管流量計(jì)的工作原理

原理

流體在管道中流動(dòng)，在流經(jīng)彎管時(shí)，流體類似于流過(guò)一個(gè)整流器，由于彎曲管壁的導(dǎo)流作用，在進(jìn)入彎管前2D左右流體內(nèi)側(cè)被加速，而流體外側(cè)被減速，直至進(jìn)入彎管流體的流速形式被整流成近似于自由旋流理論描述的梯形速度流動(dòng)模式，且在彎管45°截面處達(dá)到最大，這個(gè)過(guò)程將持續(xù)在整個(gè)彎管中。在彎管出口處及下游2D范圍內(nèi)，流速模型的變化過(guò)程是進(jìn)口變化的反過(guò)程。彎管在45°截面各質(zhì)點(diǎn)流速分布如圖1所示。

 
圖1：彎管在45°截面各質(zhì)點(diǎn)流速分布

根據(jù)質(zhì)量守恒定律、能量守恒定律和動(dòng)量守恒定律，在相同過(guò)流截面，各流質(zhì)點(diǎn)的能量不變，由于各質(zhì)點(diǎn)流速的變化，就形成了彎管的內(nèi)外側(cè)壓差△P45°截面時(shí)達(dá)到最大，最穩(wěn)定。且45°彎管斷面的流體平均速度vDP 因此當(dāng)彎管傳感器的幾何結(jié)構(gòu)尺寸確定之后，只要測(cè)取彎管45°截面的內(nèi)、外側(cè)壓差DP和流體的密度r就可以確定流體的平均流速v。符合平方比例關(guān)系，流量愈大，差壓愈大。流體流過(guò)彎管時(shí)的流量系數(shù)與彎管的幾何結(jié)構(gòu)尺寸（彎曲半徑R和內(nèi)徑D）有密切關(guān)系，即流量系數(shù)a＝f（R，D）與壓差。

數(shù)學(xué)表達(dá)式

 

式中，a(R．D—流量系數(shù)；)

 
圖2：彎管流量傳感系統(tǒng)的組成

 
圖3：彎管流量計(jì)數(shù)學(xué)模型的框架圖

 
圖4：彎管流量傳感器

測(cè)量系統(tǒng)的組成

彎管流量計(jì)的基本組成包括彎管傳感器和主機(jī)，還需要配置差壓變送器、壓力變送器和溫度變送器，系統(tǒng)組成如圖2所示。

差壓變送器用來(lái)檢測(cè)彎管傳感器產(chǎn)生的差壓值，因此它是彎管流量計(jì)測(cè)量系統(tǒng)必不可少的配件。

系統(tǒng)是否配置壓力和溫度變送器，要根據(jù)具體測(cè)量對(duì)象來(lái)決定，對(duì)于測(cè)量蒸汽或其它氣體介質(zhì)的系統(tǒng)，原則上必須配置溫度和壓力變送器，因?yàn)樵跍y(cè)量彎管傳感器差壓的同時(shí)，必須測(cè)量介質(zhì)的溫度、壓力值，以便能對(duì)蒸汽或氣體進(jìn)行必要的實(shí)時(shí)溫、壓補(bǔ)償。見(jiàn)圖3。

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測(cè)量系統(tǒng)特點(diǎn)

傳感器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單

彎管傳感器利用管道系統(tǒng)彎頭作檢測(cè)元件，無(wú)附加壓損及專門安裝節(jié)流元件是其優(yōu)點(diǎn)，彎管取壓口開(kāi)在45o處，取壓口結(jié)構(gòu)與標(biāo)準(zhǔn)孔板相同，兩個(gè)平面內(nèi)的兩個(gè)取壓口對(duì)準(zhǔn)，使其能處于同一條直線上，如圖4。

彎管傳感器是機(jī)加工而成的幾何精度很高的90°彎頭，它是彎管流量計(jì)的核心部件。每個(gè)流量傳感器因幾何尺寸不同，流量系數(shù)也各不相同。采用數(shù)控機(jī)床加工的彎管傳感器，彎管內(nèi)壁應(yīng)盡量保持光滑，各項(xiàng)幾何結(jié)構(gòu)尺寸可以保證，流量計(jì)的準(zhǔn)確度等級(jí)也達(dá)到1.0級(jí)，

