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平衡流量计的性能分析
更新时间:2019-6-24 8:13:14 浏览:1438 关闭窗口 打印此页
 [导读] 针对传统节流装置存在着永久压力损失过大、噪声易引起取压点信号波动和直管段要求过长等现状,详细分析和阐述了平衡流量计(平衡差压节流装置)的性能优势,并通过实例证明了平衡流量计的永久压力损失、流动噪声、最小直管段要求、测量精度等性能优越于传统节流装置。平衡流量计能极大限度地将流场平衡调整成理想状态,从而将差压式流量计的优势发挥到极至。
 
    1 引言
 
    差压式流量计[1]应用非常广泛,标准节流装置是流量计选用优先考虑的仪表。目前,节流式差压流量计可选用的节流元件通常为孔板、喷嘴、文丘里管、均速管、机翼等。其中,孔板和喷嘴的节流原理是边缘节流;文丘里管的节流原理是缩管节流;均速管的节流原理是双腔节流;机翼的节流原理是机翼式节流。每一种节流元件都有其优势和弊端,设计人员要根据需要选择一种更加适合工况的节流元件。随着技术的进步,节流元件的不断改进,一种平衡差压节流装置已经通过试验并逐步应用到石化装置中。采用这种节流元件的流量计被称为平衡流量计,该技术是由美国国家航空航天局马歇尔航空飞行中心设计发明,2004年获得产品发明系列专利,并于2006年获得总统颁发的发明大奖。
 
    2 平衡流量计的性能优势
 
    平衡流量计是一种革命性的差压式流量仪表[2],其传感器是一个多孔的圆盘节流整流器,安装在管道的截面上,每个孔的尺寸和分布基于独特的公式和测试数据定制,称为函数孔。当流体穿过圆盘的函数孔时,流体将被平衡调整,涡流被最小化,形成近似理想流体,通过取压装置,可获得稳定的差压信号,根据伯努利方程计算出体积流量、质量流量。下面将详细阐述平衡流量计的性能特点。
 
    2.1 平衡流场和减少涡流
 
    现今大量使用的标准节流装置,由于只有一个流通孔,孔两边的死区产生大量的涡流,消耗流体的动能,会导致很大的永久压力损失;随机和杂乱涡流所形成的噪声引起取压点信号波动,使测量线性度和重复性降低;一个孔的结构,需要很长的直管段来整理流场和恢复压力。
 
    平衡流量计通过多孔圆盘节流整流器,能巧妙实现流体平衡测量,明显减少涡流的形成、降低死区效应、减少流体动能的损失,降低涡流带来的取压点信号波动,如图1所示。
 
 
 
    2.2 减少永久压力损失
 
    平衡流量计多孔对称的平衡设计,减少了涡流的形成和紊流摩擦,降低了动能损失,在同样的测量工况不降低差压值的情况下,可比传统节流装置减少2.5倍的永久压力损失,从而降低了较大的运行能量成本,是一种节能型仪表。
 
    2.3 直管段要求低、方便测量双向流
 
    平衡流量计能将流场平衡调整稳定,且压力恢复比传统节流装置快两倍,大大缩短了对直管段的要求。大多数情况下直管段可以小至0.5D,采用平衡流量计可以省去大量直管段,尤其是特殊昂贵材料的管道。另外,平衡流量计左右完全对称,因此可以十分方便地测量双向流。
 
    2.4 其他性能优势
 
    a)测量精度高、范围宽。由于平衡流量计具有对称多孔结构特点,能对流场进行平衡,降低了涡流、振动和信号噪声,流场稳定性大大提高,表体采用特制精密管道和专用取压装置,使线性度比传统节流装置提升了5~10倍。经过实流标定,精度可达±0.3%~±0.5%,适用于贸易计量场合;几何尺寸检验,精度可达±0.5%~±1.0%,适用于过程控制场合。
 
    根据实验结果,通过平衡流量计的流速可达到音速;其最小雷诺数可低于200,最大雷诺数大于107;β值可选0.25~0.90。
 
    b)量程比宽、重复性和长期稳定性好。与传统节流装置相比,平衡流量计极大地提高了测量量程比。美国研究结果显示:雷诺数大于5×104时,选择合适的孔径参数,平衡差压节流装置量程比无上限。根据工业测量实际应用需要,常规测量量程比为10∶1,选择合适的参数,可以做到30∶1,50∶1或更高。
 
    平衡流量计能将流场平衡稳定,使重复性大大提高,可达0.1%。平衡差压节流装置多个流通孔分散受力,无锐角磨损,其β值可长期保持不变,长期稳定性非常好;整个仪表无可动部件,使用寿命比传统节流装置延长5~10倍。
 
    c)耐脏污不易堵、适用范围广。平衡流量计的多孔对称的平衡设计,减少紊流剪切力和涡流的形成,从而大大降低了滞留死区的形成,保证脏污介质顺利通过多个孔,减少了流体孔被堵塞的机会。
 
    平衡流量计工作温度、压力取决于管道和法兰的材质和等级,分别可达850℃,42MPa。适合气液两相、浆料,甚至固体颗粒测量。
 
    3 平衡流量计与其他差压节流装置的对比
 
    结合以上介绍的性能特点,可以对平衡流量计和其他差压节流装置进行一下比较,具体可见表1所列。
 
 
 
    4 平衡流量计的应用及结论
 
    2007年8月在广石化5Mt/a常减压装置改造中,采用了美国A+K平衡流量计用于进出装置的气体计量,经过几个月的使用证明,该产品读数稳定,精度高,量程比大,压损小,与其他传统的差压式流量计相比,性能有显著提高。
 
    通过对平衡流量计的性能分析,可以看出平衡流量计是一种新型流量计。这种流量计的测量精度是传统节流装置的5~10倍,流动噪声降低到1/5,永久压力损失约为1/3,压力恢复快2倍,最小直管段可以小至0.5D,没有活动部件,安装和使用非常方便简单,可省去大量直管段,大大减少流体运动的能量消耗,是一种具有广泛应用前景的节能仪表。现在,平衡流量计已经广泛应用到美国天然气、炼油、气体行业、化工厂、钢铁厂、发电厂和制药厂。2006年底,A+K平衡流量计导入中国市场,进行大规模推广。
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