V形锥流量计在焙烧炉煤气流量测量中的应用

      0 引言

      我厂一号焙烧炉预热炉燃烧站的焦炉煤气测量就采用了McCrometer公司生产的V形锥流量计。这种新形的V-cone流量计解决了焦炉煤气流量测量中的两个主要难题：即：①固体物质的积结（沉积）和由此造成的β比值的改变以及②差压测量取压孔的堵塞。利用V-cone得以实现这些，是由于它本身具有非常独特的锥形体元件，锥形体与流体相互作用，使在锥形体上游的速度分布得以重新整形。这样它不但创造一个最佳的速度分布，而且在上游产生了一个压力区间，阻止污染物的形成与积结，从而能保持一个恒定的β比值。由于高压测量孔也位于此压力区间，因此，高压测量孔也能保持清洁而不被污染物堵塞。由于V-cone的锥形体能在其自身周围及其下游产生一个受控制的紊流区，在这紊流区自然能始终保持清洁而不被污染物积结，从而使低压测量（取压）孔始终保持干净。而文丘利管、孔板和圆缺孔板由于在管道及流量检测元件的内表面上有固体物质积结，使得对焦炉煤气的流量监测变得格外困难。这种严重的积结经常不能进行有效的、准确的流量测量。长期以来专家对产生差压的节流装置的优化改进工作一直没有中断，对其尺寸、节流件的几何形式与参数，入口边缘剖面，取压与节流方式，可更换孔板的研制工作一直在进行。为测量脏污流体的流量已开发出的非标准节流装置大致有：圆缺孔板、偏心孔板、楔形孔板、耐磨孔板。环形孔板、弯管（弯头）等，这种完善、改进的工作直到80年代中期才发展成质的飞跃，即：将流体节流收缩到管道中心轴线附近的概念从根本上改变成利用同轴安装在管道中的V形尖圆锥将流体逐渐地节流收缩到管道的内边壁。通过测量此V形内锥体前后的差压来测量流量为差压式流量计揭开了崭新的一页。

      1 V形锥流量计节流装置的基本原理与结构

      V形内锥式节流装置包括一个在测量管中同轴安装的尖圆锥体和相应的取压口。该测量管是预先精密加工好的，在尖圆锥体的两端产生差压。此差压的高压（正压）是在上游流体收缩前的管壁取压口处测得的静压力，P1如图1所示，而低压力（负压）则是在圆锥体朝向下游端面，锥中心轴处所开取压孔处压力P2。该圆锥体的顶尖朝向来流，该圆锥体与其尾随面之间是一个尖锐的锐角。此交合面的边缘使得流体在进入下游的低压区之前有一个平滑的过渡区，如图1所示。由于流体不是被迫收缩到管道中心轴线附近，并且也不再是一个阻挡物（节流件）令流体突然改变流动方向，而是利用这种结构新颖的内锥式节流装置实现了对流体的逐渐朝向管内边壁的收缩（节流），使V形内锥式流量计具有了一系列独特的优点。这种流量计在其节流件的下游只会产生高频低幅的喘流（小涡流），因而差压变送器所测量的差压△P信号是低噪声信号。这样在低压力的取压孔处可以测得灵敏度（分辨率）优于2.5毫米水柱的压力。这就使只用一个差压变送器就获得很宽的量程比（范围度）（量程比可大于15比1）和很好的重复性，重复性优于±0.1%成为可能。

      2 V形锥流量计计算公式：

      节流式差压流量计普遍适用的实际流量公式：

      质量流量 qm=qv·ρ1

      式中：
   ε —— 被测介质的可膨胀性系数，对于液体ε=1；对气体、蒸气等可压缩流体ε＜1；
      qv —— 流体的体积流量，[m3/s]；（工况下流体的体积流量）；
      qm—— 流体的质量流量，[/S]；
      d   —— 工作状况下节流件的等效开孔直径，[m]（对于孔板是孔径，对于文丘得管是喉径，对于VNZ流量计是等效开孔直径）；
      △P—— 差压，△P=P1-P2；[Pa]；
      ρ1—— 工作状况下，节流件（前）上游处流体的密度，[/m3]；
      C   —— 流出系数，[－]无量纲；
      β —— 直径比[－]无量纲。β=d/D。

      对于VNZ流量计应该用一个等效的β值取代公式中原有的β值。这个工况下等效的β值，可按如下公式求出：

      D   —— 工况下测量管的内径，m
      dv  —— 工况下尖锥体最大横截面处，圆的直径，m
      βv—— VNZ节流装置的等效直径比[－]无量纲；

      如果被测介质是气体，则必须使用气体可膨胀性系数ε来修正伯努利方程，这是因为在节流件两端由于压力变化所造成的气体密度ρ的变化并不适用于液体。对于气体，必须用ε乘以C（即用ε来修正流出系数C）。对于VNZ流量计的ε的计算公式：

