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V型锥流量计的原理及应用

作者:华恒仪表时间:2021-03-23点击 :

  引言
 
  众所周知,孔板、文丘里、流量喷嘴等是应用较广的差压流量测量计,但还有一种很好的差压流量计国内应用不是很多,这就是本文要介绍的V-Cone流量计。它是一种新型的差压流量计,其测量原理与其它差压流量计基本相同,但是由于其独特设计,使得它克服了其它差压流量计的一些不足。下面就对这种流量计的工作原理、特点及其应用作一下具体介绍。
 
  1、原理介绍
  V-Cone是一种差压式流量计,与其它差压流量计一样,都是基于密闭管道中能量相互转化的伯努利定律。V-Cone流量计的几何形状见图1,它是通过在管线中心悬挂一个锥形体来节流。由于在管道中,理想流场的流速分布为:在管壁处流速接近零,愈靠近管线中心流速愈大,在管线中心流速最大(因为管壁摩擦力减小了流过管壁的流体速度)。当流体流过V-Cone流量计时,锥体直接和流体高速中心部分相互作用,迫使高速的中心与接近管壁的低速流体均匀化,从而产生正确的差压。流体的流量与其流经V型锥前后所产生的差压的平方根成线形关系。这便是基于封闭管道中能量相互转换的伯努利定理[2],这在低流速测量时更为有用。而其它中心开孔的差压流量计(如孔板)由于没有这种作用,从而不能测量过低流速(雷诺数过小)的流体[3]。由于实际情况下很难达到理论环境要求,从而使一般的差压式流量计难以精确测量,而V-Cone克服了这个缺点,实践表明,在极恶劣的安装条件下,V形锥体也能保证测量精度。
 
  式中,Q为流量;
 
  K为常数、无量纲,因不同流量计而异;
 
  Y为气体膨胀系数,无量纲,在非压缩应用时Y=1;
 
  ΔP=P1-P2;ρ为流体密度。
 
  对V-Cone流量计来说:
         
  式中:K为仪表系统,无量纲;
 
  g为重力加速度;
 
  D为管道内径;d为锥体外径;
 
  β为直径比,无量纲;
 
  C为流出系数。
 
  2主要特点介绍
 
  2.1性能特点
 
  V-Cone流量计通过悬挂在管线中心的一个V型锥体来节流,这样迫使流体以管线的中心线为中心,围绕着锥体流过,这种几何形状与传统节流组件相比具有许多优点,如流场整直器的特殊设计构造[4]。它显著改善了传统差压流量计的使用局限。
 
  2.2设计特点
 
  虽然V-Cone流量计的流量测量公式与其它差压式仪表相似,但几何结构全然不同,这种几何上的安排导致产生了许多传统差压流量计所没有的优点。在很长的管道中如果其中没有阻挡物和任何干扰,其流体被称为充分发展流。如果在管道的截面上取一条直径上的线,在线上每一点处的流速都是不同的。贴着管壁处的流体,因摩擦力的阻碍,速度几乎为零,而中心处的流速最大[5]。如果有一个V锥体悬挂在管道中心,它迫使中心处的流速越来越慢,管璧附近的流速逐渐加快,从而达到使流速“匀化”的效果。其它差压式流量计的中心处是空的,不能使流速“匀化”。这是V-Cone流量计的最大优点之一,使得在低流速时仍能产生足够的差压,随着流速的降低,这种作用更加显著。而传统的差压仪表此时可能早已不能测量了。
 
  传统差压流量计有“信号跳跃”(signalbounce)现象。这意味着即使流动是稳定的,信号脉动也依然存在。因为流体在管道中流动,会在节流的下游形成漩涡,对于差压流量计而言,节流件下游的漩涡在锥体的下游产生的是高频低幅并成对称分布的小漩涡,而孔板产生的则是低频高幅的大漩涡。假设V型锥和孔板在某一工况下均产生1kPa的差压,那么在孔板下游涡流的高幅波动中可能会产生0.5kPa的干扰信号。换句话说,此时孔板有效信号可能有50%淹没在噪音信号中,而V型锥的下游干扰信号可能仅有O.1kPa,这表明V-Cone流量计的信号噪音非常低,它在低流量、低差压的情况下,仍能保持较高的测量精度和稳定性,特别适合于低密度、低流速的气体测量。
 
