1 引言

 

    差壓式流量計[1]應用非常廣泛，標準節流裝置是流量計選用優先考慮的儀表。目前，節流式差壓流量計可選用的節流元件通常為孔板、噴嘴、文丘里管、均速管、機翼等。其中，孔板和噴嘴的節流原理是邊緣節流；文丘里管的節流原理是縮管節流；均速管的節流原理是雙腔節流；機翼的節流原理是機翼式節流。每一種節流元件都有其優勢和弊端，設計人員要根據需要選擇一種更加適合工況的節流元件。隨著技術的進步，節流元件的不斷改進，一種平衡差壓節流裝置已經通過試驗并逐步應用到石化裝置中。采用這種節流元件的流量計被稱為平衡流量計，該技術是由美國國家航空航天局馬歇爾航空飛行中心設計發明，2004年獲得產品發明系列專利，并于2006年獲得總統頒發的發明大獎。

 

    2 平衡流量計的性能優勢

 

    平衡流量計是一種革命性的差壓式流量儀表[2]，其傳感器是一個多孔的圓盤節流整流器，安裝在管道的截面上，每個孔的尺寸和分布基于獨特的公式和測試數據定制，稱為函數孔。當流體穿過圓盤的函數孔時，流體將被平衡調整，渦流被最小化，形成近似理想流體，通過取壓裝置，可獲得穩定的差壓信號，根據伯努利方程計算出體積流量、質量流量。下面將詳細闡述平衡流量計的性能特點。

 

    2.1 平衡流場和減少渦流

 

    現今大量使用的標準節流裝置，由于只有一個流通孔，孔兩邊的死區產生大量的渦流，消耗流體的動能，會導致很大的永久壓力損失；隨機和雜亂渦流所形成的噪聲引起取壓點信號波動，使測量線性度和重復性降低；一個孔的結構，需要很長的直管段來整理流場和恢復壓力。

 

    平衡流量計通過多孔圓盤節流整流器，能巧妙實現流體平衡測量，明顯減少渦流的形成、降低死區效應、減少流體動能的損失，降低渦流帶來的取壓點信號波動，如圖1所示。

 

 

 

    2.2 減少永久壓力損失

 

    平衡流量計多孔對稱的平衡設計，減少了渦流的形成和紊流摩擦，降低了動能損失，在同樣的測量工況不降低差壓值的情況下，可比傳統節流裝置減少2.5倍的永久壓力損失，從而降低了較大的運行能量成本，是一種節能型儀表。

 

    2.3 直管段要求低、方便測量雙向流

 

    平衡流量計能將流場平衡調整穩定，且壓力恢復比傳統節流裝置快兩倍，大大縮短了對直管段的要求。大多數情況下直管段可以小至0.5D，采用平衡流量計可以省去大量直管段，尤其是特殊昂貴材料的管道。另外，平衡流量計左右完全對稱，因此可以十分方便地測量雙向流。

 

    2.4 其他性能優勢

 

    a）測量精度高、范圍寬。由于平衡流量計具有對稱多孔結構特點，能對流場進行平衡，降低了渦流、振動和信號噪聲，流場穩定性大大提高，表體采用特制精密管道和專用取壓裝置，使線性度比傳統節流裝置提升了5～10倍。經過實流標定，精度可達±0.3%～±0.5%，適用于貿易計量場合；幾何尺寸檢驗，精度可達±0.5%～±1.0%，適用于過程控制場合。

 

    根據實驗結果，通過平衡流量計的流速可達到音速；其最小雷諾數可低于200，最大雷諾數大于107；β值可選0.25～0.90。

 

    b）量程比寬、重復性和長期穩定性好。與傳統節流裝置相比，平衡流量計極大地提高了測量量程比。美國研究結果顯示：雷諾數大于5×104時，選擇合適的孔徑參數，平衡差壓節流裝置量程比無上限。根據工業測量實際應用需要，常規測量量程比為10∶1，選擇合適的參數，可以做到30∶1，50∶1或更高。

 

    平衡流量計能將流場平衡穩定，使重復性大大提高，可達0.1%。平衡差壓節流裝置多個流通孔分散受力，無銳角磨損，其β值可長期保持不變，長期穩定性非常好；整個儀表無可動部件，使用壽命比傳統節流裝置延長5～10倍。

 

    c）耐臟污不易堵、適用范圍廣。平衡流量計的多孔對稱的平衡設計，減少紊流剪切力和渦流的形成，從而大大降低了滯留死區的形成，保證臟污介質順利通過多個孔，減少了流體孔被堵塞的機會。

 

    平衡流量計工作溫度、壓力取決于管道和法蘭的材質和等級，分別可達850℃，42MPa。適合氣液兩相、漿料，甚至固體顆粒測量。

 

    3 平衡流量計與其他差壓節流裝置的對比

 

    結合以上介紹的性能特點，可以對平衡流量計和其他差壓節流裝置進行一下比較，具體可見表1所列。

 

 

 

    4 平衡流量計的應用及結論

 

    2007年8月在廣石化5Mt/a常減壓裝置改造中，采用了美國A+K平衡流量計用于進出裝置的氣體計量，經過幾個月的使用證明，該產品讀數穩定，精度高，量程比大，壓損小，與其他傳統的差壓式流量計相比，性能有顯著提高。

 

    通過對平衡流量計的性能分析，可以看出平衡流量計是一種新型流量計。這種流量計的測量精度是傳統節流裝置的5～10倍，流動噪聲降低到1/5，永久壓力損失約為1/3，壓力恢復快2倍，最小直管段可以小至0.5D，沒有活動部件，安裝和使用非常方便簡單，可省去大量直管段，大大減少流體運動的能量消耗，是一種具有廣泛應用前景的節能儀表。現在，平衡流量計已經廣泛應用到美國天然氣、煉油、氣體行業、化工廠、鋼鐵廠、發電廠和制藥廠。2006年底，A+K平衡流量計導入中國市場，進行大規模推廣。