插入式雙V型多點流量測量裝置的設(shè)計

蔡春林 張鳳霞 王 婷

（寧夏職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機械與電氣技術(shù)系，寧夏 銀川 750021）

1 引言

在工業(yè)生產(chǎn)過程中，對流體流量進行正確測量和調(diào)節(jié)是保證生產(chǎn)過程安全經(jīng)濟運行、提高產(chǎn)品質(zhì)量、降低物質(zhì)消耗、提高經(jīng)濟效益、實現(xiàn)科學(xué)管理的基礎(chǔ)。在整個過程的檢測儀表中，流量儀表的產(chǎn)值約占1/5～1/4[1]。

目前，在工業(yè)管道測量中，對管道中的冷熱空氣，特別是對含塵量大的空氣進行計量與測試的需求非常大。比如，在火力發(fā)電廠，鍋爐燃燒是否穩(wěn)定直接關(guān)系到其運行的安全性和經(jīng)濟性。燃燒不穩(wěn)定，不僅影響鍋爐的效率，而且可能造成滅火。保證燃燒的經(jīng)濟性，必須保持合理的風(fēng)煤比，合理的一、二次風(fēng)配比及送、吸風(fēng)量的協(xié)調(diào)。在實際工況下對大型和中型管道中的風(fēng)量進行在線測量需要解決如下問題：①測量參數(shù)值必需真實客觀地反映管道中流體的狀況，測量精度要高；②壓力損失小，輸出差壓盡可能大；③防堵性能好，經(jīng)濟性好，使用維護方便等。

2 現(xiàn)有的插入式流量測量裝置存在的主要問題

目前工業(yè)上常用的流量測量方法可分為容積式、速度式及質(zhì)量式三類，應(yīng)用最廣的是速度式測量方法中的差壓測量法。差壓測量法是利用伯努利方程原理，通過測量安裝在管道中的節(jié)流件輸出的流體差壓信號來反映流量[2]。隨著現(xiàn)代化進程的日益加快，工業(yè)上所用的管道口徑在逐漸增大，而大口徑管道表面流量測量的特點是：①要求壓損越小越好；②流速普遍較低，流體中的淤泥、污垢等極易在管道內(nèi)壁沉積；③測量范圍要求大；④防護等級要求高。適合于大口徑管道流量測量的儀表主要有電磁流量計、超聲流量計和插入式流量計。插入式流量計以結(jié)構(gòu)簡單、安裝維護簡便、壓損小、價格低廉等優(yōu)點受到人們的關(guān)注，基于這樣的工業(yè)背景，插入式流量計的研究有著現(xiàn)實的意義。

插入式流量計是基于安裝方式而分類的，它將測量裝置插入管道內(nèi)部，通過測量管道中一點或幾點的流速（或壓差）來反映整個管道的流量，適用于大口徑管道的測量。目前插入式流量計中發(fā)展起來的主要有渦街、渦輪、電磁、皮托管等流量計。

現(xiàn)有插入式流量測量裝置主要采用單點式測量方式和多點式測量方式。單點式存在檢測傳輸孔較小、容易堵塞、量程比小、壓差小等缺點。多點插入式測量裝置在火力發(fā)電廠的特殊工況條件下（大管徑、低流速、含粉塵量高）使用存在較多問題，在實際運行中主要存在堵灰問題，需要定時進行吹掃，存在吹掃維護工作量較大、難以準(zhǔn)確測量風(fēng)量、無法真實客觀地反映擋板變化時對應(yīng)風(fēng)量的真實變化趨勢等缺陷[3]。

針對普通差壓式流量計壓力損失大、量程比小這一問題，希望能設(shè)計出一種新型的流量計，結(jié)合插入式的安裝方式與差壓式測量原理，通過獨特的斷面結(jié)構(gòu)設(shè)計，使該測量裝置具有壓力損失低、量程范圍寬、測量精度高、經(jīng)濟實用的優(yōu)點，并具有本質(zhì)防堵耐磨功能。

3 新型流量測量裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計

3.1 設(shè)計方案

插入式雙V型多點流量測量裝置的關(guān)鍵技術(shù)點：實現(xiàn)多點截面式均速測量，能夠全面反映整個管道流體的真實狀況，精度高；增大輸出壓差，增大量程比，減小壓損，并具有防堵耐磨功能。

首先要解決均速測量。在設(shè)計中包括主測量管及安裝在主測量管內(nèi)與之平行設(shè)置的正取壓管和負(fù)取壓管，并根據(jù)管道尺寸大小，按一定規(guī)律在主測量管上設(shè)置多個測量點，采用全壓管和錐管取壓的多點結(jié)合進行測量，形成多點面測量方式，從而能夠全面地反映整個管道流體的真實狀況，極大地提高測量精度。其次，進行獨特的雙V型結(jié)構(gòu)設(shè)計。設(shè)計中集合錐形流量計和威力巴流量計的各自優(yōu)勢，在主測量管上安裝若干個錐形尾端，提高輸出壓差，增大量程比，減小壓損。根據(jù)流體運動學(xué)和動力學(xué)理論的分析，檢測孔布置應(yīng)避開雜質(zhì)和粉塵聚集區(qū)，以實現(xiàn)本質(zhì)防堵。

在整個項目研發(fā)過程中，經(jīng)過嚴(yán)密的理論分析和計算，并結(jié)合流量標(biāo)定試驗分析，分步擊破難點，成功研制出流量測量裝置，以滿足市場需求。

3.2 結(jié)構(gòu)特點及功能分析

經(jīng)過理論分析計算，所設(shè)計的雙V型多點測量裝置結(jié)構(gòu)原理如圖1所示。該測量裝置主要由正壓腔、負(fù)壓腔及取壓元件組成，其結(jié)構(gòu)特點及功能如下：

