第三節　流?量?測?量

在火電廠中,工作介質的流量能反映熱力設備的效率及負荷的高低,因此隨時監視某些流體的流量對保證設備安全經濟運行是很重要的。

本節主要介紹橢圓齒輪流量計、差壓式流量計、超聲波流量計、渦街流量計、電磁式流量計、動壓管流量計等各種流量測量的基本知識。

單位時間內通過某截面的物質的量稱為瞬時流量,簡稱流量。一般分質量流量和體積流量兩大類。質量流量一般用qm表示,其國際單位是kg/s;體積流量一般用qv表示,其國際單位是m3/s。質量流量和體積流量的關系為

qm=ρqv(2?20)

在一段時間內通過某截面的物質的量稱為累計流量或流體總量,它是瞬時流量對時間的積分量,分為質量總量Qm和體積總量Qv。

流量計根據工作原理不同可分為以下幾類。

1.速度式流量計

速度式流量計以測量流體在管內的流速作為測量依據,屬于這一類的儀表很多。

(1)葉輪(或渦輪)式流量計。葉輪(或渦輪)被流體沖轉,其轉速與流體的流速成正比。特點是結構簡單、性能可靠、準確度高、測量范圍大、靈敏、耐壓、信號能遠傳,但壽命短。

(2)轉子流量計。轉子流量計又稱羅托計,它由一垂直安裝的錐形管和管內的轉子兩部分組成,如圖2?45所示。玻璃轉子流量計垂直安裝在測量管道上。當流體自下而上流入錐管時,被轉子截流,這樣在轉子上、下游之間產生壓力差;轉子在壓力差(升力)的作用下上升,這時作用在轉子上的力有三個:流體對轉子的升力S、轉子在流體中的浮力A和轉子自身的重力G。當升力與浮力之和等于浮子自身重力時,浮子處于平衡狀態,穩定在某一高度位置上,錐管上的高度指示流體的流量值。

轉子流量計具有結構簡單、讀數直觀、壓力損失小、維修方便等優點,是工業生產中應用較為廣泛的一種。

(3)靶式流量計。它由安裝在管道中的一個圓形靶、杠桿系統及測量電路三部分組成,如圖2?46所示。流體在管道中流動時,對圓形靶產生沖擊力F;此沖擊力與流體的流量之間有確定的對應關系,利用測量電路測出力F的大小即可達到測量流量的目的。

靶式流量計適用于測量雷諾數較低的黏性流體的流量,火電廠中重油等流體的流量測量常采用靶式流量計。

(4)渦街流量計。利用流體振蕩原理進行測量的儀表。特點是量程比寬、結構簡單、無運動件、準確度高、應用范圍廣、使用壽命長等。它可用于液體、氣體、蒸汽的流量測量。

2.容積式流量計

它以單位時間內所排出流體的固定容積作為測量依據,如橢圓齒輪流量計、腰輪流量計、刮板流量計等;其特點是精確、靈敏,但結構復雜。腰輪流量計如圖2?47所示。

3.差壓式流量計

它利用節流件前后的差壓和流量的關系來測量流量。

4.超聲波流量計

該流量計利用超聲波在流動介質與靜止介質中傳播速度不同的原理進行測量,其變化量與介質的流速有關。它屬于非接觸式測量,對流場無干擾、無阻力,不產生壓損,安裝方便,可測量有腐蝕性和黏度大的流體流量。

5.電磁流量計

該流量計利用導電性液體在磁場中運動時產生感應電動勢的原理進行測量,其值和流量成正比。

6.質量流量計

該流量計利用流體在振動管內流動時所產生的科氏力與質量流量成正比的原理來測量,如科里奧利質量流量計。其特點是測量范圍大、準確度高,測量管內無零部件,可測量其他流量計難于測量的含氣流體、含固體顆粒液體等介質的流量;同時,被測流量不受流體溫度、壓力、密度、黏度等變化的影響。

一、容積式流量計

1.測量原理

它的測量部分由兩個相互嚙合的橢圓形齒輪以及軸和殼體等組成,如圖2?48所示。當被測流體流經橢圓齒輪流量計時,它將帶動橢圓齒輪旋轉,流體以月牙形容積為單位體積逐次由入口排到出口;兩個齒輪每轉動一周,排出的流體體積為4倍的月牙形容積。流量公式為

qv=4nV0(2?21)

式中　n——齒輪轉速;

