知識||差壓流量計的選用考慮要點

一、前言 

     差壓式流量計(以下簡稱DPF或流量計)是根據(jù)安裝于管道中流量檢測件產(chǎn)生的差壓、已知的流體條件和檢測件與管道的幾何尺寸來測量流量的儀表。DPF由一次裝置(檢測件)和二次裝置(差壓轉(zhuǎn)換和流量顯示儀表)組成。通常以檢測件的型式對DPF分類，如孔扳流量計、文丘里管流量計及均速管流量計等。二次裝置為各種機械、電子、機電一體式差壓計，差壓變送器和流量顯示及計算儀表，它已發(fā)展為三化(系列化、通用化及標準化)程度很高的種類規(guī)格龐雜的一大類儀表。差壓計既可用于測量流量參數(shù)，也可測量其他參數(shù)(如壓力、物位、密度等)。

二、選用要點

     DPF應用領域極其廣泛，封閉管道各種測量對象都有應用：流體方面，單相、混相、潔凈、臟污；工作狀態(tài)方面，常壓、高壓、真空、常溫、高溫、低溫；管徑方面，從幾毫米到幾米；流動條件方面：亞音速流、臨界流、脈動流。并且在上述各方面都有大量的理論和實踐的資料可供參考。
　　20世紀50年代以前在過程控制工程中幾乎是惟一的流量計，后來各種類型流量計相繼登場，打破了其一統(tǒng)天下的局面，幾十年來它占的份額一直在下降，當然絕對用量仍在增加。應該看到，DPF三個組成部分一直在更新發(fā)展著，尤其80年代以后借助微電子技術、計算機技術、新材料及*加工技術的發(fā)展，差壓轉(zhuǎn)換和流量顯示計算部分有突破性進展。DPF無論可靠性，精確度及功能多樣化已今非昔比。近年一些創(chuàng)新思路，如一體式、定值節(jié)流件等的開發(fā)更使它有中興的感覺。
　　DPF的關鍵部分--檢測件是最難更新?lián)Q代的部分，現(xiàn)在亦有了新的發(fā)展思路，即把流量測量工作者、流體力學與計算機技術工作者三方面人員的特長結合起來可以有效地攻下這個堡壘?？梢灶A計，DPF在流量計中仍會占據(jù)重要的位置。
　　選用考慮因素的五個方面為儀表性能、流體特性、安裝條件、環(huán)境條件和經(jīng)濟因素，現(xiàn)分述如下。

儀表性能方面

(1) 精確度、重復性、線性度、流量范圍和范圍度

　　表4.3所示為流量測量節(jié)流裝置的主要技術參數(shù)，標準節(jié)流裝置規(guī)定有嚴格的使用范圍，包括管徑、節(jié)流件孔徑、直徑比、雷諾數(shù)范圍、管壁粗糙度等。在這些使用范圍內(nèi)可以應用標準文件（GB/T 2624）中提供的流出系數(shù)和可膨脹性系數(shù)，如表4.4所示。應該指出，非標準節(jié)流裝置的使用范圍及其計算式僅作參考，一般來說，它要可靠地應用還是實流校準為好。如果節(jié)流裝置進行個別實流校準，則其使用范圍不受表列參數(shù)限制，例如開封儀表廠曾實流校準管徑達DN1600的文丘里管流量計用于水流量計量，又如標準規(guī)定管徑應不小于DN50，現(xiàn)在使用的小管徑節(jié)流裝置則遠低于此值，但是它們必須逐臺進行個別校準才能投用。由表4.4可見，標準噴嘴的流出系數(shù)的不確定度遠大于標準孔板，這是由于廓形節(jié)流件的精確復制比較困難，如果標準噴嘴進行實流校準，則亦可得高精確度。DPF的精確度在很大程度上決定于現(xiàn)場的使用條件，如果節(jié)流裝置的制造質(zhì)量符合要求，則影響因素主要為兩方面：流體的物性參數(shù)的確定和流體流動特性是否符合標準要求。這兩方面我們在流體特性和安裝條件中再談。

