矩形流量計在工程應用中的體會

王海兵，劉冰

(航天長征化學工程股份有限公司 蘭州分公司，蘭州 730050)

石油和化工生產裝置中，采用傳統的流量計在測量高黏度、含有顆粒狀的流體時容易產生流量計堵塞和磨損，造成無法正常使用或測量不準。矩形流量計作為一種新型差壓流量計，測量管道可以是方形管道，也可以是圓形管道，適用范圍廣。矩形流量計無可動部件、耐磨損，測量精度可保持長期不變，這是孔板流量計、楔形流量計、質量流量計、透平式(渦輪)流量計等達不到的，解決了許多其他流量計無法解決或解決效果不佳的流量測量問題，尤其是高黏度介質、強腐蝕性介質和重摩擦性介質流量的高精度測量問題[1-4]。矩形流量計已經逐步應用到煤化工、多晶硅工業、電力行業中。

1 測量原理

矩形流量計是一種產生差壓信號的節流部件，根據流體力學方程，由差壓信號與流量的對應關系，可以精確地測量流體的流量。矩形流量計的節流塊具有楔形流量計節流楔塊的部分特征，又具有文丘里流量計的大部分特征，通俗地講，矩形流量計是楔形流量計和文丘里流量計的結合體。矩形流量計采用單向流體通過標準孔板的標準公式[5]，流量計算見以下公式。

(1)

(2)

式中：qV——體積流量；C——流出系數；ε——可膨脹系數；m——節流面積比，流通弓形面積/管道截面積；D——管道內徑， mm；Δp——差壓，Pa；ρ——介質密度，kg/m3。其結構如圖1所示。

圖1 矩形流量計結構示意

2 矩形流量計的性能分析

2．1 耐磨性

在煤氣化工藝過程中，介質主要由煤反應后的煤灰和水混合而成，即黑水，該介質工藝條件通常是溫度為200 ℃，壓力等級為10．0 MPa，含煤顆粒8%～10%，這樣的工藝條件對流量計提出了比較苛刻的要求，一般流量計難以滿足要求。測量該種高黏度、高磨損性流體一般采用楔形流量計，由于楔形流量計結構有一個小于90度的棱角節流線[6-7]，如圖2所示，才能保證產生可測量的節流效果和下游流動狀態，但同時當流體經過楔形流量計時在節流塊棱角處會急速縮流，而后又急速恢復壓力，在棱角處會產生強烈的渦流，這種渦流一方面沖刷楔棱的背面，另一方面還反沖節流棱角，產生強烈的磨損，從而降低測量精度。

圖2 楔形流量計結構示意

根據圖1可見矩形流量計的節流塊是一個鈍角或圓弧線，不存在棱角的問題，流動狀態平穩地從收縮段進入喉部，這樣可以大幅減小磨損。同時矩形流量計采用流線型節流通道，具有1個適當長度的喉管，該喉管起到整流的作用，有效地平擬了流體的波動，再加上后部的壓力恢復段，延伸了這種流線型流道，使得整個流量計內部不會產生渦流和震動，避免了因渦流產生的磨損。矩形流量計可以連續使用3年且測量精度不變，其使用壽命是楔形流量計的4倍以上[8]。

2．2 永久性壓力損失小及差壓值大

在工程應用中，運行成本中包括泵和壓縮機所消耗的電能，通過選取壓力損失小的流量計可以有效地降低介質的輸送成本，并且介質的輸送成本是一項動態投資，在長期運行中遠超儀表的一次投資[9]。

一般節流裝置如楔形流量計通過節流塊產生節流形成差壓來測量流量，節流件后利用流體力學的原理自由恢復壓力，通常這樣壓頭損失往往很大，而且測量精度越高，量程比越大，壓頭損失就越大，一般來說壓頭損失為測量壓差的30%～60%。由圖1可知矩形流量計結構類似于文丘里流量計的壓頭恢復段，可以最大限度地恢復壓力，壓頭損失為測量壓差的15%～25%。

矩形流量計由于采用喉部中心取壓，因為中心處流速最快，根據伯努利方程可以得出的差壓值遠大于其他類型的流量計，所以被廣泛應用于微壓、低壓損工況，如電廠送吸風、加熱爐送風的測量。

2．3 高精度測量

經過大量的理論研究和實驗數據以及嚴格的制造檢驗程序，使得矩形流量計的精度達到了0．25% 以上。同時，由于矩形流量計的特殊結構能夠保證在較寬的雷諾數范圍內流量系數為線性且穩定，因此無論針對大流量還是小流量都可以精確測量。在多晶硅行業中氫氣是一種難以測量的工業氣體，還原爐的氫氣進料量是通過預先設定好的配比來控制進料調節閥的。如果測量到的流量波動比較大或者流量小測量不到，導致調節閥頻繁動作，從而影響硅棒品質，甚至導致倒棒急停；如果流量測量不準確，會導致吹掃置換不干凈，存在安全隱患。通常情況下采用質量流量計測量氫氣，但是需要通過縮徑來提高流速，使壓力損失很大，同時由于流量計出口處的流速很快，有發生危險的可能，并且流量計后端需要很長的直管段流速才能恢復。現在采用矩形流量計測量氫氣不但精度高而且性能穩定，很好地解決了這一難題。

2．4 寬量程比

在丙烷流量測量中，最小流量與最大流量之比為1∶66，這是矩形流量計大量程比的基本要求，由于現在流量差壓變送器的限制，例如橫河變送器，精度為0．04%，量程比為200∶1，差壓為0．5～100．0 kPa，為了保證小流量的精確測量，采用2臺差壓變送器，一臺可以精確測量0．5 kPa以上的差壓值，另一臺差壓變送器量程為0．1～10．0 kPa可以精確測量0．1～0．5 kPa段的差壓值，使得在小流量測量時可以保證精度，所以流量計在較寬的流量范圍內都可以精確測量。通過調整流量計的β值使得流量計在最小流量時差壓不小于0．1 kPa。

3 矩形流量計與楔形流量計等的性能對比

矩形流量計與其他差壓流量計性能對比見表1所列。

表1 矩形流量計與其他差壓流量計性能對比

4 結束語

矩形流量計作為一種新型流量計被廣泛應用于煤化工、多晶硅、電力等行業。其工作穩定、結構簡單、使用壽命長且準確度適中、維護量小，能夠適用多種介質的測量。通過對矩形流量計的性能分析，其測量精度是傳統節流裝置的4倍左右，永久壓力損失是傳統節流裝置的1/3左右，同時流量計要求直管段最小可以達到1．5D，因而省去了大量的直管段，由于沒有活動部件，安裝和維護相對容易。總之，矩形流量計具有廣泛的發展空間。

參考文獻：

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