免維護(hù)的流量傳感器

彎管流量計(jì)在工作中不會(huì)磨損；在高速流體沖擊下不會(huì)變形、扭曲、震動(dòng)；對(duì)于環(huán)境中可能出現(xiàn)的震動(dòng)、粉塵、潮濕、電磁場(chǎng)干擾不敏感；經(jīng)過(guò)長(zhǎng)周期運(yùn)行，其穩(wěn)定性、靈敏度、準(zhǔn)確性不會(huì)發(fā)生明顯變化；能在最大程度上防止傳感器被粘污、結(jié)疤、堵塞等等。保證了流量計(jì)長(zhǎng)期高精度測(cè)量的工作狀態(tài)。
彎管傳感器因耐磨損、免維護(hù)、長(zhǎng)周期高精度運(yùn)行的特點(diǎn)，可滿足直接焊接安裝的技術(shù)條件，焊接法安裝解決了流量測(cè)量裝置現(xiàn)場(chǎng)跑、冒、滴、漏等令人頭痛的問(wèn)題。

無(wú)任何附加節(jié)流件或插入件，無(wú)附加壓力損失，節(jié)約能源

對(duì)孔扳流量計(jì)來(lái)說(shuō)，流體在孔板上的壓力損失是不可恢復(fù)的，其損失可達(dá)孔板在該流量下產(chǎn)生的差壓值的60%~80%，為了提高其測(cè)量精度，設(shè)計(jì)人員在選定孔板流量計(jì)的工作差壓值時(shí)一般都取高值，使該壓力損失成為不可忽視的數(shù)值。

彎管流量計(jì)則不存在管道附加阻力損失的問(wèn)題，孔板的節(jié)流損耗可簡(jiǎn)單地看作是彎管流量計(jì)的節(jié)能效果，這對(duì)于那些大系統(tǒng)、大管徑、大流量、低壓力的測(cè)量對(duì)象好處更加明顯。

可測(cè)量容易臟污、易堵塞傳感器的流體

循環(huán)水水質(zhì)較差，對(duì)流量測(cè)量裝置的污染較大?？装辶髁坑?jì)的節(jié)流件或渦街流量計(jì)的插入件極易被循環(huán)水玷污或堵塞，尤其是孔板節(jié)流口的直角部分，即使是輕微的玷污也會(huì)對(duì)測(cè)量精度造成極大的影響。彎管傳感器對(duì)于類似循環(huán)水這樣的介質(zhì)（如裂解產(chǎn)生的高溫裂解氣等）其適應(yīng)性是不用懷疑的，即使是長(zhǎng)期的運(yùn)行也能保證彎管流量計(jì)的正常工作，保證其足夠的測(cè)量精度。

適應(yīng)性強(qiáng)，量程范圍寬、直管段要求不嚴(yán)格

只要是能用孔板、渦街，均速管等流量計(jì)進(jìn)行測(cè)量的流體都可用彎管流量計(jì)來(lái)進(jìn)行流量測(cè)量，且在耐高溫、耐高壓、耐沖擊、耐震動(dòng)、耐潮濕、耐粉塵等方面，彎管流量計(jì)遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于這些常用的流量計(jì)。

高溫、高壓、沖擊、震動(dòng)使渦街流量計(jì)適用范圍十分有限，這與它的測(cè)量原理有關(guān)。震動(dòng)、沖擊對(duì)彎管傳感器的正常工作幾乎沒(méi)有影響，而高溫、高壓對(duì)于彎管傳感器來(lái)說(shuō)只要采用與工藝管道相同材質(zhì)的標(biāo)準(zhǔn)彎頭，就可以得到解決。

量程范圍寬，一方面是指彎管流量計(jì)對(duì)于其測(cè)量介質(zhì)的流速適用范圍寬。如蒸汽或其它氣體介質(zhì)，流速范圍為5m/s～70m/s，液體介質(zhì)流速范圍為0.3m/s～5m/s。有足夠精度的微差壓變送器相配合，則流體流速的低限可取得很小。高質(zhì)量微差壓變送器的應(yīng)用使彎管流量計(jì)能夠適應(yīng)低流速、小信號(hào)測(cè)量的要求?？傊?，彎管流量計(jì)的量程范圍完全可以滿足不同對(duì)象的流量測(cè)量的要求。

