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大口徑氣體（煤氣、空氣、煙道氣以及蒸汽）流量測(cè)量一直是能源計(jì)量中的一個(gè)難點(diǎn)。在實(shí)際中多以孔板作為檢測(cè)元件，主要存在：①阻力損失大；②測(cè)量范圍小；③測(cè)量臟污介質(zhì)（如煤氣）孔板取壓孔經(jīng)常堵塞，孔板上游易造成粉塵埋積并在孔板上結(jié)垢；④孔板必須在斷流的情況下安裝拆卸，對(duì)于長(zhǎng)年運(yùn)行的工藝管線，維護(hù)或更換節(jié)流件困難，致使這類孔板數(shù)年甚至數(shù)十年裝在管線上而不能正常運(yùn)行；⑤管徑大于1.0米孔板不在國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)（GB/T2624-93）支持范圍內(nèi)，孔板的設(shè)計(jì)缺乏嚴(yán)格的科學(xué)依據(jù)；⑥對(duì)于高流速介質(zhì)（如蒸汽）孔板易變形且入口邊緣處磨損嚴(yán)重等問(wèn)題。

近年來(lái)各種非標(biāo)準(zhǔn)差壓式流量計(jì)如：均速管流量計(jì)、環(huán)形孔板流量計(jì)、V錐流量計(jì)、內(nèi)置式文丘里管流量計(jì)、彎管流量計(jì)等，依其各自的特點(diǎn)，在大口徑流量測(cè)量方面做了有益的探索。但是非標(biāo)準(zhǔn)差壓式流量計(jì)，由于不能像孔板等標(biāo)準(zhǔn)節(jié)流件一樣，有成熟且通行的標(biāo)準(zhǔn)支持，所以其儀表系數(shù)必須通過(guò)實(shí)流標(biāo)定獲得，而目前我國(guó)還沒(méi)有口徑大于400mm，滿足圓管流的氣體標(biāo)準(zhǔn)裝置，即使標(biāo)定采用風(fēng)洞，由于在風(fēng)洞均勻流場(chǎng)下游，不能提供多種規(guī)格（φ400、φ500、φ600………φ3000）足夠長(zhǎng)（一般為幾十倍）的直管段，即在被校表前管道內(nèi)的流體不能形成充分發(fā)展管流，也難以實(shí)施準(zhǔn)確的比對(duì)。因此在推廣和使用中遇到了很大的困難。

基于皮托管測(cè)量原理的測(cè)管式流量計(jì)，依據(jù)ISO3966《封閉管道流體流量的測(cè)量―――采用皮托靜壓管的速度面積法》標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行系統(tǒng)安裝和補(bǔ)償運(yùn)算，針對(duì)被測(cè)介質(zhì)臟污、含水等因素，在測(cè)頭和結(jié)構(gòu)上采用*的設(shè)計(jì)（已申報(bào)，號(hào)：200420000638.7），以避免堵塞與結(jié)垢，并可在工藝管線不斷流的情況下，在線進(jìn)行安裝、拆卸和吹掃。若干支測(cè)頭與FC2000流量計(jì)算機(jī)配套構(gòu)成了完整的大口徑流量測(cè)量系統(tǒng)。

一． 原理及引用標(biāo)準(zhǔn)

ISO3966《封閉管道流體流量的測(cè)量―――采用皮托靜壓管的速度面積法》標(biāo)準(zhǔn)，規(guī)定了在充滿流體的封密管道內(nèi)，處于穩(wěn)定流動(dòng)狀態(tài)的體積流量的測(cè)量方法?？蓽y(cè)量流速范圍：下限流速（空氣）為測(cè)頭在風(fēng)洞中標(biāo)定的Z低流速（約3.0m/s），上限流速小于0.25倍的馬赫數(shù)。測(cè)頭所在位置的局部流速為：

…………………………（1）

其中，（1-ε）是可壓縮性修正系數(shù)。在液體中ε＝0，所以不需要可壓縮性的修正，但在低馬赫數(shù)的可壓縮流體中，系數(shù)（1-ε）可按下述關(guān)系確定：

式中：

　　r――比熱比              　　P――局部靜壓

　　ρ――流體的局部密度   　　ΔP――由皮托管所指示的差壓

　　a――測(cè)頭校準(zhǔn)系數(shù)（測(cè)管式流量計(jì)的每一支測(cè)頭，須經(jīng)在國(guó)家技術(shù)監(jiān)督機(jī)構(gòu)

