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            V錐流量計的發展前景

            2019-01-23 10:28:20

            摘要:長期以來,標準孔板由于其發展技術成熟、標準化程度高、結構簡單等特點在過熱蒸汽流量計量中得到非常廣泛的應用。然而,孔板流量計存在著一些固有的缺陷,如流出系數不穩定、線形差、重復性不高、準確度受客觀因素制約而無法達到設計要求、量程比小、壓損大等。本文介紹‘‘v,’型內錐式差壓流量計的工作原理,分析了如何解決孔板流量計的這些缺陷,并通過計算實例介紹‘V’型內錐式流量計在節能方面的優點,最后介紹在惡劣條件下‘V’型內錐式流量計是如何提供準確計量的。

            一、V錐流量計的工作原理及特點

            從分類學上講,“V”型內錐式流量計和孔板流量計都屬于差壓式流量計,遵守能量守恒定律??装鍖儆谥行耐蝗皇湛s式流量計,“V”型內錐則屬于邊緣逐漸收縮式。其結構示意圖如圖1、圖2所示。

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            從圖1中可以看出,當流體流過孔板時會形成流體的局部收縮,在孔板下游形成幅度較大的漩渦,它會使孔板的量程比縮小,差壓信號中的噪聲增大,流量計的測量精度降低,壓損增大。另外,孔板的這種中心突然收縮的節流方式還會帶來其它不良影響:要求的上游直管過長(一般20D~50D),孔板前極易積污,孔板入口邊緣極易磨損從而喪失精度,流出系數不穩定,線性差。

            ‘‘v”型內錐節流裝置包括一個在測量管中同軸安裝的尖圓錐體和相應的取壓口。該測量管是預先精密加工好的,在尖圓錐體的兩端產生差壓。如圖2所示,P1處為正壓,P2處為負壓。圓錐體的頂尖朝向來流,并且與尾隨面之間是一個尖銳的銳角,從而保證流體在進入下游的低壓區之前有一個平滑的過渡區。

            由于流體不是被迫收縮到管道中心線附近,并且不再是一個阻擋物(節流件)令流體突然改變流動方向,而是利用這種結構新穎的內錐式節流裝置實現了對流體的逐漸朝向管道內壁的收縮(節流),使“v”型內錐式流量計具有了一系列獨特的優點。這種流量計在其節流件的下游只會產生高頻低幅的喘流(小渦流),因而差壓變送器所測量的差壓△P信號是低噪聲信號。這樣在負壓側的取壓孔處就可以測得靈敏度(分辨率)優于2.5ram水柱的壓力,從而利用一臺差壓變送器就能夠獲得很寬的量程比(大于15:1)和很好的重復性(優于4-0.1%)。

            “v”型內錐的安裝方式使得管道中的流體在流經該節流件時會逐漸向管壁收縮,從而實現對節流裝置的自清掃,清掃液體中的含氣或氣體中的含液以及氣、液中所含的固體顆粒,將它們吹向下游,始終確保沒有污物在流量計中沉積或堆積。同時,流體與內錐的相互作用使得內錐能矯正已畸變的速度分布,并能很大程度上消除漩渦二次流,起到流動調整器的作用。由于“V”型內錐流量計不受速度分布的影響,所以在安裝過程中可以大大減少上下游直管段長度。

            二、V錐流量計的計算

            由于“V”型內錐流量計仍屬于節流式差壓流量計,所以它遵循伯努利方程和流體流動連續性方程?!癡”型內錐流量計與標準孔板流量計的計算方法基本相似。節流式差壓流量計普遍適用的實際流量公式為:

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            式中:

            s為被測介質的可膨脹系數,對于液體=1;對于氣體、蒸汽等可壓縮流體s<1;q.為流體的體積流量,m2/s;qm為流體的質量流量,kg/s;d為工作狀況下節流件的等效開孔直徑(對于孔板是開孔直徑,對于“V”錐是等效開孔直徑),m;β為等效直徑比,對于孔板:β=d/D;對于“V”

            型內錐節流裝置:β=(D'-d2)05/D;AP為差壓值,Pa;pi為工作狀況下,節流件上游處流體的密度,kg/m';c為流出系數,c=實際流量/理論流量。對于“V”型內錐流量計的計算公式只需對式(1)或式(2)進行修正即可,“V”型內錐流量計采用等效的開孔直徑和等效直徑比。

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            式中:

            D為工況下測量管的內徑,m;d.為工況下錐體最大橫截面積處圓的直徑,m。

            液體的可膨脹系數=1;對于氣體、蒸汽等可壓縮流體<1,計算公式為:


