內(nèi)藏式雙文丘里管流量測量裝置的研究

　　在工業(yè)化迅速發(fā)展的大時代，缺少不了壓力變送器、流量計(jì)、液位計(jì)、密度計(jì)、差壓變送器等儀表把現(xiàn)場第一數(shù)據(jù)實(shí)時傳輸?shù)焦た叵到y(tǒng)上，為整個工業(yè)自動化系統(tǒng)充當(dāng)控制、檢測等一系列的眼睛，接下來華恒儀表為您解讀工業(yè)現(xiàn)場最前沿的壓力變送器使用情況。

　　目前，國內(nèi)熱電廠的大容量鍋爐機(jī)組一次風(fēng)、二次風(fēng)管道的風(fēng)量，煙道的煙量以及發(fā)電機(jī)組的回?zé)峁艿?，回?zé)嵴羝髁考盁掕F廠熱風(fēng)爐助燃風(fēng)、冷風(fēng)煤氣的計(jì)量，以及各大電廠燃?xì)忮仩t與煤氣廠商業(yè)貿(mào)易結(jié)算計(jì)量等，其一次元件多為機(jī)翼型或均速管測量裝置及標(biāo)準(zhǔn)文丘里管。由于均速管（阿牛巴）輸出的差壓信號較小，易堵塞，且分辨率低，一般需要與微差壓變送器配套，測量精度不高。近幾年國內(nèi)的一些代理公司推出了美國生產(chǎn)的威力巴差壓流量計(jì)，在性能上比阿牛巴均速管提高了一大步。但由于受直管段、量程比的限制，在煤氣計(jì)量上仍存在許多問題，不能滿足用戶的要求。而機(jī)翼型測量裝置體積較大，壓損較大，制造工藝比較困難，且易堵塞信號管路，采用標(biāo)準(zhǔn)文丘里管，在大管徑時，其前后直管段要求很長，成本很高。近年來在矩形風(fēng)道的流量測量中，人們通過對文丘里管的變異，設(shè)計(jì)出了矩形文丘里管，并進(jìn)行了一定的試驗(yàn)，但由于壓力損失較大等原因，亦限制了它的推廣和應(yīng)用。

　　在煉鐵廠中，大容量的熱風(fēng)爐入口冷風(fēng)、凈煤氣及助燃風(fēng)的管徑一般都超過1200mm，但管徑超過1200mm的節(jié)流裝置，目前國內(nèi)、國外均未建立標(biāo)準(zhǔn)，一般節(jié)流裝置的生產(chǎn)廠家無法進(jìn)行標(biāo)定和校驗(yàn)。由于流量變化范圍大，介質(zhì)受壓力及溫度影響較大，在低壓，低流速狀態(tài)下工作，要求永久性壓力損失小，采用一般節(jié)流裝置很難實(shí)現(xiàn)。另外，流量測量裝置一般要求前直管段為10D，后直管段為5D，導(dǎo)致造價(jià)增高。為解決這些問題，國內(nèi)一些企業(yè)引進(jìn)國外的產(chǎn)品，如插入式質(zhì)量流量計(jì)（熱差式），不僅造價(jià)昂貴，且由于工藝條件限制，介質(zhì)中含水份多等種種原因仍存在計(jì)量不準(zhǔn)或無法測量的問題。

　　針對以上存在的問題，西安航聯(lián)測控設(shè)備有限公司，采用航空氣動理論和飛機(jī)發(fā)動機(jī)內(nèi)流流體力學(xué)等學(xué)科的最新研究成果，應(yīng)用大型計(jì)算機(jī)技術(shù)和風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)，研究和生產(chǎn)出BYW－F內(nèi)藏式雙文丘里管智能流量計(jì)。

　　工作原理及風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)結(jié)果

　　1.1 工作原理

　　根據(jù)伯努利方程和連續(xù)方程的基本原理和風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)結(jié)果，內(nèi)藏式雙文丘里管流量測量裝置的流量計(jì)算數(shù)學(xué)模型（帶壓力、溫度全自動補(bǔ)償）可歸納為下式：

　　式中 A、B、C――常數(shù)，由被測介質(zhì)工作狀態(tài)的技術(shù)參數(shù)及風(fēng)道截面的形狀和尺寸計(jì)算，并通過風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)校正而得出，其中A為ΔP≠0時溫度變化函數(shù)；Q――被測流體的體積流量，Nm3/h；

　　t――文丘里管測量段流體溫度，℃；

　　P0――當(dāng)?shù)仄骄髿鈮?，Pa；

　　PH――文丘里管所取差壓值，Pa。

　　經(jīng)整理簡化后的含溫度、壓力全自動補(bǔ)償?shù)挠?jì)算式為：

　　K值為流量系數(shù)與普通孔板計(jì)算式相同。

　　1.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備與實(shí)驗(yàn)對象

　　實(shí)驗(yàn)是在NF-3風(fēng)洞內(nèi)進(jìn)行的，其實(shí)驗(yàn)段截面尺寸為2.5×3.5米，長12米，實(shí)驗(yàn)風(fēng)速為V＝5~90米／秒，紊流度為0.08%，信號采集采用8400電子掃描閥完成，采集速度為5萬點(diǎn)／秒，測量精度為0.05%。該風(fēng)洞為我國唯一的低速、大管徑重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，也是國防科工委的重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室。

