V錐流量計的市場應用

摘要：按照2003年3月由國際標準化組織公布執行的ISO5167最新國際標準的要求，孔板和文丘里管上游要求更長的直管段，“V”型內錐式流量計將取代目前我國廣泛使用的孔板、噴嘴和文丘里管等流量計。介紹了新一代的差壓式流量計——“V”型內錐式V錐流量計的工作原理、結構、整機系統組成及主要技術指標和性能，對它的優缺點進行了分析研究。結果表明：該流量計抗污染能力強，工作穩定，可解決濕氣體流量測量和焦爐煤氣測量的難題；還可有效完成對低靜壓、低流速流體的測量。因此適用于天然氣、煤氣、供熱蒸氣、污水等介質以及環境監測工程中的流量計量。還報道了該流量計的典型應用和最新進展。

“V”型內錐式流量計（V錐流量計）是利用同軸安裝在管道中的“V”形尖圓錐將流體逐漸地節流收縮到管道的內邊壁，通過測量此“V”形內錐體前后的差壓來測量流量的。經過10多年來的多次測試和應用證明：利用流量計能在更短的直管段條件下，以更寬的量程比對潔凈或臟污流體實現更準確更有效的流量測量。

基本原理與結構

“V”形內錐式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。此差壓的高壓（正壓）是在上游流體收縮前的管壁取壓口處測得的靜壓力p1，如圖1所示，而低壓力（負壓）

則是在圓錐體朝向下游端面錐中心軸處所開取壓孔處的壓力p2。該圓錐體的頂尖朝向來流，該圓錐體與其尾隨面之間是一個尖銳的銳角。此交合面的邊緣使得流體在進入下游的低壓區之前有一個平滑的過渡區，如圖1所示。

由于流體不是被迫收縮到管道中心軸線附近，并且也不再是一個阻擋物（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內邊壁的收縮（節流），使“V”形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到的差壓△p信號便是低噪聲信號。這樣在低壓力的取壓孔處可以測得靈敏度（分辨率）優于2.5mm水柱的壓力。這就能夠只用一個差壓變送器就獲得很寬的量程比（范圍度）（量程比可大于15：1）和很好的重復性，使重復性優于士0.1%成為可能。

1.“V”形錐技術的特征

所有各種節流式差壓流量計都使用同一形式的數學方程式，普遍適用的計算工況下實際流量的公式如式（1）、（2）所示。只是在確定尺寸和具體實現

流量測量方面，各種節流式流量計有某些微小的差別。對于“V”形內錐式節流裝置，在以上的式（1）、

（2）流量計算公式中，應采用等效的開孔直徑和等效的β值。例如，在式（1）、（2）中，應該用等效值（D2-d4）取代d2。同時對于V錐流量計應該用一個等效的β值（即Bv）代入以上的式（1）、（2）取代公式中原有的β值。這個工況下等效的B值（B），可按下式求出：

式中：D表示工況下測量管的內徑，m；dv表示工況下尖錐體最大橫截面處圓的直徑，m；B/表示 節流裝置的等效直徑比，無量綱。

可按下式計算dv：

式中dv和D皆指在工況條件下的尺寸。

與孔板（或噴嘴）類同的節流件等效開孔直徑：

2.V錐流量計的氣體可膨脹性系數如果被測介質是氣體或蒸氣，則必須使用氣體可膨脹性系數e來修正柏努利方程。這是因為在節流件兩端由于壓力變化所造成的氣體密度p的變化并不適用于液體。對于氣體，必須用e乘以C（即用e來修正流出系數C）。對于V錐流量計的E的計算公式的如下：

式中：△p一般表示在常用流量下，內錐前后的常用差壓，Pa；B表示節流裝置的等效直徑比，即Bv；k表示被測介質（可壓縮流體）的等熵指數；p；表示工況下節流件（內錐）上游取壓孔處可壓縮流體的絕對靜壓，Pa。

對于每一個V錐流量計，在流量公式中所采用的流出系數C是通過流量標定而獲得的。C的典型數值范圍是0.75~0.85。對于氣體或蒸氣介質的可膨脹性系數e可按式（6）計算。一個V錐流量計由節流裝置、差壓信號管線、三閥組組件、差壓變送器及流量計算及顯示儀組成，其整機接線示意圖2所示。

3.節流裝置的3種結構型式（1）精密測量管型（圖3a），其口徑范圍一般為15~900mm。

（2）維夫（Wafer）式，即法蘭夾裝式（圖3b），其口徑范圍為15~150mm。

（3）插入（帶頂部管壁）式（圖3c），其口徑范圍為

150~1800mm，由于無法進行校準，精度較差，不確定度介于3%~5%，但測量值的重復性仍然很好。

V錐流量計的主要性能指標與特點

（1）在精密測量管中的內錐的標準等效直徑比B分別等于0.45、0.55、0.65、0.75和0.85。

（2）在各種阻流件的下游安裝V錐流量計時，所要求的直管段都大大縮短，一般上游要求有0至3D的直管段（當流量計安裝在閥門的下游時，要求3D）；下游要求有0至1D的直管段。