授權(quán)的風(fēng)洞上進(jìn)行標(biāo)定以獲得測(cè)頭校準(zhǔn)系數(shù)。）

可壓縮流體的密度由下述方程確定：

式中：R＝8.3143 J•mol－1•K－1,摩爾質(zhì)量以千克/摩爾表示并對(duì)空氣的值為

0. 02895；

　　　　　Z　是氣體定律偏差系數(shù)；對(duì)壓力小于10倍大氣壓和溫度在273K和373K

之間的空氣來(lái)說(shuō)，它與1相差無(wú)幾（它應(yīng)與可壓縮性修正系數(shù)（1－ε）有區(qū)別）；

　　　　　T　是由下述公式所得的局部靜溫度：

　　　　　T0　是采用一個(gè)理想的全溫探頭在管道軸線上測(cè)得的總的溫度。

對(duì)于圓管，把管道橫截面上各個(gè)半徑上的平均流速視為等于在各個(gè)半徑上各測(cè)量點(diǎn)處所測(cè)得的流速的算術(shù)平均值，而管道平均流速就等于各個(gè)半徑上平均速度的算術(shù)平均值。因而平均流速可以用各個(gè)局部流速的算術(shù)平均值來(lái)表示：

…………………………（2）

式中：V――管道平均流速；

將（1）式代（2）式

……………………（3）

（3）式表述了管道平均流速與各測(cè)頭差壓值函數(shù)關(guān)系。

測(cè)頭的數(shù)目依據(jù)管道橫截面情況而定，但Z少不得小于3個(gè)。考慮到測(cè)頭支桿阻塞等因素的影響。測(cè)頭應(yīng)安裝在某個(gè)規(guī)定數(shù)目的與管道同心的圓上和至少為兩個(gè)相互垂直的直徑之間的每個(gè)交點(diǎn)上，其插入深度依據(jù)測(cè)點(diǎn)的數(shù)目、標(biāo)準(zhǔn)給出了明確的規(guī)定。（見表1）

表1

測(cè)管式流量計(jì)配有可進(jìn)行微調(diào)的升降機(jī)構(gòu)，可在現(xiàn)場(chǎng)便捷地調(diào)整測(cè)頭插入深度。

標(biāo)準(zhǔn)確定的測(cè)量方法是在95%置信水平上有關(guān)流量不確定度≤2.0%。在滿足標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的測(cè)量條件下，由其它因素影響所引起的誤差為：

         （4）

式中：ΔqV——流量誤差；Δ（Δp）——差壓測(cè)量誤差；Δp——壓力測(cè)量誤差；

Δγ——比熱比誤差；ΔT——溫度測(cè)量誤差；ΔF——面積測(cè)量誤差。

該誤差與方法誤差合成，總不確定度范圍為2.0～3.0%。

二． 系統(tǒng)概述

FC2000系列流量計(jì)算機(jī)是一款具有多通道、全參數(shù)補(bǔ)償運(yùn)算、數(shù)據(jù)顯示、歷史事件和歷史數(shù)據(jù)記錄、網(wǎng)絡(luò)通訊等功能的高性能流量顯示儀表，它與若干支測(cè)管式流量計(jì)測(cè)頭以及差壓、壓力、溫度等變送器配套構(gòu)成大口徑流量氣（汽）體流量測(cè)量系統(tǒng)。（見圖1）

圖1

流量計(jì)算機(jī)功能：

1. 接收各測(cè)頭的差壓信號(hào)和管道壓力、溫度信號(hào)，根據(jù)標(biāo)定得到測(cè)頭校準(zhǔn)系數(shù)計(jì)算出該點(diǎn)的局部流速，并可進(jìn)行測(cè)頭系數(shù)的非線性修正。

2. 根據(jù)ISO3966標(biāo)準(zhǔn)中《封閉管道中流體流量的測(cè)量－采用皮托管的速度面積法》計(jì)算出管道平均流速。

3. 根據(jù)有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)與建議、國(guó)家與行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行溫度、壓力、組分補(bǔ)償?shù)冗\(yùn)算后得出Z終的體積流量值。

4. 對(duì)現(xiàn)場(chǎng)儀表除可適配4-20mA和1-5V標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)外，還可適配HART協(xié)議數(shù)字信號(hào)，避免小電流信號(hào)引起誤差，并可進(jìn)行擴(kuò)展量程處理。

5. 具有強(qiáng)大的通訊功能，對(duì)上位機(jī)可采用包括RS232/485、程控網(wǎng)、局域網(wǎng)、無(wú)線網(wǎng)絡(luò)等通訊方式構(gòu)成計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)督管理和建立集散式計(jì)量管理系統(tǒng)。

6. 流量計(jì)算機(jī)具有歷史數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、雙重口令限制、報(bào)警記錄、連接串口打印機(jī)、監(jiān)控儀表操作（如儀表斷電、修改參數(shù)設(shè)置等）的審計(jì)記錄等功能，是工廠能源計(jì)量管理與貿(mào)易結(jié)算計(jì)量的理想工具。

