摘要:介绍了平衡流量计的测量原理和主要特点,分析了平衡流量计在实际工程中的应用。
引言
流量是过程控制五大参量(流量、压力、温度、物位、成分分析)中的主要参量。由于介质和工况的复杂性,使得流量测量装置种类繁多,主要指标测量精度.重复性、量程比、直管段、永久压损等各有千秋。以孔板、喷咀、文丘里为代表的传统差压节流装置历史悠久、结构简单、牢固、性能稳定可靠,并且得到了国际标准化组织的认可,是全世界通用的。然而,由于设计的历史局限性,以孔板为代表的传统节流装置,明显存在量程比小、精度低、永久压损大、直管段要求高、需要进行磨损更换等缺点。本文介绍的平衡流量计对传统节流装置进行了极大的改进,将节流原理由边缘节流改为平衡节流,是一种革命性的差压式流量仪表,因其卓越的性能,在实际工程中有广泛的应用前景。
1测量原理
平衡流量计(BFM)的工作原理与其他差压式流量计-样,都是基于伯努利能量守恒定律。节流装置是一个多孔的圆盘节流整流器,安装在管道的截面上,每个孔的尺寸和分布基于独特的公式和测试数据定制,称为函数孔。当流体穿过圆盘的函数孔时，流体将被平衡调整,涡流被最小化,形成近似理想流体,通过常规取压装置,可获得稳定的差压信号,根据伯努利方程计算出体积流量、质量流量。计算体积流量的公式如下
式中qv为体积流量,m3/s;C为流出系数;ε为气体可膨胀系数;△P为差压值,Pa;d为BFM节流孔直径,m;ρ为介质密度,kg/m3;β为等效径比，节流孔直径与管道内径之比。
2主要特点
2.1测量精度高
由于平衡流量传感器具有多孔结构的特点,能对流场进行平衡，降低涡流、振动和信号噪声,流场稳定性大大的提高,表体采用特制的精密管道和专用取压装置,使精度比传统节流装置提升了5~10倍。
2.2直管段要求低
平衡流量传感器能将流场平衡调整稳定,且压力恢复比传统节流装置快两倍,大大所短了对直管段的要求。大多数情况下,其前后直管段为前2D后1D,最小0.5D.
2.3永久压力损失低
平衡流量计多孔对称的平衡设计,减少了涡流的形成和紊流摩擦,降低了动能损失,在同样的测量工况下,与传统节流装置相比减少了2.5倍的永久压力损失,接近文丘里管,从而节省了相当大的运行能量成本。
2.4量程比宽
与传统节流装置相比,平衡流量计极大提高了测量量程比。研究结果显示:雷诺数大于50000时,选择合适的孔径参数,平衡流量传感器量程比不受限制。根据工业测量实际应用需要，常规测量量程比为10:1,10:1以上可以用多个变送器分段测量,可使量程比达到30:1,50:1或更高。
除了上面介绍的一些特点外,平衡流量计还具有重复性和长期稳定性好、耐脏污.不易堵、测量范围宽、适用范围广等特点。
3平衡流量计的应用
由于平衡流量计继承了传统节流装置的全部优点,回避了大部分缺点,又在测量性能上有质的飞跃。平衡流量计可以产生与孔板接近的较大差压，便于信号测量;同时又可以使压损降至最小，节能降耗,可以覆盖90%的流量测量点。其典型应用安装图如图3所示。
3.1大量程比流量测量
在一些工业应用场合,常需要大量程比的流量测量。如蒸汽管网的贸易结算计量,化工行业工艺宽量程比的流量测量,一些流体的流量变化变化范围很大,常常大于3:1,一些应用可达6:1及以上,天然气贸易结算时的只程比可达10:1或更高。常规的流量仪如孔板的量程比只有3:1,无法实现大最程比测量的要求。而平衡流量计由于宽雷诺数范围和宽量程比,可以实现大量程比的正确测量。
3.2双向流量测量
平衡流量计节流装置的上下游完全对称,没有标准孔板的下游斜角,因此可作为双向流体测量,完全解决了特殊工况时双向流介质的测量难题。其测量原理及连接示意图如图4所示。
采用2台差压变送器进行差压的测量时,差压变送器的正负压侧与流量计的引压口连接,一组为正向,一组为反向;流向的判断由变送器的输出值得出,测得介质流向正向流那台变送器输出电流大于4mA,另一台输出电流等于4mA。控制系统通过对流向的判断,分别对两个方向的流量进行累计。
3.3短直管段流量测量
在工程应用中,由于受工艺流程、场所等因素的限制,工艺管道上流量计的直管段往往很短;对于价格昂贵的工艺管道,设计时应尽量缩短工艺管道。标准孔板等节流件的安装一般要求前10D后5D,若工艺直管段不能满足要求则测量精度会受到影响。如果采用平衡流量计,不仅可在前2D后2D的情况下保证精度,还可大大节约贵金属管道材料。
3.4大口径流量测量
在钢铁.焦化行业中的高炉煤气、焦炉煤气的流量计量中,这类介质的工艺管道口径一般在DN1000左右。其他常用的大口径流量测量装置如插人式文丘里管、威力巴等都普遍存在一些不足之处,如直管道要求长:前30D后15D甚至更长;精度低:在直管段达不到要求时,难以优于士5%;输出差压小:约100Pa等。在平衡流量计上,通过增加开孔数量,即使在直管短、压力低的工况下,也能保证测量精度,同时降低压力损失。通过采用多对取压孔的取压形式,.实现冗余取压，能够有效防止取压孔的堵塞,是大口径流量测量的理想选择。
3.5高炉煤气的流量测量
平衡流量的结构特点非常适合测量高炉煤气。平衡流量计从设计上减少了紊流剪切力和涡流的形成,从而大大降低了滞留死区的形成;节流件开孔不易堵塞,保证脏气体可以顺利通过多个孔,多个小孔流速很高,有抽气冲刷效果,减少了流通孔被堵塞的机会。
此外,在高温高压流量测量、低温气体流量测量等流量检测中,平衡流量计也有着广泛的应用。
4结束语
平衡流量计的计量原理和其独特的性能,使之提高了测量精度,有利于物料的计量和成品率的提高;直管段要求低,节省了一次投资;永久压力损失低,降低了运行能耗,宽的量程比和长期的稳定性是现场正确测量的保证。通过在钢铁、石化等企业的成功应用,平衡流量计将会成为一个非常合适的具有实用价值的流量检测仪表。
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