V0——月牙形計量容器的容積。

2.顯示原理

橢圓齒輪流量計測量部分輸出的流量信號是橢圓齒輪的轉速,所以測量轉速的儀表可用來顯示流量。

(1)就地顯示。將轉速經一系列齒輪減速和調整速度比之后,直接帶動儀表的指針和機械計數器,以實現瞬時流量和累計流量的就地顯示。

(2)遠傳顯示。通過減速后的齒輪帶動永久磁鐵旋轉,使干簧繼電器的觸點與永久磁鐵的旋轉頻率同步閉合或斷開,從而發出一個個電脈沖,傳給電磁計數器或電子計數器,以進行流量的顯示或積算。

橢圓齒輪流量計特別適用于測量高黏度流體的流量,測量過程與流體的流動狀態(即Re)無關,量程比較大,壓力損失較小,對儀表前后直管段要求不嚴;缺點是不能測量含固體顆粒的流體流量,所以在其入口處必須加裝過濾器。

二、差壓式流量計

節流是流體力學中的一種普遍現象。當流體流過管道中急驟收縮的局部斷面時,會產生降壓增速現象,這就是節流現象。流體速度越大即流量越大,節流壓降也越大,因此節流現象可以應用于流量測量。根據節流原理設計成的流量計稱為節流變壓降式流量計,又稱為節流式流量計或差壓式流量計。

1.工作原理及流量公式

(1)工作原理。差壓式流量計主要由節流裝置、差壓信號管路和顯示儀表三部分組成。

差壓式流量計的工作原理如圖2?49所示。在管道內裝入節流件,流體流過節流件時流束收縮,于是在節流件前后產生差壓。對于一定形狀和尺寸的節流件,一定的測壓位置和前后直管段情況、一定參數的流體以及其他條件下,節流件前后產生的差壓值隨流量而變,兩者之間有確定的關系。因此可通過測量差壓來測量流量。其他條件不變時,節流件前后的差壓Δp與流量q的關系為q=k。

差壓式流量計適用于被測流體充滿全部管道,并沿著內徑不小于50mm的圓形管道流動;流體在管道內的流動是穩定流,流速為亞聲速;被測流體通過節流裝置時是單相均質流體,不發生相變和析出雜質;標準節流裝置安裝在兩段內徑相同的直管段之間,在節流裝置前后的最小直管段長度內不得有其他凸出物或肉眼可見的粗糙和不平現象等場合。

(2)流量公式。差壓式流量計的流量公式是根據伯努利方程和連續性方程推導出來的。若在節流件前流體的流束還未收縮時選取截面1—1,在節流件后流體的流束慣性收縮達到最細時選取截面2—2,如圖2?50所示;假設管道中流動的流體是不可壓縮流體,且不計流動過程中的水頭損失,則流體流過1—1、2—2截面的伯努利方程為

+=+(2?22)

流體連續性方程為

ρD2v1=ρv2(2?23)

整理得

qm=A2ρv2=×(2?24)

式中　p'1、p'2——截面1—1、2—2上的平均壓力;

v1,v2——截面1—1、2—2上的平均流速;

A2——截面2—2的截面積;

d2——截面2—2上流束的直徑。

由于上式在推導時①沒有考慮流體阻力損失;②節流件前后的壓力實際上只能在管道邊緣取得,不能確切得到p'1-p'2;③流束最小截面的直徑d2難以確定,一般只能用節流件的孔徑d代替,因此實際流量公式是在上述公式基礎上將節流件孔徑及差壓(p1-p2)代換后,并引入修正系數得到的,即

qm=αεd2=αεD2β2(2?25)

壓力、速度的分布情況

式中　α——流量系數;

ε——流束膨脹系數(為了把公式推廣到可壓縮流體而引入的系數);

d——節流件內徑,m;

D——管道內徑,m;

β——直徑比,β=d/D;

ρ1——節流件前流體的密度,kg/m3;

Δp——測得的差壓,Pa。

2.標準節流裝置

節流件的形式很多,有孔板、噴嘴、文丘里管等。目前用得最廣泛的節流件是孔板和噴嘴,這兩種形式的節流件外形、尺寸已標準化,并同時規定了它們的取壓方式和前后直管段要求,總稱為標準節流裝置。整套節流裝置示意圖如圖2?51所示。

