技术文章

大口径气体（煤气、空气、烟道气以及蒸汽）流量测量一直是能源计量中的一个难点。在实际中多以孔板作为检测元件，主要存在：①阻力损失大；②测量范围小；③测量脏污介质（如煤气）孔板取压孔经常堵塞，孔板上游易造成粉尘埋积并在孔板上结垢；④孔板必须在断流的情况下安装拆卸，对于长年运行的工艺管线，维护或更换节流件困难，致使这类孔板数年甚至数十年装在管线上而不能正常运行；⑤管径大于1.0米孔板不在国家标准（GB/T2624-93）支持范围内，孔板的设计缺乏严格的科学依据；⑥对于高流速介质（如蒸汽）孔板易变形且入口边缘处磨损严重等问题。

近年来各种非标准差压式流量计如：均速管流量计、环形孔板流量计、V锥流量计、内置式文丘里管流量计、弯管流量计等，依其各自的特点，在大口径流量测量方面做了有益的探索。但是非标准差压式流量计，由于不能像孔板等标准节流件一样，有成熟且通行的标准支持，所以其仪表系数必须通过实流标定获得，而目前我国还没有口径大于400mm，满足圆管流的气体标准装置，即使标定采用风洞，由于在风洞均匀流场下游，不能提供多种规格（φ400、φ500、φ600………φ3000）足够长（一般为几十倍）的直管段，即在被校表前管道内的流体不能形成充分发展管流，也难以实施准确的比对。因此在推广和使用中遇到了很大的困难。

基于皮托管测量原理的测管式流量计，依据ISO3966《封闭管道流体流量的测量―――采用皮托静压管的速度面积法》标准进行系统安装和补偿运算，针对被测介质脏污、含水等因素，在测头和结构上采用*的设计（已申报，号：200420000638.7），以避免堵塞与结垢，并可在工艺管线不断流的情况下，在线进行安装、拆卸和吹扫。若干支测头与FC2000流量计算机配套构成了完整的大口径流量测量系统。

一． 原理及引用标准

ISO3966《封闭管道流体流量的测量―――采用皮托静压管的速度面积法》标准，规定了在充满流体的封密管道内，处于稳定流动状态的体积流量的测量方法。可测量流速范围：下限流速（空气）为测头在风洞中标定的Z低流速（约3.0m/s），上限流速小于0.25倍的马赫数。测头所在位置的局部流速为：

…………………………（1）

其中，（1-ε）是可压缩性修正系数。在液体中ε＝0，所以不需要可压缩性的修正，但在低马赫数的可压缩流体中，系数（1-ε）可按下述关系确定：

式中：

　　r――比热比              　　P――局部静压

　　ρ――流体的局部密度   　　ΔP――由皮托管所指示的差压

　　a――测头校准系数（测管式流量计的每一支测头，须经在国家技术监督机构

授权的风洞上进行标定以获得测头校准系数。）

可压缩流体的密度由下述方程确定：

式中：R＝8.3143 J•mol－1•K－1,摩尔质量以千克/摩尔表示并对空气的值为

0. 02895；

　　　　　Z　是气体定律偏差系数；对压力小于10倍大气压和温度在273K和373K

之间的空气来说，它与1相差无几（它应与可压缩性修正系数（1－ε）有区别）；

　　　　　T　是由下述公式所得的局部静温度：

　　　　　T0　是采用一个理想的全温探头在管道轴线上测得的总的温度。

对于圆管，把管道横截面上各个半径上的平均流速视为等于在各个半径上各测量点处所测得的流速的算术平均值，而管道平均流速就等于各个半径上平均速度的算术平均值。因而平均流速可以用各个局部流速的算术平均值来表示：

…………………………（2）

式中：V――管道平均流速；

将（1）式代（2）式

……………………（3）

（3）式表述了管道平均流速与各测头差压值函数关系。

测头的数目依据管道横截面情况而定，但Z少不得小于3个。考虑到测头支杆阻塞等因素的影响。测头应安装在某个规定数目的与管道同心的圆上和至少为两个相互垂直的直径之间的每个交点上，其插入深度依据测点的数目、标准给出了明确的规定。（见表1）

表1

测管式流量计配有可进行微调的升降机构，可在现场便捷地调整测头插入深度。

标准确定的测量方法是在95%置信水平上有关流量不确定度≤2.0%。在满足标准规定的测量条件下，由其它因素影响所引起的误差为：

         （4）

式中：ΔqV——流量误差；Δ（Δp）——差压测量误差；Δp——压力测量误差；

Δγ——比热比误差；ΔT——温度测量误差；ΔF——面积测量误差。

该误差与方法误差合成，总不确定度范围为2.0～3.0%。

二． 系统概述

FC2000系列流量计算机是一款具有多通道、全参数补偿运算、数据显示、历史事件和历史数据记录、网络通讯等功能的高性能流量显示仪表，它与若干支测管式流量计测头以及差压、压力、温度等变送器配套构成大口径流量气（汽）体流量测量系统。（见图1）