　　整套流量計的精確度還決定于差壓變送器和流量顯示儀的精確度。目前有一種傾向盡量采用高精度的差壓變送器，在流量測量不確定度計算式可以看到，當其他參數(shù)的精確度不高時采用高精度差壓變送器并不能起多大作用。流量顯示儀的作用主要在監(jiān)視運行參數(shù)的穩(wěn)定性等方面，它的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換精度一般是無問題的。因此，要提高測量的精確度應有一個全面估計，這樣才能作出技術經(jīng)濟性最佳方案的選擇。
　　我們再次強調(diào)，DPF是一種從設計、制造到安裝使用要求很嚴格的儀表，任何一個環(huán)節(jié)的失誤都會產(chǎn)生很大的誤差，反過來說，如果你嚴格遵循標準規(guī)定，它的精確測量是可保證的。DPF的重復性與其他流量計（電磁式，容積式，渦輪，渦街等）相比要低，其原因為輸出信號為模擬值易受干擾，尤其差壓引壓管線這一環(huán)節(jié)易使信號產(chǎn)生干擾波動，正是由于重復性不高，影響到其精確度的提高。
　　DPF的輸出信號與流量為平方關系，是非線性儀表，這是造成范圍度窄的原因，實際上節(jié)流裝置在廣闊的雷諾數(shù)范圍內(nèi)其流出系數(shù)是穩(wěn)定的，因此目前采用兩種(或多種)量程的差壓變送器可以拓寬其范圍度(大于10:1以上)。近年已投用的彈性加載變面積變壓頭節(jié)流裝置則應用其他工作原理增加其范圍度(可達100:1)。
　?、茐毫p失
　　DPF壓力損失大是它的一個弱點，但是若仔細分析一下這里還有一些選用時可以選擇的余地。在DPF各類節(jié)流裝置中孔板和噴嘴是壓損較大的節(jié)流件，不過這里亦有差別。在同樣的流量及β值時噴嘴的壓損只為孔板壓損的30%-50%，也就是說噴嘴是較低壓損的。各種流量管（文丘里管、道爾管、羅洛斯管、通用文丘里管等）則是低壓損的節(jié)流裝置，它們壓損僅為孔板的20%，甚至低達5%-10%。這些節(jié)流裝置的開發(fā)應用是今后一個努力方向。當然，另一類動壓頭式DPF（均速管流量計）則以低壓損著稱。
流體特性方面
　　流體特性分兩方面考慮。
　?、帕黧w物性參數(shù)的確定
流體物性參數(shù)包括密度、粘度、等熵指數(shù)、濕度等，這些參數(shù)有的直接進入流量方程，有的對流出系數(shù)、可膨脹性系數(shù)等產(chǎn)生影響。在這些參數(shù)中密度是最重要的。對密度的精確度與對差壓的精確度有同等數(shù)量級的要求，但是密度的精確確定卻遇到了困難，它是影響DPF精確度提高的一個重要原因。密度精確度不高的原因是，一般借助密度與組分、壓力和溫度的函數(shù)關系確定它，但是這個關系式的精確度數(shù)量往往并不明確，尤其對于混合物普遍缺乏精確的函數(shù)式。在這種情況下采用密度計測量是較好的，但是遺憾的是目前密度計品種規(guī)格不能滿足實際需要，并且價格貴，可靠性不高亦阻礙其廣泛使用。
　　粘度的精確度要求可以低些，它是用來計算雷諾數(shù)的，而雷諾數(shù)對流出系數(shù)的影響并不敏感；粘度的另一作用是確定被測介質(zhì)是否為牛頓流體，目前流量測量標準都限定被測介質(zhì)應為牛頓流體。而由于石油化工等工業(yè)的發(fā)展，愈來愈多非牛頓流體需要測量，因此粘度這個參數(shù)今后會引起更大的重視的。
　　流體物性參數(shù)的確定除混合流體外，在高參數(shù)(高壓、高溫、低溫等)領域遇到了困難。許多物性參數(shù)缺乏高參數(shù)下的數(shù)據(jù)。
　　(2)流體的腐蝕、磨蝕、結垢、臟污等
　　這些特性對流量計使用的可靠性造成很大的威脅。DPF是以幾何尺寸來確定流量與信號的關系的，在長期使用中保持幾何尺寸恒定成為保證測量精確度不變的關鍵因素。在使用中幾何尺寸變化不易覺察，也就是說流量特性已變而不知道，這是很危險的。如何對付這個困難問題仍在探索中，例如采用可換孔板節(jié)流裝置就是為了便于檢查而采取的措施，另外采用并聯(lián)測量管路可以定期檢查清洗等等。流體的上述特性甚至用戶都不一定掌握的，需要了解流體這些特性以便采取預防措施，在不明確的情況下有時需要進行一些試驗。

