文丘利管与A+K平衡流量计的应用比较

2011-02-27廖审析王华忠

化工与医药工程 2011年2期

廖审析王华忠

（华东理工大学，上海 200237）

在工业生产自动化过程中，流量是重要的过程参数之一。差压式流量计是基于流体流动的节流原理，利用流体流经节流装置时产生的压力差而实现流量测量的。它是目前工业生产中用来测量气体、液体和蒸汽流量的最常用的一种流量仪表。据调查统计，在整个工业流量测量领域中，差压式流量计占流量计总数的 l/3以上[1]。

在标准节流装置中，文丘利管所要求的上、下游直管段最短，永久压力损失最小。它的性能稳定、可靠性高。而且计算准确、能耗小。可用于液体、气体、蒸汽及两相流等各种脏污介质。所以，通常情况下，压力低、大管径、低流速各类气体的流量测量，我们通常使用文丘利管。但是文丘利管各部分尺寸要求严格，加工工艺比较复杂，价格也比较贵。石油化工生产中，在安全生产的前提下，为了提高生产效益，我们一直在寻找一种性价比更高的流量计。

A+K平衡流量计（多孔孔板）是对传统节流装置进行了极大的改进，将节流原理由边缘节流改为平衡节流，是一种革命性的差压式流量仪表。平衡流量传感器是一个多孔的圆盘节流整流器，安装在管道的截面上，每个孔的尺寸和分布基于独特的公式和测试数据定制，称为函数孔。当流体穿过圆盘的函数孔时，流体将被平衡调整，涡流被最小化，形成近似理想流体，通过常规取压装置，可获得稳定的差压信号，根据伯努利方程计算出体积流量、质量流量。

1 A+K平衡流量计（多孔孔板）的介绍

A+K平衡流量计（多孔孔板）巧妙的设计在于将多孔整流器和测量孔板合二为一，能最大限度地将流场平衡调整成理想状态，从而将差压式流量计的优势发挥到极至。多孔孔板已经广泛应用到美国天然气、炼油、汽车行业、化工厂、钢铁厂、发电厂和制药厂，产品开始行销全世界。在国内2006年底，A+FLOWTEK与上海科洋科技携手，将A+K平衡流量计导入中国市场，进行大规模推广。

1.1 A+K平衡流量计(多孔孔板)的结构和测量原理

多孔板由两圈 (或单圈或多圈 )系列圆孔组成，小孔沿管道轴心对称分布，使介质通过多孔板后流速均匀分布，以上海科洋科技公司的A+K平衡流量计为例，其结构如图1所示[2]。多孔板结构虽然与标准孔板有所不同，但仍为节流元件。流量计算依旧可采用单相流体通过标准孔板的经典计算式[3]，即：

式中，β为当量孔径比；A0为小孔流通面积的总和，m2；qv为流体的体积流量，m3· s-1；C为流出系数；ε 为膨胀系数；Δp 为孔板前后压差，pa；ρ为被测介质密度，kg · m-3。

图1 A+K平衡流量计结构示意图

1.2 平衡流量计的特点

1.2.1 统一的高精度流量测量

平衡流量计将传统取压对夹法兰改为精密加工管段和取压装置，节流件加工采用精密模具级精度加工，使得传感器精度和现场安装使用精度大大提高。由于多孔孔板具有对称多孔的结构，能对流场进行平衡，降低了涡流、振动和信号噪声，流场稳定性大大提高，表体采用特制精密管道和专用取压装置，使精确度比传统节流装置提升了5～10倍。

1.2.2 对直管段要求最低

平衡流量计传感器能将流场平衡调整稳定，且压力恢复比传统节流装置快两倍，大大缩短了对直管段的要求。大多数情况下，其前后直管段为前2D后1D，甚至0.5D，这样节省了大量直管段，尤其是特殊昂贵材料的管道。

1.2.3 永久压力损失低

流量计作为一个测量元件，本身也是一个耗能元件。平衡流量计多孔对称的平衡设计，减少了涡流的形成和紊流摩擦，降低了动能损失，在同样的测量工况下，与传统节流装置相比减少了1/2-1/3倍的永久压力损失，与文丘利管接近，从而节省了相当大的运行能量成本，是一种典型节能型仪表。

1.2.4 量程比宽，重复性和长期稳定性好

与传统节流装置相比，平衡流量计极大提高了测量范围。美国研究结果显示：雷诺数大于50000时，选择合适的孔径参数，平衡流量计传感器量程比不受限制。根据工业测量实际应用需要，常规测量量程比为10∶1，10∶1以上可以用多个变送器分段测量，可使量程比达到30∶1、50∶1或更高，β值选择也突破了传统孔板，从0.20 ～ 0.95，重复性大大提高，可达0.1%。平衡流场大幅度降低了介质与节流件直接的摩擦，孔边缘结构为直角，不易磨损，其β值长期保持不变，大大延长检定周期，节省检定费用；整个仪表无可动部件，因此，可以长期保持稳定性，使用寿命比传统节流装置延长5 ～ 10倍。

