[導(dǎo)讀] 利用差壓原理進(jìn)行流量測(cè)量是當(dāng)今世界上使用最廣泛、最可靠的流量測(cè)量方式，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和流量測(cè)量技術(shù)的進(jìn)步，一些新型、高性能的測(cè)量傳感裝置逐步取代了傳統(tǒng)的節(jié)流裝置進(jìn)行流量測(cè)量，由美國(guó)VERIS公司推出的全新均速流量探頭——威力巴便是其中之一。
1.引 言
利用差壓原理進(jìn)行流量測(cè)量是當(dāng)今世界上使用最廣泛、最可靠的流量測(cè)量方式，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和流量測(cè)量技術(shù)的進(jìn)步，一些新型、高性能的測(cè)量傳感裝置逐步取代了傳統(tǒng)的節(jié)流裝置進(jìn)行流量測(cè)量，由美國(guó)VERIS公司推出的全新均速流量探頭——威力巴便是其中之一。
在過(guò)去幾十年來(lái)一次源的檢測(cè)水平始終沒(méi)有重大突破，成了制約差壓式流量測(cè)量系統(tǒng)發(fā)展的瓶頸，使得高水平的下游儀表無(wú)法發(fā)揮出應(yīng)有的高效率。威力巴的出現(xiàn)，恰恰克服了這一缺陷，使得一次源的測(cè)量精度、重復(fù)性和可靠性達(dá)到一個(gè)嶄新的高度。
從使用角度看，威力巴均速流量探頭與傳統(tǒng)的流量節(jié)流裝置相比具有更多的優(yōu)點(diǎn)，具體表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：
精度高，量程比大，大于10：1;
采用非收縮節(jié)流設(shè)計(jì)，比孔板的永久壓損至少降低95%以上;
安裝簡(jiǎn)單，只需在管道上開(kāi)一小孔后焊一底座，無(wú)需截?cái)喙艿溃行┙橘|(zhì)可以在線安裝，并可隨時(shí)將探頭取出檢查，安裝費(fèi)用低，基本免維護(hù);
由于威力巴的接頭可直接與變送器連接，無(wú)需三組閥和引壓管，避免了因引壓管泄漏、堵塞等造成的測(cè)量誤差;
可以測(cè)量氣體、液體和蒸氣等各種介質(zhì)，應(yīng)用范圍廣泛，且測(cè)量信號(hào)穩(wěn)定、波動(dòng)小。
威力巴的設(shè)計(jì)、制造先進(jìn)，但其測(cè)量系統(tǒng)對(duì)被測(cè)介質(zhì)有關(guān)參數(shù)的準(zhǔn)確性要求也非常高，這一點(diǎn)要比其它流量測(cè)量系統(tǒng)的要求嚴(yán)格得多。本文從威力巴測(cè)量原理出發(fā)，結(jié)合其在我公司煤氣流量測(cè)量中的應(yīng)用，談該流量計(jì)在實(shí)際使用中的參數(shù)核定問(wèn)題及使用過(guò)程中需要注意的相關(guān)事項(xiàng)。
2.威力巴測(cè)量原理
如圖1所示，威力巴均速流量探頭垂直插入管道固定安裝，當(dāng)流體流過(guò)探頭時(shí)，在其前部產(chǎn)生一個(gè)高壓分布區(qū)，高壓分布區(qū)的壓力略高于管道的靜壓，根據(jù)伯努利方程原理，流體流過(guò)探頭時(shí)速度加快，在探頭后部產(chǎn)生一個(gè)低壓分布區(qū)，低壓分布區(qū)的壓力略低于管道的靜壓，威力巴探頭在高、低壓區(qū)有按一定準(zhǔn)則排布的多對(duì)取壓孔，通過(guò)這些取壓孔，威力巴能夠精確地檢測(cè)到由流體平均速度所產(chǎn)生的平均差壓△P。需要注意的是均速流量探頭的截面形狀、表面粗糙狀況和低壓取壓孔的位置是決定探頭性能的關(guān)鍵因素，低壓信號(hào)的穩(wěn)定和準(zhǔn)確對(duì)均速探頭的精度和性能起著決定性作用。在煤氣測(cè)量中，流量QV與△P的對(duì)應(yīng)關(guān)系為：
QV = C’*[(△P*P(fa))/(T(fa)*Z(f))]1/2 (1)
式中：QV——標(biāo)況體積流量;△P——差壓，kPa;Pfa——工作狀態(tài)絕壓，kPa;Tfa——工作狀態(tài)絕對(duì)溫度，K;Zf——工作狀態(tài)下煤氣的絕壓系數(shù);C’——流量系數(shù)。
圖1 威力巴測(cè)量系統(tǒng)示意圖
3.實(shí)際使用中參數(shù)的核定