安裝條件方面 

   要應用標準文件(GB/T 2624或ISO 5167)中的流出系數(shù)和可膨脹性系數(shù)，必須令投用的節(jié)流裝置與標準節(jié)流裝置達到幾何相似和動力學相似，現(xiàn)場的安裝條件是達到這兩個相似的重要因素，因此對節(jié)流裝置的安裝應給予足夠的重視。

　　在安裝條件中節(jié)流件前后的必要直管段長度往往令選用者為難，在推理式流量計中節(jié)流式DPF需要的直管段是比較長的。另外現(xiàn)場阻流件類型遠多于標準文件包括的，尤其是所謂組合式阻流件(兩種阻流件之間間隔很短)更是難以解決，按照GB/T 2624-93(或ISO 5167-1)遇到此類情況可以采用加裝流動調(diào)整器解決，但是加裝流動調(diào)整器所需的直管段亦是很長的(約42D)。在此情況下有以下方案可供選擇：采用直管段長度要求較短的節(jié)流裝置，例如經(jīng)典文丘里管或其他流量管；用實流校驗方法確定現(xiàn)場條件下的流出系數(shù)，實流校驗可以是在線的或離線的。
　　前面我們已談過引壓管線是節(jié)流式DPF的薄弱環(huán)節(jié)，近年來一體式節(jié)流式DPF的出現(xiàn)較好地解決了此問題，例如我國北方冬天蒸汽流量測量往往為引壓管線的保溫防凍傷腦筋，一體式DPF解決了它。大多數(shù)流量計都有一體式和分離式兩種類型，它們的使用各有特點，要根據(jù)現(xiàn)場實際情況予以選用，節(jié)流式DPF亦不例外。一體式DPF的差壓變送器必須適應現(xiàn)場的嚴酷環(huán)境條件，在有些情況，如管道較強振動或強電磁干擾等還是采用分離式為好。

