管流量計的工作原理

原理

流體在管道中流動，在流經(jīng)彎管時，流體類似于流過一個整流器，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模式，且在彎管45°截面處達(dá)到最大，這個過程將持續(xù)在整個彎管中。在彎管出口處及下游2D范圍內(nèi)，流速模型的變化過程是進(jìn)口變化的反過程。彎管在45°截面各質(zhì)點流速分布如圖1所示。

 
圖1：彎管在45°截面各質(zhì)點流速分布

根據(jù)質(zhì)量守恒定律、能量守恒定律和動量守恒定律，在相同過流截面，各流質(zhì)點的能量不變，由于各質(zhì)點流速的變化，就形成了彎管的內(nèi)外側(cè)壓差△P45°截面時達(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。流體流過彎管時的流量系數(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：彎管流量計數(shù)學(xué)模型的框架圖

 
圖4：彎管流量傳感器

測量系統(tǒng)的組成

彎管流量計的基本組成包括彎管傳感器和主機，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。

差壓變送器用來檢測彎管傳感器產(chǎn)生的差壓值，因此它是彎管流量計測量系統(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)具體測量對象來決定，對于測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，因為在測量彎管傳感器差壓的同時，必須測量介質(zhì)的溫度、壓力值，以便能對蒸汽或氣體進(jìn)行必要的實時溫、壓補償。見圖3。

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測量系統(tǒng)特點

傳感器結(jié)構(gòu)簡單

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

彎管傳感器是機加工而成的幾何精度很高的90°彎頭，它是彎管流量計的核心部件。每個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)控機床加工的彎管傳感器，彎管內(nèi)壁應(yīng)盡量保持光滑，各項幾何結(jié)構(gòu)尺寸可以保證，流量計的準(zhǔn)確度等級也達(dá)到1.0級，

免維護(hù)的流量傳感器

彎管流量計在工作中不會磨損；在高速流體沖擊下不會變形、扭曲、震動；對于環(huán)境中可能出現(xiàn)的震動、粉塵、潮濕、電磁場干擾不敏感；經(jīng)過長周期運行，其穩(wěn)定性、靈敏度、準(zhǔn)確性不會發(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。保證了流量計長期高精度測量的工作狀態(tài)。
彎管傳感器因耐磨損、免維護(hù)、長周期高精度運行的特點，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量裝置現(xiàn)場跑、冒、滴、漏等令人頭痛的問題。

無任何附加節(jié)流件或插入件，無附加壓力損失，節(jié)約能源

對孔扳流量計來說，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%，為了提高其測量精度，設(shè)計人員在選定孔板流量計的工作差壓值時一般都取高值，使該壓力損失成為不可忽視的數(shù)值。

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

可測量容易臟污、易堵塞傳感器的流體

循環(huán)水水質(zhì)較差，對流量測量裝置的污染較大。孔板流量計的節(jié)流件或渦街流量計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對測量精度造成極大的影響。彎管傳感器對于類似循環(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，即使是長期的運行也能保證彎管流量計的正常工作，保證其足夠的測量精度。

適應(yīng)性強，量程范圍寬、直管段要求不嚴(yán)格

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

高溫、高壓、沖擊、震動使渦街流量計適用范圍十分有限，這與它的測量原理有關(guān)。震動、沖擊對彎管傳感器的正常工作幾乎沒有影響，而高溫、高壓對于彎管傳感器來說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對于其測量介質(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)用使彎管流量計能夠適應(yīng)低流速、小信號測量的要求?？傊?，彎管流量計的量程范圍完全可以滿足不同對象的流量測量的要求。

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)格也是彎管流量計在現(xiàn)場使用中十分重要的特點之一，許多流量測量裝置都因為現(xiàn)場直管段不能滿足要求而不能進(jìn)行測量或不能保證其測量精度。彎管流量計在實際應(yīng)用時只需保證前5D、后2D，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于其它流量測量裝置的要求。

測量精度高

實驗證明，彎管流量計的測量準(zhǔn)確度可達(dá)到1.0%。

測量數(shù)據(jù)可直接接入DCS系統(tǒng)

測量數(shù)據(jù)可引入DCS，它可實現(xiàn)溫壓補償?shù)冗\算功能，可實現(xiàn)瞬時量、累計量、報表、打印等功能

可以實現(xiàn)雙向計量

彎管流量計的應(yīng)用

蒸汽計量

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

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

利用彎管流量計可測雙向流原理，在一條管道上安裝一個流量傳感器，安裝兩臺差壓變送器，可以實現(xiàn)雙方互供蒸汽的計量，兩臺差壓變送器正負(fù)壓相互反接，采用同一溫壓補償，大大節(jié)省了開支。如果電廠鍋爐出現(xiàn)問題，由我廠給外網(wǎng)提供蒸汽動力，反之，由電廠給我廠提供蒸汽動力，保證了化工一廠輔助鍋爐產(chǎn)S100、S40、S10、S8蒸汽平衡，同時也確保了雙方互供蒸汽的計量準(zhǔn)確度。

溫壓補償

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

 

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

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

 
圖5：溫壓補償功能塊組態(tài)圖

使用中幾點注意事項

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

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

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，給差壓的測量帶來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，不會影響計量。

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，可以保證正常計量。

(2) 蒸汽流量測量中，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)，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打破冷凝罐中的平衡狀態(tài)，造成液位波動，對于孔板流量計（產(chǎn)生的壓力差約為10~100kPa）影響很小，但對于彎管流量計在小流量測量中則可能產(chǎn)生較大的影響。

彎管流量計選用盤式冷凝器作為液位平衡器，安裝時只要保證盤面水平，汽、液分界面在同一水平面前后移動，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，對差壓變送器進(jìn)行零點遷移，可解決液位不平衡造成的零點誤差。

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

結(jié)論

綜上所述，彎管傳感器中沒有插入件或者節(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)彎頭代替原來安裝在管道上的彎頭進(jìn)行流量測量，因此彎管流量計是名副其實無附加壓力損失的節(jié)能型流量測量裝置。長期高低溫工作條件下不會老化、變質(zhì)而降低穩(wěn)定性和靈敏度；對于環(huán)境中可能出現(xiàn)的震動、粉塵、潮濕、電磁干擾不敏感；長期運行穩(wěn)定性、靈敏度、準(zhǔn)確性不發(fā)生變化。