[導讀] 針對傳統(tǒng)節(jié)流裝置存在著永久壓力損失過大、噪聲易引起取壓點信號波動和直管段要求過長等現(xiàn)狀，詳細分析和闡述了平衡流量計（平衡差壓節(jié)流裝置）的性能優(yōu)勢，并通過實例證明了平衡流量計的永久壓力損失、流動噪聲、最小直管段要求、測量精度等性能優(yōu)越于傳統(tǒng)節(jié)流裝置。平衡流量計能極大限度地將流場平衡調(diào)整成理想狀態(tài)，從而將差壓式流量計的優(yōu)勢發(fā)揮到極至。
1 引言
差壓式流量計[1]應用非常廣泛，標準節(jié)流裝置是流量計選用優(yōu)先考慮的儀表。目前，節(jié)流式差壓流量計可選用的節(jié)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(jié)流原理是邊緣節(jié)流；文丘里管的節(jié)流原理是縮管節(jié)流；均速管的節(jié)流原理是雙腔節(jié)流；機翼的節(jié)流原理是機翼式節(jié)流。每一種節(jié)流元件都有其優(yōu)勢和弊端，設(shè)計人員要根據(jù)需要選擇一種更加適合工況的節(jié)流元件。隨著技術(shù)的進步，節(jié)流元件的不斷改進，一種平衡差壓節(jié)流裝置已經(jīng)通過試驗并逐步應用到石化裝置中。采用這種節(jié)流元件的流量計被稱為平衡流量計，該技術(shù)是由美國國家航空航天局馬歇爾航空飛行中心設(shè)計發(fā)明，2004年獲得產(chǎn)品發(fā)明系列專利，并于2006年獲得總統(tǒng)頒發(fā)的發(fā)明大獎。
2 平衡流量計的性能優(yōu)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(jié)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(shù)據(jù)定制，稱為函數(shù)孔。當流體穿過圓盤的函數(shù)孔時，流體將被平衡調(diào)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(wěn)定的差壓信號，根據(jù)伯努利方程計算出體積流量、質(zhì)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(xiàn)今大量使用的標準節(jié)流裝置，由于只有一個流通孔，孔兩邊的死區(qū)產(chǎn)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(jié)構(gòu)，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(jié)流整流器，能巧妙實現(xiàn)流體平衡測量，明顯減少渦流的形成、降低死區(qū)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(shè)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(tǒng)節(jié)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(jié)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(diào)整穩(wěn)定，且壓力恢復比傳統(tǒng)節(jié)流裝置快兩倍，大大縮短了對直管段的要求。大多數(shù)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(yōu)勢
a）測量精度高、范圍寬。由于平衡流量計具有對稱多孔結(jié)構(gòu)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(wěn)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(tǒng)節(jié)流裝置提升了5～10倍。經(jīng)過實流標定，精度可達±0.3%～±0.5%，適用于貿(mào)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(jù)實驗結(jié)果，通過平衡流量計的流速可達到音速；其最小雷諾數(shù)可低于200，最大雷諾數(shù)大于107；β值可選0.25～0.90。
b）量程比寬、重復性和長期穩(wěn)定性好。與傳統(tǒng)節(jié)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(jié)果顯示：雷諾數(shù)大于5×104時，選擇合適的孔徑參數(shù)，平衡差壓節(jié)流裝置量程比無上限。根據(jù)工業(yè)測量實際應用需要，常規(guī)測量量程比為10∶1，選擇合適的參數(shù)，可以做到30∶1，50∶1或更高。
平衡流量計能將流場平衡穩(wěn)定，使重復性大大提高，可達0.1%。平衡差壓節(jié)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(wěn)定性非常好；整個儀表無可動部件，使用壽命比傳統(tǒng)節(jié)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(shè)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(qū)的形成，保證臟污介質(zhì)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(zhì)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(jié)流裝置的對比
結(jié)合以上介紹的性能特點，可以對平衡流量計和其他差壓節(jié)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(jié)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(jīng)過幾個月的使用證明，該產(chǎn)品讀數(shù)穩(wěn)定，精度高，量程比大，壓損小，與其他傳統(tǒng)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(tǒng)節(jié)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(jié)能儀表。現(xiàn)在，平衡流量計已經(jīng)廣泛應用到美國天然氣、煉油、氣體行業(yè)、化工廠、鋼鐵廠、發(fā)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(guī)模推廣。