環(huán)境條件方面
　　DPF的差壓變送器和流量顯示儀兩部分有微處理器和電子元器件，它們對環(huán)境條件的要求與一般電子儀表是一樣的，在本書的其他章節(jié)中已有討論，這里就不再重述了。
經(jīng)濟因素方面
　　經(jīng)濟因素包括購置費、安裝費、運行費、校驗費、維護費和備品備件。
　　(1)購置費
　　DPF的檢測件購置費相對來說較便宜，但考慮其余兩部分：差壓變送器和流量顯示儀整套儀表就不一定便宜了。另外，它還可能需購置一些輔助設備，如冷凝器、集氣器、沉降器和隔離器等亦應估計到。
　　(2)安裝費
　　分離型DPF的安裝比較麻煩，主要是差壓信號管路及其輔助設備的安裝，對于腐蝕臟污介質(zhì)之類采用隔離系統(tǒng)，其費用還要高些。
　　(3)運行費
　　對于大口徑管道測量，能耗產(chǎn)生的運行費可能是筆大數(shù)目，當然如選用低壓損節(jié)流裝置(經(jīng)典文丘里管等)亦是降低費用的辦法，但是節(jié)流裝置的購置費又高了，應該仔細核算一下。
　　(4)校驗費
　　DPF的一個優(yōu)點是可節(jié)省檢測件的校驗費，不但制造者，使用者亦可免去實流校驗的麻煩，這點意義深遠。當然DPF其余兩部分校驗費亦應考慮，它們相對比較方便便宜。
　　(5)維護費
　　DPF檢測件維護費較少，其余兩部分有一定的維護費。
　　(6)備品備件
　　DPF差壓和顯示儀表通用性強，對于大中型企業(yè)使用的流量儀表數(shù)量較多時可集中選用某些型號規(guī)格，以節(jié)省備品備件數(shù)量。近年推廣定值節(jié)流件使節(jié)流裝置擺脫對號入座的局面，檢測件的購置就很方便了，可減少備品備件數(shù)量。
　　以上各項費用的綜合計算可以比較準確地確定其經(jīng)濟性。
標準節(jié)流裝置的選擇原則
　　節(jié)流式DPF的檢測件當然是標準節(jié)流裝置，為了選擇最合適的標準節(jié)流裝置，選型時應從以下幾方面考慮：
　　1)管徑、直徑比和雷諾數(shù)范圍的限制條件；
　　2)測量精確度；
　　3)允許的壓力損失；
　　4)要求的最短直管段長度；
　　5)對被測介質(zhì)侵蝕、磨損和臟污的敏感性；
　　6)結構的復雜程度和價格；
　　7)安裝的方便性；
　　8)使用的長期穩(wěn)定性。
　　根據(jù)上述幾方面，標準節(jié)流裝置的選型原則可歸納為以下幾點。
　　標準節(jié)流裝置各種類型節(jié)流件應用的管徑、直徑比和雷諾數(shù)范圍皆有一定的限制，在國家標準GB/T 2624-93(或國際標準ISO 5167-1)中有詳細規(guī)定，例如孔板可應用于比噴嘴和文丘里噴嘴更大的管徑范圍，經(jīng)典文丘里管各種類型之間的管徑范圍差別較大等等。
　　標準節(jié)流裝置各種類型節(jié)流件的精確度在同樣差壓、密度測量精確度下，決定于流出系數(shù)與可膨脹性系數(shù)的不確定度。各種節(jié)流件的流出系數(shù)的不確定度差別較大，相比之下，孔板的流出系數(shù)的不確定度最小，廓形節(jié)流件(噴嘴、文丘里管)較大。廓形節(jié)流件較大的原因，是標準中給出的流出系數(shù)公式所依據(jù)的擬合的數(shù)據(jù)庫質(zhì)量較差。但是對廓形節(jié)流件進行個別校準，也可得到高的精確度。
　　在同樣差壓下，經(jīng)典文丘里管和文丘里噴嘴的壓力損失約為孔板與噴嘴的1/4-1/6。而在同樣的流量和相同的β值時噴嘴的壓力損失只有孔板的30％-50％。
　　在相同阻流件類型和直徑比情況下，經(jīng)典文丘里管的必要直管段長度比孔板與噴嘴的要小得多。
　　測量易使節(jié)流件沾污、磨損及變形的被測介質(zhì)時，廓形節(jié)流件較孔板要*得多。
　　在加工制造及安裝等方面，孔板最為簡單，噴嘴次之，文丘里噴嘴和經(jīng)典文丘里管最復雜，其造價亦依次遞增。管徑愈大，這種差別愈顯著。
　　孔板易取出檢查節(jié)流件質(zhì)量(采用可換孔板節(jié)流裝置)，噴嘴和文丘里管則需截斷流體，拆下管道才可檢查，比較麻煩。
　　中小口徑(DN50-DN100)節(jié)流裝置，取壓口尺寸和取壓位置的影響顯著，這時采用環(huán)室取壓有一定優(yōu)勢。