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大口徑氣體（煤氣、空氣、煙道氣以及蒸汽）流量測量一直是能源計量中的一個難點。在實際中多以孔板作為檢測元件，主要存在：①阻力損失大；②測量范圍小；③測量臟污介質（如煤氣）孔板取壓孔經常堵塞，孔板上游易造成粉塵埋積并在孔板上結垢；④孔板必須在斷流的情況下安裝拆卸，對于長年運行的工藝管線，維護或更換節流件困難，致使這類孔板數年甚至數十年裝在管線上而不能正常運行；⑤管徑大于1.0米孔板不在國家標準（GB/T2624-93）支持范圍內，孔板的設計缺乏嚴格的科學依據；⑥對于高流速介質（如蒸汽）孔板易變形且入口邊緣處磨損嚴重等問題。

近年來各種非標準差壓式流量計如：均速管流量計、環形孔板流量計、V錐流量計、內置式文丘里管流量計、彎管流量計等，依其各自的特點，在大口徑流量測量方面做了有益的探索。但是非標準差壓式流量計，由于不能像孔板等標準節流件一樣，有成熟且通行的標準支持，所以其儀表系數必須通過實流標定獲得，而目前我國還沒有口徑大于400mm，滿足圓管流的氣體標準裝置，即使標定采用風洞，由于在風洞均勻流場下游，不能提供多種規格（φ400、φ500、φ600………φ3000）足夠長（一般為幾十倍）的直管段，即在被校表前管道內的流體不能形成充分發展管流，也難以實施準確的比對。因此在推廣和使用中遇到了很大的困難。

基于皮托管測量原理的測管式流量計，依據ISO3966《封閉管道流體流量的測量―――采用皮托靜壓管的速度面積法》標準進行系統安裝和補償運算，針對被測介質臟污、含水等因素，在測頭和結構上采用*的設計（已申報，號：200420000638.7），以避免堵塞與結垢，并可在工藝管線不斷流的情況下，在線進行安裝、拆卸和吹掃。若干支測頭與FC2000流量計算機配套構成了完整的大口徑流量測量系統。

一． 原理及引用標準

ISO3966《封閉管道流體流量的測量―――采用皮托靜壓管的速度面積法》標準，規定了在充滿流體的封密管道內，處于穩定流動狀態的體積流量的測量方法。可測量流速范圍：下限流速（空氣）為測頭在風洞中標定的Z低流速（約3.0m/s），上限流速小于0.25倍的馬赫數。測頭所在位置的局部流速為：

…………………………（1）

其中，（1-ε）是可壓縮性修正系數。在液體中ε＝0，所以不需要可壓縮性的修正，但在低馬赫數的可壓縮流體中，系數（1-ε）可按下述關系確定：

式中：

　　r――比熱比              　　P――局部靜壓

　　ρ――流體的局部密度   　　ΔP――由皮托管所指示的差壓

　　a――測頭校準系數（測管式流量計的每一支測頭，須經在國家技術監督機構

授權的風洞上進行標定以獲得測頭校準系數。）

可壓縮流體的密度由下述方程確定：

式中：R＝8.3143 J•mol－1•K－1,摩爾質量以千克/摩爾表示并對空氣的值為

0. 02895；

　　　　　Z　是氣體定律偏差系數；對壓力小于10倍大氣壓和溫度在273K和373K

之間的空氣來說，它與1相差無幾（它應與可壓縮性修正系數（1－ε）有區別）；

　　　　　T　是由下述公式所得的局部靜溫度：

　　　　　T0　是采用一個理想的全溫探頭在管道軸線上測得的總的溫度。

對于圓管，把管道橫截面上各個半徑上的平均流速視為等于在各個半徑上各測量點處所測得的流速的算術平均值，而管道平均流速就等于各個半徑上平均速度的算術平均值。因而平均流速可以用各個局部流速的算術平均值來表示：

…………………………（2）

式中：V――管道平均流速；

將（1）式代（2）式

……………………（3）

（3）式表述了管道平均流速與各測頭差壓值函數關系。

測頭的數目依據管道橫截面情況而定，但Z少不得小于3個。考慮到測頭支桿阻塞等因素的影響。測頭應安裝在某個規定數目的與管道同心的圓上和至少為兩個相互垂直的直徑之間的每個交點上，其插入深度依據測點的數目、標準給出了明確的規定。（見表1）

表1

測管式流量計配有可進行微調的升降機構，可在現場便捷地調整測頭插入深度。

標準確定的測量方法是在95%置信水平上有關流量不確定度≤2.0%。在滿足標準規定的測量條件下，由其它因素影響所引起的誤差為：

         （4）

式中：ΔqV——流量誤差；Δ（Δp）——差壓測量誤差；Δp——壓力測量誤差；

Δγ——比熱比誤差；ΔT——溫度測量誤差；ΔF——面積測量誤差。

該誤差與方法誤差合成，總不確定度范圍為2.0～3.0%。

二． 系統概述

FC2000系列流量計算機是一款具有多通道、全參數補償運算、數據顯示、歷史事件和歷史數據記錄、網絡通訊等功能的高性能流量顯示儀表，它與若干支測管式流量計測頭以及差壓、壓力、溫度等變送器配套構成大口徑流量氣（汽）體流量測量系統。（見圖1）

