[導(dǎo)讀] 介紹一種新型插入式差壓流量計(jì)，闡述了該流量計(jì)的工作原理、結(jié)構(gòu)、性能特點(diǎn)和應(yīng)用情況，并與孔板式流量計(jì)進(jìn)行了比較。
在工業(yè)上流量計(jì)的種類(lèi)很多，即使是長(zhǎng)期從事流量測(cè)量的專(zhuān)業(yè)人員，為選擇一款最合適的流量計(jì)也會(huì)頗費(fèi)斟酌。我部于1999年選用美國(guó)VERIS公司生產(chǎn)的Verabar（威力巴）均速流量探頭，測(cè)量高爐煤氣。經(jīng)過(guò)五年多實(shí)踐應(yīng)用，該測(cè)量系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定、可靠，很好地解決了高爐煤氣測(cè)量的難題。
1 工作原理及結(jié)構(gòu)特點(diǎn)
威力巴是一種遵循伯努利方程的差壓式均速管流量計(jì)。
式中：Q為體積流量；K為流體系數(shù)；C為流體常數(shù)；DP為差壓式發(fā)生器產(chǎn)生的差壓。
20世紀(jì)60年代美國(guó)出現(xiàn)了最早的商業(yè)用均速管流量計(jì)，經(jīng)過(guò)近半個(gè)世紀(jì)的發(fā)展演變，均速管流量計(jì)形成了自己的一整套成熟理論，并且由于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，裝拆方便，其適用性非常廣泛。縱觀整個(gè)均速管的發(fā)展史，期間出現(xiàn)了各種式樣的均速管，這些均速管之間的區(qū)別主要在于探頭截面形狀和低壓取壓孔位置的設(shè)計(jì)，因?yàn)檫@是影響均速管性能的最主要因素。
威力巴在這兩方面的獨(dú)特設(shè)計(jì)，使得其在整個(gè)均速管行業(yè)中處于領(lǐng)先的地位。
① 截面為子彈頭形狀（如圖1所示）
美國(guó)VERIS公司根據(jù)臨界流體動(dòng)力學(xué)、空氣動(dòng)力學(xué)原理設(shè)計(jì)了子彈頭形狀的探頭截面。子彈頭截面形狀所受到的牽引力最小，并使得流體與探頭的分離點(diǎn)固定。
威力巴采用完整的金屬腔一體化結(jié)構(gòu)，避免了其它探頭的三片式結(jié)構(gòu)導(dǎo)致的腔室間滲漏，保證了長(zhǎng)期精度并有助于提高探頭的量程上限。探頭表面進(jìn)行粗糙處理并設(shè)置防淤槽，這種特殊設(shè)置可以控制探頭表面的邊界層，在較大范圍內(nèi)變化的流速下，保證了流體在探頭表面的邊界層都呈紊流狀態(tài)，使得流體在低流速時(shí)探頭仍可獲得穩(wěn)定精確的信號(hào)，延伸了探頭量程下限。
② 低壓取壓孔位于探頭側(cè)后兩邊，探頭與流體分離點(diǎn)之前
這種設(shè)計(jì)既避免了低壓孔受渦流影響，又避免了低壓孔被堵，使低壓信號(hào)更穩(wěn)定、精確。這是威力巴能本質(zhì)防堵的關(guān)鍵所在，也是其性能優(yōu)于其它各類(lèi)均速管的奧妙所在。一般情況下，灰塵、沙子和顆粒在渦街力的作用下，集中在探頭的后部。這就是為什么秋天的樹(shù)葉總是集中在背風(fēng)的房子后面的原因。其它的均速管由于低壓取壓孔取在探頭尾部真空區(qū)，在渦街力的作用下，探頭的低壓取壓孔很快地被渦流帶來(lái)的雜質(zhì)堵死。威力巴的獨(dú)特設(shè)計(jì)，使低壓取壓孔位于探頭側(cè)后兩邊，流體分離點(diǎn)和尾跡區(qū)的前部。這種設(shè)計(jì)從本質(zhì)上防止了堵塞并且能產(chǎn)生一個(gè)非常穩(wěn)定的信號(hào)。
2 技術(shù)性能指標(biāo)及軟件支持
2.1 技術(shù)指標(biāo)
長(zhǎng)期測(cè)量精度：士1.0%
重復(fù)精度：士0.1%
適用壓力：0~40MPa
適用溫度：-180℃~+550℃
量程比：大于10：1
適用測(cè)量介質(zhì)：氣體、液體、蒸汽
