威爾巴流量測量系統(tǒng)的介紹及應用

唐全勝

1 前言

威爾巴流量測量系統(tǒng)由一體化威爾巴傳感器、差壓變送器和流量積算儀等組成，采用差壓工作原理，與DCS系統(tǒng)一起進行液體流量測量與控制（見圖1）。威爾巴流量傳感器形狀如子彈頭，符合流體動力學原理，能產(chǎn)生精準、穩(wěn)定的差壓信號，具有測量精度高、可靠性好等優(yōu)點，可測量氣體、液體、蒸汽和腐蝕性介質(zhì)等多種流體，適合測量各種尺寸的高溫高壓的圓形和矩形管道。

2 測量原理

圖1 一體化威爾巴流量傳感器

流體流過插入在工藝管道中的威爾巴流量傳感器時，在其前部（迎流方向）會產(chǎn)生一個高壓分布區(qū)，在其后部會產(chǎn)生一個低壓分布區(qū)，如圖2所示。傳感器在高壓區(qū)開設有按一定規(guī)則排列的多對取壓孔（一般為三對），分別測量流體每點上的壓力，在流量傳感器端部迎流方向測得流體的全壓力即高壓值P1（包括每點的動壓力又稱速度壓力和靜壓力的平均值）；低壓區(qū)的取壓孔在流量傳感器側壁（順流方向），僅測得流體的多點靜壓力的平均值，即低壓力值P2；將P1和P2分別引入差壓變送器，測量出差壓△P=P1-P2，故△P反映了流體平均速度壓力，即平均流速的大小，以此可推算出流體的流量。

3 特性分析

3.1 設計特點

3.1.1 特殊工藝的子彈頭形狀

威爾巴流量傳感器采用截面形狀如子彈頭形的探頭，結構為一體化雙腔不銹鋼耐磨防腐金屬結構，如圖2所示。高壓孔在探頭前部形成較高的高壓區(qū)，可阻止流體中的微粒進入取壓孔洞；低壓孔位于探頭側后兩邊，在流體與探頭的分離點之前，可減少低壓孔被堵塞的可能性。在探頭前部金屬的表面，進行了粗糙化處理。根據(jù)空氣動力學原理，流體流過粗糙表面，會形成一個穩(wěn)定的紊流邊界層，有利于提高低流速狀態(tài)的測量精度。在低流速時，探頭仍可獲得穩(wěn)定精確的流體差壓信號，從而延伸了傳感器測量量程的下限，保持流量系數(shù)穩(wěn)定。

圖2 威爾巴流量傳感器測量原理分析圖解

3.1.2 顯著的防堵效果

威爾巴流量傳感器以其顯著的防堵效果，徹底解決了其他均速管插入式流量傳感器探頭易堵塞的問題，使得均速管流量傳感器的防堵水平達到了一個嶄新的階段。

首先，威爾巴流量傳感器（探頭）的迎面高壓孔不會堵塞。在威爾巴流量傳感器剛投入運行時，流體在管道靜壓作用下，開始進入探頭的高壓孔腔內(nèi)，猶如帶頸的瓶子放入水池灌滿水一樣，很快形成壓力平衡狀態(tài)。當壓力平衡狀態(tài)形成后，流體不再進入高壓孔，遇到進口處的高壓會繞道而行，朝探頭的兩側分流漸開離去，在探頭的后部形成一種渦流。一般情況下，顆粒雜質(zhì)在渦流牽引力的作用下，集中在探頭的后部。而低壓孔在探頭的兩側以及流體分離點和尾跡的前部，這樣可避開雜質(zhì)聚集區(qū)，實現(xiàn)防堵效果，還可避開渦流產(chǎn)生的信號波動區(qū)，使威爾巴流量傳感器獲得一個穩(wěn)定的差壓信號，如圖3所示。

圖3 流體軌跡分布示意圖

3.2 威爾巴流量傳感器與孔板流量計比較

孔板流量計產(chǎn)生的壓損為所測量差壓值的60%，而威爾巴流量傳感器的永久壓損僅為差壓值的3%。

3.2.1 壓力損失比較

節(jié)流元件壓力損失所造成的功率損失：

式中：

W——功率損失

δ——節(jié)流件的壓損

Q——流經(jīng)節(jié)流件的流體體積流量

孔板流量計的壓力損失：

式中：

β——孔板孔徑比

△P——產(chǎn)生的壓差

δ——產(chǎn)生的壓損

威爾巴流量傳感器的壓力損失：

由以上公式可得，孔板流量計產(chǎn)生的差壓本身就比威爾巴流量傳感器產(chǎn)生的差壓大，同時，孔板流量計永久壓力損失也不可避免達到差壓的60%，而威爾巴流量傳感器由于阻流面積成倍減少，也使其永久壓力損失幾十倍的減少，只有壓差的3%。

3.2.2 安裝費用比較

威爾巴流量傳感器的安裝只需要按照傳感器的不同規(guī)格尺寸進行簡單的焊接，與管道直徑的大小無關，而孔板流量計需要進行兩倍于管道圓周的焊接。相比而言，威爾巴流量傳感器的安裝費用降低了許多倍。例如，在DN100至DN1000的管道上安裝威爾巴流量傳感器，只需進行100mm左右的焊接，而孔板流量計則需要進行600～6 000mm的焊接。如果在大型管道上安裝孔板流量計，因重量問題，需要用吊車等輔助設備進行吊裝，而威爾巴流量傳感器則不需要。相比之下，威爾巴流量傳感器至少節(jié)約了80%以上的安裝費用。根據(jù)安裝經(jīng)驗，威爾巴流量傳感器只需15min開孔，30min焊接安裝座，15min固定傳感器，整個過程≯1h，即使在不停產(chǎn)的情況下在線安裝，整個過程所花費的時間也僅需1.5h左右。

3.2.3 威爾巴流量傳感器可在線安裝和檢修

對于部分無法停產(chǎn)安裝的測點和雜質(zhì)含量多的介質(zhì)，可選在線安裝型威爾巴流量傳感器。在威爾巴流量傳感器允許的流量、溫度、壓力及現(xiàn)場環(huán)境（非易燃易爆場合）下，可在不停產(chǎn)狀態(tài)下進行在線安裝、更換、清理和維護。

3.2.4 威爾巴流量傳感器測量范圍廣、應用場所多

威爾巴流量傳感器可測量介質(zhì)為各種氣體（空氣、煤氣、天然氣等）、蒸汽、流體（水溶性等化學液體）等的滿管及單向流體的流量，適用各種尺寸的圓管和方管。威爾巴流量傳感器設計新穎，采用特殊工藝的一體化316L金屬材質(zhì)的雙腔子彈頭結構，強度高，適于高溫、高壓、具有腐蝕性及防爆危險等場所。

3.2.5 威爾巴流量傳感器精度高、量程比大

精度一般為±1%，重復性±0.1%，量程比10：1。管道連接型（VRB60型）威爾巴流量傳感器經(jīng)特殊處理后，量程比可達20：1。■