  3具体应用介绍
 
  3.1应用范围
 
  V-Cone流量计可测量液体、气体和蒸汽。流体的条件可以从深低温到超临界状态,工作温度最高达700℃,最大压力可到40MPa,若采用特殊材料围绕,温度、压力还可更高。可测量最高雷诺数为500万,最低雷诺数为8000甚至更低。产生的满刻度差压信号,从最低小于0.1kPa到最高几十kPa。适合应用于下列场合[6]:
 
  (1)中小管径气体;
 
  (2)脏污介质;
 
  (3)直管段不足的场合;
 
  (4)对精度要求较高的场合。
 
  3.2应用特性
 
  (1)V-Cone流量计的自清洁功能流体在管道中流动,因管壁的磨擦,流体在管壁处的流速最慢,流体中的脏污颗粒容易沉积在管壁上。当流体接近V型锥时,管道中央流速变慢、管壁附近流速逐渐加快,最后绕过V型锥,再加上没有积垢死角,杂质不会在锥体附近沉积,这一吹扫式设计决定了它在焦炉煤气(Coke-ovenGas)、细矿物油(Naphtha)、铵基水合物(Ammoniumhydrate)以及焦油(Tar)测量中,杂质不易粘在V型锥附近。
 
  (2)耐磨损,长期稳定性好
 
  由于V-Cone流量计的节流缘是钝角,流动时形成边界层,使流体离开了节流缘。边界层效应使肮脏流体不能磨损节流缘,其β值长期不变。因此无需重复标定,具有长期的稳定性[7]。
 
  (3)相对压损小
 
  由于没有锐利的缘口,V-Cone流量计引起的压力损失是恒定的,且远比孔板的压损小。因为V-Cone流量计背压稳定,正常流量情况下2~3kPa的差压就足够了,而孔板则需要16kPa以上。V型锥推荐的最大差压为4~10kPa。
 
  (4)无苛刻的直管路要求
 
  传统差压仪表的特性基于理想的流动状态;而实际上这种状况在真实应用中根本不存在。任何管道布置上的变化,如弯头、阀门、缩径、扩径、泵等都会破坏充分发展流[8]。一般流量仪表很难在扰动的流动中取得正确测量值,V-Cone流量计克服了这些缺点,即使在极恶劣的安装条件下(如紧邻锥体上游有两个在不同平面上的弯头)V型锥体也能使速度分布变得平坦和对称,从而确保了测量精度。
 
 
  (5)适合湿气的测量
 
  其它类型差压流量计在测量气中带液(不超过10%)的介质时,由于液相在负压区产生大的抖动,引起负压波动很大;而V-Cone流量计则不然,液相会沿着V型锥的管壁流动,不会在节流组件的下游产生大的抖动,从而保证气液两相介质的测量精度[9]。
 
  3.3使用限制条件
 
  V-Cone流量计使用限制条件见表1。
 
  3.4实际应用案例
 
  中铝公司山西某分公司选用了一个6.0970英寸直径的V-cone流量计,其满刻度差压为71.073mbar的差压范围。
 
  该公司对V-cone流量计装上试验3个月后,V-cone流量计的性能很好,并且在锥型体的表面也没有发现磨损的迹象,至今一直正常工作,它不受气体中污染成分的影响,从而能提供焦炉煤气精确的流量数据。虽然使用V型流量计看起来一次投资比孔板多,但是由于使用寿命的延长,其实际使用成本并没有增加,反而有所下降,用户相当满意。这是一个很成功的应用范例。
 
  4结束语
 
  由于V-Cone流量计有着相当明显的优势,所以其使用前景相当光明。当然,作为差压流量计的一种,它由于成本关系而并不能完全取代孔板、文丘里的位置,相比涡街流量计电磁流量计等,它又有安装导压管等劣势。但是随着机械、电子、传感器技术的发展进步,V-Cone流量计结构变得更简单、稳定性更高,精确度也会有长足的进步。可以预见不远的将来,随着成本的降低,V-Cone流量计将会逐步取代文丘里而成为大多数工厂企业的首选。但是对于这样一个具有光明发展前景的产品,目前还没有相应的国家标准为其提供法律依据,这显然不利于更进一步的推广应用,因此,呼吁尽快制定V-Cone流量计的国家标准。
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