內(nèi)藏孔板和小孔板流量計(jì)的應(yīng)用研究

路超，陳志成，王增根，紀(jì)波峰

（1.江蘇福瑞康泰藥業(yè)有限公司，江蘇宿遷 223800；2.江蘇阿爾法藥業(yè)有限公司，江蘇宿遷 223800；3.上海同欣自動(dòng)化儀表有限公司，上海 200070）

0 引言

0.1 從一個(gè)實(shí)例談起

某制藥廠最近三年分5 次購置了49 套內(nèi)藏孔板及小孔板流量計(jì)，公稱通徑有DN 20、DN 25、DN 32 和DN 40，被測流體分別為甲醇、甲苯、多組分水混合液、鈉鹽溶液、MTBE、油狀物液體等。滿刻度流量最小的為200 kg/h，最大的為4 000 kg/h，取代基建階段安裝的浮子式流量計(jì)和渦輪流量計(jì)。因?yàn)樵搹S使用的浮子流量計(jì)不僅示值調(diào)動(dòng)厲害而且容易卡滯失準(zhǔn)，影響使用。出現(xiàn)卡滯的浮子式流量計(jì)，用木槌敲擊后，一般又能正常測量。而渦輪流量計(jì)在微小流量測量中，問題也較多，其一是渦輪流量計(jì)選型中，大多要做縮徑處理，而高速旋轉(zhuǎn)的小口徑渦輪流量計(jì)，不僅容易壞，而且容易被纖維纏繞而停止旋轉(zhuǎn)。其二是強(qiáng)腐蝕問題難以解決。

對于被替換的上述兩種流量計(jì)存在的問題，在差壓流量計(jì)完全不存在，所以換上內(nèi)藏孔板和小孔板流量計(jì)后，都能長周期穩(wěn)定運(yùn)行。

0.2 制藥廠流量測量的特點(diǎn)

原料藥制藥廠生產(chǎn)流程大多屬于精細(xì)化工過程，主要生產(chǎn)設(shè)備例如反應(yīng)器、精餾塔等，尺寸都很小，管道細(xì)，管內(nèi)流體流量小，由于生產(chǎn)過程這種固有的特點(diǎn)，也就使得這種生產(chǎn)流程中所配用的流量測量儀表具有許多特點(diǎn)，如果想解決所遇到的問題，就必須對這些特點(diǎn)進(jìn)行研究。

（1）流量普遍較小。液體流量有時(shí)只有每小時(shí)幾十千克。

（2）連續(xù)生產(chǎn)過程對儀表的可靠性要求高。而對流量測量準(zhǔn)確度的要求不像計(jì)量用途表那么高。

（3）有些被測流體有極強(qiáng)的腐蝕性，所以在儀表制造和設(shè)計(jì)選型中，要與工藝專業(yè)多溝通。有些介質(zhì)還存在易結(jié)晶、凝固問題，同樣要采取措施。

（4）不允許有大的壓力損失。

（5）大多數(shù)環(huán)境有防爆要求。

1 儀表的結(jié)構(gòu)與設(shè)計(jì)選型

內(nèi)藏孔板、小孔板流量計(jì)是差壓式流量計(jì)的一種，是基于柏努利方程和流體連續(xù)性方程而工作的[1]。國際標(biāo)準(zhǔn)和國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 2624—2006 給出了差壓流量計(jì)的計(jì)算公式[2-3]，計(jì)算得到孔板開孔直徑d，流出系數(shù)C和可膨脹性系數(shù)ε1，具體的計(jì)算由儀表制造廠利用專用軟件在計(jì)算機(jī)上完成。由于計(jì)算得到的d一般都很小，加工過程中會(huì)有誤差，計(jì)算公式也有一定的誤差，只有采用實(shí)流標(biāo)定的方法才能保證精度。如果不做實(shí)流標(biāo)定，只能得到5%的流量測量準(zhǔn)確度。

1.1 儀表的特點(diǎn)

（1）結(jié)構(gòu)簡單，現(xiàn)場調(diào)試和維修方便。

（2）可靠性高，使用壽命長。

（3）性能穩(wěn)定，抗干擾能力強(qiáng)，耐振性好。

（4）耐腐蝕問題容易得到解決，孔板板片和差壓變送器殼體、膜盒等均采用Hc 材質(zhì)，其余與腐蝕性介質(zhì)接觸的部分采用與管道相同的材質(zhì)，一般就能解決問題。

