林福成 沈新建 翟小金 邵朋誠

(開封儀表有限公司，河南 開封 475002)

0 引言

節(jié)流裝置是利用測量管內(nèi)流通面積的改變使流動的流體產(chǎn)生靜壓力差的一類流量儀表[1]。盡管流量儀表的種類有近百種，但節(jié)流裝置依然是用量最大的儀表種類之一。

本文介紹的環(huán)形孔板節(jié)流裝置是對美國1939年一項(xiàng)發(fā)明的創(chuàng)新性改進(jìn)(主要是對取壓方式進(jìn)行了改進(jìn))，此發(fā)明已分別于1992年、1998年兩次在本質(zhì)上被進(jìn)行了改進(jìn)，均取得了國家實(shí)用新型專利。近年來，環(huán)形孔板在高爐煤氣、焦?fàn)t煤氣、混合煤氣、轉(zhuǎn)爐煤氣、水煤氣、半水煤氣、天然氣、循環(huán)冷卻水、工業(yè)廢水、過熱蒸汽、熱空氣、伴生氣和煙氣等介質(zhì)的流量測量中獲得了成功應(yīng)用，在解決防堵塞、防堆積、耐高溫防變形、耐腐蝕等方面優(yōu)勢明顯[2]。

1 工作原理

標(biāo)準(zhǔn)孔板的最小流通截面是孔板中心的圓孔，流體通過時(shí)因流通面積的突然減小而加速，流體繞過孔板入口邊緣時(shí)產(chǎn)生的邊界層是圓柱形。環(huán)形孔板的最小流通截面是測流板的外緣和管內(nèi)壁形成的圓環(huán)，流體通過時(shí)因流通面積的突然減小而加速，流體繞過測流板入口邊緣時(shí)產(chǎn)生的邊界層也是圓柱形，與標(biāo)準(zhǔn)孔板對流體產(chǎn)生阻力的機(jī)理是相近的。因此，孔板或測流板對流體造成的阻力系數(shù)是也相近的，這就使兩者有可能具有相近的流出系數(shù)[3－4]。

環(huán)形孔板與標(biāo)準(zhǔn)孔板的區(qū)別是:標(biāo)準(zhǔn)孔板的最小流通面是與管軸線同軸的圓，環(huán)形孔板的最小流通面是與管軸線同軸的圓環(huán)，從流場的對稱性考慮，兩者都優(yōu)于圓缺孔板和偏心孔板;另一方面，環(huán)形孔板把中間流速高、靠近管壁處流速低的流動模式強(qiáng)制變成了測流板附近的“靠近管壁處流速高、中間流速低”的流動模式，相當(dāng)于流場的二次分配，進(jìn)入環(huán)形孔板的上游流場如果因上游局部阻力件的干擾產(chǎn)生了畸變(即不再軸對稱)，在二次分配時(shí)就會因“均化”的趨勢恢復(fù)成軸對稱，就像沒有受到局部阻力的干擾似的[5]。

節(jié)流裝置的原理是依據(jù)伯努利方程和流體連續(xù)性方程[5－6]。經(jīng)過單位換算，環(huán)形孔板的基本方程式為:

式中:qm為流體的質(zhì)量流量，kg/h;C為流出系數(shù)，經(jīng)過流量或抽樣標(biāo)定、幾何尺寸檢查即可得知;ε為可膨脹性系數(shù)，對于液體ε=1;β=db/D為直徑比，其中，db為工作條件下節(jié)流件最小截面處的等效流通直徑，mm;D為工作條件下儀表測量管的內(nèi)徑，mm;ΔР為從節(jié)流件上、下游取壓口處測取的差壓，kPa;ρ1為儀表安裝處上游段工作條件下的流體密度，kg/m3。

由此可見，環(huán)形孔板的基本方程式與一般節(jié)流裝置的基本方程式是相同的，所不同的是取壓方式和流出系數(shù)。由于環(huán)形孔板不是標(biāo)準(zhǔn)孔板，故在樣機(jī)試驗(yàn)時(shí)必須進(jìn)行流體實(shí)流標(biāo)定，在獲得流出系數(shù)與產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的相互關(guān)系，并且取得足夠多的數(shù)據(jù)以后，才有可能采取抽樣標(biāo)定。

2 產(chǎn)品的特點(diǎn)

環(huán)形孔板節(jié)流裝置的特殊結(jié)構(gòu)決定了它具有許多特點(diǎn)，這些特點(diǎn)不但有理論根據(jù)，而且已通過現(xiàn)場使用效果證明。其主要特點(diǎn)如下。

