的痕跡，錐體和錐體部分的管道也無(wú)明顯的固體物堆積現(xiàn)象。

公司焦?fàn)t煤氣的總輸出采用DN1600 mm管道，如果采用孔板等傳統(tǒng)的測(cè)量?jī)x表，受現(xiàn)場(chǎng)條件的限制，無(wú)法滿足SY/T 6143—2004標(biāo)準(zhǔn)中關(guān)于孔板等流量計(jì)上下游直管段的規(guī)定和要求。考慮到V形錐流量計(jì)具有自整流，所需直管段短的特點(diǎn)（只需前三后一的直管段），結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，在焦?fàn)t煤氣的總出口處安裝了一臺(tái)DN1600 mm的V形錐流量計(jì)。在運(yùn)行過(guò)程中，這臺(tái)V形錐流量計(jì)的讀數(shù)指示和焦?fàn)t煤氣總流量的理論計(jì)算值非常接近。V形錐流量計(jì)在設(shè)計(jì)過(guò)程中，采用的是置于管道中心的V形錐體流線型節(jié)流結(jié)構(gòu)，實(shí)施檢測(cè)之前也可以有效整流其不規(guī)則流體，即便不增加流體整流器也能實(shí)現(xiàn)對(duì)流體整流情況的有效處理。中心懸掛流體形錐體可以實(shí)現(xiàn)對(duì)流速曲線的重塑，在錐體上、下游較窄區(qū)域內(nèi)（前0～3D，后0～1D），能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)流速不規(guī)則液體的整流，從而轉(zhuǎn)變成為理想液體，有效滿足伯努利定理的要求，提升測(cè)量精度以及重復(fù)性。測(cè)量過(guò)程中不用設(shè)置很長(zhǎng)的直管段整流，對(duì)于流量計(jì)安裝也具有重要意義。

綜合分支管道的流量讀數(shù)指示和總流量讀數(shù)指示對(duì)比，它們之間存在接受范圍之內(nèi)的誤差。對(duì)造成這種誤差的原因進(jìn)行分析，認(rèn)為是由于現(xiàn)場(chǎng)各種復(fù)雜工況條件的共同作用造成的，這種誤差并不影響正常生產(chǎn)和各個(gè)環(huán)節(jié)的能源計(jì)量。之前采用的是孔板流量計(jì)以及均速管流量計(jì)，煤氣中存在的雜質(zhì)比較多，例如焦油、氨水等，因此需要對(duì)孔板或均速管定期進(jìn)行清洗或者蒸汽吹掃，否則會(huì)導(dǎo)致上下游端面、上游側(cè)直角入口邊緣出現(xiàn)污染，進(jìn)而會(huì)引發(fā)出現(xiàn)儀表導(dǎo)壓管堵塞等，影響測(cè)量精度；孔板前后直管段積水，也會(huì)降低管道流通面積，提升流速以及差壓，在測(cè)量中流量顯示值會(huì)出現(xiàn)明顯提升，嚴(yán)重時(shí)可能會(huì)導(dǎo)致出現(xiàn)導(dǎo)壓管堵塞、變送器停止使用。為確保儀表穩(wěn)定與性能，則需要定期對(duì)其實(shí)施維護(hù)，工作量非常大。V形錐流量計(jì)本身存在有自吹掃式結(jié)構(gòu)，在設(shè)計(jì)過(guò)程中沒(méi)有滯留死區(qū)。在通過(guò)錐體的時(shí)候介質(zhì)會(huì)出現(xiàn)加速，正壓取壓孔、錐體外壁和錐體附近管壁會(huì)受到不斷沖刷，一小段不流動(dòng)介質(zhì)也會(huì)對(duì)負(fù)壓取壓孔造成隔離作用，從而阻止臟污雜質(zhì)進(jìn)入，所以V形錐流量計(jì)在應(yīng)用中無(wú)論是雜質(zhì)還是易結(jié)晶臟污介質(zhì)中均適用，特別是在焦?fàn)t煤氣、爐煤氣等介質(zhì)中更加適用。公司自采用V形錐流量計(jì)以來(lái)，目前已經(jīng)使用多年，未對(duì)其進(jìn)行過(guò)維護(hù)，同時(shí)對(duì)其檢查也未發(fā)現(xiàn)流量計(jì)中存在有節(jié)流裝置污染、管道積水等情況，顯著降低了儀表應(yīng)用的維護(hù)工作量，對(duì)于提升測(cè)量準(zhǔn)確性和可靠性具有重要作用。

2.2 永久壓損小（節(jié)能）特點(diǎn)的應(yīng)用

節(jié)能減排已經(jīng)深入到人們生活的各個(gè)方面，焦化行業(yè)是一個(gè)高耗能的行業(yè)，節(jié)能減排不僅是積極相應(yīng)國(guó)家政策和號(hào)召，而且可以在無(wú)形之中為企業(yè)節(jié)省大筆的資金支出，節(jié)省的資金支出也就是企業(yè)多增加的利潤(rùn)空間。

V形錐流量計(jì)和其他流量計(jì)相比有一個(gè)最顯著的優(yōu)點(diǎn)就是永久壓損小，永久壓損小也就意味著節(jié)能。在孫延祚教授的論文中已經(jīng)很詳細(xì)地論述了如何理解V形錐流量計(jì)永久壓損小并且列出了V形錐流量計(jì)和其他9種流量計(jì)永久壓損的對(duì)比。