例如：經測試將V錐流量計安裝在單彎頭之后，在0至20D的距離內，流出系數C的變化全部在士0.5%以內，如圖4所示。

將V錐流量計安裝在不在同一平面的雙彎頭

后，在0至100D的距離內，流出系數C變化全部在士1%以內，如圖5所示。

（3）在絕大多數的使用場所，V錐流量計的測量精確度達士0.5%。

（4）重復性為士0.1%。

（5）典型的范圍度（量程比）為15：1。

（6）最小雷諾數為8000，對于雷諾數低于8000的場所，要采用一個擬合的關系式。

（7）沿測量管的內壁由被測流體自行實現完全的自清掃，所以可以自行消除液中的含氣或氣中的含液以及氣或液中所含的固體顆粒，將它們吹向下游，始終確保無污物在流量計中沉積或堆積。

（8）采用標準化的圓錐尺寸，可以減小壓損并增大流量測量范圍。

（9）測量管中的設計壓力可達4~6MPa。

（10）工作溫度可達370~640℃。

（11）在“V”形錐的下游能更好的實現流體的混合，它是一個良好的混合器。

V錐流量計的優缺點

1.優點

（1）準確度優于實測流量的士0.5%，根據最新

報導15），在CEESI的依阿華（IOWA）的天然氣大流量測試裝置上，曾對一批口徑為457~711mm的V錐流量計進行了測試，其不確定度介于士0.118%~士0.203%，對兩個相同口徑（660mm）的V錐流量計測試后，所有測試點的總離散度在士

0.55%以內。該不確定度水平與其他各種氣體流量計相當。

（2）這種流量計的量程比：典型值為15：1，至少可有10：1的量程比。

（3）重復性優于士0.1%。

（4）安裝時所要求直管段很短，上游要求0至3

D，下游要求0至1D；不需要在V錐流量計的上游安裝流動調整器。

（5）流量計結構設計是流體掃過型結構，不可能截留流體中任何夾帶的氣、液或固相污物，非常適用于對臟污流體的流量測量，如焦爐煤氣、濕氣體等（表1）。

（6）專用特殊設計的內錐體可以減弱被測壓力（差壓）場中脈動（振蕩）的幅值，從而減小差壓信號中的噪聲?？蓽y量更小流量，使量程比拓寬。

（7）無可動部件。

（8）當流體流經具有特殊廓形的內錐體時，會在其周邊形成邊界層并疏導流體離開錐體尾部的邊緣，從而減少它被磨損的可能性。

（9）由于壓損小，適用于低靜壓流體流量測量場合，如煙道氣。

2.缺點

（1）當要求V錐流量計具有優于士0.5%的精確度時，對每一臺流量計都要求在盡可能接近使用條件的校準裝置上對它進行實流校準，即標定它的流出系數C。

（2）V錐流量計尚未達到標準化的程度。

（3）由于結構原因，無法用一臺V錐流量計適應雙向流的流量測量要求。

典型產品剖析

1.從速度分布、流動調整及直管段要求作橫向剖析

為了獲得好的速度分布并且將旋轉二次流（渦流）從被測流體中消除，并且為了盡可能的縮短流量計上下游的直管段，大多數的流量計（如節流差壓式、超聲、渦輪或渦街流量計）都要求在其上游安裝

流動調整器。

然而V錐流量計一般是不需要任何流動調整器械的，因為V錐流量計本身能（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旋渦二次流，詳見圖6、7。

由于V錐流量計并不受速度分布的影響，因此可將這種V錐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，從而大大節省投資。一個V錐流量計的典型安裝圖如圖8所示。

請注意V錐流量計所要求的上游直管為0～3

D，而其下游所要求的直管段為0~1D。

2.從儀表的可靠性及信號的穩定性作剖析大多數的節流式差壓流量計都沒有可動部件，因此可以認為它們在機械性能方面是穩定的，但是對傳統的節流式流量計，流體的磨蝕要影響流量計的性能。

V錐流量計的設計和制造，可以確保它決定β

值的邊緣不會由于接觸流體而被磨損。當流體流入V錐流量計表體內時，高速的核心流動將被迫按照流線的路徑靠近管內壁的邊界層，于是形成的一個二次形成的邊界層會沿著錐體周圍的區域被重新分布。其結果就是一個接近于管內流速的完全混合，如圖9所示②從而可以使流量計按預計的方式工作，正常發揮其性能。在長期使用后，如果在錐體的前端（即頭部）產生磨蝕，也不會影響V錐流量計的性能，而且通常又都使用堅硬的材料制作或者有堅固的支撐結構。