由圖2?51可見,標準節流裝置除包括節流件及取壓裝置外,還包括節流件上游側第一個局部阻力件、第二個局部阻力件,下游側第一個局部阻力件以及它們之間的直管段長度。

(1)標準孔板

① 結構。標準孔板是一塊中心開孔的旋轉對稱體圓盤,其結構如圖2?52所示。

標準孔板的進口圓筒形部分應與管道同心安裝,其中心線與管道中心線的偏差不得大于0.015D(1/β-1)。孔板上游端面A的粗糙度要求最大凹凸尺寸不得超過0.0003d;下游端面B應與A面平行,其粗糙度較A面低一級。孔板入口邊緣G應是尖銳、無毛刺和劃痕的直角。出口邊緣H和I要求沒有肉眼可見的粗糙不平之處和毛刺。孔板厚度E和圓筒厚度e都不能過大,要求e=0.005~0.02D,但在β<0.2時,e應在0.005~0.01D之間,e≤E≤0.05D。斜面角F=30°~45°。

標準孔板采用角接取壓時適用于管道直徑D=50~1000mm、直徑比β=0.22~0.80、雷諾數Re=5000~107的場合。

② 取壓方式。標準孔板的取壓方式分角接取壓和法蘭取壓兩種。

a.角接取壓。標準孔板的角接取壓如圖2?53所示。采用角接取壓時,孔板上、下游側取壓孔的軸線分別與孔板上、下游側端面的距離等于取壓孔徑的一半或取壓環隙寬度的一半。也就是取壓口應緊靠節流元件上、下游端面。角接取壓時孔板兩側的壓力由它們與管道形成的角頂處取出。取壓口有環室和單獨鉆孔兩種結構形式。

單獨鉆孔取壓是在孔板前后夾緊環上各鉆一取壓孔(圖2?53下半部情況),壓力信號管直接接在兩孔上;環室取壓則是在孔板上、下端各裝一環室(圖2?53上半部情況),壓力信號由孔板與環室空腔之間的縫隙a引到環室空腔,再由環室通到壓力信號管道。環室的作用主要是均衡端面邊緣部分的壓力。環室縫隙也可以采用不連續的縫隙,但至少應等角均分為四段。單獨鉆孔的取壓直徑b及環室縫隙寬度a規定為:

β≤0.65時,0.005D≤a(或b)≤0.03D;β>0.65時,0.01D≤a(或b)≤0.02D;并且b應在4~10mm之間取值,a應在1~10mm之間取值。

b.法蘭取壓。標準孔板夾于兩片法蘭之間,上、下游側取壓孔中心距離孔板上、下游端面(25.4±0.8)mm(即1in);取壓孔徑不大于0.08D,并在6~12mm之間取值;孔軸線必須垂直于管道軸線。標準孔板的法蘭取壓如圖2?54所示。

(2)標準噴嘴

① 結構。標準噴嘴是一個以管道軸線為中心的旋轉對稱體,由入口收縮部分的兩段圓弧曲面和出口圓筒形喉部光滑連接組成,如圖2?55所示。用于不同管道內徑的標準噴嘴,其結構形式是幾何相似的。

標準噴嘴可用于內徑為50~500mm的管道,適用于雷諾數Re=2×104~2×106、直徑比β=0.32~0.80的范圍內。

② 取壓方式。標準噴嘴只采用角接取壓方式,其結構形式與標準孔板角接取壓結構形式相同,如圖2?55(a)所示。

三、智能流量計

智能流量計主要用于各種介質的流量測量,并能對壓力和溫度變化進行自動補償,尤其適用于電廠主蒸汽流量的測量。該儀表的核心部分是單片微機系統,它具有快速準確的運算功能和控制功能;與差壓、壓力、溫度變送器配合,能方便地對差壓信號進行開方運算;對被測介質由于壓力、溫度變化產生的測量誤差能進行快速修正;對瞬時流量能進行累計積算;能測試儀表本身是否正常,具有自診斷功能等,故稱為智能流量計。

智能流量計不僅能輸出模擬標準信號,還能以數字形式顯示測量值,并具有斷電保持功能。智能流量計結構簡單、適應性廣、測量準確、可靠性高,所以應用廣泛。

下面簡要介紹智能流量計的構成及使用方法。

1.儀表的組成

智能流量計一般由I/f轉換器、單片機、顯示器、鍵盤、斷電保持電池和整機電源組成,如圖2?56所示。

來自差壓變送器、溫度變送器、壓力變送器的標準電流信號作為流量計的輸入信號Ii,分別經相應的電流頻率轉換器(I/f)轉換成0~1000Hz的線性脈沖信號,再送入單片微機中。在控制信號作用下,微機按程序有步驟地對輸入信號進行采樣,進行快速運算、校正及累計。計算所得的瞬時流量值和累計流量值由顯示器進行數字顯示。

