差压式流量测量技术问答(二):差压式流量计的测量元件或传感器

专家:汪玉忠 领域:传感器 行业:化工 日期:11-05-27 11:54 点击数:1481

                    
                         
     天津石化炼油厂   汪玉忠

 
     8 标准节流装置存在的主要问题是什么?


    (1)测量准确度、复现性在流量仪表中属于中等,大约为1~2级,由于存在诸多影响因素,难以提高;

    (2)测量范围窄,由于差压与流量平方关系成正比,量程比也很小;

    (3)现场安装条件高,尤其节流装置前直管段难以满足要求;

    (4)节流装置与差压仪表间需要有引线、阀门连接,容易泄漏、堵塞和冻结,造成测量失灵;

    (5)标准孔板的尖锐度随运行时间延长不断磨损变钝,测量准确度下降;

    (6)大管段标准孔板(直径300mm以上)在高温下运行容易变形,形成凹凸面,影响测量准确度;

    (7)标准孔板、喷嘴压损大。

    9 采用标准孔板测量流量时,液体应满足什么条件?

    (1) 液体必须充满管道,并连续流过节流装置;

    (2)液体必须是单相的、均匀地通过节流装置不能发生相变;

    (3) 流体流动状态是紊流,即雷诺数大于临界雷诺数;

    (4) 标准节流装置不适合测量脉动流和临界流。

    10 孔板取压的五种方式,各有什么特点?

    孔板取压有五种方式:角接取压法、法兰取压法、径距取压法、理论取压法(缩流取压法)和管接取压法(损失取压法),见图3。 

                
                    a-a 角接取压 b-b 法兰取压 c-c 径距取压 d-d 理论取压 e-e 管接取压
                                          图3 五种孔板取压位置

    (1) 管接取压法(损失取压法):是一种古老的取压方式,是希客斯坦(E.O.Hickstein)在1913年发布的。上游取压口位置距孔板上游端面2.5D,下游取压口位置距孔板下游端面8D。在下游取压点是在流体经过孔板后,流体的流束已经完全充满管道,所以上、下游形成的差压比较小,另外在下游的8D之内管壁粗糙度直接影响差压值。此种取压法除了少数的天然气测量流量还保留外,基本不再使用。

    (2)理论取压法(缩流取压法):为了克服管接取压法产生差压小的缺点,将下游取压点改为流体经过孔板后流束收缩最小的位置,此处产生的差压最大。但是流束收缩最小的位置是与直径比(与β)有关的函数,所以这种取压法的下游取压点是不固定的,应用起来很不方便,此方法只能作为理论分析用,没有实际应用。

    (3)径距取压法:此方法是针对管接取压法产生差压小的缺点改进而来,将下游取压点的位置固定。在直径比β小于0.735时,径距法与理论法的数据很接近。在结构上,没有复杂的加工件,现场安装使用很方便,在欧美国家应用广泛。

    (4)角接取压法:采用环室结构,利用环室的均压作用提高测量精度。环室的结构复杂,加工费时、费料、成本高,环室的取压孔容易堵塞,不易疏通。

    (5)法兰取压法:一般都在法兰上取压,结构上比角接和环室要简单,只是需要专用的孔板法兰,不能用普通法兰代替。GB/T2624—93把径距取压法、角接取压法和法兰取压法作为标准节流装置的取压方法。

    11 由标准孔板衍生出来的各种非标准孔板各有什么特点?

    为解决特殊情况的测量衍生许多非标准孔板,列出10种,见图4所示,其特点如下。

     
                                 (a)锥形入口孔板                  (b)1/4圆孔板

                 
                                             (c)圆缺孔板

                 
                                            ( d)偏心孔板

                
                                          (e)楔形孔板

                    
                                           (f)内藏孔板

                  
                                                (g)线形孔板

                  
                                               (h)道尔管

                       
                                              (i)罗洛斯管

                       
                                                   (j)环形孔板
                                                   图4 非标准孔板
     
    (1)锥形入口孔板:它相当一块标准孔板倒装,是为了克服尖锐度的磨损而改进的,取压方式为角接取压,见图4(a)。
     
    (2)1/4圆孔板:与标准孔板相似,只是孔口形状不同,其外形轮廓由一个与轴线垂直的端面,半径r为1/4圆构成的入口截面及喷嘴出口端面组成,特点同上。取压方式为角接或法兰取压,见图4(b)。

    (3)圆缺孔板:如图4(c)所示,其开孔为圆的一部分,一般在圆的下半缺,该圆的直径为管道内径的98%,开孔圆弧部分的圆心与管道同心。圆缺孔板可测量脏污流体,取压方式为法兰取压。

    (4)偏心孔板:这种孔板的开孔偏离管道的中心线,不与管道同心,但与管道的同心圆相切,其直径等于管道直径的98%,参见图4(d)。它可以测量脏污流体,取压方式为法兰取压。