图1

流量计算机功能：

1. 接收各测头的差压信号和管道压力、温度信号，根据标定得到测头校准系数计算出该点的局部流速，并可进行测头系数的非线性修正。

2. 根据ISO3966标准中《封闭管道中流体流量的测量－采用皮托管的速度面积法》计算出管道平均流速。

3. 根据有关标准与建议、国家与行业标准进行温度、压力、组分补偿等运算后得出Z终的体积流量值。

4. 对现场仪表除可适配4-20mA和1-5V标准信号外，还可适配HART协议数字信号，避免小电流信号引起误差，并可进行扩展量程处理。

5. 具有强大的通讯功能，对上位机可采用包括RS232/485、程控网、局域网、无线网络等通讯方式构成计算机网络应用系统，实现远程监督管理和建立集散式计量管理系统。

6. 流量计算机具有历史数据存储、双重口令限制、报警记录、连接串口打印机、监控仪表操作（如仪表断电、修改参数设置等）的审计记录等功能，是工厂能源计量管理与贸易结算计量的理想工具。

三． 防堵塞措施

针对测量煤气等脏污介质的特点，测管式流量计测头的设计，汲取其它差压流量计的长处及经验，在分析均速管式流量计取压孔容易堵塞机理的基础上，采用了*的蹄形切口结构。均速管流量计测杆上各取压孔处的流速是不同的，则各取压孔之间存在一定的压力差，造成各取压孔之间有介质流动，流动的介质中粉尘产生埋积，形成堵塞。另外，大多数工业煤气中含有水份，水以水蒸汽状态混合于煤气之中，称为湿煤气，当湿煤气流入取压孔内，其中的水蒸汽接触取压管内壁冷凝成水，并存积于取压管内，煤气中的脏污粉尘随冷凝水析出，在取压管内壁结垢；往往测杆下端测孔的堵塞较为严重，即使采用蒸汽或氮气吹扫，也只能吹通测杆上端的取压孔，而下端取压孔依然堵塞。测管式流量计的测头上仅有一个全压取压孔，取压管内介质相对静止，取压孔内不易形成粉尘埋积。由于测头采用蹄形切口设计，向下安装，湿煤气中的冷凝水随时滴入管道，冷凝水不会再存积于引压管内。另外，测管式流量计配有在线吹扫装置，一旦发生堵塞可随时进行吹扫。这样较好解决了在测量煤气等脏污介质的堵塞、取压管内壁结垢等问题。

四．在线标定

在实际的工艺管道上有很多阻流件，如弯管、变径管，特别是多年使用且不能拆卸的废弃孔板，这些阻流件有着和孔板近似的流量特性。如果能重新确定这些阻流件两侧的差压与流量值的数学关系，即求出其流出系数，仍可用这些阻流件两侧差压值，计算出流经该阻流件的流量，测管式流量测量系统可实现在线标定大口径煤气管线的各种阻流件，其系统构成（图2）

图2

流量计算机接入三支测管输出的差压信号、被校阻流件输出的差压信号以及温度、压力等信号。流量计算机根据ISO3966标准计算出实际流量值即：

……………………（5）

它与被标定阻流件输出的差压值△PX通过逐点比对建立函数关系。（如图3）

图3　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　

并由流量计算机拟合出真实流量值与被标定阻流件输出的差压△Px的函数关系，即：

……………………（6）

依此函数关系，可利用管道阻流件（主要是停用的孔板）两侧的差压计算管道流量。

采用上述的现场标定方法，也可以用3（或3支以上）支测管，标定其中一支测管，即使用单支测管实现大口径流量测量，可大大降低设备费用。

五．使用中注意的问题

1在常用流量低于3m/s时，尽量不选用此方案

2.根据标准严格控制测头的插入深度

3.在振动比较大的管道上安装，差压变送器与测管采用分体安装，引压管采用软管。

4.对下限流量比较小，流量范围变化大的系统，选用带有HART通讯功能的微差压变送器。

5.本系统可用于大口径蒸汽测量，但须加装隔热防冻装置（防冻隔离器），省却伴热、保温和冷凝系统。

六．结束语

测管式流量计经现场实际运行，在较长的时间里数据稳定可靠，取得了令人满意的效果，这是通过现代化技术手段使经典的流量测量技术得到了延伸与扩展，提供了解决大口径气体流量难以计量流量的可靠方法和仪表。可以相信，通过设计和使用者共同的探索与实践，这一应用技术将更为成熟和完善。