（5）壓力損失可以根據(jù)工藝要求設(shè)計(jì)計(jì)算。

（6）流量測量范圍極其寬廣。測量液體流量時(shí)，滿刻度流量最小可達(dá)10 kg/h。而且變更量程方便。

（7）量程比較窄是它的一大缺點(diǎn)。對于單量程表，量程比一般只能做到10∶1，但對過程控制來說，這一缺點(diǎn)并不是致命的，因?yàn)楣に噷I(yè)對流量量程比的要求并不高。

1.2 儀表的結(jié)構(gòu)

這種儀表屬定型產(chǎn)品，其中內(nèi)藏孔板流量計(jì)適合安裝在水平管道上，小孔板可以安裝在水平管道上，也可安裝在垂直管道上。由于流體的類型不同，儀表的結(jié)構(gòu)也不同，選型原則是流體為氣體時(shí)，不讓流體可能生成的冷凝液進(jìn)入差壓變送器的高低壓室；流體為液體時(shí)，不讓流體中可能析出的氣體進(jìn)入差壓變送器的高低壓室。這兩條原則在儀表安裝時(shí)也須注 意。

（1）內(nèi)藏孔板流量計(jì)的結(jié)構(gòu)

所謂內(nèi)藏孔板流量計(jì)就是差壓裝置與差壓變送器合為一體，只適用于DN 15 和DN 20 管道。已形成定型產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 內(nèi)藏孔板差壓流量變送器Fig.1 Built-in orifice plate differential pressure flow transmitter

流體流路示意圖如圖2所示[4]。

這種結(jié)構(gòu)的一個(gè)顯著的缺陷是孔板開孔直徑的加工精度難以控制，因?yàn)閺膱D2 可看出，此開孔深藏在深孔之中。由于這個(gè)原因，在做實(shí)流標(biāo)定時(shí)，往往會(huì)發(fā)現(xiàn)滿刻度對應(yīng)的差壓值與設(shè)計(jì)計(jì)算結(jié)果相差較多。為了解決這個(gè)問題，將孔板開孔移到便于加工的地方，于是就誕生了小孔板差壓裝置。

圖2 內(nèi)藏孔板內(nèi)部結(jié)構(gòu)Fig.2 Built-in orifice internal structure

（2）小孔板流量計(jì)的結(jié)構(gòu)

小孔板流量計(jì)的結(jié)構(gòu)其實(shí)與法蘭取壓標(biāo)準(zhǔn)孔板流量計(jì)相同，只是公稱通徑比50 mm 小一些。其典型結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 垂直管道小孔板流量計(jì)結(jié)構(gòu)Fig.3 Vertical pipeline small orifice flowmeter structure

圖3 中的孔板按標(biāo)準(zhǔn)孔板的要求加工，孔板開孔直徑得到精確控制，因此測量范圍相同的多臺小孔板流量計(jì)，具有很好的一致性。

圖3 中的三閥組，用途是流量計(jì)校零時(shí)便于操作，但在實(shí)際應(yīng)用中，有時(shí)也被省掉了，這主要是下面的三個(gè)原因：

①差壓裝置中的節(jié)流件、法蘭、管件、導(dǎo)壓管、閥門等，都要與強(qiáng)腐蝕介質(zhì)接觸，都要用特殊材質(zhì)制成，不僅價(jià)格高而且制造麻煩。省去根部閥和三閥組可減少很多麻煩。

②配置根部閥的目的之一是維修差壓變送器方便些，但是現(xiàn)在市場上購置的優(yōu)質(zhì)變送器，可靠性非常高，并不需要經(jīng)常維修。

③配置根部閥和三閥組的另一個(gè)目的是變送器校零，由于微小流量的特殊性，一般允許工藝管道上的閥門短時(shí)關(guān)閉，這時(shí)可對流量計(jì)零點(diǎn)進(jìn)行調(diào)校，但需與工藝專業(yè)配合好，以免造成影響。