測(cè)量管道：38~12000mm各種材質(zhì)的方管、圓管
2.2 流體系數(shù)
所有的均速管流量計(jì)都是遵循伯努利方程的，在伯努利方程中系數(shù)也是反映某種均速管流量計(jì)性能的重要依據(jù)。除威力巴以外，其它所有的均速管生產(chǎn)廠家都是先到流體實(shí)驗(yàn)室測(cè)出他們產(chǎn)品的流體系數(shù)，然后在±1.0%的誤差內(nèi)想出一個(gè)符合這些試驗(yàn)數(shù)據(jù)的公式來(lái)。顯然這樣的做法是不科學(xué)的。
美國(guó)VERIS公司基于物理學(xué)、空氣動(dòng)力學(xué)和流體力學(xué)等理論，先從理論上推導(dǎo)出流體系數(shù)K的模型公式，然后再去流體實(shí)驗(yàn)室做各種流體實(shí)驗(yàn)，最終驗(yàn)證了系數(shù)精度在士0.5%之內(nèi)。找到一種能夠精確預(yù)測(cè)流體系數(shù)的方法是很重要的，因?yàn)樘筋^通常是應(yīng)用在未經(jīng)實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)過(guò)的流體介質(zhì)、流體條件和管道尺寸情況下的。如果單憑實(shí)驗(yàn)室里有限的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，怎么能代表現(xiàn)場(chǎng)復(fù)雜的工況情況呢?
威力巴的流體系數(shù)主要取決于探頭尺寸、取壓孔位置和探頭截面與管道截面的面積比，是一個(gè)與流體雷諾數(shù)變化無(wú)關(guān)的常數(shù)。由此保證了威力巴探頭的測(cè)量精度。
2.3 軟件支持
美國(guó)VERIS公司開(kāi)發(fā)了一款計(jì)算軟件，每支探頭使用前，都要根據(jù)流體條件進(jìn)行差壓計(jì)算和溫度、壓力分析，以準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)保證選用二次儀表及流量測(cè)量的準(zhǔn)確。軟件中結(jié)構(gòu)共振分析程序?qū)γ恳恢筋^都會(huì)模擬工況流體條件進(jìn)行共振分析，保證了探頭在實(shí)際應(yīng)用中有足夠的強(qiáng)度。
3 威力巴與孔板的比較
在使用威力巴前，萊鋼的高爐煤氣測(cè)量基本都使用孔板，孔板作為一種歷史悠久的流量計(jì)，其測(cè)量理論成熟可靠，但其缺點(diǎn)也是眾所周知的。孔板使用時(shí)間一長(zhǎng)，精度會(huì)急劇下降，需要定期檢測(cè)和清洗。像高爐煤氣這樣臟的介質(zhì)，孔板的這一缺點(diǎn)會(huì)顯得異常明顯。
我部于1999年開(kāi)始使用威力巴測(cè)量高爐煤氣，經(jīng)過(guò)五年的實(shí)踐和摸索，威力巴與孔板相比，主要體現(xiàn)了以下一些優(yōu)勢(shì)。
① 安裝極其簡(jiǎn)單、快捷，只需進(jìn)行較小尺寸的焊接。安裝費(fèi)用比孔板至少節(jié)約了60%。管徑越大，在安裝上節(jié)約的費(fèi)用越多。
② 威力巴采用非收縮節(jié)流設(shè)計(jì)，比孔板的永久壓損至少低了95%以上。
③ 威力巴有“在線(xiàn)型”，即在不停產(chǎn)的情況下，可以方便地安裝、維護(hù)，而不影響生產(chǎn)工藝的連續(xù)運(yùn)行。
④ 威力巴和孔板相比更節(jié)能，詳見(jiàn)表1。
表1 威力巴和孔板能耗比較表
壓差信號(hào)/KPa
壓力損失/KPa
損失功率kW
年運(yùn)行費(fèi)用/元
威力巴
1.080
0.0324
0.2275
1088
孔板
5.625
3.0938
27.65
135640
4 結(jié)束語(yǔ)
均速管流量計(jì)完全可以取代孔板來(lái)使用，我部之所以選擇威力巴來(lái)代替孔板，主要還是看重其如上面所述的獨(dú)特設(shè)計(jì)，具有廣泛的應(yīng)用前景。