在公司的空氣管網(wǎng)設(shè)計(jì)之初計(jì)劃采用孔板流量計(jì)進(jìn)行測(cè)量，通過(guò)與V形錐流量計(jì)的對(duì)比，從長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看，使用V形錐流量計(jì)是更經(jīng)濟(jì)更合算的計(jì)量方法。

列舉一例，流體為壓縮空氣，其他工藝條件見(jiàn)表1。

表1 某公司的空氣管網(wǎng)工藝條件

（1）選用孔板測(cè)量，計(jì)算結(jié)果如下：孔板的β=0.514 6，常用流量下的差壓值ΔP=27.396 kPa。

（2）選用V形錐流量計(jì)進(jìn)行測(cè)量，計(jì)算結(jié)果如下：V形錐的β=0.557 7，常用流量下的差壓值ΔP=10.904 kPa。

孔板的壓損：Δω=（1-β1.9）×ΔP或Δω=（1-0.24β-0.52β2-0.16β3）×ΔP

V形錐流量計(jì)的壓損：Δω=（1.3-1.25βv）×ΔP

根據(jù)上面的計(jì)算公式，常用流量下孔板的永久壓損為19.61 kPa，常用流量下V形錐的永久壓損為6.57 kPa。

所以，常用流量下永久壓損的差值Δω=19.61-6.57=13.04 kPa。

在常用流量下，使用V形錐流量計(jì)比使用孔板流量計(jì)少消耗的功率為：

式中 W——能耗值，W

Δω——永久壓損值，kPa

Qkph——質(zhì)量流量，kg/h

η——泵和電機(jī)的效率，通常取η=0.8

ρfl——在工況下，在上游取壓孔處，流動(dòng)液體或氣體（蒸氣）的密度，kg/m3

把上面的計(jì)算結(jié)果代入功率公式得W=21 733.3 W。所以，用V形錐代替孔板，每年可節(jié)約的耗能費(fèi)=（W/1000）（每年的運(yùn)行時(shí)數(shù)）（電費(fèi)）。在常用流量下，年節(jié)省耗能費(fèi)=21 733.3/1000×24×365×1=190 383.7元。也就是說(shuō)，用V形錐流量計(jì)代替孔板測(cè)量壓縮空氣后，每年可節(jié)省的耗能費(fèi)為19萬(wàn)元左右。

在過(guò)熱蒸汽測(cè)量方面，采用同樣的計(jì)算方法可以得出每年節(jié)省的耗能費(fèi)。同時(shí)，V形錐流量計(jì)在應(yīng)用中也非常適合應(yīng)用在低壓、低流速介質(zhì)流程測(cè)量中。在應(yīng)用均速管流量計(jì)實(shí)施測(cè)量過(guò)程中，如果管道中煤氣流速較低，差壓信號(hào)較小情況下，則會(huì)直接降低系統(tǒng)檢測(cè)精度。均速管流量計(jì)檢測(cè)中的最大差壓為120 Pa，正常情況下為2～5 Pa，相對(duì)來(lái)講系統(tǒng)精度偏低。如果差壓信號(hào)比較小，則會(huì)對(duì)變送器校驗(yàn)以及適用精度造成影響。也會(huì)直接導(dǎo)致孔板出現(xiàn)污染、儀表導(dǎo)壓管不暢等問(wèn)題，直接影響測(cè)量精度。V形錐流量計(jì)在設(shè)計(jì)中采用的是類似孔板的節(jié)流件，和均速管流量計(jì)相比差壓值明顯偏高，和孔板相比因?yàn)楣艿肋吘壋霈F(xiàn)一定的收縮，降低了阻力損失，所以就算是在阻力損失一致情況下，設(shè)計(jì)中采用存在有較大差壓值的V形錐形流量計(jì)，和孔板測(cè)量時(shí)的差壓值相比也明顯偏大，對(duì)于差壓信號(hào)具有顯著提升作用，也便于進(jìn)行變送器校驗(yàn)，進(jìn)而提升系統(tǒng)測(cè)量精度。

公司壓縮空氣和過(guò)熱蒸汽的測(cè)量點(diǎn)有數(shù)十個(gè)，隨著企業(yè)的發(fā)展和規(guī)模的擴(kuò)大，測(cè)量點(diǎn)還會(huì)逐步增多，如果全部使用V形錐流量計(jì)進(jìn)行測(cè)量，則每年的節(jié)能費(fèi)將非常可觀，同時(shí)也為企業(yè)自身創(chuàng)造了更多的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

3 結(jié)束語(yǔ)

隨著在各種不同工礦條件下的廣泛應(yīng)用，V形錐流量計(jì)的各種優(yōu)點(diǎn)得到了明顯的體現(xiàn)。更多的從事計(jì)量方面的人員認(rèn)識(shí)并認(rèn)可了V形錐流量計(jì)。自從公司使用V形錐流量計(jì)以來(lái)，大大減少了維護(hù)人員的維護(hù)量，而且保證了各種介質(zhì)計(jì)量的準(zhǔn)確性和運(yùn)行的穩(wěn)定性。隨著國(guó)家節(jié)能減排政策的逐步深入，V形錐流量計(jì)將會(huì)有更加廣闊的發(fā)展空間。