①結(jié)構(gòu)牢固、性能穩(wěn)定、工作可靠，基本上是“免維護(hù)儀表”。

②儀表本體是一段直的測量管，內(nèi)壁經(jīng)過加工，精度高、安裝誤差(偏心、密封墊片伸入管道等)對儀表的測量幾乎沒有影響;節(jié)流件和測量管內(nèi)壁都是形狀簡單的圓形，容易達(dá)到較高的尺寸精度、較嚴(yán)的形位公差，利用“干式標(biāo)定”就能獲得高精度，流出系數(shù)離散度小。因此，本儀表的實(shí)際使用精度比標(biāo)準(zhǔn)孔板高。

③流體進(jìn)入儀表本體后經(jīng)過測流板的突然阻擋，被強(qiáng)制再分配，并均化了流體進(jìn)入時(shí)的畸變，通過環(huán)孔節(jié)流再加上“均壓環(huán)”取壓裝置，使得進(jìn)入差壓變送器的測量值(差壓)很少受上游局部阻力的影響。例如，在一個(gè)直角彎頭的下游，有3D長度的前直管即可滿足要求，在一個(gè)收縮接頭的下游，有0.5D長度的前直管即可滿足要求[5－7]。

④環(huán)形孔板節(jié)流裝置不但可以測量一般流體的流量，還可以測量含雜質(zhì)的流體流量。因?yàn)楸井a(chǎn)品的檢測件結(jié)構(gòu)形式與標(biāo)準(zhǔn)孔板有本質(zhì)不同，本產(chǎn)品最小流通面是緊貼管內(nèi)壁的圓環(huán)，而標(biāo)準(zhǔn)孔板最小流通面是處于管中心的同心圓。流體中的雜質(zhì)流速較低，一般是緊貼著管壁邊流動，在標(biāo)準(zhǔn)孔板的附近，雜質(zhì)流得更慢，很容易沉淀堆積，導(dǎo)致取壓口堵塞，影響測量精度，即使是圓缺孔板或偏心孔板，也避免不了這種故障[7－8]。然而對于環(huán)形孔板流量計(jì)，流體中的雜質(zhì)會隨著主流一起高速通過最小流通截面(環(huán)隙)，不容易堆積在測流板附近，取壓口遠(yuǎn)離滯流區(qū)，不容易堵塞，且采取了多個(gè)取壓口(冗余設(shè)計(jì))并聯(lián)在均壓環(huán)上，只有全部堵死才會失效，這就加大了檢修周期。此外，在“防堵型環(huán)形孔板流量計(jì)”的均壓環(huán)上與取壓口正對著的管壁處設(shè)有“堵頭”或排污球閥，可定期旋開排污或用捅條疏通雜物。對含塵量更大的流體，可以選帶隔離膜片的差壓變送器，使堵塞的可能性更小。在測量焦?fàn)t煤氣等含有黏附物的流體時(shí)，可以選帶有“清污窗口”的防堵型流量計(jì)，定期打開窗口、徹底清理測流板附近的黏附物。

⑤本流量計(jì)的檢測件——“測流板”的周邊無約束，可以自由熱膨脹，在高溫流體中測流板尺寸的變化可以計(jì)算出來，能保持關(guān)鍵部位——測流板外沿的形狀和尖銳度，因而流出系數(shù)不變。對于標(biāo)準(zhǔn)孔板，其周邊受法蘭的強(qiáng)力約束，高溫下的膨脹量只有伸向板內(nèi)孔邊緣，本應(yīng)是尖銳直角的入口邊緣卻變成了喇叭口，改變了流出系數(shù)，從而產(chǎn)生較大誤差，由此可見，本產(chǎn)品適用于測量高溫流體的流量。

⑥采用標(biāo)準(zhǔn)孔板測量過熱蒸汽、飽和蒸汽的流量，停汽時(shí)形成的冷凝水會堆積在孔板的兩側(cè)，再次通汽時(shí)必須把這些冷凝水帶走，否則可能引起水錘現(xiàn)象，還會產(chǎn)生測量誤差。若采用本產(chǎn)品，就不可能產(chǎn)生這些問題。因此，本產(chǎn)品適用于測量水蒸汽的流量。

