V形锥流量计在特种材料有限公司的应用

庞奇志

（铜陵泰富特种材料有限公司，安徽铜陵 244100）

0 引言

V形锥流量计属于新型差压类流量测量仪表，其基本原理和传统差压类仪表一样，唯一的差别在于结构形式的不同，正因为结构形式的改变形成了其鲜明、独有的优点。与传统的流量测量仪表相比，V形锥流量计具有自整流、自混合、自清扫、自保护、量程比大、压损小、精度高、重复性好等优点。

铜陵泰富特种材料有限公司（以下简称“公司”）在建厂之初，通过参观、学习逐步了解了V形锥流量计的各种实用优点，通过和其他各种流量计的综合对比以及到V形锥流量计生产厂家的实地考察后，确定在焦炉煤气、压缩空气、过热蒸汽等场合使用V形锥流量计进行流量测量。公司在保证测量精度的前提下主要使用V形锥流量计的自整流（所需直管段短）、自清扫（耐脏污）、永久压损小（节能）等特点，通过一段时间的实际应用，V形锥流量计的优点得到体现，也得到了全公司计量人员的认可。

1 V形锥流量计几何结构设计

V形锥流量计流量测量公式与其他差压式仪表有所类似，但是在几何结构方面差异较大，受到这一结构的影响，V形锥流量计具有传统差压流量计没有的应用优势。在很长管道中，若不存在阻挡物和干扰作用，出现流体则为充分发展流。若在管道截面上选取一条径向线，线上各点流速均具有差异。和管壁紧贴的流体，因为受到摩擦力的影响，速度趋近于零，但是在此过程中中心处存在有最大流速。若在管道中心悬挂一个V形锥体，则会对中心处流速产生迫使作用，降低流速，同时管壁附近流速会不断加大，实现流速“匀化”。其他类型的差压式流量计中心位置为空，无法出现流速“匀化”效果。因此在V形锥流量计中这是一个显著优点，能够保障在低流速情况下出现足够的差压，尤其是在流速逐渐降低过程中，这一作用更加显著。但是如果采用的是传统差压仪表，在此情况下已经无法测量。

传统差压流量计存在有“信号跳跃”（Signal bounce）现象。即为就算是在流动稳定情况下，也存在有信号脉动。由于流体在管道中流动，节流下游会出现旋涡，在差压流量加检测中节流件下游旋涡因为受到锥体下游的影响，出现高频低幅且具有对称性的小旋涡，孔板出现的是低频高幅大漩涡。如果在某一工况中，V形锥流量计和孔板出现的均是1 kPa差压，孔板下游涡流高幅波动中可能会引发出现0.5 kPa的干扰信号。简而言之，在这一情况下孔板有效信号在噪声信号中淹没量可能达到50%，但是V形锥流量计干扰信号只有0.1 kPa。从这一点可以看出，V形锥流量计的信号噪声很低，就算是在流量和差压较低情况下，也具有一定的测量精度和稳定性，因此在低密度和低流速气体测量中非常适用。

2 V形锥流量计特点的应用

2.1 自整流、自清扫特点的应用

焦炉煤气自身的特点导致在测量方面存在两个最主要的难题：由于黏性导致固体物的堆积，从而引起截流件β 值的改变，最终引起测量误差，不能进行连续的、长期的、有效的、精确的流量测量；造成差压测量取压孔的堵塞。考虑到V形锥流量计具有自清扫（耐脏污）的特点，决定在所有测量焦炉煤气的场合全部采用V形锥流量计，在半年的现场运行过程中，读数一直很稳定，和理论值的差别在误差允许范围之内。在停车例行检修时，在V形锥流量计供应商的配合下，拆下一台V形锥流量计进行了实际观察，发现其边缘无明显磨损的痕迹，锥体和锥体部分的管道也无明显的固体物堆积现象。

公司焦炉煤气的总输出采用DN1600 mm管道，如果采用孔板等传统的测量仪表，受现场条件的限制，无法满足SY/T 6143—2004标准中关于孔板等流量计上下游直管段的规定和要求。考虑到V形锥流量计具有自整流，所需直管段短的特点（只需前三后一的直管段），结合现场实际情况，在焦炉煤气的总出口处安装了一台DN1600 mm的V形锥流量计。在运行过程中，这台V形锥流量计的读数指示和焦炉煤气总流量的理论计算值非常接近。V形锥流量计在设计过程中，采用的是置于管道中心的V形锥体流线型节流结构，实施检测之前也可以有效整流其不规则流体，即便不增加流体整流器也能实现对流体整流情况的有效处理。中心悬挂流体形锥体可以实现对流速曲线的重塑，在锥体上、下游较窄区域内（前0～3D，后0～1D），能够实现对流速不规则液体的整流，从而转变成为理想液体，有效满足伯努利定理的要求，提升测量精度以及重复性。测量过程中不用设置很长的直管段整流，对于流量计安装也具有重要意义。