量程范圍寬的另一方面是指彎管傳感器的幾何尺寸沒(méi)有限制，管徑可從十幾毫米到1m甚至2m以上。直管段要求不嚴(yán)格也是彎管流量計(jì)在現(xiàn)場(chǎng)使用中十分重要的特點(diǎn)之一，許多流量測(cè)量裝置都因?yàn)楝F(xiàn)場(chǎng)直管段不能滿足要求而不能進(jìn)行測(cè)量或不能保證其測(cè)量精度。彎管流量計(jì)在實(shí)際應(yīng)用時(shí)只需保證前5D、后2D，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于其它流量測(cè)量裝置的要求。

測(cè)量精度高

實(shí)驗(yàn)證明，彎管流量計(jì)的測(cè)量準(zhǔn)確度可達(dá)到1.0%。

測(cè)量數(shù)據(jù)可直接接入DCS系統(tǒng)

測(cè)量數(shù)據(jù)可引入DCS，它可實(shí)現(xiàn)溫壓補(bǔ)償?shù)冗\(yùn)算功能，可實(shí)現(xiàn)瞬時(shí)量、累計(jì)量、報(bào)表、打印等功能

可以實(shí)現(xiàn)雙向計(jì)量

彎管流量計(jì)的應(yīng)用

蒸汽計(jì)量

彎管流量計(jì)用于蒸汽流量的測(cè)量，使蒸汽流量測(cè)量裝置容易泄漏的難題得到根本性的解決，無(wú)阻力損失的優(yōu)點(diǎn)，可獲得更好的經(jīng)濟(jì)效益，耐磨損、長(zhǎng)周期運(yùn)行不需要進(jìn)行復(fù)雜維護(hù)和修理，使運(yùn)行維修費(fèi)用降到最低點(diǎn)。

我廠原蒸汽計(jì)量采用標(biāo)準(zhǔn)孔板法蘭取壓方式，由于S100（10MPa）蒸汽壓力高，管徑12in.，每套孔板有兩個(gè)密封墊片，每次在送與停切換過(guò)程中，受熱脹冷縮作用，導(dǎo)致孔板泄漏，最終無(wú)法使用。使用彎管流量計(jì)，采用焊接安裝,徹底解決了以上弊病，保證了S100計(jì)量表的長(zhǎng)周期運(yùn)行。

利用彎管流量計(jì)可測(cè)雙向流原理，在一條管道上安裝一個(gè)流量傳感器，安裝兩臺(tái)差壓變送器，可以實(shí)現(xiàn)雙方互供蒸汽的計(jì)量，兩臺(tái)差壓變送器正負(fù)壓相互反接，采用同一溫壓補(bǔ)償，大大節(jié)省了開(kāi)支。如果電廠鍋爐出現(xiàn)問(wèn)題，由我廠給外網(wǎng)提供蒸汽動(dòng)力，反之，由電廠給我廠提供蒸汽動(dòng)力，保證了化工一廠輔助鍋爐產(chǎn)S100、S40、S10、S8蒸汽平衡，同時(shí)也確保了雙方互供蒸汽的計(jì)量準(zhǔn)確度。

溫壓補(bǔ)償

為了保證蒸汽介質(zhì)流量測(cè)量的準(zhǔn)確性，必須在測(cè)量介質(zhì)流量的同時(shí)，測(cè)量出介質(zhì)的溫度和壓力值，利用DCS的運(yùn)算補(bǔ)償功能，在線對(duì)介質(zhì)的密度進(jìn)行計(jì)算和補(bǔ)償。溫壓補(bǔ)償公式如下：

 

式中，F(xiàn)iFoPkPa）；PbkPa）；T(℃)；Tb(℃)。—參比溫度—測(cè)量溫度—參比壓力（—測(cè)量壓力（—補(bǔ)償后流量；—測(cè)量流量；

我廠采用日本橫河的CS3000 DCS控制系統(tǒng)，它具備在線溫壓補(bǔ)償運(yùn)算的功能，能對(duì)我廠蒸汽測(cè)量中密度的變化進(jìn)行必要的在線補(bǔ)償和修正。如圖5，在溫壓補(bǔ)償功能塊TPCFL的詳細(xì)組態(tài)中，需要填寫是溫度補(bǔ)償還是壓力補(bǔ)償，可同時(shí)補(bǔ)償，也可單獨(dú)補(bǔ)償。

 
圖5：溫壓補(bǔ)償功能塊組態(tài)圖

使用中幾點(diǎn)注意事項(xiàng)