    (5)楔形孔板:结构形式如图4(e)。开孔位置与圆缺孔板相似,开孔为V形,可以减少压损,它也可以测量脏污流体,取压方式还未进行标准化。

    (6)内藏孔板:这种孔板是将孔板与差压变送器作成一个装置,如图4(f)所示,由于取消了引压管线、二次阀门,就没有管线泄漏、凝、堵等现象。它主要用于小流量测量,即管径小于50mm的流量测量,常用在管径15~40mm、流量范围1.02×106~48m3/h(液体)、0.00031~1300 m3/h(气体)的测量中。

    (7)线性孔板:孔板管道面积随流量大小自动变化,形成了测量差压与流量的线性关系,也扩大了测量范围。见图4(g)。

    (8)道尔管:结构如图4(h)所示。
    它是由40o入口锥角和15o扩散管组成的节流元件,正负取压口分别在锥管前部和喉部。长度是管径的1.5~2倍,仅为文丘里管的17%,道尔管产生的差压比文丘里管大,但在高压下压损很小。

    (9)罗洛斯管(Lo—Loss):由40o入口段、7o锥管、5o扩散管组成的节流元件。取压方式为角接取压,它也是低压损失的节流元件。结构形式见图4(i)。

    (10)环形孔板:环形孔板结构如图4(j)所示。主要有一个固定在与管同心的圆板由三角支架固定,利用中心轴管将孔板上、下游的压力传送出去。其优点是:既能自由排出管道底部的污物,又能使气体或蒸汽沿着顶部流过。

    12 弯管流量计与孔板流量计在结构和原理上有什么不同?

    从结构上讲,弯管流量计传感器是以90o 弯管为基础,在弯管中心的内外侧取出差压,从而测得流量;孔板流量计节流装置是在管道中心安装一个孔板作为节流件,在孔板前后取出差压,测得流量的大小,如图5所示。从原理上,流体流经弯管时,受到管内的约束作用,迫使流体在弯管内做近似圆周运动,产生惯性离心力,离心力的大小可以通过弯管内外差压的测量得到,所以弯管流量计是离心式差压流量计;而孔板流量计是以流体流动连续性方程(质量守恒律)和伯努利方程(能量守恒定律)为基础,在流体流经孔板时在其前后产生的差压测得流量的大小。弯管流量计的流量方程式为:
 
                
                                            图5 弯管流量计传感器
       
     
      式中: u — 流体平均流速; α— 流量系数;
      R/D — 弯管的弯径比; ρ— 密度;
      P1-P2 — 弯管内外差压(ΔP); x — 指数。

    13 与孔板流量计相比,弯管流量计的优缺点是什么?
     
    弯管流量计的优点如下:

    (1)无附加压力损失

    弯管流量计的传感器是90o 机加工的标准弯管,没有阻力件,压损小,有利于节约能源。

    (2)安装方便、耐磨损、无须维修、寿命长
    弯管流量计的传感器直接焊接在工艺管道中,取消了检测元件所固有的夹紧装置,既简单又可靠。弯管一次焊好后不存在泄漏问题,也不需要维护。长期运行的微小磨损对其传感器的性能影响甚微,所以长期使用时,测量的准确度不变。

    (3)适应性强
      弯管流量计可以在恶劣的环境如高温、高压、粉尘、振动和潮湿中使用,如果弯管传感器与配套差压仪表接口采用不锈钢、工程塑料等,还可以测量各种腐蚀性介质的流量。

    (4)价格低廉
      由于弯管流量计的结构简单,便于成批生产,价格低于其它差压式流量计或旋涡、超声波等流量计。缺点:测量准确度低,弯管流量计的测量准确度一般在2%~5%。

    14 什么是均速管流量计?与孔板流量计相比有哪些异同点?

    均速管是一种通过差压测量流量的传感器,均速管流量计是在皮托管测速原理的基础上发展起来的流量计。

    相同点:均速管流量计与孔板流量计的测量原理都是以伯努利方程和连续性方程为基础的,尽管产生差压的结构不同,但是流量公式是一样的。
   
    不同点:在结构上两者截然不同。均速管传感器由检测杆、取压口和导压管组成,它安装在管道内部与管道垂直。检测杆上迎着流体部分一般设有4个取压孔,特殊的有5~9个孔,测量出总压(动压和静压)取其平均值;检测杆背向流体部分的中部有1个取压孔,测量出静压,前后分别有导压管将压力引出。通过所测的总压与静压的差值,可以测得流体流量。传感器结构如图6所示。

               
                                   图6 均速管流量计传感器

汪玉忠(1938-)
男,辽宁营口人。1965年毕业于北京石油学院生产过程自动化专
业。曾在石油部北京设计院从事自控设计工作,天津炼油厂从事仪
表维护工作和先进控制开发研制工作。曾任高级工程师、天津石化
炼油厂副总工程师。



 

 



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