　　1.3 風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)結(jié)果

　　空氣在風(fēng)道中流動都是紊流狀態(tài)，由于計(jì)算是按照理想流體一元流體流動來推導(dǎo)文丘里管產(chǎn)生的差壓與流速之間的關(guān)系式，顯然存在誤差，另外在設(shè)計(jì)收縮比時，其中流量系數(shù)理論上解決十分困難，它是一個綜合性系數(shù)，其值與節(jié)流件的類型、取壓方式、直徑及雷諾數(shù)Re等因素有關(guān)，所以必須借助于風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)對流量系數(shù)進(jìn)行標(biāo)定。我公司大量多次實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上逐漸建立了計(jì)算流量系數(shù)K值的數(shù)學(xué)模型。

　　將流量測量裝置管道安裝在風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)段的支架上，且雙文丘里管的軸線與管道軸線重合。

　?。?） 實(shí)驗(yàn)方法

　　PE為管道E截面處的管壁靜壓；

　　PC和PC分別為管道C截面處的總壓和靜壓，它是由風(fēng)速管移測得到各點(diǎn)的總靜壓。

　　PA*和PA分別為雙文丘里管直線段A截面處的總壓和靜壓，它是由總壓管移測獲得各點(diǎn)的總壓和管壁靜壓孔測得該截面的靜壓。

　　PB為雙文丘里管B截面的管壁靜壓；

　　PD*為管道出口端面軸線上的總壓，由總壓管測得，各壓力測量位置見圖1（2） 數(shù)據(jù)處理

　　管道C截面的風(fēng)速Vc，m/s為

　　（1）

　　雙文丘里管A截面的風(fēng)速VA，m/s為

　?。?）

　?。?）

　?。?）

　　式中 ――空氣運(yùn)動粘度系數(shù)，m2/s；

　　通過管道體積流量Q為

　　Q＝VcSc　　　　　　　　?。?）

　　式中 SC――管道橫截面積，m2；

　　通過雙文丘里管A截面的質(zhì)量流量，Kg/h為

　?。?）

　　式中 ρ――空氣密度，kg/m3；

　　通過管道截面C的質(zhì)量流量kg/h為

　　（7）

　　流量裝置C、D截面間的流阻系數(shù)為

　?。?）

　　A、 B和E、B兩處的靜壓差分別為：

　　PAB＝PA－PB          　　　　　　　　　?。?）PEB＝PE－PB 　　　　　　　　　?。?0）

　　測量裝置的結(jié)構(gòu)，組成及主要特點(diǎn)

　　2.1結(jié)構(gòu)

　　如圖2、3所示，內(nèi)藏式雙文丘里管風(fēng)量測量裝置主要由外部誘導(dǎo)整流裝置和核心一次傳感元件組成。外部誘導(dǎo)整流裝置是核心一次傳感元件大差壓形成的必要條件，它決定了系統(tǒng)差壓的量級和差壓值。核心一次傳感元件是取得差壓的直接元件，外部誘導(dǎo)整流裝置是內(nèi)藏式雙文丘里管流量測量裝置的關(guān)鍵。圖2、3所示是矩形管道也可是圓形管道。

　　2.2 RD-LG內(nèi)藏式雙文丘里管測風(fēng)流量裝置組成（1） 組成（見示意圖2、圖3）

　　（2）傳感器雙文丘里管結(jié)構(gòu)（示意圖4）

　　氣流在雙文丘里管內(nèi)的流動狀態(tài)至關(guān)重要，直接影響雙文丘里管的性能。試驗(yàn)表明把喉部設(shè)計(jì)為平面結(jié)構(gòu)有利于內(nèi)部氣流的穩(wěn)定。

　　雙文丘里管的負(fù)壓測點(diǎn)是從內(nèi)文丘里管喉部引出，為提高信號的穩(wěn)定性，在喉部同一截面上采用多點(diǎn)取壓方式，信號引出后由聯(lián)通管道連接送入壓差變送器，采用這種方式對信號的穩(wěn)定性有明顯效果。

　　對雙文丘里管前直管段的研究發(fā)現(xiàn)，其對直管段的要求并不嚴(yán)格，連同直管段在內(nèi)，整套裝置為1.5D即可。一般情況下文丘里管前面至少應(yīng)有0.3D，有一個D最好。

　　為了使流體在通過內(nèi)藏式雙文丘里管測風(fēng)裝置時減少渦流和紊流，在裝置的入口處增設(shè)了三個流線型機(jī)翼支撐架，即可以起到固定支撐作用，又可起到整流作用，實(shí)驗(yàn)表明，采用此種方法是十分重要的。

　　2.3 主要特點(diǎn)

　?。?）流阻小、功耗低，在相同條件下，其流體阻力僅約為標(biāo)準(zhǔn)文丘里管的15％，標(biāo)準(zhǔn)噴嘴的6％，標(biāo)準(zhǔn)孔板的3％，提高了系統(tǒng)的使用效率。

　?。?）系統(tǒng)可靠性高、壓差值大、穩(wěn)定性好，在大的負(fù)荷范圍內(nèi)具有平滑的壓差特性，幾乎不用維護(hù)保養(yǎng)。

　　（3）適用范圍寬，根據(jù)使用條件和用戶需求，其幾何尺寸可進(jìn)行無級變化，可大可小，便于安裝。

　?。?）精度高，一般為1、1.5級，經(jīng)過風(fēng)洞標(biāo)定后可達(dá)到0.5級，測量流體流速為3m/s~130m/s。

　?。?）制造公稱直徑可達(dá)DN6000mm,并具有耐磨損和抗腐蝕功能。

　　（6）對流量變化范圍特別大、量程比特別寬的工況，可采用雙量程或多量程的配置方式，根據(jù)配置不同采用智能流量計(jì)算機(jī)量程比可達(dá)1：10，1：30。

　　儀器儀表是工業(yè)化進(jìn)程的基石，只有選用工業(yè)現(xiàn)場選用合適的儀表，才能夠事半功倍，自動化流程才能夠更加動化自。