無根部閥的儀表外形如圖4所示。

圖4 無根部閥的儀表外形Fig.4 Instrument appearance without root valve

（3）壓力變送器和溫度傳感器安裝方法的改進(jìn)

在測量氣體流量時(shí)，一般需要配置壓力變送器和溫度傳感器進(jìn)行溫度壓力補(bǔ)償。其中壓力變送器通過特殊設(shè)計(jì)的管接頭安裝在差壓變送器正壓室的排氣口上[5]。溫度傳感器選用鎧裝鉑熱電阻，用管外夾裝的方法固定。從而避開管徑太細(xì)，溫度傳感器安裝困難的問題。安裝方法如圖5所示[6]。安裝完畢用絕熱材料保溫。

圖5 夾裝式鎧裝鉑熱電阻的安裝Fig.5 Installation of clip-on armored platinum thermal resistance

1.3 設(shè)計(jì)選型中應(yīng)考慮的問題

儀表工程師們對標(biāo)準(zhǔn)差壓流量計(jì)大多是很熟悉的，其實(shí)內(nèi)藏孔板、小孔板流量計(jì)是縮小版的差壓流量計(jì)，用戶需提供儀表使用條件和具體要求，包括

（1）流體溫度、壓力、流量操作條件，含最大流量、常用流量、最小流量。

（2）流體物性數(shù)據(jù)：含氣體（液體）組成、密度、黏度等。

（3）管道規(guī)格、材質(zhì)及與儀表的連接方式、法蘭標(biāo)準(zhǔn)等。

（4）流體流動(dòng)方向和允許壓力損失。

（5）防爆、防凍、防凝固、防結(jié)晶、防腐蝕等要求。

（6）其他需要說明的事項(xiàng)。

2 流量計(jì)的標(biāo)定

GB/T 2624—2006 標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，按此標(biāo)準(zhǔn)制造并檢驗(yàn)合格的流量計(jì)，只要幾何檢驗(yàn)合格就能保證準(zhǔn)確度。但是內(nèi)藏孔板流量計(jì)和小孔板流量計(jì)，管道內(nèi)徑和孔板孔徑都不符合上述標(biāo)準(zhǔn)，因此必須經(jīng)過實(shí)流標(biāo)定，才能保證準(zhǔn)確度[7]。

（1）介質(zhì)為液體的標(biāo)定

按照J(rèn)JG 640—2006 檢定規(guī)程的規(guī)定，內(nèi)藏孔板、小孔板流量計(jì)可用自來水標(biāo)定。標(biāo)定時(shí)水的流量和實(shí)際使用介質(zhì)的流量用式（1）換算。

式中qmw——水的質(zhì)量流量，kg/h；

ρw——水的密度，ρw= 998.29 kg/m3；

ρ1——實(shí)際使用介質(zhì)的密度，kg/m3；

qm——實(shí)際使用介質(zhì)的流量，kg/h。

標(biāo)定得到的各標(biāo)定點(diǎn)誤差，可以繪制成誤差曲線，如圖6所示。還可以用折線法將各點(diǎn)誤差予以校正。典型校正曲線如圖7所示。校正可以在流量二次表內(nèi)完成[8]，也可在DCS 中完成。

圖6 典型誤差曲線Fig.6 Typical error curve

圖7 典型校正曲線Fig.7 Typical calibration curve

由于流量較小，只要有水源和一臺電子秤就能實(shí)現(xiàn)流量計(jì)的標(biāo)定。

（2）介質(zhì)為氣體的標(biāo)定

測量微小氣體流量的內(nèi)藏孔板、小孔板流量計(jì)，可用空氣標(biāo)定，然后用式（2）進(jìn)行換算。

式中qmA——空氣質(zhì)量流量，kg/h；

ρnA——空氣標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)密度，kg/m3；

ρn——實(shí)際使用氣體標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)密度，kg/m3；

qm——實(shí)際使用氣體質(zhì)量流量，kg/h。

3 流量計(jì)的現(xiàn)場校準(zhǔn)

投入使用的流量計(jì)，為確保測量準(zhǔn)確，需要對其進(jìn)行校準(zhǔn)或比對，對于內(nèi)藏孔板、小孔板流量計(jì)來說，這一愿望是很容易實(shí)現(xiàn)的。因?yàn)榱髁枯^小，排出管外的流體容易回收或處理，而且標(biāo)準(zhǔn)器也容易解 決。

