摘要： V錐流量計(jì)和孔板流量計(jì)同屬于差壓類流量計(jì),但是由于內(nèi)部結(jié)構(gòu)不同,V錐流量計(jì)和孔板流量計(jì)各有特點(diǎn)。該文結(jié)合實(shí)例,對V錐流量計(jì)和孔板流量計(jì)的優(yōu)缺點(diǎn)做了詳細(xì)的比較。

　　0　引言

　　長期以來,孔板流量計(jì) 由于其技術(shù)成熟、標(biāo)準(zhǔn)化程度高、結(jié)構(gòu)簡單、維護(hù)方便等特點(diǎn)而被廣泛地應(yīng)用。在海洋石油工程中也常常會(huì)用到孔板流量計(jì) 。以采油平臺(tái)的測試分離器氣體出口測量為例,由于該介質(zhì)為氣體,一般壓力較高,介質(zhì)成分較復(fù)雜,流量范圍隨著年份變化較大等特點(diǎn),決定了該場合應(yīng)用孔板流量計(jì)最為合適。尤其近年出現(xiàn)的可更換孔板更是解決了原有孔板流量計(jì)的低量程比的缺點(diǎn)而被廣泛地應(yīng)用。但是可更換的孔板價(jià)格昂貴,一般至少為同管徑孔板流量計(jì)價(jià)格的5倍以上。那么有沒有更好的產(chǎn)品來代替它CONTROL ENGINEERING China版權(quán)所有 ,筆者認(rèn)為V錐流量計(jì) 就是代替它的首選產(chǎn)品。

　　1　V錐流量計(jì)的優(yōu)點(diǎn)

　　V錐流量計(jì)是從2000年左右才在國內(nèi)出現(xiàn)的流量計(jì)。其工作原理和孔板流量計(jì)相同。介質(zhì)通過V錐時(shí),由于阻流件V錐的存在,使得流體的流過面積發(fā)生變化,流速發(fā)生變化,根據(jù)伯努利方程,流速變化引起了壓力的變化,該壓力的變化與流速之間有一定的關(guān)系。通過測量該壓力差達(dá)到測量流量的目的。雖然與孔板原理一樣,但是最本質(zhì)的區(qū)別在于孔板為中心收縮型節(jié)流裝置,而V錐為邊壁收縮型節(jié)流裝置。

　　眾所周知,測量范圍窄是制約孔板使用的主要原因。測量范圍窄的主要原因是:孔板的流量系數(shù)隨雷諾數(shù)的變化而變化較大,孔板的突然節(jié)流導(dǎo)致孔板后發(fā)生比較大的漩渦,該漩渦的存在直接導(dǎo)致信號噪聲比較大,從而限制了它的測量范圍。而V錐流量計(jì)克服了以上缺點(diǎn)。

　　如圖1所示,V錐流量傳感器是由與管道同軸的內(nèi)部節(jié)流件V錐和取壓裝置組成的,流體經(jīng)過時(shí)并不是像孔板那樣突然改變流體的流動(dòng)狀態(tài),而是介質(zhì)隨著錐體的方向向邊壁收縮,該錐體起到了調(diào)整介質(zhì)流動(dòng)狀態(tài)的作用,重塑了流束曲線,使流體的流動(dòng)更加穩(wěn)定。而且由于慣性力的存在,介質(zhì)經(jīng)過V錐的邊緣時(shí)并不直接沖刷錐體邊緣,因此V錐的邊緣不像孔板那么容易磨損,V錐的使用壽命長。由于V錐特有的結(jié)構(gòu),V錐流量計(jì)有許多優(yōu)于孔板流量計(jì)的特點(diǎn)。

　　1.1　量程比寬

　　V錐的最早生產(chǎn)廠McCrometer公司開展了一系列測試研究工作,得出結(jié)論:V錐和孔板比較,V錐的信噪比要小的多。由于信噪比小,V錐在小流量測量時(shí),即使測量的差壓在較小的工況下也可以精確地進(jìn)行測量。從而不必像孔板那樣,需要通過增大變送器的阻尼來改善信號噪聲的影響。正因?yàn)榇?V錐的量程比遠(yuǎn)大于孔板的量程比。印度理工學(xué)院的SN Singh教授分別使用油和水在不同的雷諾數(shù)下做了實(shí)驗(yàn),得出結(jié)論:在一定的測量范圍內(nèi),V錐的流出系數(shù)幾乎與雷諾數(shù)無關(guān)。筆者也曾參與了數(shù)百臺(tái)V錐流量計(jì)的標(biāo)定工作控制工程網(wǎng)版權(quán)所有 ,從數(shù)據(jù)中可以看出,一般在1. 0精度范圍內(nèi),使用單臺(tái)差壓變送器,V錐的量程比就可以達(dá)到10∶1。

　　1.2　直管段要求低

　　V錐的自整流功能使其直管段要求低于孔板。印度理工學(xué)院的SN Singh教授分別采用油和水,在上游的不同位置安置不同開度的閥門來試驗(yàn),最后得出的結(jié)論為:如果上游的干擾是發(fā)生在V錐流量計(jì)的上游10D,或更遠(yuǎn)處,則這種非對稱的速度分布不會(huì)影響流出系數(shù)的值CONTROL ENGINEERING China版權(quán)所有 ,流出系數(shù)將保持在理想條件下所得出的相同的數(shù)值;如果上游干擾源的位置距離V錐流量計(jì)小于10D(如5D),則流出系數(shù)的最大變化量為6%。可見只要V錐前面有10D的直管段,無論前面有什么樣的節(jié)流件都不會(huì)對其測量造成影響。而ISO-5167中規(guī)定孔板的直管段要求根據(jù)前面節(jié)流件的不同有很大的變化,一般至少需要20D。如上述測試分離器的氣體出口一般采用4"的管道,對于V錐來說控制工程網(wǎng)版權(quán)所有 ,其前面只需1 m的直管段就可以了,后面只需0. 5 m的直管段。