彎管流量計(jì)是一種差壓式流量計(jì)，針對(duì)常用流體，其產(chǎn)生的差壓值介于100Pa~60kPa之間，比孔板流量計(jì)產(chǎn)生的差壓值要小，一些安裝中的不正確，均會(huì)給測(cè)量帶來(lái)較大的誤差，

（1）在含水量較高的氣體測(cè)量中，避免水進(jìn)入導(dǎo)壓系統(tǒng)，造成系統(tǒng)無(wú)法測(cè)量。

在壓縮空氣、燃料氣、裂解氣等很多氣體流體中均含有大量的水份，基本是處于飽和狀態(tài)，有的在管道的下方形成水層，采用常規(guī)安裝方式，水會(huì)流入彎管傳感器內(nèi)側(cè)取壓口，進(jìn)入導(dǎo)壓系統(tǒng)，外側(cè)也會(huì)有少量的凝結(jié)水進(jìn)入，正負(fù)壓導(dǎo)管中進(jìn)水量不等，給差壓的測(cè)量帶來(lái)不可確定的附加誤差，應(yīng)使彎管傳感器的兩側(cè)取壓體均向上傾斜，并向上引導(dǎo)壓管，連接差壓變送器，即避免了管道中的水進(jìn)入導(dǎo)壓系統(tǒng)，又可以使導(dǎo)壓系統(tǒng)中凝結(jié)的水順利流回管道中，不會(huì)影響計(jì)量。

如果考慮差壓變送器維護(hù)的方便等原因，要求差壓變送器必須裝在管道下方，可采用取壓體及導(dǎo)壓管先向上，再向下，避免大量的水流入導(dǎo)壓系統(tǒng)，并在導(dǎo)壓系統(tǒng)的最低點(diǎn)加裝集液罐，使得導(dǎo)壓系統(tǒng)凝結(jié)的水流入集液罐中，定期排水，可以保證正常計(jì)量。

(2) 蒸汽流量測(cè)量中，導(dǎo)壓系統(tǒng)用于導(dǎo)壓的介質(zhì)為水，常溫水的密度為998kg/m3(20℃時(shí))，1mm水柱產(chǎn)生的壓力約為9.8 Pa，如采用傳統(tǒng)的冷凝罐作為液位平衡器，管道中溫度壓力的突變會(huì)打破冷凝罐中的平衡狀態(tài)，造成液位波動(dòng)，對(duì)于孔板流量計(jì)（產(chǎn)生的壓力差約為10~100kPa）影響很小，但對(duì)于彎管流量計(jì)在小流量測(cè)量中則可能產(chǎn)生較大的影響。

彎管流量計(jì)選用盤式冷凝器作為液位平衡器，安裝時(shí)只要保證盤面水平，汽、液分界面在同一水平面前后移動(dòng)，液位高度始終處于同一水平面，起到了良好的液位平衡作用，儀表投用后，遇到蒸汽停止輸送時(shí)，對(duì)差壓變送器進(jìn)行零點(diǎn)遷移，可解決液位不平衡造成的零點(diǎn)誤差。

(3) 任何流量計(jì)均存在著小流量問(wèn)題。彎管流量計(jì)雖然相對(duì)其它流量計(jì)性能良好，但依然存在著一個(gè)下限指標(biāo)（流速≥5m/s），所以在選擇彎管傳感器口徑時(shí)，一定保證最低流速大于5m/s，即使實(shí)際流量偏高，彎管流量計(jì)在高達(dá)120m/s流速情況下，依然保證測(cè)量精度（調(diào)整差壓變送器量程即可實(shí)現(xiàn)）。

結(jié)論

綜上所述，彎管傳感器中沒(méi)有插入件或者節(jié)流件等流量轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)和元件，只是將作為彎管傳感器的標(biāo)準(zhǔn)彎頭代替原來(lái)安裝在管道上的彎頭進(jìn)行流量測(cè)量，因此彎管流量計(jì)是名副其實(shí)無(wú)附加壓力損失的節(jié)能型流量測(cè)量裝置。長(zhǎng)期高低溫工作條件下不會(huì)老化、變質(zhì)而降低穩(wěn)定性和靈敏度；對(duì)于環(huán)境中可能出現(xiàn)的震動(dòng)、粉塵、潮濕、電磁干擾不敏感；長(zhǎng)期運(yùn)行穩(wěn)定性、靈敏度、準(zhǔn)確性不發(fā)生變化。