⑦對高壓流體，電力行業(yè)為確保可靠性常采用直接焊接方式，本產(chǎn)品的高壓型適合這種場合，工作可靠，而且成本比標(biāo)準(zhǔn)孔板低。

⑧對于腐蝕性流體，不但要求檢測件材質(zhì)耐腐蝕，而且還要求防堵(因?yàn)榱黧w中常有雜質(zhì))。若采用標(biāo)準(zhǔn)孔板或圓缺孔板，除了容易堵塞取壓口以外，耐高壓問題也無法解決(因?yàn)橥ǔ２捎盟芰现谱鞣ㄌm和環(huán)室，不耐高壓)。若采用防腐型環(huán)形孔板流量計(jì)，可在法蘭與測量管內(nèi)壁內(nèi)襯塑料或者搪瓷，既耐腐又耐壓，可以測量較高壓力下腐蝕流體的流量。

⑨對于易結(jié)晶、易粘附的流體，需要在儀表檢測件附近采取措施以防止溫度的降低而引起的結(jié)晶或粘附。對此，可采用夾套型環(huán)形孔板流量計(jì)，夾套可內(nèi)通蒸汽或采取電伴熱措施。若采用標(biāo)準(zhǔn)孔板，則不容易采取這些措施。

⑩對于高溫流體，如熱風(fēng)，為了減少流程管道的熱擴(kuò)散損失，常常在管內(nèi)壁襯耐熱保溫層，或在流量計(jì)本身內(nèi)襯隔熱材料。如果采用標(biāo)準(zhǔn)孔板，則結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)難度大、成本較高;如果采用環(huán)形孔板流量計(jì)，則較容易實(shí)現(xiàn)。

3 環(huán)形孔板和V形錐流量計(jì)的比較

比較環(huán)形孔板和V形錐這兩種流量計(jì)的結(jié)構(gòu)，兩者具有以下相同點(diǎn)和不同點(diǎn)。

①兩者都屬于“環(huán)形通道”型，都具有自清潔功能和流束自動調(diào)整功能，因此都可以使用在現(xiàn)場直管段長度不足、流體中含有雜質(zhì)的場合[9]。

②兩者都是基于流體伯努利方程理論，因此流量都與差壓信號的平方根成正比，也就是說流量量程的大小與差壓變送器的量程有關(guān)。如果采用帶數(shù)字通信功能的差壓變送器，都可以達(dá)到大于10倍的量程比[10]。

③兩者都帶一段測量短管，可以和現(xiàn)場流程管道用法蘭連接或直接對焊，安裝誤差(內(nèi)徑不等造成的凸臺或者偏心、密封墊圈突入管內(nèi))對測量精度的影響小。

④V形錐流量計(jì)和環(huán)形孔板流量計(jì)在開孔比(β)相同的情況下，前者差壓信號小因而壓力損失小、能耗小，更適合測大流量液體介質(zhì)或氣體介質(zhì)，而后者更適合測小流量氣體介質(zhì)或液體介質(zhì)。

⑤V形錐流量計(jì)的檢測元件是錐體，錐角的大小、錐體最大截面處的軸向長度以及下游取壓口的位置等參數(shù)直接影響流量計(jì)的流出系數(shù)[3]，目前各個(gè)廠家尚未統(tǒng)一，仍按“逐臺實(shí)流標(biāo)定”的原則。有的生產(chǎn)廠家沒有標(biāo)定設(shè)備或者不愿意花標(biāo)定費(fèi)，而采用估算的流出系數(shù)，但這樣無法確定實(shí)際精度[11]。

⑥環(huán)形孔板節(jié)流裝置具有標(biāo)準(zhǔn)孔板節(jié)流裝置的結(jié)構(gòu)特征，即幾何形狀簡單，容易精確復(fù)制、實(shí)現(xiàn)幾何相似，在流動的最小截面處，流體和阻流之間的邊界層尺寸很小，因此流體受到的阻力在達(dá)到穩(wěn)定的紊流狀態(tài)以后，與流體的雷諾數(shù)基本無關(guān)[5]。邊界層與阻流體(標(biāo)準(zhǔn)孔板的板片或環(huán)形孔板的測流板)之間的分離點(diǎn)是固定的，因此在很寬的雷諾數(shù)變化區(qū)間內(nèi)的流出系數(shù)是穩(wěn)定的。原理上，環(huán)形孔板與標(biāo)準(zhǔn)孔板都具有很寬的測量范圍，這些相似點(diǎn)預(yù)示著環(huán)形孔板有可能和標(biāo)準(zhǔn)孔板那樣被標(biāo)準(zhǔn)化，成為又一種“量大面廣”的儀表。但在沒有“標(biāo)準(zhǔn)化”之前，采用抽樣標(biāo)定的辦法，同樣可以使流量計(jì)達(dá)到1級精度(如果單臺標(biāo)定，同樣可以達(dá)到0.5級)，既能滿足大多數(shù)用戶的要求，又能大大降低成本。