圖1

流量計算機功能：

1. 接收各測頭的差壓信號和管道壓力、溫度信號，根據標定得到測頭校準系數計算出該點的局部流速，并可進行測頭系數的非線性修正。

2. 根據ISO3966標準中《封閉管道中流體流量的測量－采用皮托管的速度面積法》計算出管道平均流速。

3. 根據有關標準與建議、國家與行業標準進行溫度、壓力、組分補償等運算后得出Z終的體積流量值。

4. 對現場儀表除可適配4-20mA和1-5V標準信號外，還可適配HART協議數字信號，避免小電流信號引起誤差，并可進行擴展量程處理。

5. 具有強大的通訊功能，對上位機可采用包括RS232/485、程控網、局域網、無線網絡等通訊方式構成計算機網絡應用系統，實現遠程監督管理和建立集散式計量管理系統。

6. 流量計算機具有歷史數據存儲、雙重口令限制、報警記錄、連接串口打印機、監控儀表操作（如儀表斷電、修改參數設置等）的審計記錄等功能，是工廠能源計量管理與貿易結算計量的理想工具。

三． 防堵塞措施

針對測量煤氣等臟污介質的特點，測管式流量計測頭的設計，汲取其它差壓流量計的長處及經驗，在分析均速管式流量計取壓孔容易堵塞機理的基礎上，采用了*的蹄形切口結構。均速管流量計測桿上各取壓孔處的流速是不同的，則各取壓孔之間存在一定的壓力差，造成各取壓孔之間有介質流動，流動的介質中粉塵產生埋積，形成堵塞。另外，大多數工業煤氣中含有水份，水以水蒸汽狀態混合于煤氣之中，稱為濕煤氣，當濕煤氣流入取壓孔內，其中的水蒸汽接觸取壓管內壁冷凝成水，并存積于取壓管內，煤氣中的臟污粉塵隨冷凝水析出，在取壓管內壁結垢；往往測桿下端測孔的堵塞較為嚴重，即使采用蒸汽或氮氣吹掃，也只能吹通測桿上端的取壓孔，而下端取壓孔依然堵塞。測管式流量計的測頭上僅有一個全壓取壓孔，取壓管內介質相對靜止，取壓孔內不易形成粉塵埋積。由于測頭采用蹄形切口設計，向下安裝，濕煤氣中的冷凝水隨時滴入管道，冷凝水不會再存積于引壓管內。另外，測管式流量計配有在線吹掃裝置，一旦發生堵塞可隨時進行吹掃。這樣較好解決了在測量煤氣等臟污介質的堵塞、取壓管內壁結垢等問題。

四．在線標定

在實際的工藝管道上有很多阻流件，如彎管、變徑管，特別是多年使用且不能拆卸的廢棄孔板，這些阻流件有著和孔板近似的流量特性。如果能重新確定這些阻流件兩側的差壓與流量值的數學關系，即求出其流出系數，仍可用這些阻流件兩側差壓值，計算出流經該阻流件的流量，測管式流量測量系統可實現在線標定大口徑煤氣管線的各種阻流件，其系統構成（圖2）

圖2

流量計算機接入三支測管輸出的差壓信號、被校阻流件輸出的差壓信號以及溫度、壓力等信號。流量計算機根據ISO3966標準計算出實際流量值即：

……………………（5）

它與被標定阻流件輸出的差壓值△PX通過逐點比對建立函數關系。（如圖3）

圖3　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　

并由流量計算機擬合出真實流量值與被標定阻流件輸出的差壓△Px的函數關系，即：

……………………（6）

依此函數關系，可利用管道阻流件（主要是停用的孔板）兩側的差壓計算管道流量。

采用上述的現場標定方法，也可以用3（或3支以上）支測管，標定其中一支測管，即使用單支測管實現大口徑流量測量，可大大降低設備費用。

五．使用中注意的問題

1在常用流量低于3m/s時，盡量不選用此方案

2.根據標準嚴格控制測頭的插入深度

3.在振動比較大的管道上安裝，差壓變送器與測管采用分體安裝，引壓管采用軟管。

4.對下限流量比較小，流量范圍變化大的系統，選用帶有HART通訊功能的微差壓變送器。

5.本系統可用于大口徑蒸汽測量，但須加裝隔熱防凍裝置（防凍隔離器），省卻伴熱、保溫和冷凝系統。

六．結束語

測管式流量計經現場實際運行，在較長的時間里數據穩定可靠，取得了令人滿意的效果，這是通過現代化技術手段使經典的流量測量技術得到了延伸與擴展，提供了解決大口徑氣體流量難以計量流量的可靠方法和儀表。可以相信，通過設計和使用者共同的探索與實踐，這一應用技術將更為成熟和完善。