环形孔板流量计的原理与应用

1环形孔板流量计的原理与应用开封仪表有限公司差压流量计分公司王高甫邵朋诚翟小金河南省开封市邮编475002电话：[phone]摘要以环形孔板为流量检测件的新型仪表-----环形孔板流量计已经在冶金、石化、化工、电力等行业获得了成功应用。本文从环形孔板和标准孔板的比较入手，说明了环形孔板的原理、特点，以实例介绍了它的应用。关键词节流装置环形孔板测流板取压方式流出系数1：前言节流装置是利用测量管内流通面积的改变使流动的流体产生静压力差的一类流量仪表。它的历史悠久、种类繁多、用途广泛。尽管当今流量仪表的种类有近百种，节流装置依然是用量最大的一种。支撑这“冠军”宝座的有三大支柱：节流装置已有品种的改进和提高；节流装置新品种的不断出现并获得推广应用；与节流装置相配套的差压变送器及显示仪表在性能和质量方面发展迅速。本文介绍的环形孔板节流装置是作者对美国1939年一项发明的创新性改进，作者于1992年、1998年两次对早先的环形孔板进行了本质性改进,两次取得了国家实用新型专利。近年来，在高炉煤气、焦炉煤气、混合煤气、转炉煤气、水煤气、半水煤气、天然气、循环冷却水、工业废水、过热蒸汽、热空气、烟气等介质的流量测量中获得了成功应用，在解决防堵塞、防堆积、耐高温防变形、耐腐蚀等方面有突出的特点。2:工作原理标准孔板的最小流通截面是板（孔板）片中心的圆孔,流体通过时因流通面积的突然收缩而加速,流体绕过孔板入口边缘时产生的附面层是圆柱形。环形孔板的最小流通截面是板（测流板）片的外缘和管内壁形成的圆环，流体通过时因流通面积的突然收缩而加速，流体绕过测流板入口边缘时产生的附面层也是圆柱形，对流体产生阻力的机理是相近的。因此孔板或测流板对流体造成的阻力系数是相近的，这就使两者有可能具有相近的流出系数。2环形孔板节流装置结构简图标准孔板节流装置结构简图由图可见，环形孔板与标准孔板的区别是：标准孔板的最小流通面是与管轴线同轴的圆柱，环形孔板的最小流通面是与管轴线同轴的圆环柱，从流场的对称性考虑，都优于圆缺孔板、偏心孔板；另一方面，环形孔板把中间流速高、靠近管壁处流速低的流动模式强制变成了靠近管壁处流速高、中间流速低的流动模式，相当于流场的二次分配，进入环形孔板的上游流场如果因上游局部阻力的干扰产生了畸变（即不再轴对称），在二次分配时就会因“均化”的趋势恢复成轴对称，就像没有受到局部阻力的干扰似的。节流装置的原理都是依据伯努利方程和流体连续性方程。经过单位换算，基本方程式是：qm=1242112643.0PDC………（1）qm:流体的质量流量［kg/h］C:流出系数［经过流量标定或抽样标定、几何尺寸检查即可知］ε：可膨胀性系数［对液体ε＝1］β：直径比［＝d/D］,d：工作条件下节流件最小截面处的等效流通直径D：工作条件下仪表测量管的内径［mm］ΔР：从节流件上、下游取压口处测取的差压［kpa］ρ1：仪表安装处上游段工作条件下的流体密度［kg/m3］由此可见，与一般节流装置的基本方程式是一样的，所不同的是取压方式和流出系数。由于它不是标准孔板，在样机试验时必须进行流体的实流标定，获得流出系数与产品结构的相互关系，在取得足够多的数据以后，才有可能采取抽样标定。33：产品的特点本产品的特殊结构决定了它在应用时的诸多特点，这些特点不但在理论上是有根据的，而且也已经被现场使用证明。比较突出的是：（1）：结构牢固、性能稳定、工作可靠，基本上是“免维护仪表”。（2）：仪表本体是一段直的测量管，内壁经过加工，精度高，而标准孔板要另订一段直管段才能达到同样效果。安装误差（偏心、密封垫片伸入管道等）对仪表的测量几乎没有影响，因此本仪表的使用精度比标准孔板高。（3）：节流件和测量管内壁都是形状简单的圆形，容易达到高的尺寸精度、严的形位公差，利用“抽样标定”就能获得高精度，流出系数稳定性好。（4）：流体进入仪表本体后经过测流板的突然阻挡，强制再分配均化了来流时的畸变，通过环孔节流再加上“均压环”取压机构，使得进入差压变送器的测量值（差压）很少受上游局部阻力的影响。例如：在一个直角弯头的下游，有3D长度的前直管即可，在一个收缩接头的下游，有0.5D长度的前直管即可。（5）：本产品不但可以测量一般流体的流量，还可以测量含杂质的流体流量。因为本产品的检测件结构形式与标准孔板有本质不同，本产品最小流通面是紧贴管内壁的圆环，而标准孔板最小流通面是处于管中心的同心圆。