三． 防堵塞措施

針對(duì)測(cè)量煤氣等臟污介質(zhì)的特點(diǎn)，測(cè)管式流量計(jì)測(cè)頭的設(shè)計(jì)，汲取其它差壓流量計(jì)的長(zhǎng)處及經(jīng)驗(yàn)，在分析均速管式流量計(jì)取壓孔容易堵塞機(jī)理的基礎(chǔ)上，采用了*的蹄形切口結(jié)構(gòu)。均速管流量計(jì)測(cè)桿上各取壓孔處的流速是不同的，則各取壓孔之間存在一定的壓力差，造成各取壓孔之間有介質(zhì)流動(dòng)，流動(dòng)的介質(zhì)中粉塵產(chǎn)生埋積，形成堵塞。另外，大多數(shù)工業(yè)煤氣中含有水份，水以水蒸汽狀態(tài)混合于煤氣之中，稱為濕煤氣，當(dāng)濕煤氣流入取壓孔內(nèi)，其中的水蒸汽接觸取壓管內(nèi)壁冷凝成水，并存積于取壓管內(nèi)，煤氣中的臟污粉塵隨冷凝水析出，在取壓管內(nèi)壁結(jié)垢；往往測(cè)桿下端測(cè)孔的堵塞較為嚴(yán)重，即使采用蒸汽或氮?dú)獯祾?，也只能吹通測(cè)桿上端的取壓孔，而下端取壓孔依然堵塞。測(cè)管式流量計(jì)的測(cè)頭上僅有一個(gè)全壓取壓孔，取壓管內(nèi)介質(zhì)相對(duì)靜止，取壓孔內(nèi)不易形成粉塵埋積。由于測(cè)頭采用蹄形切口設(shè)計(jì)，向下安裝，濕煤氣中的冷凝水隨時(shí)滴入管道，冷凝水不會(huì)再存積于引壓管內(nèi)。另外，測(cè)管式流量計(jì)配有在線吹掃裝置，一旦發(fā)生堵塞可隨時(shí)進(jìn)行吹掃。這樣較好解決了在測(cè)量煤氣等臟污介質(zhì)的堵塞、取壓管內(nèi)壁結(jié)垢等問(wèn)題。

四．在線標(biāo)定

在實(shí)際的工藝管道上有很多阻流件，如彎管、變徑管，特別是多年使用且不能拆卸的廢棄孔板，這些阻流件有著和孔板近似的流量特性。如果能重新確定這些阻流件兩側(cè)的差壓與流量值的數(shù)學(xué)關(guān)系，即求出其流出系數(shù)，仍可用這些阻流件兩側(cè)差壓值，計(jì)算出流經(jīng)該阻流件的流量，測(cè)管式流量測(cè)量系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)在線標(biāo)定大口徑煤氣管線的各種阻流件，其系統(tǒng)構(gòu)成（圖2）

圖2

流量計(jì)算機(jī)接入三支測(cè)管輸出的差壓信號(hào)、被校阻流件輸出的差壓信號(hào)以及溫度、壓力等信號(hào)。流量計(jì)算機(jī)根據(jù)ISO3966標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算出實(shí)際流量值即：

……………………（5）

它與被標(biāo)定阻流件輸出的差壓值△PX通過(guò)逐點(diǎn)比對(duì)建立函數(shù)關(guān)系。（如圖3）

圖3　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　

并由流量計(jì)算機(jī)擬合出真實(shí)流量值與被標(biāo)定阻流件輸出的差壓△Px的函數(shù)關(guān)系，即：

……………………（6）

依此函數(shù)關(guān)系，可利用管道阻流件（主要是停用的孔板）兩側(cè)的差壓計(jì)算管道流量。

采用上述的現(xiàn)場(chǎng)標(biāo)定方法，也可以用3（或3支以上）支測(cè)管，標(biāo)定其中一支測(cè)管，即使用單支測(cè)管實(shí)現(xiàn)大口徑流量測(cè)量，可大大降低設(shè)備費(fèi)用。

五．使用中注意的問(wèn)題

1在常用流量低于3m/s時(shí)，盡量不選用此方案

2.根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)嚴(yán)格控制測(cè)頭的插入深度

3.在振動(dòng)比較大的管道上安裝，差壓變送器與測(cè)管采用分體安裝，引壓管采用軟管。

4.對(duì)下限流量比較小，流量范圍變化大的系統(tǒng)，選用帶有HART通訊功能的微差壓變送器。

5.本系統(tǒng)可用于大口徑蒸汽測(cè)量，但須加裝隔熱防凍裝置（防凍隔離器），省卻伴熱、保溫和冷凝系統(tǒng)。

六．結(jié)束語(yǔ)

測(cè)管式流量計(jì)經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際運(yùn)行，在較長(zhǎng)的時(shí)間里數(shù)據(jù)穩(wěn)定可靠，取得了令人滿意的效果，這是通過(guò)現(xiàn)代化技術(shù)手段使經(jīng)典的流量測(cè)量技術(shù)得到了延伸與擴(kuò)展，提供了解決大口徑氣體流量難以計(jì)量流量的可靠方法和儀表?？梢韵嘈牛ㄟ^(guò)設(shè)計(jì)和使用者共同的探索與實(shí)踐，這一應(yīng)用技術(shù)將更為成熟和完善。