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 技术论文

 威力巴流量计及其应用

张德钦 秦肖臻
(华中科技大学控制科学与工程系,武汉市430074)

  摘 要 介绍一种新颖的差压式流量计,阐述了该流量计的工作原理、基本结构、性能特点和应用情况,并和节流装置作一些比较。
  关键词 威力巴流量计 流量测量 氮气测量 经济效益


一、 引言


  气体能源是钢铁企业广泛使用的能源,就目前我国现有的气体流量计量仪表看,主要有孔板流量计、旋涡流量计和质量流量计等。从应用角度看,这些流量计均存在着不同的问题。孔板流量计有国家标准,用标准节流件、变送器和智能显示仪表组成,工作可靠、耐用,但是安装、调试、维护及使用不方便;旋涡流量计比较先进,但安装也有一定的困难,而且防震性能较差,抗干扰能力差;质量流量计造价较高。
  最近,国外推出了一种新型的均速流量计,称为威力巴(Werabar)流量计,但其性能与传统均速管流量计又有较大的改进。现就试使用威力巴流量计测量氮气流量的情况并与节流装置做一些比较。


二、威力巴流量计工作原理


  威力巴流量计是一种差压式、速率平均式传感器,把传感器插入管内的流体,通过传感器在流动的流体中所产生的差压进行流量测量如图1。


图1

  威力巴流量计产生差压的原理如图2。和其他形状的均速管相比,威力巴探头部分有比较明显的差别,威力巴探头采用了根据空气动力学原理设计的子弹头外形,之所以这样改进,因为其他形状的探头会存在一定的缺陷,如圆形探头有多个流体分离点,造成流量系数不稳定,菱形探头虽然流体分离点固定,但由于尖锐的边缘会产生很大的旋涡,是探头震动并产生脉动的噪声信号到取压点,是变送器信号失真。而威力巴探头这种子弹头形防渗漏单体探头,其流体分离点固定,并且克服了菱形探头的缺点,这样就有利于稳定流量系数,同时,威力巴探头采用了前部表面粗糙处理和防淤槽(在粗糙化表面和光滑表面的交界处加一条浅槽)。这样,无论对于高速还是低速流体,都会产生湍流边界层。使其达到降低牵引力和涡街脱落力的目的,并在很宽的流量范围内保证了精确的流量系数。这就相当有了一个湍流发生器。使产生的差压信号更加稳定,其流量检测误差达±1.0%,重复性达±0.1%,量程比为10:1。


图2

  从图2中可以看出,流量计的低取压孔位于探头侧后两边,此区域是流体与探头分离点之前、远离涡流波动区域。这样的构造既保证了测量准确度,也使其在防堵方面得到非常大的改进。因为在探头的前部,高静压区绕着探头,使高压孔不会堵塞。而低压孔取在探头侧后两边,由于湍流发生器的作用,流体从表面斜掠而过,保护了低压孔不会被惊动,从而达到防堵的作用。如果把低压孔取在低压波动区域,就会增加了堵塞的可能性,影响测量准确度。
  威力巴传感器取得的差压与流量的关系如下:
                  
  式中,qυ为体积流量,单位:m3;N为线性常数,与管道内径有关;k为流量系数;Yv为膨胀系数;D为管道内径,单位:mm;Δp为传感器测得的差压,单位:kPa;p1为绝对压力,单位:MPa;t1为工作温度,单位:K;z为流体压缩系数。


三、安装及运行


1. 安装

  威力巴流量计安装方便,与孔板流量计相比省时省钱。以安装DN250管道的流量计为例,威力巴流量计只需焊接一个接头,焊接量仅为孔板的1/15。

2. 运行

  威力巴流量计的传感器对流体基本上没有压缩,压力损失非常小,如果使用孔板,节流装置对流体有极大的压缩,使能量损失很大。经过论证,威力巴流量计的运行能耗仅为孔板的5%左右。


四、应用情况

  威力巴流量计测量氮气流量的资料与使用孔板时得出的有关数据做一一比较,从中可看出使用威力巴流量计的优越性。

表1   流体条件

介质
最大流量
常用流量
最小流量
工作压力
管道内径
工作温度
氮气
12000m3/h
8000m3/h
1500m3/h
1.4MPa
150mm
30oC

表2 计算结果(孔板计算按GB/T 2624-93)

流量计
最大差压(Pa)
常用差压(Pa)
压力损失(Pa)
威力巴
289
200
9
孔板
20000
8889
8195
(注:此时的孔板开孔比β=0.6873)

  按孔板使用条件,其量程比最大为1:4,因此准确测量的最小量程达不到1500m3 /h,这方面威力巴远远优于孔板。下面就其因压力损失造成的能源损耗作一些比较。

3. 经济效益

  为了补偿压损,必须增加动力设备,由威力巴探头所造成的损失功率
                    

  为了方便计算,将各项的单位换算为常用的单位如下:
  (设Ps的单位为瓦特,1W=1kg·m2/s3
      
  设泵的有效功率为80%,则损失的总功率为:
      
  在工况条件下:
      
  因此,上式变为:
      
  式中:QM为流体质量流量,单位kg/h;δp为威力巴的压损,单位kPa;ρ为流体密度,单位kg/m3;Qυ为流体的体积流量,单位N m3/h
  下面是威力巴流量计和孔板运行一年节约的费用对比(设流量计使用在常用流量下,而且补回压损需要的泵的效率为80%)。

  (1) 威力巴

  压力损失δp=9×10-3kPa
  损失的功率
      
  年运行费用(设电价为0.4元/度)
  f1=24×365×Ps×0.4
   =24×365×19.43×10-3×0.4=68(元)

  (2) 孔板

  压力损失δp=8195×10-3kPa
  损失的功率
      
  年运行费用(设电价为0.4元/度)
  f2=24×365×Ps×0.4
   =24×365×17.69×0.4
   =61985.76(元)
  威力巴流量计每年节省的费用
  F=f2-f1=61985.76-68=61917.76(元)
  另外,所计量的氮气是用于转炉溅渣护炉,压力损失将降低溅渣护炉的效果,这方面的损失是很可观的。

五、结束语


  本文阐述了威力巴流量计的工作远离以及其在生产中的应用情况和应用效果,但任何事物都有其缺点,威力巴流量计也不例外,由于它对流体的压缩很小,因此,它取得的差压较小,对流速很低的流体的测量效果不是很理想。

 

 
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