综合分支管道的流量读数指示和总流量读数指示对比，它们之间存在接受范围之内的误差。对造成这种误差的原因进行分析，认为是由于现场各种复杂工况条件的共同作用造成的，这种误差并不影响正常生产和各个环节的能源计量。之前采用的是孔板流量计以及均速管流量计，煤气中存在的杂质比较多，例如焦油、氨水等，因此需要对孔板或均速管定期进行清洗或者蒸汽吹扫，否则会导致上下游端面、上游侧直角入口边缘出现污染，进而会引发出现仪表导压管堵塞等，影响测量精度；孔板前后直管段积水，也会降低管道流通面积，提升流速以及差压，在测量中流量显示值会出现明显提升，严重时可能会导致出现导压管堵塞、变送器停止使用。为确保仪表稳定与性能，则需要定期对其实施维护，工作量非常大。V形锥流量计本身存在有自吹扫式结构，在设计过程中没有滞留死区。在通过锥体的时候介质会出现加速，正压取压孔、锥体外壁和锥体附近管壁会受到不断冲刷，一小段不流动介质也会对负压取压孔造成隔离作用，从而阻止脏污杂质进入，所以V形锥流量计在应用中无论是杂质还是易结晶脏污介质中均适用，特别是在焦炉煤气、炉煤气等介质中更加适用。公司自采用V形锥流量计以来，目前已经使用多年，未对其进行过维护，同时对其检查也未发现流量计中存在有节流装置污染、管道积水等情况，显著降低了仪表应用的维护工作量，对于提升测量准确性和可靠性具有重要作用。

2.2 永久压损小（节能）特点的应用

节能减排已经深入到人们生活的各个方面，焦化行业是一个高耗能的行业，节能减排不仅是积极相应国家政策和号召，而且可以在无形之中为企业节省大笔的资金支出，节省的资金支出也就是企业多增加的利润空间。

V形锥流量计和其他流量计相比有一个最显著的优点就是永久压损小，永久压损小也就意味着节能。在孙延祚教授的论文中已经很详细地论述了如何理解V形锥流量计永久压损小并且列出了V形锥流量计和其他9种流量计永久压损的对比。

在公司的空气管网设计之初计划采用孔板流量计进行测量，通过与V形锥流量计的对比，从长远来看，使用V形锥流量计是更经济更合算的计量方法。

列举一例，流体为压缩空气，其他工艺条件见表1。

表1 某公司的空气管网工艺条件

（1）选用孔板测量，计算结果如下：孔板的β=0.514 6，常用流量下的差压值ΔP=27.396 kPa。

（2）选用V形锥流量计进行测量，计算结果如下：V形锥的β=0.557 7，常用流量下的差压值ΔP=10.904 kPa。

孔板的压损：Δω=（1-β1.9）×ΔP或Δω=（1-0.24β-0.52β2-0.16β3）×ΔP

V形锥流量计的压损：Δω=（1.3-1.25βv）×ΔP

根据上面的计算公式，常用流量下孔板的永久压损为19.61 kPa，常用流量下V形锥的永久压损为6.57 kPa。

所以，常用流量下永久压损的差值Δω=19.61-6.57=13.04 kPa。

在常用流量下，使用V形锥流量计比使用孔板流量计少消耗的功率为：

式中 W——能耗值，W

Δω——永久压损值，kPa

Qkph——质量流量，kg/h

η——泵和电机的效率，通常取η=0.8

ρfl——在工况下，在上游取压孔处，流动液体或气体（蒸气）的密度，kg/m3

把上面的计算结果代入功率公式得W=21 733.3 W。所以，用V形锥代替孔板，每年可节约的耗能费=（W/1000）（每年的运行时数）（电费）。在常用流量下，年节省耗能费=21 733.3/1000×24×365×1=190 383.7元。也就是说，用V形锥流量计代替孔板测量压缩空气后，每年可节省的耗能费为19万元左右。

在过热蒸汽测量方面，采用同样的计算方法可以得出每年节省的耗能费。同时，V形锥流量计在应用中也非常适合应用在低压、低流速介质流程测量中。在应用均速管流量计实施测量过程中，如果管道中煤气流速较低，差压信号较小情况下，则会直接降低系统检测精度。均速管流量计检测中的最大差压为120 Pa，正常情况下为2～5 Pa，相对来讲系统精度偏低。如果差压信号比较小，则会对变送器校验以及适用精度造成影响。也会直接导致孔板出现污染、仪表导压管不畅等问题，直接影响测量精度。V形锥流量计在设计中采用的是类似孔板的节流件，和均速管流量计相比差压值明显偏高，和孔板相比因为管道边缘出现一定的收缩，降低了阻力损失，所以就算是在阻力损失一致情况下，设计中采用存在有较大差压值的V形锥形流量计，和孔板测量时的差压值相比也明显偏大，对于差压信号具有显著提升作用，也便于进行变送器校验，进而提升系统测量精度。

公司压缩空气和过热蒸汽的测量点有数十个，随着企业的发展和规模的扩大，测量点还会逐步增多，如果全部使用V形锥流量计进行测量，则每年的节能费将非常可观，同时也为企业自身创造了更多的经济效益和社会效益。

3 结束语

随着在各种不同工矿条件下的广泛应用，V形锥流量计的各种优点得到了明显的体现。更多的从事计量方面的人员认识并认可了V形锥流量计。自从公司使用V形锥流量计以来，大大减少了维护人员的维护量，而且保证了各种介质计量的准确性和运行的稳定性。随着国家节能减排政策的逐步深入，V形锥流量计将会有更加广阔的发展空间。