2.儀表的使用

儀表的面板布置如圖2?57所示。顯示器采用六位LED數碼管,顯示內容包括符號及數值。面板上各按鈕及儀表工作/調校開關的作用如下:

(1)顯示選擇按鈕。儀表對各參數的測量值顯示,由該按鈕進行選擇。按動該按鈕可顯示被測介質的瞬時溫度C、瞬時壓力P、瞬時流量F和累計流量(無符號)。連續按下這個按鈕,可依次顯示四個參數值。如:

F 1000表示瞬時流量F=1000t/h;

C 550.0表示瞬時溫度C=550℃;

P 17.00表示瞬時壓力P=17MPa;

95200.5表示累計流量為95200.5t。

(2)清零按鈕。開機或重新整定參數時,對儀表清零。按動此按鈕,顯示器顯示F?0。

(3)工作/調校開關。儀表在投入運行前,需通過鍵盤輸入各個資料,這時要將開關置于調校位置。接通電源后,儀表顯示F?0,表示儀表處于正常就緒狀態,如顯示其他的字或數,則按清零按鈕使其顯示F?0;儀表等待參數輸入,使用者可通過鍵盤依次輸入各參數。所有資料輸入完畢后,再按顯示按鈕,儀表顯示F?0,調校工作結束。最后將工作/調校開關置于工作位置,儀表仍顯示F?0,即可投入運行。

四、其他流量計

1.超聲波流量計

超聲波流量計是一種新型流量計,它分為能動型和被動型兩大類。能動型根據工作原理不同又可分為速度差法(超聲波在順流與逆流中的傳播速度之差與介質流速有關)、射束位移法(在流體中傳播的超聲波束,會因流體的流動而產生偏移;此方法宜測高速流體的流量,準確度較低)和多普勒效應法(對液體中心的懸浮物連續發射超聲波,測量與流束有關的反射波的頻率移動;此方法適用于液體中含有大量異物和氣泡等的場合)。被動型是測量流動產生的聲音,也叫聽音法。在此簡要介紹速度差法。

(1)超聲波概述。超聲波是一種機械波,是機械振動在媒質中的傳播過程。20kHz以上頻率的機械波稱為超聲波,其波長較短,近似直線傳播,在固體和液體媒質內衰減比電磁波小,能量容易集中,可形成較大強度,產生劇烈振動,并能引起很多特殊作用。

用來發射和接收超聲波的裝置稱為超聲波換能器。超聲波換能器可分為發射換能器和接受換能器兩大類。發射換能器是使其他形式的能量轉換為超聲波的能量,而接受換能器是使超聲波的能量轉換為其他形式易于檢測的能量。

電聲轉換器是將聲能轉換成電能或將電能轉換成聲能的器件。電聲工程中的傳聲器、揚聲器和耳機是最典型的電能、聲能之間相互變換的器件,統稱為電聲轉換器,亦稱電聲換能器。在超聲波檢測中往往用一個超聲波換能器既作發射換能器,又作接受換能器。常采用壓電換能器。

常用的壓電材料有壓電單晶體(如石英)和多晶壓電陶瓷(如鈦酸鋇壓電陶瓷、鋯鈦酸鉛壓電陶瓷等)。

壓電片的振動方式有薄片的厚度振動、縱片的長度振動及橫片的長度振動等。

(2)超聲波流量計原理。超聲波在順流與逆流中的傳播速度之差與介質流速有關,測得介質流速,即可得出流量。超聲波在順、逆流中的傳播情況如圖2?58所示。測定傳播速度差的方法很多,主要有時間差、相位差和頻率差等方法。

超聲波在管壁間的傳播軌跡如圖2?59所示。

(3)流量公式。設靜止流體中的聲速為c,流體流速為v,流體靜止時超聲波軌跡與管道軸線之間的夾角為θ,管道直徑為D,則流量公式為

qv=D2v=Dc2tanθΔt(2?26)

式中　Δt——超聲波在順流和逆流介質中傳播的時間差。

超聲波流量計屬于非接觸式測量,對流體流動無干擾、無阻力,不產生壓力損失;受介質物理性質的限制比較少,適應性較強。其特點是可用于高溫、高壓、防爆、強腐蝕性、黏性、非導電、渾濁度大的液體的流量測量,而且準確度高;量程比較寬,可達5∶1;輸出與流量之間為線性;安裝方便,只要將管外壁打磨光,抹上硅油,使其接觸良好即可。缺點是當液體中含有氣泡或有噪聲時,會影響聲波傳播;結構復雜,成本高。