⑦V形錐流量計(jì)下游取壓口的位置一般在錐體的尾部，這里是雜質(zhì)聚集區(qū)，雜質(zhì)很容易進(jìn)入下游取壓管內(nèi)部。由于下游取壓管較長且有拐角，不易清理，所以V形錐流量計(jì)并不適用于臟污流體。而環(huán)形孔板節(jié)流裝置的取壓口開在管壁上，不易堵塞，即使堵塞也容易清理。大量實(shí)踐證明，對1939年初級階段環(huán)形孔板進(jìn)行實(shí)質(zhì)性改進(jìn)后的環(huán)形孔板能夠在臟污流體中可靠工作。

從上述比較中不難發(fā)現(xiàn)，這兩種流量計(jì)都屬于節(jié)流裝置，各有利弊，應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況，合理挑選使用，兩者適用的范圍如下。

①V形錐流量計(jì)壓力損失較小，但是流出系數(shù)較大，同樣流量時(shí)差壓(即流量信號)較小，適用于大流量;環(huán)形孔板流量計(jì)正好相反，適用于小流量。

②V形錐流量計(jì)的檢測件是錐體，體積較大，臟污物易粘附在錐體上不易清理，而環(huán)形孔板的檢測件是塊薄板，臟污物粘附不多且易清理，更適合在臟污流體或混相流體(如伴生氣、焦?fàn)t煤氣、油品)中使用[3]。

當(dāng)前，流量儀表的技術(shù)交流平臺對V形錐流量計(jì)關(guān)注較多，過多地強(qiáng)調(diào)了它的優(yōu)點(diǎn)(如量程比大、精度高等)，在不適宜的場合(如臟污流體、黏稠液體)也推薦它，這會對V形錐流量計(jì)的推廣產(chǎn)生負(fù)面影響。相反，對環(huán)形孔板流量計(jì)的推廣宣傳尚顯不足。

4 典型應(yīng)用場合及其注意事項(xiàng)

環(huán)形孔板流量計(jì)的典型應(yīng)用場合及注意事項(xiàng)簡要說明如下。

①在焦?fàn)t煤氣、半水煤氣等臟污介質(zhì)中的應(yīng)用

這一類流體介質(zhì)中含有粉塵、焦油、萘、硫化物、水等物質(zhì)，使用熱式流量計(jì)等插入式儀表常常發(fā)生介質(zhì)沾污檢測元件的情形[11]。在儀表結(jié)構(gòu)方面，環(huán)形孔板流量計(jì)采用均壓環(huán)和多個(gè)取壓口設(shè)計(jì)，在均壓環(huán)上與取壓口相對的地方，焊接一段與取壓管相同內(nèi)徑的排污管并連接1個(gè)球閥，清污時(shí)打開球閥排污或者在停氣時(shí)用捅條疏通，也可以在不停氣時(shí)采用頂桿插入均壓環(huán)清理取壓管。

②在油田伴生氣等混相流體中的應(yīng)用

伴生氣常常含有一些油品在管道底部流動，以體積論其大小，可以忽略不計(jì)。如果采用標(biāo)準(zhǔn)孔板，它會堆積在孔板的上游側(cè)，且越積越多，最終占據(jù)板片下部形成月牙形“堰塞湖”，從而導(dǎo)致孔板上游側(cè)管道的有效流通面積減少，大大降低測量精度。如果采用環(huán)形孔板流量計(jì)，環(huán)隙流通面使油品隨時(shí)流走、不會堆積，不影響測量精度。因此，環(huán)形孔板流量計(jì)非常適合油田伴生氣的流量測量。

③在過熱蒸汽、飽和蒸汽等介質(zhì)中的應(yīng)用

這一類流體介質(zhì)常常會出現(xiàn)停汽現(xiàn)象，由于熱量散失，一部分蒸汽變成冷凝水。當(dāng)使用標(biāo)準(zhǔn)孔板時(shí)，由于板片邊緣的阻擋(有的孔板上開有疏液孔，但由于孔太小、幾乎不起作用)，冷凝水積存在管道的底部，在恢復(fù)通汽時(shí)被蒸汽夾帶著流過孔板，引起兩相流而導(dǎo)致不能準(zhǔn)確計(jì)量，甚至有可能發(fā)生水錘現(xiàn)象，損壞管件。若使用環(huán)形孔板，冷凝水隨時(shí)可以從環(huán)形孔板的邊沿流走，不會堆積在孔板附近，因此也就不會產(chǎn)生計(jì)量誤差。

