插入式雙V型多點流量測量裝置的設計

蔡春林 張鳳霞 王 婷

（寧夏職業技術學院 機械與電氣技術系，寧夏 銀川 750021）

1 引言

在工業生產過程中，對流體流量進行正確測量和調節是保證生產過程安全經濟運行、提高產品質量、降低物質消耗、提高經濟效益、實現科學管理的基礎。在整個過程的檢測儀表中，流量儀表的產值約占1/5～1/4[1]。

目前，在工業管道測量中，對管道中的冷熱空氣，特別是對含塵量大的空氣進行計量與測試的需求非常大。比如，在火力發電廠，鍋爐燃燒是否穩定直接關系到其運行的安全性和經濟性。燃燒不穩定，不僅影響鍋爐的效率，而且可能造成滅火。保證燃燒的經濟性，必須保持合理的風煤比，合理的一、二次風配比及送、吸風量的協調。在實際工況下對大型和中型管道中的風量進行在線測量需要解決如下問題：①測量參數值必需真實客觀地反映管道中流體的狀況，測量精度要高；②壓力損失小，輸出差壓盡可能大；③防堵性能好，經濟性好，使用維護方便等。

2 現有的插入式流量測量裝置存在的主要問題

目前工業上常用的流量測量方法可分為容積式、速度式及質量式三類，應用最廣的是速度式測量方法中的差壓測量法。差壓測量法是利用伯努利方程原理，通過測量安裝在管道中的節流件輸出的流體差壓信號來反映流量[2]。隨著現代化進程的日益加快，工業上所用的管道口徑在逐漸增大，而大口徑管道表面流量測量的特點是：①要求壓損越小越好；②流速普遍較低，流體中的淤泥、污垢等極易在管道內壁沉積；③測量范圍要求大；④防護等級要求高。適合于大口徑管道流量測量的儀表主要有電磁流量計、超聲流量計和插入式流量計。插入式流量計以結構簡單、安裝維護簡便、壓損小、價格低廉等優點受到人們的關注，基于這樣的工業背景，插入式流量計的研究有著現實的意義。

插入式流量計是基于安裝方式而分類的，它將測量裝置插入管道內部，通過測量管道中一點或幾點的流速（或壓差）來反映整個管道的流量，適用于大口徑管道的測量。目前插入式流量計中發展起來的主要有渦街、渦輪、電磁、皮托管等流量計。

現有插入式流量測量裝置主要采用單點式測量方式和多點式測量方式。單點式存在檢測傳輸孔較小、容易堵塞、量程比小、壓差小等缺點。多點插入式測量裝置在火力發電廠的特殊工況條件下（大管徑、低流速、含粉塵量高）使用存在較多問題，在實際運行中主要存在堵灰問題，需要定時進行吹掃，存在吹掃維護工作量較大、難以準確測量風量、無法真實客觀地反映擋板變化時對應風量的真實變化趨勢等缺陷[3]。

針對普通差壓式流量計壓力損失大、量程比小這一問題，希望能設計出一種新型的流量計，結合插入式的安裝方式與差壓式測量原理，通過獨特的斷面結構設計，使該測量裝置具有壓力損失低、量程范圍寬、測量精度高、經濟實用的優點，并具有本質防堵耐磨功能。

3 新型流量測量裝置結構設計

3.1 設計方案

插入式雙V型多點流量測量裝置的關鍵技術點：實現多點截面式均速測量，能夠全面反映整個管道流體的真實狀況，精度高；增大輸出壓差，增大量程比，減小壓損，并具有防堵耐磨功能。

首先要解決均速測量。在設計中包括主測量管及安裝在主測量管內與之平行設置的正取壓管和負取壓管，并根據管道尺寸大小，按一定規律在主測量管上設置多個測量點，采用全壓管和錐管取壓的多點結合進行測量，形成多點面測量方式，從而能夠全面地反映整個管道流體的真實狀況，極大地提高測量精度。其次，進行獨特的雙V型結構設計。設計中集合錐形流量計和威力巴流量計的各自優勢，在主測量管上安裝若干個錐形尾端，提高輸出壓差，增大量程比，減小壓損。根據流體運動學和動力學理論的分析，檢測孔布置應避開雜質和粉塵聚集區，以實現本質防堵。