超聲波流量計實際測定的是流體速度,它將受速度分布不均的影響,故要求變送器前后分別有10D和5D的直管段長度。

2.渦街流量計

渦街流量計是速度式流量計的一種,它以卡門渦街理論為基礎,采用壓電晶體檢測流體通過管道內漩渦發生體時所產生的漩渦頻率,從而測量出流體的流量。渦街流量計廣泛應用于石油、化工、電力等行業。

當管道中流體介質通過漩渦發生體(如三角柱)時,會由于局部流速加速而產生漩渦現象,如圖2?60(a)所示;此漩渦分成兩列交替地出現,這種漩渦列被稱為卡門渦街。卡門渦街的釋放頻率與漩渦發生體的尺寸和流體的流動速度有關,而與介質的溫度、壓力等特性參數無關。渦街流量計外形如圖2?60(b)所示。

對于工業圓管,漩渦流量計一般工作在Re=103~105的范圍內。體積流量與頻率的關系為

qv===(2?27)

式中　D——管道直徑;

d——漩渦發生體寬度;

f——單側漩渦產生的頻率;

St——斯特勞哈爾數;

K——流量計的流量系數,表征單位體積的脈沖量。

可見在一定的Re范圍內,體積流量與漩渦的頻率呈線性關系。

渦街流量計測量準確度高,量程寬;工作溫度可達350℃;無運動部件,無磨損,可靠性高;表體采用不銹鋼材料,耐腐蝕;適用于氣體、液體、蒸汽的流量測量。

3.電磁流量計

電磁流量計的基本原理是法拉第電磁感應定律,導電性液體在垂直于磁場的非磁性測量管內流動,在與流動方向垂直的方向上產生與流量成比例的感應電動勢。電動勢的方向按右手規則確定,如圖2?61所示。

電磁流量計由流量傳感器和轉換器兩大部分組成,傳感器的典型結構如圖2?62所示。測量管上、下裝有勵磁線圈,通勵磁電流后產生的磁場穿過測量管;一對電極裝在測量管內壁與液體相接觸,引出感應電動勢,送到轉換器轉換成統一輸出信號。

電磁流量計的測量通道是一段光滑直管,不易阻塞,能測量各類導電液體的體積流量。電磁流量計特別適用于測量含有固體顆粒或纖維的液固兩相流體,如紙漿、煤水漿、礦漿、泥漿和污水等,但不能測量氣體、蒸汽、含有較多較大氣泡的液體、石油制品和有機溶劑等電導率很低的流體流量。

4.動壓管流量計

(1)動壓測量原理。若能測出流體中某點的總壓和靜壓,根據伯努利方程就可以求得該點的流速。在圖2?63中,A端是測量總壓的管口,它正對來流,流動在此處滯止,形成駐點。如令pA為滯止前流體的靜壓,vA為流速,pZ為流體的滯止壓力,則

+=(2?28)

即vA=(2?29)

pZ—A點的總壓力;pJ—A截面的靜壓力;

vA—A點的流速

式(2?29)是理論上的結果,實際上無法同時測出A點沒有滯止時的靜壓和滯止后的總壓。如果在管道截面上靜壓力可被認為一致,則可以測量pJ代替pA。將總壓測量管和靜壓測量管的輸出引入差壓顯示儀表,則可直接顯示動壓力。

在一定條件下,可由測出的動壓力求出流體在此截面上的平均流速,進而獲得流體的流量,這就是動壓管測流量的原理。顯然,它屬于速度法。電廠中常用的靠背管流量計就是根據這一原理工作的,如圖2?64所示。

實用的動壓測量管和靜壓測量管組合成一體,按其結構有基本型皮托管、均速管(又稱為動壓平均管、笛形管或阿紐巴管)和翼形動壓管等。

(2)均速管流量計。均速管如圖2?65所示。在圓管的直徑上同時測量多個點(此圖為4點)的總壓,直接輸出與動壓平均值成比例的差壓Δp=-,此差壓Δp能反映平均流速,從而可測體積流量。

均速管是一中空的桿,截面為圓形、菱形等形狀。它安裝在圓形管道選定的截面上,其位置與直徑重合,特點是結構簡單、安裝方便、能量損失小、適用管路很寬(D=25~9000mm)、流體參數可以較高(400℃,32MPa,耐溫由材料決定)、對直管段長度的要求較節流變壓降式流量計短;但量程比低(3∶1),靈敏度不夠大,且輸出與輸入為平方關系。