威力巴流量計(jì)生產(chǎn)廠家是根據(jù)用戶(hù)提供的有關(guān)工藝參數(shù)、測(cè)量要求來(lái)確定設(shè)備型號(hào)和計(jì)算差壓的，而用戶(hù)往往以原工藝設(shè)計(jì)圖紙的設(shè)計(jì)值為準(zhǔn)提供，但在企業(yè)投產(chǎn)后的實(shí)際生產(chǎn)中，由于各種原因很多參數(shù)發(fā)生了變化，這將使按原參數(shù)計(jì)算與設(shè)定的威力巴測(cè)量系統(tǒng)測(cè)量準(zhǔn)確度受到較大影響，必須重新核定有關(guān)參數(shù)并計(jì)算新的差壓值，改正測(cè)量系統(tǒng)的設(shè)定參數(shù)。我公司在煤氣廠出口中壓煤氣流量測(cè)量中，就發(fā)現(xiàn)了此類(lèi)問(wèn)題。
工作壓力Pf是獲得準(zhǔn)確差壓計(jì)算的關(guān)鍵參數(shù)之一，由式(1)可得差壓△P計(jì)算公式為：
△P = [QV / C’]2*[T(fa)*Z(f) / P(fa)] (2)
式中：P(fa) = P(f)+當(dāng)?shù)仄骄髿鈮骸Ｓ纱丝梢?jiàn)，工作壓力Pf與差壓的計(jì)算直接相關(guān)。
我公司于2003年采用V200-10-H-H-B5C在線安裝型威力巴對(duì)煤氣廠出口中壓煤氣流量進(jìn)行測(cè)量，訂貨時(shí)提供的工作壓力參數(shù)為設(shè)計(jì)值40kPa，廠家計(jì)算差壓量程為200.31Pa。測(cè)量系統(tǒng)投運(yùn)后，流量顯示值約31000m3/h，與生產(chǎn)消耗嚴(yán)重不符。經(jīng)仔細(xì)核查，發(fā)現(xiàn)問(wèn)題出在當(dāng)初所提供的參數(shù)上，其中壓力參數(shù)影響最大。煤氣廠投產(chǎn)后，因中壓煤氣用戶(hù)氧化鋁焙燒爐生產(chǎn)水平未達(dá)到設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力，煤氣消耗量不大，供氣工作壓力實(shí)際只有36 kPa，而以36 kPa計(jì)算(改正其它有誤差參數(shù))威力巴差壓為206.2Pa，與原差壓相差近6Pa，投運(yùn)后在相同生產(chǎn)狀況下流量顯示約為27500 m3/h ，與生產(chǎn)消耗基本相符?？梢?jiàn)雖然差壓只相差6Pa，但流量卻相差了約3500 m3/h 。而后，我公司對(duì)氧化鋁生產(chǎn)系統(tǒng)進(jìn)行了大規(guī)模技術(shù)改造，氧化鋁焙燒產(chǎn)量大大提高，超過(guò)了設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力1200t/h ，煤氣需求量增大，為此煤氣廠通過(guò)改造使煤氣排送機(jī)的送風(fēng)量由原來(lái)的600 m3/min提高到800m3/min，送風(fēng)量的增大也使煤氣壓力從36 kPa 最高升到42 kPa ，在最大流量45000 m3/h 不變的條件下，其計(jì)算差壓量程為197 Pa，及時(shí)調(diào)整威力巴測(cè)量系統(tǒng)的設(shè)定參數(shù)后，保證了測(cè)量的準(zhǔn)確度。
4.煤氣摩爾質(zhì)量
式(2)中流量系數(shù)C’= N*K*YV*D*D*[T(ba)*Z(b) / P(b)]*[1 / Mr]1/2 (3)
式中：N——單位換算常數(shù);YV——氣體膨脹系數(shù);K——威力巴的K系數(shù);D——管道內(nèi)徑;Tba——標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下絕對(duì)溫度;Zb——標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下該氣體的絕壓系數(shù)。Mr——氣體摩爾質(zhì)量;Pb——標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)絕壓，kPa。
可見(jiàn)氣體摩爾質(zhì)量Mr也是差壓計(jì)算的重要參數(shù)。
我公司生產(chǎn)的煤氣實(shí)際上是一組混合氣體，原設(shè)計(jì)提供的煤氣介質(zhì)成份及所占百分比如下：
依此計(jì)算出煤氣摩爾質(zhì)量為25.236，在最大流量45000 m3/h ，工作壓力36 kPa狀態(tài)下，計(jì)算差壓為208.3Pa(其它參數(shù)均正確)。而煤氣廠實(shí)際生產(chǎn)的煤氣成份介質(zhì)及所占百分比為(經(jīng)檢驗(yàn)分析而得)：
