矩形流量計在工程應用中的體會

王海兵，劉冰

(航天長征化學工程股份有限公司 蘭州分公司，蘭州 730050)

石油和化工生產(chǎn)裝置中，采用傳統(tǒng)的流量計在測量高黏度、含有顆粒狀的流體時容易產(chǎn)生流量計堵塞和磨損，造成無法正常使用或測量不準。矩形流量計作為一種新型差壓流量計，測量管道可以是方形管道，也可以是圓形管道，適用范圍廣。矩形流量計無可動部件、耐磨損，測量精度可保持長期不變，這是孔板流量計、楔形流量計、質量流量計、透平式(渦輪)流量計等達不到的，解決了許多其他流量計無法解決或解決效果不佳的流量測量問題，尤其是高黏度介質、強腐蝕性介質和重摩擦性介質流量的高精度測量問題[1-4]。矩形流量計已經(jīng)逐步應用到煤化工、多晶硅工業(yè)、電力行業(yè)中。

1 測量原理

矩形流量計是一種產(chǎn)生差壓信號的節(jié)流部件，根據(jù)流體力學方程，由差壓信號與流量的對應關系，可以精確地測量流體的流量。矩形流量計的節(jié)流塊具有楔形流量計節(jié)流楔塊的部分特征，又具有文丘里流量計的大部分特征，通俗地講，矩形流量計是楔形流量計和文丘里流量計的結合體。矩形流量計采用單向流體通過標準孔板的標準公式[5]，流量計算見以下公式。

(1)

(2)

式中：qV——體積流量；C——流出系數(shù)；ε——可膨脹系數(shù)；m——節(jié)流面積比，流通弓形面積/管道截面積；D——管道內(nèi)徑， mm；Δp——差壓，Pa；ρ——介質密度，kg/m3。其結構如圖1所示。

圖1 矩形流量計結構示意

2 矩形流量計的性能分析

2．1 耐磨性

在煤氣化工藝過程中，介質主要由煤反應后的煤灰和水混合而成，即黑水，該介質工藝條件通常是溫度為200 ℃，壓力等級為10．0 MPa，含煤顆粒8%～10%，這樣的工藝條件對流量計提出了比較苛刻的要求，一般流量計難以滿足要求。測量該種高黏度、高磨損性流體一般采用楔形流量計，由于楔形流量計結構有一個小于90度的棱角節(jié)流線[6-7]，如圖2所示，才能保證產(chǎn)生可測量的節(jié)流效果和下游流動狀態(tài)，但同時當流體經(jīng)過楔形流量計時在節(jié)流塊棱角處會急速縮流，而后又急速恢復壓力，在棱角處會產(chǎn)生強烈的渦流，這種渦流一方面沖刷楔棱的背面，另一方面還反沖節(jié)流棱角，產(chǎn)生強烈的磨損，從而降低測量精度。

圖2 楔形流量計結構示意

根據(jù)圖1可見矩形流量計的節(jié)流塊是一個鈍角或圓弧線，不存在棱角的問題，流動狀態(tài)平穩(wěn)地從收縮段進入喉部，這樣可以大幅減小磨損。同時矩形流量計采用流線型節(jié)流通道，具有1個適當長度的喉管，該喉管起到整流的作用，有效地平擬了流體的波動，再加上后部的壓力恢復段，延伸了這種流線型流道，使得整個流量計內(nèi)部不會產(chǎn)生渦流和震動，避免了因渦流產(chǎn)生的磨損。矩形流量計可以連續(xù)使用3年且測量精度不變，其使用壽命是楔形流量計的4倍以上[8]。

2．2 永久性壓力損失小及差壓值大

在工程應用中，運行成本中包括泵和壓縮機所消耗的電能，通過選取壓力損失小的流量計可以有效地降低介質的輸送成本，并且介質的輸送成本是一項動態(tài)投資，在長期運行中遠超儀表的一次投資[9]。

一般節(jié)流裝置如楔形流量計通過節(jié)流塊產(chǎn)生節(jié)流形成差壓來測量流量，節(jié)流件后利用流體力學的原理自由恢復壓力，通常這樣壓頭損失往往很大，而且測量精度越高，量程比越大，壓頭損失就越大，一般來說壓頭損失為測量壓差的30%～60%。由圖1可知矩形流量計結構類似于文丘里流量計的壓頭恢復段，可以最大限度地恢復壓力，壓頭損失為測量壓差的15%～25%。

矩形流量計由于采用喉部中心取壓，因為中心處流速最快，根據(jù)伯努利方程可以得出的差壓值遠大于其他類型的流量計，所以被廣泛應用于微壓、低壓損工況，如電廠送吸風、加熱爐送風的測量。

2．3 高精度測量

經(jīng)過大量的理論研究和實驗數(shù)據(jù)以及嚴格的制造檢驗程序，使得矩形流量計的精度達到了0．25% 以上。同時，由于矩形流量計的特殊結構能夠保證在較寬的雷諾數(shù)范圍內(nèi)流量系數(shù)為線性且穩(wěn)定，因此無論針對大流量還是小流量都可以精確測量。在多晶硅行業(yè)中氫氣是一種難以測量的工業(yè)氣體，還原爐的氫氣進料量是通過預先設定好的配比來控制進料調(diào)節(jié)閥的。如果測量到的流量波動比較大或者流量小測量不到，導致調(diào)節(jié)閥頻繁動作，從而影響硅棒品質，甚至導致倒棒急停；如果流量測量不準確，會導致吹掃置換不干凈，存在安全隱患。通常情況下采用質量流量計測量氫氣，但是需要通過縮徑來提高流速，使壓力損失很大，同時由于流量計出口處的流速很快，有發(fā)生危險的可能，并且流量計后端需要很長的直管段流速才能恢復?，F(xiàn)在采用矩形流量計測量氫氣不但精度高而且性能穩(wěn)定，很好地解決了這一難題。

2．4 寬量程比

在丙烷流量測量中，最小流量與最大流量之比為1∶66，這是矩形流量計大量程比的基本要求，由于現(xiàn)在流量差壓變送器的限制，例如橫河變送器，精度為0．04%，量程比為200∶1，差壓為0．5～100．0 kPa，為了保證小流量的精確測量，采用2臺差壓變送器，一臺可以精確測量0．5 kPa以上的差壓值，另一臺差壓變送器量程為0．1～10．0 kPa可以精確測量0．1～0．5 kPa段的差壓值，使得在小流量測量時可以保證精度，所以流量計在較寬的流量范圍內(nèi)都可以精確測量。通過調(diào)整流量計的β值使得流量計在最小流量時差壓不小于0．1 kPa。

3 矩形流量計與楔形流量計等的性能對比

矩形流量計與其他差壓流量計性能對比見表1所列。

表1 矩形流量計與其他差壓流量計性能對比

4 結束語

矩形流量計作為一種新型流量計被廣泛應用于煤化工、多晶硅、電力等行業(yè)。其工作穩(wěn)定、結構簡單、使用壽命長且準確度適中、維護量小，能夠適用多種介質的測量。通過對矩形流量計的性能分析，其測量精度是傳統(tǒng)節(jié)流裝置的4倍左右，永久壓力損失是傳統(tǒng)節(jié)流裝置的1/3左右，同時流量計要求直管段最小可以達到1．5D，因而省去了大量的直管段，由于沒有活動部件，安裝和維護相對容易?？傊匦瘟髁坑嬀哂袕V泛的發(fā)展空間。

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