摘要:介紹了平衡流量計的測量原理和主要特點,分析了平衡流量計在實際工程中的應用。
引言
流量是過程控制五大參量(流量、壓力、溫度、物位、成分分析)中的主要參量。由于介質和工況的復雜性,使得流量測量裝置種類繁多,主要指標測量精度.重復性、量程比、直管段、永久壓損等各有千秋。以孔板、噴咀、文丘里為代表的傳統差壓節流裝置歷史悠久、結構簡單、牢固、性能穩定可靠,并且得到了國際標準化組織的認可,是全世界通用的。然而,由于設計的歷史局限性,以孔板為代表的傳統節流裝置,明顯存在量程比小、精度低、永久壓損大、直管段要求高、需要進行磨損更換等缺點。本文介紹的平衡流量計對傳統節流裝置進行了極大的改進,將節流原理由邊緣節流改為平衡節流,是一種革命性的差壓式流量儀表,因其卓越的性能,在實際工程中有廣泛的應用前景。
1測量原理
平衡流量計(BFM)的工作原理與其他差壓式流量計-樣,都是基于伯努利能量守恒定律。節流裝置是一個多孔的圓盤節流整流器,安裝在管道的截面上,每個孔的尺寸和分布基于獨特的公式和測試數據定制,稱為函數孔。當流體穿過圓盤的函數孔時，流體將被平衡調整,渦流被最小化,形成近似理想流體,通過常規取壓裝置,可獲得穩定的差壓信號,根據伯努利方程計算出體積流量、質量流量。計算體積流量的公式如下
式中qv為體積流量,m3/s;C為流出系數;ε為氣體可膨脹系數;△P為差壓值,Pa;d為BFM節流孔直徑,m;ρ為介質密度,kg/m3;β為等效徑比，節流孔直徑與管道內徑之比。
2主要特點
2.1測量精度高
由于平衡流量傳感器具有多孔結構的特點,能對流場進行平衡，降低渦流、振動和信號噪聲,流場穩定性大大的提高,表體采用特制的精密管道和專用取壓裝置,使精度比傳統節流裝置提升了5~10倍。
2.2直管段要求低
平衡流量傳感器能將流場平衡調整穩定,且壓力恢復比傳統節流裝置快兩倍,大大所短了對直管段的要求。大多數情況下,其前后直管段為前2D后1D,最小0.5D.
2.3永久壓力損失低
平衡流量計多孔對稱的平衡設計,減少了渦流的形成和紊流摩擦,降低了動能損失,在同樣的測量工況下,與傳統節流裝置相比減少了2.5倍的永久壓力損失,接近文丘里管,從而節省了相當大的運行能量成本。
2.4量程比寬
與傳統節流裝置相比,平衡流量計極大提高了測量量程比。研究結果顯示:雷諾數大于50000時,選擇合適的孔徑參數,平衡流量傳感器量程比不受限制。根據工業測量實際應用需要，常規測量量程比為10:1,10:1以上可以用多個變送器分段測量,可使量程比達到30:1,50:1或更高。
除了上面介紹的一些特點外,平衡流量計還具有重復性和長期穩定性好、耐臟污.不易堵、測量范圍寬、適用范圍廣等特點。
3平衡流量計的應用
由于平衡流量計繼承了傳統節流裝置的全部優點,回避了大部分缺點,又在測量性能上有質的飛躍。平衡流量計可以產生與孔板接近的較大差壓，便于信號測量;同時又可以使壓損降至最小，節能降耗,可以覆蓋90%的流量測量點。其典型應用安裝圖如圖3所示。
3.1大量程比流量測量
在一些工業應用場合,常需要大量程比的流量測量。如蒸汽管網的貿易結算計量,化工行業工藝寬量程比的流量測量,一些流體的流量變化變化范圍很大,常常大于3:1,一些應用可達6:1及以上,天然氣貿易結算時的只程比可達10:1或更高。常規的流量儀如孔板的量程比只有3:1,無法實現大最程比測量的要求。而平衡流量計由于寬雷諾數范圍和寬量程比,可以實現大量程比的正確測量。
3.2雙向流量測量
平衡流量計節流裝置的上下游完全對稱,沒有標準孔板的下游斜角,因此可作為雙向流體測量,完全解決了特殊工況時雙向流介質的測量難題。其測量原理及連接示意圖如圖4所示。
采用2臺差壓變送器進行差壓的測量時,差壓變送器的正負壓側與流量計的引壓口連接,一組為正向,一組為反向;流向的判斷由變送器的輸出值得出,測得介質流向正向流那臺變送器輸出電流大于4mA,另一臺輸出電流等于4mA。控制系統通過對流向的判斷,分別對兩個方向的流量進行累計。
3.3短直管段流量測量
在工程應用中,由于受工藝流程、場所等因素的限制,工藝管道上流量計的直管段往往很短;對于價格昂貴的工藝管道,設計時應盡量縮短工藝管道。標準孔板等節流件的安裝一般要求前10D后5D,若工藝直管段不能滿足要求則測量精度會受到影響。如果采用平衡流量計,不僅可在前2D后2D的情況下保證精度,還可大大節約貴金屬管道材料。
3.4大口徑流量測量
在鋼鐵.焦化行業中的高爐煤氣、焦爐煤氣的流量計量中,這類介質的工藝管道口徑一般在DN1000左右。其他常用的大口徑流量測量裝置如插人式文丘里管、威力巴等都普遍存在一些不足之處,如直管道要求長:前30D后15D甚至更長;精度低:在直管段達不到要求時,難以優于士5%;輸出差壓小:約100Pa等。在平衡流量計上,通過增加開孔數量,即使在直管短、壓力低的工況下,也能保證測量精度,同時降低壓力損失。通過采用多對取壓孔的取壓形式,.實現冗余取壓，能夠有效防止取壓孔的堵塞,是大口徑流量測量的理想選擇。
3.5高爐煤氣的流量測量
平衡流量的結構特點非常適合測量高爐煤氣。平衡流量計從設計上減少了紊流剪切力和渦流的形成,從而大大降低了滯留死區的形成;節流件開孔不易堵塞,保證臟氣體可以順利通過多個孔,多個小孔流速很高,有抽氣沖刷效果,減少了流通孔被堵塞的機會。
此外,在高溫高壓流量測量、低溫氣體流量測量等流量檢測中,平衡流量計也有著廣泛的應用。
4結束語
平衡流量計的計量原理和其獨特的性能,使之提高了測量精度,有利于物料的計量和成品率的提高;直管段要求低,節省了一次投資;永久壓力損失低,降低了運行能耗,寬的量程比和長期的穩定性是現場正確測量的保證。通過在鋼鐵、石化等企業的成功應用,平衡流量計將會成為一個非常合適的具有實用價值的流量檢測儀表。
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