以此計(jì)算實(shí)際生產(chǎn)的煤氣摩爾質(zhì)量為24.730，在與上述相同狀況下計(jì)算差壓為206.2 Pa，與原差壓208.3 Pa 相差2.1 Pa ，在工藝生產(chǎn)狀況相同的條件下，威力巴測(cè)量系統(tǒng)在設(shè)定兩種差壓參數(shù)時(shí)流量顯示偏差約1000 m3/h。(注：上面差壓的計(jì)算要依據(jù)威力巴相關(guān)計(jì)算軟件，具體過(guò)程省略。)
5.最大流量和工作溫度
最大流量是計(jì)算測(cè)量系統(tǒng)差壓量程的重要參數(shù)。對(duì)于威力巴，在確定最大流量參數(shù)時(shí)，不應(yīng)機(jī)械地設(shè)定工藝設(shè)計(jì)最大生產(chǎn)能力的介質(zhì)流量為最大流量，而應(yīng)根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)狀況的正常流量確定合適范圍的最大流量，這樣才能保證測(cè)量系統(tǒng)工作在良好的線性測(cè)量范圍，以減少線性測(cè)量誤差，即使生產(chǎn)狀況發(fā)生變化，最大流量提高，由于威力巴具有量程比大的優(yōu)點(diǎn)，一般只需重新計(jì)算差壓，修改設(shè)定參數(shù)，就能可靠地在新工藝生產(chǎn)狀況下測(cè)量。
在式(2)中，工作狀態(tài)絕對(duì)溫度T(fa)=工作溫度+273.15，可見(jiàn)工作溫度也是威力巴計(jì)算差壓的重要參數(shù)。我公司煤氣中壓原設(shè)計(jì)工作溫度為40℃，而實(shí)際生產(chǎn)中溫度達(dá)到58℃，因此工作溫度參數(shù)也應(yīng)以實(shí)際生產(chǎn)狀態(tài)下的值為準(zhǔn)，才能保證測(cè)量差壓計(jì)算的準(zhǔn)確。
此外，威力巴對(duì)氣體介質(zhì)流量測(cè)量時(shí)，由于氣體的密度受溫度、壓力影響比較大，在一定的溫度壓力范圍內(nèi)，密度的變化大于測(cè)量精度的要求，則必須加溫、壓補(bǔ)償。但當(dāng)溫度或壓力變化較大時(shí)，則必須以改變了的溫度或壓力值重新計(jì)算差壓，否則將造成較大的測(cè)量誤差。
6.威力巴流量計(jì)使用中需要注意的相關(guān)事項(xiàng)
(1) 在安裝使用時(shí)，當(dāng)管道上、下游的直管段不夠長(zhǎng)時(shí)，推薦在彎管后2倍管道直徑處安裝威力巴。因在彎管后的流體剖面較復(fù)雜，需將流體系數(shù)K做輕微調(diào)整，據(jù)有關(guān)資料表明調(diào)整K系數(shù)以后，測(cè)量精度由原來(lái)的±1%下降到±3%，重復(fù)精度由原來(lái)的±0.1%下降到±0.3%。
(2) 連續(xù)工作的威力巴從根本上杜絕了堵的可能，但在以下情況，威力巴仍需注意防堵：
當(dāng)引壓管泄漏，探頭高壓區(qū)遭到破壞，雜質(zhì)中直徑較小的顆粒就有可能進(jìn)入取壓孔;
當(dāng)管道處于停產(chǎn)時(shí)，由于分子的布朗運(yùn)動(dòng)，顆粒小的雜質(zhì)有可能進(jìn)入取壓孔;
系統(tǒng)頻繁開(kāi)機(jī)時(shí)，在高壓區(qū)形成的瞬間，顆粒小的雜質(zhì)有可能進(jìn)入取壓孔，日積月累，就有可能造成探頭的堵塞;
介質(zhì)中含有大量的焦油、藻類(lèi)生物，或者含有纖維狀的物質(zhì)，也有可能造成探頭的堵塞。
7. 結(jié)束語(yǔ)
利用威力巴進(jìn)行流體流量測(cè)量，其差壓計(jì)算所需參數(shù)必須是工藝實(shí)際生產(chǎn)狀況下可靠的參數(shù)，否則參數(shù)不正確，計(jì)算出來(lái)的差壓必定不真實(shí)，那么據(jù)此選用的再先進(jìn)的測(cè)量設(shè)備也無(wú)法準(zhǔn)確、可靠地測(cè)量。當(dāng)然在實(shí)際使用過(guò)程中要保證威力巴流量計(jì)測(cè)量的準(zhǔn)確、可靠，需要核定的參數(shù)不止上面幾項(xiàng)，它們只不過(guò)是影響比較大的幾個(gè)方面，除此之外，盡管威力巴探頭采用科學(xué)、先進(jìn)的防堵設(shè)計(jì)，還是需要注意正確安裝與使用，這需要在長(zhǎng)期的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐中探索、總結(jié)，惟有如此，流量計(jì)才能在流量測(cè)量中發(fā)揮應(yīng)有的作用。