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環形孔板流量計的原理與特點

2014-10-28 09:25:15 點擊:
 

節流裝置是利用測量管內流通面積的改變使流動的流體產生靜壓力差的一類流量儀表。它的歷史悠久、種類繁多、用途廣泛。盡管當今流量儀表的種類有近百種,節流裝置依然是用量最大的一種。支撐這冠軍寶座的有三大支柱:節流裝置已有品種的改進和提高;節流裝置新品種的不斷出現并獲得推廣應用;與節流裝置相配套的差壓變送器及顯示儀表在性能和質量方面發展迅速。

    本文介紹的環形孔板節流裝置。近年來,在我單位的高爐煤氣、焦爐煤氣、混合煤氣等介質的流量測量中獲得了成功應用,在解決防堵塞、防堆積等方面有突出的特點。

    1 工作原理

    標準孔板的最小流通截面是板(孔板)片中心的圓孔,流體通過時因流通面積的突然收縮而加速,流體繞過孔板入口邊緣時產生的附面層是圓柱形。環形孔板的最小流通截面是板(測流板)片的外緣和管內壁形成的圓環,流體通過時因流通面積的突然收縮而加速,流體繞過測流板入口邊緣時產生的附面層也是圓柱形,對流體產生阻力的機理是相近的。因此孔板或測流板對流體造成的阻力系數是相近的,這就使兩者有可能具有相近的流出系數。

 

    標準孔板節流裝置和環形孔板節流裝置的結構分別如圖1和圖2所示。由圖可見,環形孔板與標準孔板的區別是:標準孔板的最小流通面是與管軸線同軸的圓柱,環形孔板的最小流通面是與管軸線同軸的圓環柱,從流場的對稱性考慮,都優于圓缺孔板、偏心孔板;另一方面,環形孔板把中間流速高、靠近管壁處流速低的流動模式強制變成了靠近管壁處流速高、中間流速低的流動模式,相當于流場的二次分配,進入環形孔板的上游流場如果因上游局部阻力的干擾產生了畸變(即不再軸對稱),在二次分配時就會因均化的趨勢恢復成軸對稱,就像沒有受到局部阻力的干擾似的。

    環形孔板節流裝置和普通的標準孔板一樣,依據的基本原理是流體連續性方程和伯努利方程。把環形孔板的測流件安裝在圓管中,當流體流經節流裝置時,其上、下游側之間就會產生壓力差,見圖3環形孔板工作原理圖,經推導可得到流量基本方程式:

       式中,qm為流體的質量流量,kg/h;C為流出系數;ε為流體經過節流裝置后的可膨脹性系數(對液體ε=1);β為徑比(β=d/D1,d:環形孔板的等效孔徑,mm,D1:管道內徑,mm);D為測量管(工作狀態下)的內徑,mm;ΔP為節流裝置上、下游取壓口處測取的差壓值,KPa;ρ1為流體(在節流裝置上游側工作條件下)的密度,kg/m3。    經過正確設計計算制造出來的測流板在流體中形成阻擋,當流量為qm時產生的差壓為ΔP,利用差壓變送器將差壓值ΔP轉變成標準電流信號,再經過顯示儀表或數據處理系統,顯示出流體的流量或總量。
    2
產品的特點
   
環形孔板的特殊結構決定了它在應用時的諸多特點,這些特點不但在理論上是有根據的,而且也已經被現場使用證明。比較突出的是:
   
1)結構牢固、性能穩定、工作可靠,基本上是免維護儀表。
   
2)儀表本體是一段直的測量管,內壁經過加工,精度高,而標準孔板要另訂一段直管段才能達到同樣效果。安裝誤差(偏心、密封墊片伸入管道等)對儀表的測量幾乎沒有影響,因此本儀表的使用精度比標準孔板高。
   
3)節流件和測量管內壁都是形狀簡單的圓形,容易達到高的尺寸精度、嚴的形位公差,利用抽樣標定就能獲得高精度,流出系數穩定性好。
   
4)流體進入儀表本體后經過測流板的突然阻擋,強制再分配均化了來流時的畸變,通過環孔節流再加上均壓環取壓機構,使得進入差壓變送器的測量值( 差壓)很少受上游局部阻力的影響。
   
5)環形孔板不但可測量一般流體的流量,還可測量含雜質的流體流量。因為環形孔板的檢測件結構形式與標準孔板有本質不同,環形孔板最小流通面是緊貼管內壁的圓環,而標準孔板最小流通面是處于管中心的同心圓。流體中的雜質流速較低,一般是緊貼著管壁邊流動,在標準孔板的附近,雜質流得更慢,很容易沉淀堆積,以至于影響測量精度或堵塞取壓口。即使是圓缺孔板或偏心孔板,也避免不了這種故障。然而對于環孔節流式流量計,流體中的雜質隨著主流一起高速通過最小流通截面(環隙),不大可能堆積在測流板附近,取壓口遠離滯流區,不容易堵塞,何況采取了多個取壓口(冗余設計)并聯在均壓環上,只有全部堵死才會失效,這就大大延長了檢修周期。防堵型環形孔板流量計的均壓環上與取壓口正對著的管壁處設有堵頭或排污球閥,可定期旋開排污或用捅條疏通雜物。對含塵量更大的流體,可以選帶隔離膜片的差壓變送器,堵塞的可能性更小。帶均壓環的防堵型環形孔板結構見圖4。
    3
總結
   
焦爐煤氣、半水煤氣等臟污流體介質含有粉塵、焦油、萘、硫化物、水,使用其它儀表遇到的問題較多。在儀表結構方面,采用均壓環和多個取壓口,在均壓環上與取壓口相對的地方焊接一段與取壓管相同內徑的排污管、連接一個球閥,在清污時打開球閥排污或者在停氣時用捅條疏通,也可以采用專用結構在不停氣時用頂桿插入管壁清理取壓管。我單位已應用十幾臺,最長的使用已有6年,至今未發生故障,節約了大量的維護人力和物力。為生產單位提供了準確的計量數據,使生產單位在節能降耗工作中有數據進行指導,降低了生產能耗。
 

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