流体中的杂质流速较低，一般是紧贴着管壁边流动，在标准孔板的附近，杂质流得更慢，很容易沉淀堆积，以至于影响测量精度或堵塞取压口。即使是圆缺孔板或偏心孔板，也避免不了这种故障。然而对于环孔节流式流量计，流体中的杂质随着主流一起高速通过最小流通截面（环隙），不大可能堆积在测流板附近，取压口远离滞流区，不容易堵塞，何况采取了多个取压口（冗余设计）并联在均压环上，只有全部堵死才会失效，这就大大延长了检修周期。防堵型环形孔板流量计的均压环上与取压口正对着的管壁处设有‘堵头’或排污球阀，可定期旋开排污或用捅条疏通杂物。对含尘量更大的流体，可以选带隔离膜片的差压变送器，堵塞的可能性更小。在测量焦炉煤气时，可以选带有“清污窗口”的防堵型，定期打开窗口、彻底清理测流板附近的粘附物。（6）：本产品的检测件—“测流板”的周边无约束，可以自由热膨胀，在高温流体中板尺寸的变化可以计算出来，能保持关键部位—测流板外沿的形状和尖锐度，因而流出系数不变。然而对于标准孔板则不同，其周边受法兰的强力约束，高温下的膨胀量只有伸向板内孔边缘，本应是尖锐直角的入口边缘却变成了喇叭口，改变了流出系数，产生了较大误差，不得不更换。可见，测量高温流体的流量，本产品是最佳选择。4（7）：采用标准孔板测量过热蒸汽、饱和蒸汽的流量，停汽时形成的冷凝水会堆积在孔板的两侧，再次通汽时必须把这些水带走，可能引起“水锤现象”、还要产生测量误差，若采用本产品，就不可能产生这些问题。可见，测量水蒸汽流量，本产品也是最佳选择。（8）：对高压流体，电力行业为确保可靠性常采用直接焊接方式，本产品的高压型适合这种场合，不但工作可靠，而且其成本比标准孔板低，可推荐采用。（9）：对于腐蚀性流体，不但要求检测件材质耐腐蚀，而且还要求防堵（因为流体中常有杂质）。若采用标准孔板或园缺孔板，除了容易堵塞取压口以外，还无法解决耐高压问题（因为通常采用塑料制作法兰和环室，不耐高压）。若采用防腐型环形孔板流量计，在法兰与测量管内壁内衬塑料或者搪瓷，既可耐腐又可耐压，可以测量较高压力下腐蚀流体的流量。（10）：对于低沸点、易结晶、易粘附的流体，需要在仪表检测件附近采取措施以防止压力或温度的降低（容易引起结晶或粘附），可采用夹套型环形孔板流量计，内通蒸汽或冷却液。若采用标准孔板，则不容易采取这些措施。（11）：对于高温流体，如热风，为了减少流程管道的热扩散损失，常常在管内壁衬耐火层，同样也希望流量计本身加内衬隔热材料，如果采用标准孔板，在结构上有较大难度、成本较高；如果采用环形孔板流量计，则较容易实现。4：典型应用和注意事项（1）：在焦炉煤气、半水煤气等脏污介质中的应用：这一类流体介质含有粉尘、焦油、萘、硫化物、水，使用其它仪表遇到的问题较多，本产品一上市就受到用户的欢迎。在仪表结构方面，采用均压环和多个取压口，在均压环上与取压口相对的地方焊接一段与取压管相同内径的排污管、连接一个球阀，在清污时打开球阀排污或者在停气时用捅条疏通，也可以采用专用结构在不停气时用顶杆插入管壁清理取压管。（2）：在过热蒸汽、饱和蒸汽等介质中的应用：这一类流体介质常常会有停汽的时候，由于热量散失，一部分蒸汽变成冷凝水，在使用标准孔板的时候，由于板片边缘的阻挡（有的孔板上开着小孔，但由于孔太小、几乎不起作用），水存在管道的底部，在恢复通汽时这些水被蒸汽夹带着流过孔板，因为两相流而不能准确计量，甚至有可能发生水锤现象，损坏管件。若使用环形孔板，冷凝水可以从环形孔板的边沿流走，不会堆积在节流件附近，因此也就不会产生计量误差。本产品在各类企业的蒸汽管路上都有应用，使用者都比较满意。需要注意的是在垂直管道上安装,要保证流体是从下往上流动的。不能让蒸汽直接进入变送器，变送器的两个压力容器要承受相等的冷凝水液柱压力。（3）：在冷却循环水等脏污液体介质中的应用：5工业过程中，往往要用循环水对设备进行冷却，冷却水一般都比较脏，还可能含有铁锈，使用电磁流量计要受铁磁性物质的影响，读数不够稳定。若使用文丘里管，仪表的体积太大，安装不够方便（循环水管道一般铺设在地下，仪表安装在地沟里，仪表体积过大会增加施工和维修的困难），用本仪表就比较方便，已经有十几台环形孔板流量计在这种介质中获得了成功应用。（4）：在高炉热风流量测量中的应用：炼铁高炉要送热风，热风炉离高炉一般比较近，且弯头较多。过去曾使用标准孔板，因直管段不够长而误差较大。本仪表因为有均压环和多个取压口，需要2D长的直管段即可。安装在热风炉送风管上之后，应用情况非常满意，已经有三十几座热风炉装上了环形孔板流量计，运行3年多没有故障。