      式中：

      △P—— 一般指在常用流量下，内锥前后的常用差压；
     β —— VNZ节流装置的等效直径比，即 v；
      k   —— 被测介质（可压缩流体）的等熵指数；
      P1 —— 工况下节流件（内锥）上游取压孔处可压缩流体的绝对静压Pa；

      △P与P1应取相同的压力单位。

      3 V形锥流量计的应用

      3.1 V形锥流量计组成

      一个VNZ流量计由VNZ节流装置、差压信号管线，三阀组组件。差压变送器及流量计算及显示仪组成，其整机接线示意图如以下图2所示：

      差压变进器：
      （1）型号：巴西smar公司生产的LD301
      （2）参数设定：
      量程范围：0~71.073（mbar）
      工程单位：mbar
      阻尼时间：0.2s
      输出方式：开方
      输出信号：4~20（mA）
      供电；由有源隔离器供电（24VDC），并输出4~20（mA）至智能流量积算仪
      压力变进器：压力变送器采用ATM绝对压力变送器，量程范围为0~500（mbar），由有源隔离器供电（24VDC），并输出4~20（mA）至智能流量积算仪。
      温度测量：使用Pt-100，直接输入到智能流量积算仪。

      3.2 应用数据介绍

      我公司选用了一个6.0970英寸直径的V-cone差压式流量计，其满刻度差压为71.073mhar的差压范围。我们对V-cone流量计装上试验3个月后，V-cone流量计的性能很好，并且在锥形体的表面也没有发现磨损的迹象。V-cone流量计至今一直在继续正常工作，它不受气体中污染成分的影响。从而能提供焦炉煤气的精确的流量数据。

      这是一个很成功的应用范例。此例的具体应用数据附后：

      质      量：0.4400
      锥形体最大直径：6.0970in
      粘      度：1.933e-02CP（厘泊）
      β   值：0.4473
      等熵指数KE：1.296
      满刻度时的最大差压值：71.073mbar
      流体温度：工况=30℃；tmax=60℃  
      流量系数：0.8446
      管道中的压力：Pmin=1413mbar（绝压）
      气体流量：Qmin=200Nm3/h；Qmax=2500Nm3/h
      实际应用：测量范围（量程比）：12.5：1；
      线性流速：7.6813到96.016英尺/秒

      4 V形锥流量计的性能指标特点

      1）在精密测量管中的内锥的标准等效直径比 βv=0.45，0.55，0.65，0.75和0.85
      2）在各种阻流件的下游安装VNZ流量计时，所要求的直管段都大大缩短，一般上游要求有0至3D的直管段（当流量计安装在阀门的下游时要求3D）；下游要求有0至1D的直管段。
      3）在绝大多数的使用场所，VNZ流量计的测量精确度达±0.5%；
      4）重复性为±0.1%；
      5）典型的范围度（量程比）为15:1；
      6）沿测量管的内壁由被测流体自行实现完全的自清扫所以可以自行消除液中的含气或气中的含液以及气或液中所含的固体颗粒，将它们吹向下游，始终确保无污物在流量计中沉积或堆积；
      7）采用标准化的圆锥尺寸可以减小压损并增大流量测量范围；
      8）测量管中的设计压力可达4Mpa或6Mpa。
      9）工作温度可达到370℃或更高（如640℃）。
      10）在V形锥的下游能更好地实现流体的混合，它是一个良好的混合器。

焙烧炉预热燃烧站的焦炉煤气流量与差压对应表 

序号

差压(mbar)

流量(Nm3/H)

1

0.4314

200.00

2

2.2414

455.56

3

5.4746

711.11

4

10.152

966.67

5

16.303

1222.2

6

23.969

1477.8

7

33.204

1733.3

8

44.076

1988.9

9

56.666

2500.0

      5结束语

      VNZ流量计虽同属于节流式差压流量计，但它独特的结构、原理使得它不但测量准确度高，而且不存在孔板的磨损与积污问题，它的量程比为达到10:1或15:1；对安装直管段仅要求0至3D，它的压损很小，可以在低静压、低流速的流体中实现有效的流量测量。VNZ流量计的优良计量性能使得它适宜普遍用作环境监测工程中的流量仪表，如监测烟道气的流量、监测各种污染物的排放量等，也可用于天然气、煤气、供热蒸气、污水等的计量。我厂自2004年4月使用V锥流量计以来不仅减少了维护人员的维护量，而月为燃烧站煤气计量的准确性及运行的稳定性提供了保证。在山西华泽铝电公司碳素厂里也使用了V形推流量计测量天然气的流量，并且用于天然气的计量。