圖1 插入式雙V型多點測量裝置結(jié)構(gòu)原理

3.2.1 多點測量，輸出平均正壓和平均負(fù)壓。正壓腔位于取壓元件最前端，在正壓腔前端設(shè)置多個防堵型正壓取壓孔，通過大容積的正壓腔傳輸來自多個正壓取壓孔取出的正壓，然后輸出一個平均正壓。負(fù)壓腔位于正壓腔后部，與正壓腔隔離，在負(fù)壓腔兩側(cè)對稱布置多組負(fù)壓取壓元件，由多組方形文丘里管或錐形管組成，這些測點按規(guī)則分布。每個負(fù)壓取壓元件都由收縮加速段、穩(wěn)流取壓段、抽吸放大段組成，它們?nèi)颗c負(fù)壓腔相通，由負(fù)壓腔將壓力平均后輸出負(fù)壓。正負(fù)壓腔所傳輸?shù)膲毫νㄟ^儀表閥門輸入差壓變送器。

3.2.2 方形文丘里管或錐形管結(jié)構(gòu)降低壓損，提高壓差。在流量儀表中，節(jié)流式差壓流量計（如孔板和噴嘴）壓力損失大，是一個很大的缺點，壓損大的原因是節(jié)流件后產(chǎn)生較大的渦流區(qū)。在本設(shè)計中采用插入式流量計可大大降低壓損，同時采用方形文丘里管或錐形管結(jié)構(gòu)，其流道可使液體流動順暢、無阻礙，進一步降低壓損。另外在工況運行時，流體經(jīng)過收縮加速段時被收縮提速，到達(dá)穩(wěn)定取壓段時再進行整流取壓，被取壓力進入負(fù)壓腔，在后續(xù)的抽吸段作用下流速增大，負(fù)壓值減小，進而提高壓差值。

3.2.3 多點截面式測量提高測量的準(zhǔn)確度。在進行大管道流體測量時，可以同時安裝多個插入式雙V型多點測量裝置，形成多點截面式取壓方式，能夠反映出整個管道流量的真實狀況，能精確地檢測到平均壓差，并能產(chǎn)生一個非常穩(wěn)定的差壓信號。

3.2.4 穩(wěn)定的低流速測量性能。測量裝置的正負(fù)壓腔貫穿整個流體管道，正壓腔前端面（即迎流面）由兩段圓弧組成流線型結(jié)構(gòu)，迎流面面積小，減小了測量大管道時流體流場分布和流動狀態(tài)的影響，并且表面經(jīng)過磨砂硬化處理，具有很好的低流速測量效果，滿足測量精度要求。

3.2.5 獨特的雙V型結(jié)構(gòu)實現(xiàn)本質(zhì)防堵。流體在正壓腔的前端圓弧面形成高壓區(qū)，壓力略高于管道靜壓，阻止了顆粒進入正壓腔。在開機時，流體在管道靜壓作用下，進入正壓腔，很快形成了壓力平衡的狀態(tài)。此時，流體在正壓腔的進口處遇到高壓，繞道而行，不再進入正壓腔中，故正壓取壓孔不會被堵塞。在負(fù)壓腔的兩側(cè)對稱分布著多組檢測取壓元件，一般情況下，管道中粉塵、沙子和顆粒在渦街力的作用下，集中在檢測元件的后部，在此處取壓則容易堵塞，而雙V型結(jié)構(gòu)的獨特設(shè)計，使低壓取壓孔位于取壓元件中間、流體分離點和尾跡區(qū)的前部，從而避開雜質(zhì)與粉塵聚集區(qū)，實現(xiàn)本質(zhì)防堵。

3.3 測量原理

新型流量測量裝置基于差壓式測量原理，其流量計算公式為[4]：

式中，Qm為質(zhì)量流量（kg/s）；K為流量常數(shù)；ε為被測介質(zhì)的可膨脹系數(shù)（對于不可壓縮流體，ε=1）；β 為直徑比，β=d/D，D為工作條件下上游管道內(nèi)徑；C為管道流出系數(shù)，是一個統(tǒng)計量；d為工作條件下節(jié)流件的節(jié)流孔直徑，m；ΔP為流量計輸出差壓，Pa；ρ 為流體密度，kg/m3。

4 結(jié)論

本文基于差壓式流量測量原理和插入式安裝方式，創(chuàng)新地研究開發(fā)了新型插入式雙V型多點流量測量裝置。該測量裝置在保留現(xiàn)有插入式流量測量裝置優(yōu)點的基礎(chǔ)上，將單點測量變?yōu)槎帱c截面式測量，能夠全面準(zhǔn)確地反映整個管道流體的真實狀況；通過獨特的雙V型截面結(jié)構(gòu)設(shè)計，迎流面采用流線型，使裝置的輸出壓差增大，量程比增大，壓損減小，并具有本質(zhì)防堵耐磨功能，很好地滿足了測量精度要求。

新型插入式流量測量裝置具有結(jié)構(gòu)簡單，安裝、調(diào)試方便等特點，特別適用于大管道流量測量，具有廣闊的工程應(yīng)用前景。

[1]紀(jì)綱.流量測量儀表應(yīng)用技巧[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2009：1-30.

[2]王池，王自如，張寶珠，等.流量測量技術(shù)全書（上冊）[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2012.

[3]吳國熙，電廠鍋爐常用風(fēng)量測量裝置的比較與應(yīng)用[J].山東電力技術(shù)，2011（1）：73-76.

[4]李杰，張武軍，王航.淺談差壓式流量計的流量計算[J].自動化儀表，2013（7）：89-91.