[導(dǎo)讀]
V錐流量計(jì)和孔板流量計(jì)同屬于差壓類流量計(jì)，但是由于內(nèi)部結(jié)構(gòu)不同，V錐流量計(jì)和孔板流量計(jì)各有特點(diǎn)。該文結(jié)合實(shí)例，對(duì)V錐流量計(jì)和孔板流量計(jì)的優(yōu)缺點(diǎn)做了詳細(xì)的比較。
0 引言
長(zhǎng)期以來(lái)，孔板流量計(jì)由于其技術(shù)成熟、標(biāo)準(zhǔn)化程度高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、維護(hù)方便等特點(diǎn)而被廣泛地應(yīng)用。在海洋石油工程中也常常會(huì)用到孔板流量計(jì)。以采油平臺(tái)的測(cè)試分離器氣體出口測(cè)量為例，由于該介質(zhì)為氣體，一般壓力較高，介質(zhì)成分較復(fù)雜，流量范圍隨著年份變化較大等特點(diǎn)，決定了該場(chǎng)合應(yīng)用孔板流量計(jì)最為合適。尤其近年出現(xiàn)的可更換孔板更是解決了原有孔板流量計(jì)的低量程比的缺點(diǎn)而被廣泛地應(yīng)用。但是可更換的孔板價(jià)格昂貴，一般至少為同管徑孔板流量計(jì)價(jià)格的5倍以上。那么有沒(méi)有更好的產(chǎn)品來(lái)代替它，筆者認(rèn)為V錐流量計(jì)就是代替它的首選產(chǎn)品。
1 V錐流量計(jì)的優(yōu)點(diǎn)
V錐流量計(jì)是從2000年左右才在國(guó)內(nèi)出現(xiàn)的流量計(jì)。其工作原理和孔板流量計(jì)相同。介質(zhì)通過(guò)V錐時(shí)，由于阻流件V錐的存在，使得流體的流過(guò)面積發(fā)生變化，流速發(fā)生變化，根據(jù)伯努利方程，流速變化引起了壓力的變化，該壓力的變化與流速之間有一定的關(guān)系。通過(guò)測(cè)量該壓力差達(dá)到測(cè)量流量的目的。雖然與孔板原理一樣，但是最本質(zhì)的區(qū)別在于孔板為中心收縮型節(jié)流裝置，而V錐為邊壁收縮型節(jié)流裝置。
眾所周知，測(cè)量范圍窄是制約孔板使用的主要原因。測(cè)量范圍窄的主要原因是：孔板的流量系數(shù)隨雷諾數(shù)的變化而變化較大，孔板的突然節(jié)流導(dǎo)致孔板后發(fā)生比較大的漩渦，該漩渦的存在直接導(dǎo)致信號(hào)噪聲比較大，從而限制了它的測(cè)量范圍。而V錐流量計(jì)克服了以上缺點(diǎn)。
圖1 V錐結(jié)構(gòu)示意圖
如圖1所示，V錐流量傳感器是由與管道同軸的內(nèi)部節(jié)流件V錐和取壓裝置組成的，流體經(jīng)過(guò)時(shí)并不是像孔板那樣突然改變流體的流動(dòng)狀態(tài)，而是介質(zhì)隨著錐體的方向向邊壁收縮，該錐體起到了調(diào)整介質(zhì)流動(dòng)狀態(tài)的作用，重塑了流束曲線，使流體的流動(dòng)更加穩(wěn)定。而且由于慣性力的存在，介質(zhì)經(jīng)過(guò)V錐的邊緣時(shí)并不直接沖刷錐體邊緣，因此V錐的邊緣不像孔板那么容易磨損，V錐的使用壽命長(zhǎng)。由于V錐特有的結(jié)構(gòu)，V錐流量計(jì)有許多優(yōu)于孔板流量計(jì)的特點(diǎn)。
1.1 量程比寬