在整個項目研發過程中，經過嚴密的理論分析和計算，并結合流量標定試驗分析，分步擊破難點，成功研制出流量測量裝置，以滿足市場需求。

3.2 結構特點及功能分析

經過理論分析計算，所設計的雙V型多點測量裝置結構原理如圖1所示。該測量裝置主要由正壓腔、負壓腔及取壓元件組成，其結構特點及功能如下：

圖1 插入式雙V型多點測量裝置結構原理

3.2.1 多點測量，輸出平均正壓和平均負壓。正壓腔位于取壓元件最前端，在正壓腔前端設置多個防堵型正壓取壓孔，通過大容積的正壓腔傳輸來自多個正壓取壓孔取出的正壓，然后輸出一個平均正壓。負壓腔位于正壓腔后部，與正壓腔隔離，在負壓腔兩側對稱布置多組負壓取壓元件，由多組方形文丘里管或錐形管組成，這些測點按規則分布。每個負壓取壓元件都由收縮加速段、穩流取壓段、抽吸放大段組成，它們全部與負壓腔相通，由負壓腔將壓力平均后輸出負壓。正負壓腔所傳輸的壓力通過儀表閥門輸入差壓變送器。

3.2.2 方形文丘里管或錐形管結構降低壓損，提高壓差。在流量儀表中，節流式差壓流量計（如孔板和噴嘴）壓力損失大，是一個很大的缺點，壓損大的原因是節流件后產生較大的渦流區。在本設計中采用插入式流量計可大大降低壓損，同時采用方形文丘里管或錐形管結構，其流道可使液體流動順暢、無阻礙，進一步降低壓損。另外在工況運行時，流體經過收縮加速段時被收縮提速，到達穩定取壓段時再進行整流取壓，被取壓力進入負壓腔，在后續的抽吸段作用下流速增大，負壓值減小，進而提高壓差值。

3.2.3 多點截面式測量提高測量的準確度。在進行大管道流體測量時，可以同時安裝多個插入式雙V型多點測量裝置，形成多點截面式取壓方式，能夠反映出整個管道流量的真實狀況，能精確地檢測到平均壓差，并能產生一個非常穩定的差壓信號。

3.2.4 穩定的低流速測量性能。測量裝置的正負壓腔貫穿整個流體管道，正壓腔前端面（即迎流面）由兩段圓弧組成流線型結構，迎流面面積小，減小了測量大管道時流體流場分布和流動狀態的影響，并且表面經過磨砂硬化處理，具有很好的低流速測量效果，滿足測量精度要求。

3.2.5 獨特的雙V型結構實現本質防堵。流體在正壓腔的前端圓弧面形成高壓區，壓力略高于管道靜壓，阻止了顆粒進入正壓腔。在開機時，流體在管道靜壓作用下，進入正壓腔，很快形成了壓力平衡的狀態。此時，流體在正壓腔的進口處遇到高壓，繞道而行，不再進入正壓腔中，故正壓取壓孔不會被堵塞。在負壓腔的兩側對稱分布著多組檢測取壓元件，一般情況下，管道中粉塵、沙子和顆粒在渦街力的作用下，集中在檢測元件的后部，在此處取壓則容易堵塞，而雙V型結構的獨特設計，使低壓取壓孔位于取壓元件中間、流體分離點和尾跡區的前部，從而避開雜質與粉塵聚集區，實現本質防堵。

3.3 測量原理

新型流量測量裝置基于差壓式測量原理，其流量計算公式為[4]：

式中，Qm為質量流量（kg/s）；K為流量常數；ε為被測介質的可膨脹系數（對于不可壓縮流體，ε=1）；β 為直徑比，β=d/D，D為工作條件下上游管道內徑；C為管道流出系數，是一個統計量；d為工作條件下節流件的節流孔直徑，m；ΔP為流量計輸出差壓，Pa；ρ 為流體密度，kg/m3。

4 結論

本文基于差壓式流量測量原理和插入式安裝方式，創新地研究開發了新型插入式雙V型多點流量測量裝置。該測量裝置在保留現有插入式流量測量裝置優點的基礎上，將單點測量變為多點截面式測量，能夠全面準確地反映整個管道流體的真實狀況；通過獨特的雙V型截面結構設計，迎流面采用流線型，使裝置的輸出壓差增大，量程比增大，壓損減小，并具有本質防堵耐磨功能，很好地滿足了測量精度要求。

新型插入式流量測量裝置具有結構簡單，安裝、調試方便等特點，特別適用于大管道流量測量，具有廣闊的工程應用前景。

[1]紀綱.流量測量儀表應用技巧[M].北京：化學工業出版社，2009：1-30.

[2]王池，王自如，張寶珠，等.流量測量技術全書（上冊）[M].北京：化學工業出版社，2012.

[3]吳國熙，電廠鍋爐常用風量測量裝置的比較與應用[J].山東電力技術，2011（1）：73-76.

[4]李杰，張武軍，王航.淺談差壓式流量計的流量計算[J].自動化儀表，2013（7）：89-91.