　　1.3　壓力損失小

　　壓力損失即不可恢復(fù)的壓力,它是流量計(jì)選型時(shí)需要考慮的重要指標(biāo)之一。在當(dāng)今能源缺乏,提倡節(jié)能減排的社會(huì),該參數(shù)顯得尤為重要。由于V錐體邊緣形狀決定流體的流動(dòng)狀態(tài),流體的壓力損失遠(yuǎn)小于使用孔板時(shí)的壓力損失。而且由于V錐的自整流功能,其前面無需加整流器,而孔板則需要較長的直管段來調(diào)整流體的流動(dòng)狀態(tài)。海上石油平臺(tái)上空間較小,寸土寸金,很難滿足直管段的要求,常常需要增加整流器,以保證介質(zhì)的流動(dòng)狀態(tài)。但是整流器的高壓損帶來的弊病就是消耗更多的能源。即使不考慮整流器,在同一流量下控制工程網(wǎng)版權(quán)所有 ,V錐的壓力損失一般也只有孔板的1/2~1/3。

　　1.4　精度高

　　由于V錐結(jié)構(gòu)無可動(dòng)部件,使得V錐具有很好的重復(fù)性,一般小于0. 1%。由于量程比寬,即它的線性度好,從而使其精度較高。根據(jù)GB17167-2006《用能單位能源計(jì)量器具配備和管理通則》規(guī)定,用于能源計(jì)量的流量計(jì)準(zhǔn)確度等級要求為:煤氣和天然氣為2. 0級。所以在測試分離器出口的氣體測量中,在10∶1的量程范圍內(nèi),V錐加上差壓變送器及二次表的總體誤差不會(huì)低于1. 5級,完全能滿足計(jì)量要求。

　　1.5　長期性能好

　　由于錐體的輪廓形狀限制了介質(zhì)的流動(dòng),流體沿著錐體形成了邊界層,這意味著錐體的邊緣不容易受不清潔的流體磨損,從而使開孔比β保持不變,使得流量計(jì)可以在很長時(shí)間內(nèi)保持精度而不必校驗(yàn)。

　　2　V錐流量計(jì)的缺點(diǎn)

　　雖然V錐流量計(jì)有很多的優(yōu)點(diǎn),但是它還是存在一些不足之處。

　　2.1　需要標(biāo)定

　　孔板是唯一通過保證幾何尺寸就可以保證其測量精度的流量計(jì)。而V錐屬于新型的流量計(jì),雖然眾多的廠家及科研人員做了大量的實(shí)驗(yàn),但迄今為止V錐流量計(jì)可依據(jù)的國家標(biāo)準(zhǔn)有限,而且由于機(jī)密性和專利的限制,現(xiàn)已公布的有關(guān)V錐流量計(jì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的可利用的文獻(xiàn)較為缺乏。各個(gè)生產(chǎn)廠家依據(jù)企標(biāo)來生產(chǎn),可以說產(chǎn)品魚龍混雜,并不是每個(gè)廠家的產(chǎn)品都可靠。由于試驗(yàn)數(shù)據(jù)不充分,使得每臺(tái)V錐流量計(jì)出廠時(shí)都必須經(jīng)過嚴(yán)格的標(biāo)定。從而也增加其費(fèi)用。

　　2.2　售價(jià)較高

　　同種規(guī)格的V錐流量計(jì)的價(jià)格要高于孔板流量計(jì),但低于可更換孔板流量計(jì)。由于V錐的用料多、加工工藝復(fù)雜、標(biāo)定費(fèi)用高,使得其售價(jià)較高。但是在考慮流量計(jì)時(shí),初次購買價(jià)及安裝費(fèi)用、儀表的可靠性、長期維護(hù)費(fèi)用、永久壓力損失等綜合因素的總評才是選取流量計(jì)的依據(jù),只有綜合考慮并權(quán)衡了以上這些重要因素,才能做到合理選型。如前所述,V錐流量計(jì)除了在初次購買費(fèi)用上高于孔板流量計(jì)外,其他的費(fèi)用應(yīng)該與孔板流量計(jì)持平或低于孔板流量計(jì)。尤其是在補(bǔ)償壓力損失所需要的耗能方面,V錐流量計(jì)遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于孔板流量計(jì)。所以從長遠(yuǎn)考慮,使用V錐流量計(jì)的綜合費(fèi)用要低于孔板流量計(jì)。

　　使用可更換孔板的目的就是為了提高孔板的量程比。但是其價(jià)格昂貴。如果給V錐流量計(jì)配兩臺(tái)不同量程的變送器,那么其量程比的擴(kuò)展要遠(yuǎn)大于可更換孔板流量計(jì),而其價(jià)格要遠(yuǎn)低于可更換孔板。

　　2.3　差壓較低

　　由于V錐流量計(jì)的流出系數(shù)要大于孔板流量計(jì)的流出系數(shù),使得相同流量時(shí)孔板的差壓值要高于V錐的差壓值。孔板流量計(jì)的變送器一般都是用中差壓表,V錐流量計(jì)一般用低差壓表。

　　3　結(jié)論

　　綜上所述可知,在很多場合用V錐流量計(jì)代替孔板流量計(jì),應(yīng)該是利大于弊。對于文中開頭例舉的海洋平臺(tái)測試分離器出口的氣體測量,筆者認(rèn)為選擇孔板流量計(jì)或可更換孔板流量計(jì)并不是最佳選擇。V錐流量計(jì)應(yīng)該更適合于該工況。當(dāng)然對于其他工況還需要具體問題具體分析,不能一概而論。