V錐的最早生產(chǎn)廠McCrometer公司開(kāi)展了一系列測(cè)試研究工作，得出結(jié)論：V錐和孔板比較，V錐的信噪比要小的多。由于信噪比小，V錐在小流量測(cè)量時(shí)，即使測(cè)量的差壓在較小的工況下也可以精確地進(jìn)行測(cè)量。從而不必像孔板那樣，需要通過(guò)增大變送器的阻尼來(lái)改善信號(hào)噪聲的影響。正因?yàn)榇?，V錐的量程比遠(yuǎn)大于孔板的量程比。印度理工學(xué)院的SNSingh教授分別使用油和水在不同的雷諾數(shù)下做了實(shí)驗(yàn)，得出結(jié)論：在一定的測(cè)量范圍內(nèi)，V錐的流出系數(shù)幾乎與雷諾數(shù)無(wú)關(guān)。筆者也曾參與了數(shù)百臺(tái)V錐流量計(jì)的標(biāo)定工作，從數(shù)據(jù)中可以看出，一般在1.0精度范圍內(nèi)，使用單臺(tái)差壓變送器，V錐的量程比就可以達(dá)到10∶1。
1.2 直管段要求低
V錐的自整流功能使其直管段要求低于孔板。印度理工學(xué)院的SNSingh教授分別采用油和水，在上游的不同位置安置不同開(kāi)度的閥門(mén)來(lái)試驗(yàn)，最后得出的結(jié)論為：如果上游的干擾是發(fā)生在V錐流量計(jì)的上游10D，或更遠(yuǎn)處，則這種非對(duì)稱的速度分布不會(huì)影響流出系數(shù)的值，流出系數(shù)將保持在理想條件下所得出的相同的數(shù)值；如果上游干擾源的位置距離V錐流量計(jì)小于10D（如5D），則流出系數(shù)的最大變化量為6%?？梢?jiàn)只要V錐前面有10D的直管段，無(wú)論前面有什么樣的節(jié)流件都不會(huì)對(duì)其測(cè)量造成影響。而ISO-5167中規(guī)定孔板的直管段要求根據(jù)前面節(jié)流件的不同有很大的變化，一般至少需要20D。如上述測(cè)試分離器的氣體出口一般采用4"的管道，對(duì)于V錐來(lái)說(shuō)，其前面只需1m的直管段就可以了，后面只需0.5m的直管段。
1.3 壓力損失小
壓力損失即不可恢復(fù)的壓力，它是流量計(jì)選型時(shí)需要考慮的重要指標(biāo)之一。在當(dāng)今能源缺乏，提倡節(jié)能減排的社會(huì)，該參數(shù)顯得尤為重要。由于V錐體邊緣形狀決定流體的流動(dòng)狀態(tài)，流體的壓力損失遠(yuǎn)小于使用孔板時(shí)的壓力損失。而且由于V錐的自整流功能，其前面無(wú)需加整流器，而孔板則需要較長(zhǎng)的直管段來(lái)調(diào)整流體的流動(dòng)狀態(tài)。海上石油平臺(tái)上空間較小，寸土寸金，很難滿足直管段的要求，常常需要增加整流器，以保證介質(zhì)的流動(dòng)狀態(tài)。但是整流器的高壓損帶來(lái)的弊病就是消耗更多的能源。即使不考慮整流器，在同一流量下，V錐的壓力損失一般也只有孔板的1/2～1/3。
1.4 精度高
由于V錐結(jié)構(gòu)無(wú)可動(dòng)部件，使得V錐具有很好的重復(fù)性，一般小于0.1%。由于量程比寬，即它的線性度好，從而使其精度較高。根據(jù)GB17167-2006《用能單位能源計(jì)量器具配備和管理通則》規(guī)定，用于能源計(jì)量的流量計(jì)準(zhǔn)確度等級(jí)要求為：煤氣和天然氣為2.0級(jí)。所以在測(cè)試分離器出口的氣體測(cè)量中，在10∶1的量程范圍內(nèi)，V錐加上差壓變送器及二次表的總體誤差不會(huì)低于1.5級(jí)，完全能滿足計(jì)量要求。
1.5 長(zhǎng)期性能好
由于錐體的輪廓形狀限制了介質(zhì)的流動(dòng)，流體沿著錐體形成了邊界層，這意味著錐體的邊緣不容易受不清潔的流體磨損，從而使開(kāi)孔比β保持不變，使得流量計(jì)可以在很長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)保持精度而不必校驗(yàn)。