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            式中:

            k為可壓縮流體的等熵指數;P.為工況下內錐上游取壓處的絕對靜壓,Pa。由于發展時間較短,“V”型內錐流量計尚未達到很高的標準化程度,所以對于每臺“V”型內錐流量計,如果要求流量計具有優于士0.5%的精確度,流量公式中所采用的流出系數C應在盡可能接近使用條件的標準裝置上對其進行實流校準。如果要求±1.0%的精確度,則只要使用廠家在出廠時的校準結果即可。

            三、V錐流量計和孔板流量計的能耗對比

            和標準孔板相比,“V”型內錐的永久壓損要小,這個特點使其在節能方面比標準孔板具有無與倫比的優越性,下面我們通過一個實例進行說明。燕化公司動力事業部負責向整個公司提供中壓、低壓蒸汽,共有標準孑乙板流量計98套,其中由第三熱電站向化工一廠輸送中壓蒸汽的0400線上裝有一標準孔板,孔板的設計參數分別為:

            流量Qmm:100th,Qcm:80t/h,Qam:10t/h;差壓AP:60kPa;工作壓力(絕壓)1.7MPa;工作溫度:360℃;管道內徑:406mm;等摘系數k:1.289;直徑比β:0.62151;可膨脹系數s:0.9919;雷諾系數Reas:3819011,Rem:3055209,Ream:381901。

            實際運行過程中,在用蒸汽負荷較大的冬季,經常超量程運行,為了能夠對其進行計量,不得不對原有孔板進行重新計算,擴大量程,Qmr為110t/h,差壓值AP為73.2kPa,而到用蒸汽負荷較低的夏季,該孔板流量計又處于下限運行,計量精度難以保證。為了解決這個問題,寧夏銀河儀表有限公司設計了

            “V”型內錐型流量計,為盡量減少更換儀表,內錐流量計的設計最大差壓AP仍為60kPa,流量Q。m為150t/h,Qcm為65t/h,Qmm為10t/h;其參數分別為:雷諾系數:Remw為6.19×10°,Rem為2.68×10°,Recan:1.24×10°;等效直徑比β為0.68;等效直徑d為192.92mm。

            下面分別計算標準孔板和內錐流量計工作時的能耗。

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            而內錐流量計在Q?為150t/h時,差壓值AP為60kPa,則:

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            QKph為液體或氣體(蒸汽)的質量流量,kg/h;n為泵和電機的效率(常取n=0.8);pi為流動工況下,在上游取壓孔處氣體的密度,kg/m2。

            一年下來孔板比內錐流量計多消耗的能量為:

            年能耗=(w/1000)(運行時數/年)

            =50.361×365×24=441162kW·h考慮到98套孔板,如果全部采用“V”型內錐流量計,那么一年下來節能將是一個非常驚人的數字。

            四、V錐流量計測量水井的井口流量

            燕化公司動力事業部第三供水車問在用水井19口,2004年開采地下水2512萬噸,大部分水井的計量為旋翼式水表,由于井口的水流量是很強烈的紊流,并且帶有很多的泥沙和雜質;另外流量檢測儀表的安裝位置靠近泵出口,直管段很短,給準確計量帶來不小的困難。砂石碎片導致一次元件損壞比較嚴重,現場維修的工作量非常大。為了能夠準確計量地下水的開采量,采用‘‘v”型內錐式流量計替換現在的機械式旋翼式水表。

            量計設計結構決定了它能(修正)矯正已畸變的速度分布,這主要是由于流體與內錐的相互作用。測試結果證明:“v”形內錐有整流作用,它不但能改善速度分布還能在很大程度上消除漩渦二次流,詳見圖3和圖4畸變的速度分布和由內錐造成的新的速度分布。

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            由于V錐流量計并不受速度分布的影響,因此可將這種流量計安裝在一個普通差壓式流量計無法適用的很短的直管上或很小的安裝地點內。由于減少了上下游直管段及流動調整器,安裝空間及占地面積都大大減少,因此可以使原始投資大大削簡。紊流和泥沙不再對計量造成困難。

            五、結束語

            從上面的分析和計算可以看出V錐流量計標準孔板的計算方法基本相似,但由于“V”型內錐型流量計的結構決定了其具有標準孔板流量計無法比擬的優點,在節能、和惡劣條件下準確計量方面,“V”型內錐型流量計尤其值得大力推廣使用,盡管目前標準化程度不如標準孔板,但其在流量測量領域中必然會得到廣泛的應用。



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