對于大多數其他類型的差壓式流量計而言，信號的穩定性是一個主要問題，它們可能會造成信號的多次反射。而對于V錐流量計來說，在內錐體的尾部產生的是一種高頻率低幅值的旋渦。這種類型的信號會增強差壓變送器的性能，使之能測量更小的差壓，從而使量程比（范圍度）增大。這主要是由于信號并沒有被造成誤差的噪聲所淹沒。在壓縮機控制的使用場合，使用V錐流量計將會取得理想的效果。

對于內錐體在其尾部所得的是高頻、低幅值的波動信號，如圖10（a）所示。而對于孔板，所測得的則是低頻、高幅值的波動信號，見圖10（b），這對測量不利。

3.從幾種流量計的購置費用進行剖析一般說超聲流量計的購置費用最高，渦輪流量計的購置費其次，V錐流量計最低而且它對不同被測介質的適應能力強，對不同工況條件的適應范圍也寬，雷諾數的適用范圍也更寬。還具有諸如測量穩定性好，耐用可靠，要求直管段短，適宜計量臟污流體等突出優點。因此，V錐流量計是一種物美價廉的流量計，是取代孔板等差壓式流量計的最佳更新換代產品。

利用V錐流量計解決流量測量難題的典型用例分析

1.濕氣體的流量測量難題采用孔板測量濕氣體時，會產生相當大的誤差，這是由于當氣體被水飽和時，差壓變送器的響應時間會造成計量誤差，再加上如孔板的上、下游存留著水時，會造成測量上的難題。采用V錐流量計取代孔板流量計會得到很小的不確定度。其測量結果的前后對比見圖11所示。在圖11的下半部分示出使用孔板測量濕氣體流量的記錄曲線。在孔板上下的滯留水積存多了就形成了“氣水相混”的團狀流動的條件，導致孔板計量的不確定度超范圍的增大變寬。而V錐流量計則有很快的響應時間，無積水現象，而且節流裝置還能同時跟蹤靜壓力的變化。圖11的上半部分表明當采用V錐流量計取代孔板后，它能迅速排除積存的水并正常測量汽團狀流的情況，而該圖的下部是采用孔板時測量汽團狀流流量的記錄曲線。

關于利用V錐流量計測量濕氣體流量的最新報告詳見文獻（14〕。

2.焦爐煤氣流量測量難題

焦爐煤氣中的萘和焦油會凝析出來并沉積在孔板上，使得無法利用孔板實現有效的計量，另外它還是一種低靜壓，低流速的氣體，在V錐流量計出現之前，焦爐煤氣的流量測量一直是一個眾所周知的難題。瑞典的鋼鐵公司改用（V-cone）流量計替代原有的差壓式流量計計量臟污的焦爐煤氣，經過3個月試用之后，發現流量計是干凈的，錐形體表

面無磨損跡象，從而圓滿地解決了焦爐煤氣計量中的2個主要難題：①固體物沉積和由此造成的β比值的改變；②差壓測量時取壓孔的阻塞。

結論

（1）對于任何一種測量氣體、液體或蒸氣流量的場合都可以使用V錐流量計。堅固結實、使用壽命長、適用面極寬，從本質上說V錐流量計是免維護的，也不需要進行定期的重新校準。只有當V錐流量計在極端的工作條件下工作時，才有必要對它定期進行檢查。

（2）就像對任何一個一次節流裝置一樣。必須配套使用較高質量的差壓變送器及二次儀表才能充分獲得整體優異的系統性能，因此應按照制造廠家的說明書，定期對差壓變送器及二次儀表進行重新校準。

（3）V錐流量計雖同屬于節流式差壓流量計，但它獨特的結構、原理使得它不但測量準確度高，而且不存在磨損與積污問題，標定出來的流出系數不但可以在現場準確復現，而且可以長期保持不變；再臟的氣體也不會使取壓孔堵塞；它的量程比為10：1或15：1；對安裝直管段僅要求0至3D，它的壓損很小，可以在低靜壓、低流速的流體中實現有效的流量測量。V錐流量計的優良計量性能使得它適宜普遍用作環境監測工程中的流量儀表，如監測煙道氣的流量、監測各種污染物的排放量等，也可用于對天然氣、煤氣、供熱蒸氣、污水等的計量，包括用于貿易輸送的計量與結算。

（4）就測量精度而言，多聲道超聲、、精密氣體渦輪，可屬同一檔次，其次為渦街、旋進旋渦、均速管等。如就抗臟污能力和工作穩定性而言，惟有性能最佳；就其量程比而言，雖不及超聲和渦輪、渦街等那樣寬，但10：1或15：1用于工業測量已足夠，特別是可以測量小雷諾數（低流速）的特性，比一般的量程比寬更有實用意義，特別是用于環境監測。惟一的缺點是欲獲得較高測量精度必須有質優的差壓變送器與之配套，不過在當今要作到這一點并無多大困難。

（5）V錐流量計是基于很成熟的原理工作的，只是它的結構稍有不同，它為差壓式流量計揭開了嶄新的一頁，正在日益顯示其旺盛的生命力。隨著它的被推廣使用，將有更多的流量測量難題逐步被解決。

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