差压式流量计孔板、威力巴、V锥等的特点及应用

差压式流量计孔板、威力巴、V锥等的特点及应用

摘  要：结合工程使用经验,介绍差压式流量计的选型要点及运用技巧,探讨各种流量计的应用。

关键词：差压式流量计 孔板 V锥流量计 威力巴流量计

 1 引  言  

随着仪表技术的发展,越来越多的流量测量手段被应用到工业各领域中。其中差压式流量计以其较低的价格,广泛的应用场合,长期的使用经验,以及越来越高的精度,在流量测量中一直占有非常重要的地位。根据安装于管道中流量检测件产生的差压、已知的流体条件,以及检测件与管道的几何尺寸,可选择不同的差压计,为提高检测精度、稳定性和延长流量计的使用寿命。笔者在长期的工程实践中,摸索出了一些工程实用经验以供参考。

2 孔板流量计

孔板流量计是一种非常成熟的流量测量方式,根据各种不同的工况,会选用不同形式的孔板流量计。常见的有标准孔板,圆缺孔板,偏心孔板,1/4圆孔板几种。

2.1 适用范围

标准孔板流量计适用一般洁净,黏度不大的介质;圆缺孔板适用黏度较高,比较脏的介质;1/4圆孔板适用于黏度较高,流速较小的介质;偏心孔板适用于包含固体颗粒物流体的流量测量。

2.2 计算和选型

目前在孔板流量计计算中最权威的应属国际化组织 ISO5167中的有关公式,根据不同流介特性选择不同形式孔板,选型中非常重要的一点就是,在一种工况下,多种类型孔板都能够采用的时候,尽量选用符合ISO5167-2或GB/T2624-93规范的标准孔板流量计,由于标准孔板的制造规范是经长期、大量实验推导出来的,有很高的可靠性。在设定范围内流量与差压的方根值,可以维持较好的线性度。只要制造厂按标准加工,其流量是无需标定的,而非标准孔板及大部分其它流量计出厂时必须要经专门的检测标定。

在孔板流量计设计计算中,重要的是要处理好刻度流量、差压上限和󰀁之间的关系。根据刻度流量,设定一常规󰀁值,计算󰀁P值,再根据󰀁P值适当调整󰀁值。刻度流量通常是正常操作流量的1.3倍与最大流量的1.1倍,两者取最大值,或是满足正常流量是刻度流量的70%左右,最小流量不低于25%;差压上限一般推荐10,16,25,40,50kPa几档,󰀁值取0.5～0.6为推荐值。

2.3 安装

 “小进大出”是仪表行业人员对于孔板流量计安装流向的常用语,其意思是孔板的锐边应迎着被测流体的流向,使流体从孔板的上游端流向孔板的下游端面。这对于标准孔板、圆缺孔板和偏心孔板都是正确的,然而1/4圆孔板和锥形入口孔板却恰恰相反,它们开孔的锋利端必须背着被测流体的流向,是“大进小出”。

如何保证孔板有足够长的上、下游直管段,一直是工程设计、施工中一个较为头痛的问题。我们在工作中注意到节流元件只有在前后流体有充分发展的速度剖面基础上,才能保证流体的测量精度。直管长的具体要求应按《自动化仪表工程施工及验收规范》执行。

3 V锥流量计

V锥流量计是一种新型差压式流量计,主要用于大流量的精确计量。从结构上看,V锥流量计是一个圆锥体悬挂于管道的中央,流体从流体的顶部方向进入,从底部方向流出。它从根本上“将流体收缩到管道中心”的概念改变成“收缩到管道的内边壁”。原理与孔板流量计相同,都是通过节流前后的压差来测量流量。区别在于孔板流量计是管道四周节流,属于突然收缩式节流装置,V锥流量计是中央节流,属逐渐收缩式节流装置。

V锥流量计的稳定流量的计算公式为:

QV=KY󰀁P/y

其中:K为常数;Y为气体膨胀系数,在非压缩应用时 Y=1。

虽然V锥流量计流量测量公式与孔板相似,但几何结构完全不同,因而相对孔板具有以下一些特点:

(1)    无苛刻的直管段要求

V锥流量计的锥体本身重新安排了上游的流速分布,相当于自带了整流器,从而大大的缩短了直管段的长度要求。按照新规范,孔板的上下游直管段至少要保证(22)D,而V锥流量计一般上游只需(1～2)D直管段长,而下游需(3～5)D或更小的直管段。

(2)相对压损小

 由于没有锐利的边口,V锥流量计到来的压力损失是恒定的,且远比孔板的压损小。V锥流量计背压稳定,所以可把正常使用的差压放在较低的范围内,满量程差压一般为4～5kPa或更低,正常流量对应的差压大概在2kPa左右,永久压损在1kPa左右。

(3)改变流速轮廓

 一个V锥体悬挂在管道中心,改变了管道内流体速度分布,从而达到使流速相对“匀化”的效果,这使得V锥体流量计在流速较低时,仍能产生足够的压差,随着流速的降低,传统的差压仪表早已不能测量了,而V锥体流量计作用却更加显著。

4 威力巴流量计

威力巴流量计的探头为单片双腔结构,它的截面采用了子弹头形状,在其前部表面进行了粗糙化处理,通过面积积分所得的多对取压孔遍及整个管道的速度剖面。迎面流体的取压孔读取高压平均信号,在探头的侧后两边,流体与探头的分离点之前的低压取压孔读 取低压平均信号。

威力巴流量计与其它差压流量计一样都遵循伯努利方程:

QV=KC 󰀁P/P

QV为流体的体积流量,K为流量系数,C为流量常数;󰀁P为探头所产生的差压。 K=1/[1/(1-CbBv)+C] Cb为边界层系数,Bv为阻塞系数。

相对于常规的差压式流量计,威力巴流量计具有以下一些特点:

可在各种管径的管道上进行安装,尤其适用于管径较大的管道中气体流量测量;可在圆管或方管上进行测量;威力巴在安装过程中,只需要进行简单的焊接,焊接的工作量从几厘米到十几厘米不等,基本上与管道的大小无关;因为威力巴采用非收缩节流设计,比起孔板大大减少了永久压损。

孔板压损经验公式:

当󰀁=0.6时,PPL0=0.6×󰀁P󰀁 =0.7时,PPL0=0.5×󰀁P

威力巴压损经验公式:

PPL0=0.3×󰀁P

由于威力巴的压差󰀁P的孔径的差压󰀁P小一个数量级,而压损比例又小一个数量级,所以威力巴的压损和孔板的压损相比是微不足道,因而威力巴流量计的运行成本大大低于孔板的运行成本。

5 选型实例

在自备热电站的化工工程中,流量测量全部采用差压式流量计,根据不同介质和不同工况作了以下选型: 高压蒸汽及给水部分:考虑到永久压损低,长期运行成本低,以及不易泄漏等特点,选用威力巴流量计; 背压蒸汽及给水部分:考虑到一次性投资低,流体较稳定等特点,选用标准孔板流量计。