（1）介質(zhì)為液體的校準(zhǔn)

工藝管道的適當(dāng)部位，總是串聯(lián)有切斷閥，將這類閥關(guān)閉一個(gè)，管道內(nèi)的流體就停止流動(dòng)，這時(shí)就可以檢查流量計(jì)的零點(diǎn)是否正確。這種校零的方法不僅適用于液體，同樣適用于氣體。對于差壓式流量計(jì)來說，差壓為負(fù)值流量也顯示零，這時(shí)可用手持終端或其他方法去差壓變送器讀取差壓輸出值，如果不為零則予以調(diào)整。

工藝管道上往往設(shè)置有放凈閥，這是工藝專業(yè)的需要。在流量計(jì)的下游如果能找到這樣的閥，就可從閥中放出液體并用容器收集后稱重，然后與校準(zhǔn)期間的累積流量增量比較并計(jì)算誤差。

（2）介質(zhì)為氣體的校準(zhǔn)

與液體流量計(jì)校準(zhǔn)相比，氣體流量計(jì)的校準(zhǔn)要難得多。這是因?yàn)闅怏w不能放容器稱重，只能用準(zhǔn)確度合適的氣體流量計(jì)，對排出管道的氣體進(jìn)行計(jì)量。校準(zhǔn)比對用流量計(jì)有皂膜流量計(jì)、旋轉(zhuǎn)濕式氣體流量計(jì)、浮子式流量計(jì)等。

（3）校準(zhǔn)注意事項(xiàng)

上述校準(zhǔn)比對方法都要建立在安全基礎(chǔ)上，對于易燃易爆和有毒有害、高溫高壓介質(zhì)，不宜從管道中放出物料作現(xiàn)場比對。

4 結(jié)束語

（1）內(nèi)藏孔板、小孔板流量計(jì)是差壓流量計(jì)往微小流量方向的延伸，彌補(bǔ)了標(biāo)準(zhǔn)差壓流量計(jì)不能測量微小流量的不足。

（2）內(nèi)藏孔板、小孔板流量計(jì)，結(jié)構(gòu)簡單，維修方便，可靠性高，使用壽命長，性能穩(wěn)定，抗干擾能力強(qiáng)，耐振性好，耐腐蝕問題容易解決，壓力損失小，變更量程方便，可測流量范圍極其寬廣，量程比可達(dá)10∶1。

考慮儀表投資的要求，對于腐蝕性的介質(zhì)優(yōu)先考慮板片的耐腐蝕性，節(jié)流裝置法蘭具有可更換性，可降低耐腐蝕性要求。

（3）內(nèi)藏孔板、小孔板流量計(jì)，必須經(jīng)過實(shí)流標(biāo)定才能保證準(zhǔn)確度。由于流量微小，標(biāo)定用的設(shè)備容易解決。

（4）由于一體化的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，使一個(gè)流量測量系統(tǒng)中所包含的各臺儀表在制造廠完成組裝并標(biāo)定，從而使工程設(shè)計(jì)得以簡化，系統(tǒng)精度得到保證。

（5）由于流量微小，可借助工藝管道上的閥門或儀表專業(yè)設(shè)置的校驗(yàn)口，在使用現(xiàn)場實(shí)現(xiàn)流量示值的校準(zhǔn)、比對，從而判斷流量計(jì)是否準(zhǔn)確。校準(zhǔn)的方法符合有關(guān)計(jì)量檢定規(guī)程[9]。

經(jīng)現(xiàn)場驗(yàn)證，測量黏度高達(dá)12 mPa·s 的高黏度流體時(shí)，也能做到很準(zhǔn)確。

部分儀表與尚未拆除的浮子流量計(jì)比對，其示值與經(jīng)過密度換算的浮子流量計(jì)示值基本相符，得到工藝專業(yè)的好評。

（6）由于這種流量計(jì)的固有特點(diǎn)，使其在制藥等精細(xì)化工行業(yè)、化工小試裝置以及輕工行業(yè)的添加劑計(jì)量中，得到廣泛使用。