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多孔平衡流量计的优化性能与应用

导读: 多孔平衡流量计是在传统孔板流量计的基础上所研发出的新一代节流式流量计。通过介绍其基本工作原理及优化后的性能特点,并结合几种工况条件下的使用,对多孔平衡流量计的应用加以阐述。

0 引言

节流式流量计通常也被称之为差压式流量计,迄今为止仍因其制造工艺标准化、使用技术成熟、适用范围广,而被水利、石油、化工等各行各业广泛地应用,占流量计使用总数的50% 以上。但同时,其测量精度低、量程比小、上下游安装直管段距离长、节流装置后所产生的永久压力损失大等诸多不足也日益趋显。

随着新兴仪表测量、制造技术的不断发展,为适应各种过程控制对于节流式流量计测量精度及使用性能的更高要求,新一代、具有革命性性能突破的节流式流量计,即多孔平衡流量计随之而诞生。多孔平衡流量计诞生之初由美国国家航空航天局马歇尔航空飞行中心最先应用于航天飞机主发动机的液态氧流量测量,随后因其优越的测量、使用性能被更多行业所熟知并发展使用。

1 工作原理

多孔平衡流量计沿用了传统孔板流量计的组成形式,由节流装置、传输差压信号的引压管路及测量信号所用的差压计这3 个部分所组成。并巧妙地将多孔整流器与传统单孔节流孔板的结构形式、性能特点相结合,形成了新型的多孔节流整流器,用以替代原有的单孔孔板作为节流原件安装于流体管道上。多孔节流整流器上每个节流孔的尺寸大小及分布情况都是由特定的公式及实测数据计算所得,故被称之为函数孔。流量检测时,所测介质在通过多孔节流整流器的同时进行流体整流,减小节流装置后的涡流,形成较稳定的紊流,从而使引压管路能够获取到较稳定的差压信号,并进一步通过伯努利方程计算得出工艺所需体积流量、质量流量等流量参数。

多孔平衡流量计的优化性能与应用

图1 多孔平衡流量计结构原理图

Fig.1 More than one meter structure diagram Kong Pingheng

2 多孔平衡流量计的性能优化

多孔平衡流量计是以传统孔板流量计为基础,改变其节流孔的构成形式,从而极大程度地优化了使用性能。

1)平衡流场,提高测量精度

传统孔板流量计的节流装置只设有一个圆形节流孔,节流原件与管壁结合处成直角,在流体通过节流孔时,孔两边会有大面积的“死区”,从而产生持久的涡流,进而大量消耗流体的动能。同时,杂乱的涡流所形成的流体波动和噪声也会让测量的线性度和准确性降低,并且需要较长的直管段来恢复流体正常的压力和流场。多孔平衡流量计的节流装置结合了多孔整流器的整流原理,通过使用精密的计算,使多孔节流整流器可以最大程度地减少死区效应,避免涡流的产生,平衡流场,降低因涡流所引起的信号波动,提高取压点数据的准确性,从而使检测精度从传统孔板流量计的±1%~±2% 提高至±0.3%、±0.5%,能更好的适用于如能量计量、贸易核算等有较高流量测量精度要求的场合。

2)减小永久压力损失、缩短直管段安装距离

多孔平衡流量计的节流装置采用了对称式的流通孔布局设计,提升了流体通过的效率,最大程度地降低了涡流的形成,减少了流体通过节流装置时造成的紊流摩擦及动能的损失,和传统孔板流量计相比,既可获得更精确的差压信号,又降低了1/3 ~ 1/2 的永久性的压力损失。同时,节流装置后流体压力较快的平稳恢复又可缩短流量计安装时所需的上下游直管段距离。通常,多孔平衡流量计的上下游安装直管段只需0.5D ~ 2D,是传统孔板流量计所需直管段的1/7 甚至更短,很大程度上节省了流体测量的管道材料及安装投入成本,这一优势也得到了各行业的广泛认可。

3)量程比宽、稳定性更好

多孔平衡流量计特殊的多孔节流装置极大程度地提高了流体测量量程比。美国某机构的实验数据结果显示,多孔平衡流量计常规测量的量程比可以做到7:1~10:1,如果函数孔计算参数选择合适,量程比可以达到30:1 甚至更高,这一数据比传统孔板流量计要高出2~7 倍。而且,传统孔板流量计的流量系数一般在雷诺数高于4000 时才能趋于平稳,在雷诺数较低时受其影响较大。但多孔平衡流量计的管道内基本无滞留区,其流量系数受雷诺数的影响很小。即使在较低雷诺数的测量条件下,多孔平衡流量计的准确性依然能够得到保证,从根本上提升了流量检测时测量精度的稳定性。

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