2 V錐流量計(jì)的缺點(diǎn)
雖然V錐流量計(jì)有很多的優(yōu)點(diǎn)，但是它還是存在一些不足之處。
2.1 需要標(biāo)定
孔板是唯一通過(guò)保證幾何尺寸就可以保證其測(cè)量精度的流量計(jì)。而V錐屬于新型的流量計(jì)，雖然眾多的廠家及科研人員做了大量的實(shí)驗(yàn)，但迄今為止V錐流量計(jì)可依據(jù)的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)有限，而且由于機(jī)密性和專利的限制，現(xiàn)已公布的有關(guān)V錐流量計(jì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的可利用的文獻(xiàn)較為缺乏。各個(gè)生產(chǎn)廠家依據(jù)企標(biāo)來(lái)生產(chǎn)，可以說(shuō)產(chǎn)品魚(yú)龍混雜，并不是每個(gè)廠家的產(chǎn)品都可靠。由于試驗(yàn)數(shù)據(jù)不充分，使得每臺(tái)V錐流量計(jì)出廠時(shí)都必須經(jīng)過(guò)嚴(yán)格的標(biāo)定。從而也增加其費(fèi)用。
2.2 售價(jià)較高
同種規(guī)格的V錐流量計(jì)的價(jià)格要高于孔板流量計(jì)，但低于可更換孔板流量計(jì)。由于V錐的用料多、加工工藝復(fù)雜、標(biāo)定費(fèi)用高，使得其售價(jià)較高。但是在考慮流量計(jì)時(shí)，初次購(gòu)買(mǎi)價(jià)及安裝費(fèi)用、儀表的可靠性、長(zhǎng)期維護(hù)費(fèi)用、永久壓力損失等綜合因素的總評(píng)才是選取流量計(jì)的依據(jù)，只有綜合考慮并權(quán)衡了以上這些重要因素，才能做到合理選型。
如前所述，V錐流量計(jì)除了在初次購(gòu)買(mǎi)費(fèi)用上高于孔板流量計(jì)外，其他的費(fèi)用應(yīng)該與孔板流量計(jì)持平或低于孔板流量計(jì)。尤其是在補(bǔ)償壓力損失所需要的耗能方面，V錐流量計(jì)遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于孔板流量計(jì)。所以從長(zhǎng)遠(yuǎn)考慮，使用V錐流量計(jì)的綜合費(fèi)用要低于孔板流量計(jì)。
使用可更換孔板的目的就是為了提高孔板的量程比。但是其價(jià)格昂貴。如果給V錐流量計(jì)配兩臺(tái)不同量程的變送器，那么其量程比的擴(kuò)展要遠(yuǎn)大于可更換孔板流量計(jì)，而其價(jià)格要遠(yuǎn)低于可更換孔板。
2.3 差壓較低
由于V錐流量計(jì)的流出系數(shù)要大于孔板流量計(jì)的流出系數(shù)，使得相同流量時(shí)孔板的差壓值要高于V錐的差壓值。孔板流量計(jì)的變送器一般都是用中差壓表，V錐流量計(jì)一般用低差壓表。
3 結(jié)論
綜上所述可知，在很多場(chǎng)合用V錐流量計(jì)代替孔板流量計(jì)，應(yīng)該是利大于弊。對(duì)于文中開(kāi)頭例舉的海洋平臺(tái)測(cè)試分離器出口的氣體測(cè)量，筆者認(rèn)為選擇孔板流量計(jì)或可更換孔板流量計(jì)并不是最佳選擇。V錐流量計(jì)應(yīng)該更適合于該工況。當(dāng)然對(duì)于其他工況還需要具體問(wèn)題具體分析，不能一概而論。
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