環(huán)形孔板流量計(jì)在各類企業(yè)的蒸汽管路上都有應(yīng)用，均滿足用戶需求。需要注意的是環(huán)形孔板應(yīng)安裝在垂直管道上，以保證流體是從下往上流動，差壓變送器在現(xiàn)場調(diào)零時(shí)要考慮環(huán)形孔板兩個(gè)取壓口之間的距離產(chǎn)生的零點(diǎn)偏移。

④在天然氣輸送管路中的應(yīng)用

這一類介質(zhì)的壓力較高，流量范圍較寬。采用本儀表配備的HART協(xié)議智能差壓變送器，流量量程可以達(dá)到10∶1，能夠滿足需要。

⑤在冷卻循環(huán)水等臟污液體介質(zhì)中的應(yīng)用

工業(yè)過程中，往往要用循環(huán)水進(jìn)行冷卻，冷卻水一般都比較臟且可能含有鐵銹，電磁流量計(jì)易受鐵磁性物質(zhì)的影響，讀數(shù)不夠穩(wěn)定。

若使用文丘里管，儀表的體積太大，安裝困難(循環(huán)水管道一般鋪設(shè)在地下，儀表安裝在地溝里，儀表體積過大會給施工和維修帶來不便)。

若使用本儀表就不會產(chǎn)生此類問題，目前已有數(shù)百臺環(huán)形孔板流量計(jì)在此介質(zhì)中獲得了成功應(yīng)用。

⑥在高爐熱風(fēng)流量測量中的應(yīng)用

煉鐵高爐要送熱風(fēng)，熱風(fēng)爐離高爐一般比較近，且彎頭較多。過去使用標(biāo)準(zhǔn)孔板，因直管段不夠長而產(chǎn)生較大誤差。本儀表因?yàn)橛芯鶋涵h(huán)和多個(gè)取壓口，故使用2D長的前直管段即可。本儀表已經(jīng)在百余座熱風(fēng)爐上安裝使用，運(yùn)行情況良好。

5 結(jié)束語

本文詳細(xì)介紹了環(huán)形孔板流量計(jì)的測量原理及其特點(diǎn)，在結(jié)構(gòu)及性能方面與標(biāo)準(zhǔn)孔板和V形錐流量計(jì)做了比較，并結(jié)合近些年來在現(xiàn)場的應(yīng)用情況，介紹了該產(chǎn)品在典型環(huán)境中的應(yīng)用。環(huán)形孔板在外形結(jié)構(gòu)和取壓口設(shè)置上均做了大量的技術(shù)改進(jìn)，并在流體實(shí)驗(yàn)室做了大量的試驗(yàn)。試驗(yàn)證實(shí)了該結(jié)構(gòu)具有壓損小、差壓信號強(qiáng)、測量精度高、耐臟污等特點(diǎn)，特別適合大口徑、臟污流體的流量計(jì)量。

[1] 梁國偉，蔡武昌.流量測量技術(shù)及儀表[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2005.

[2] Miller R W.流量測量工程手冊[M].孫延祚，譯.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，1990.

[3] 應(yīng)啟戛，趙學(xué)端.流量檢測方法與儀表[M].上海:上海交通大學(xué)出版社，1989.

[4] 華紹曾，楊學(xué)寧.實(shí)用流體阻力手冊[M].北京:國防工業(yè)出版社，1985.

[5] 孫淮清，王建中.流量測量節(jié)流裝置設(shè)計(jì)手冊[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2005.

[6] 川田裕郎，小宮勤一，山崎弘郎.流量測量手冊[M].羅秦，王金玉，譯.北京:中國計(jì)量出版社，1982.

[7] 孫延祚.論流量計(jì)的合理選型[J].自動化儀表，2007(z):52－55.

[8] 劉躍.內(nèi)錐流量計(jì)的探討[J].自動化儀表，2004，25(3):38 －42.

[9] 戈?duì)柟?，戈文?大管道氣體流量測量的探討[J].世界儀表與自動化，2005(3):61－63.

[10] 郭殿杰，陳福慶，郭延.西氣東輸工程中的天然氣計(jì)量技術(shù)[J].世界儀表與自動化，2002(2):46－48.

[11] 蔡武昌.供水業(yè)大管徑流量儀表的應(yīng)用[J].世界儀表與自動化，2005(3):49－52.