1.2.5 耐脏污不易堵

平衡流量计的平衡设计，减少了紊流剪切力和涡流的形成，从而大大降低了滞留死区的形成，保证脏污介质顺利通过多个孔，减少了流体孔被堵塞的机会。

1.2.6 双向测量

在工业生产中，有些地方需要双向测量流量，但能进行双向测量的流量计并不是很多，平衡流量计左右完全对称，可以十分方便地测量双向流。

2 平衡流量计和文丘利管的综合比较

在工业过程，流量仪表主要是作为过程自动化控制系统的检测仪表和测量物料数量的总量表。流量计的选择要综合考虑仪表性能、流体特性、工艺过程条件、安装条件、环境条件和经济因素等多方面的因素，扬长避短，选择最适宜的仪表。用户一般会结合工艺条件，首先从流量计直管道的要求长度、仪表精度、长度、重量、价格、磨损程度、费用等典型方面来考虑。表1是文丘利管和A+K平衡流量计典型方面的比较。

各个测量对象对测量的要求不同，仪表性能各因素选择有不同侧重点，只有满足工艺测量范围的仪表才能实现流量的精确测量[4]。流量测量过程中，流体特性对仪表应用有很大的影响，影响流量计特性的主要物性参数为密度（包括：气体压缩系数及湿度）、粘度、等熵指数、电导率、声速、比热容和导热系数等，其中尤以密度和粘度的影响最为重要。各种类型流量计对安装要求差异很大。例如：有些仪表（如：差压式、涡街式）需要很长的上游直管段，以保证检测件进口端为充分发展的管流，而另一些仪表（如：容积式、浮子式）则无此要求或要求很低。流体流动特性主要决定于管道的安装状况，而流体流动特性是影响流量特性的主要因素之一。流量仪表一般由检测元件、转换器及显示仪组成。而转换器及显示仪受环境条件影响较大，要注意测量环境温度、湿度、大气压、安全性、电气干扰等对测量结果的影响。表2是文丘利管和A+K平衡流量计其他方面的综合比较。

表1 文丘利管和A+K平衡流量计典型方面比较[5]

表2 文丘利管和A+K平衡流量计其他方面比较

3 工程应用研究及经济效益

文丘利管一般适用于大口径、流速低的蒸汽流量测量。蒸汽是重要的二次能源，一般用来加热和加湿，可以产生动力，也可以作为驱动等。随着工况（温度、压力）的变化，过热蒸汽经常会转变成饱和蒸汽，形成饱和蒸汽或带有水滴的过饱和蒸汽，包含汽液两相介质，对于测量仪表有较高的要求。平衡流量计的节流件，根据不同的工况和口径会选择不同厚度的节流件，可以很好地保证节流件强度。平衡流量计多个函数孔具有整定流场的效果，而且多孔的设计保证了以每个孔为中心产生一个高速，带动周围流体高速前进，减少了流体速度梯次分布带来的影响，而边缘函数孔的设计使脏污介质不会滞留和堆积，具有更好的流动性。针对大口径要求阻力小的特点，在计算和设计中考虑了介质的特性和函数孔的计算设计方法，则根据具体参数会选择相对较大的β值。

在实际工业应用中，由于流体物性为压力、温度及介质组分的函数，使用时，压力、温度的变化使密度发生改变，需进行压力、温度补偿（修正）。用文丘利管测量蒸汽质量流量时，现场压力、温度波动是不可避免的，我们一般是在文丘利管前面加温度和压力测量[6]，在DCS中建立一个蒸汽的绝对温度和温度与蒸汽密度对应关系的数据表，该表中有一个饱和蒸汽对应的温度和压力，用此条件判断介质是蒸汽还是水或者过热蒸汽，然后根据测量的温度和压力查该表得到的蒸汽实际密度，计算出蒸汽质量流量。平衡流量计作为新型的流量检测元件，可以通过搭配多参数差压变送器，不仅实现对蒸汽流量的检测，而且还可以检测蒸汽的温度和压力，实现多参数测量，将检测的三个测量值送入DCS专用蒸汽检测模块运算得到蒸汽质量流量，节省了仪表费用、安装成本和DCS输入卡件。

平衡流量计带来的节能降耗的效果也非常明显。平衡流量计的直管道要求比文丘利管低，管道的节省直接的节省了占地费用，安装费用，施工费用，维护和运行费用，在钢材日益涨价的今天，给用户节省了长的直管段也为用户节省了大量的投资，文丘利管要求的直管段都比较长，前4D后4D，而平衡流量计直管段要求只有前后最小各0.5D ～ 2D的要求。管径越大、材料越贵，节约越明显。量程比的范围间接的决定了精确测量流量的范围，量程比过窄，当运行在量程比之外的小流量的时候，不能精确的测量就意味着贸易计量中物料的损失和物料配比的不平衡。平衡流量计常规测量的量程比能做到10∶1，选择合适的参数甚至可以做30:1的量程比，远远大于文丘利管3:1的量程比，测量精度也比文丘利管高，在贸易交接场合，提高流量计精度可以提高贸易交接的准确性和公正度，通过减少错误计量（多计或少计），直接体现经济效益，减少贸易纠纷。在物料配比场合，提高流量计量精度可以提高物料配比准确性，保证产品质量和纯度，减少废料，降低污染物排放，节约因不精确测量导致多送物料的输送能耗。在过程控制场合，全面提高流量计测量精度可以提升全厂过程控制的精确性，保证物料平衡和能量平衡等工艺目的实现，从而提高全厂的产成品率，节能减排，间接经济效益以年产值为基数测算，0.5%～2%都是十分惊人的。由此可知，若工业项目采用平衡流量计，可以大大提高物料平衡和能源计量平衡，提高成品率，节约项目一次投资，节省运行成本。