第三节　流 量 测 量

在火电厂中,工作介质的流量能反映热力设备的效率及负荷的高低,因此随时监视某些流体的流量对保证设备安全经济运行是很重要的。

本节主要介绍椭圆齿轮流量计、差压式流量计、超声波流量计、涡街流量计、电磁式流量计、动压管流量计等各种流量测量的基本知识。

单位时间内通过某截面的物质的量称为瞬时流量,简称流量。一般分质量流量和体积流量两大类。质量流量一般用qm表示,其国际单位是kg/s;体积流量一般用qv表示,其国际单位是m3/s。质量流量和体积流量的关系为

qm=ρqv(2⁃20)

在一段时间内通过某截面的物质的量称为累计流量或流体总量,它是瞬时流量对时间的积分量,分为质量总量Qm和体积总量Qv。

流量计根据工作原理不同可分为以下几类。

1.速度式流量计

速度式流量计以测量流体在管内的流速作为测量依据,属于这一类的仪表很多。

(1)叶轮(或涡轮)式流量计。叶轮(或涡轮)被流体冲转,其转速与流体的流速成正比。特点是结构简单、性能可靠、准确度高、测量范围大、灵敏、耐压、信号能远传,但寿命短。

(2)转子流量计。转子流量计又称罗托计,它由一垂直安装的锥形管和管内的转子两部分组成,如图2⁃45所示。玻璃转子流量计垂直安装在测量管道上。当流体自下而上流入锥管时,被转子截流,这样在转子上、下游之间产生压力差;转子在压力差(升力)的作用下上升,这时作用在转子上的力有三个:流体对转子的升力S、转子在流体中的浮力A和转子自身的重力G。当升力与浮力之和等于浮子自身重力时,浮子处于平衡状态,稳定在某一高度位置上,锥管上的高度指示流体的流量值。

转子流量计具有结构简单、读数直观、压力损失小、维修方便等优点,是工业生产中应用较为广泛的一种。

(3)靶式流量计。它由安装在管道中的一个圆形靶、杠杆系统及测量电路三部分组成,如图2⁃46所示。流体在管道中流动时,对圆形靶产生冲击力F;此冲击力与流体的流量之间有确定的对应关系,利用测量电路测出力F的大小即可达到测量流量的目的。

靶式流量计适用于测量雷诺数较低的黏性流体的流量,火电厂中重油等流体的流量测量常采用靶式流量计。

(4)涡街流量计。利用流体振荡原理进行测量的仪表。特点是量程比宽、结构简单、无运动件、准确度高、应用范围广、使用寿命长等。它可用于液体、气体、蒸汽的流量测量。

2.容积式流量计

它以单位时间内所排出流体的固定容积作为测量依据,如椭圆齿轮流量计、腰轮流量计、刮板流量计等;其特点是精确、灵敏,但结构复杂。腰轮流量计如图2⁃47所示。

3.差压式流量计

它利用节流件前后的差压和流量的关系来测量流量。

4.超声波流量计

该流量计利用超声波在流动介质与静止介质中传播速度不同的原理进行测量,其变化量与介质的流速有关。它属于非接触式测量,对流场无干扰、无阻力,不产生压损,安装方便,可测量有腐蚀性和黏度大的流体流量。

5.电磁流量计

该流量计利用导电性液体在磁场中运动时产生感应电动势的原理进行测量,其值和流量成正比。

6.质量流量计

该流量计利用流体在振动管内流动时所产生的科氏力与质量流量成正比的原理来测量,如科里奥利质量流量计。其特点是测量范围大、准确度高,测量管内无零部件,可测量其他流量计难于测量的含气流体、含固体颗粒液体等介质的流量;同时,被测流量不受流体温度、压力、密度、黏度等变化的影响。

一、容积式流量计

1.测量原理

它的测量部分由两个相互啮合的椭圆形齿轮以及轴和壳体等组成,如图2⁃48所示。当被测流体流经椭圆齿轮流量计时,它将带动椭圆齿轮旋转,流体以月牙形容积为单位体积逐次由入口排到出口;两个齿轮每转动一周,排出的流体体积为4倍的月牙形容积。流量公式为

qv=4nV0(2⁃21)

式中　n——齿轮转速;

V0——月牙形计量容器的容积。

2.显示原理

椭圆齿轮流量计测量部分输出的流量信号是椭圆齿轮的转速,所以测量转速的仪表可用来显示流量。

(1)就地显示。将转速经一系列齿轮减速和调整速度比之后,直接带动仪表的指针和机械计数器,以实现瞬时流量和累计流量的就地显示。

(2)远传显示。通过减速后的齿轮带动永久磁铁旋转,使干簧继电器的触点与永久磁铁的旋转频率同步闭合或断开,从而发出一个个电脉冲,传给电磁计数器或电子计数器,以进行流量的显示或积算。

椭圆齿轮流量计特别适用于测量高黏度流体的流量,测量过程与流体的流动状态(即Re)无关,量程比较大,压力损失较小,对仪表前后直管段要求不严;缺点是不能测量含固体颗粒的流体流量,所以在其入口处必须加装过滤器。

二、差压式流量计

节流是流体力学中的一种普遍现象。当流体流过管道中急骤收缩的局部断面时,会产生降压增速现象,这就是节流现象。流体速度越大即流量越大,节流压降也越大,因此节流现象可以应用于流量测量。根据节流原理设计成的流量计称为节流变压降式流量计,又称为节流式流量计或差压式流量计。

1.工作原理及流量公式

(1)工作原理。差压式流量计主要由节流装置、差压信号管路和显示仪表三部分组成。

差压式流量计的工作原理如图2⁃49所示。在管道内装入节流件,流体流过节流件时流束收缩,于是在节流件前后产生差压。对于一定形状和尺寸的节流件,一定的测压位置和前后直管段情况、一定参数的流体以及其他条件下,节流件前后产生的差压值随流量而变,两者之间有确定的关系。因此可通过测量差压来测量流量。其他条件不变时,节流件前后的差压Δp与流量q的关系为q=k。

差压式流量计适用于被测流体充满全部管道,并沿着内径不小于50mm的圆形管道流动;流体在管道内的流动是稳定流,流速为亚声速;被测流体通过节流装置时是单相均质流体,不发生相变和析出杂质;标准节流装置安装在两段内径相同的直管段之间,在节流装置前后的最小直管段长度内不得有其他凸出物或肉眼可见的粗糙和不平现象等场合。

(2)流量公式。差压式流量计的流量公式是根据伯努利方程和连续性方程推导出来的。若在节流件前流体的流束还未收缩时选取截面1—1,在节流件后流体的流束惯性收缩达到最细时选取截面2—2,如图2⁃50所示;假设管道中流动的流体是不可压缩流体,且不计流动过程中的水头损失,则流体流过1—1、2—2截面的伯努利方程为

+=+(2⁃22)

流体连续性方程为

ρD2v1=ρv2(2⁃23)

整理得

qm=A2ρv2=×(2⁃24)

式中　p'1、p'2——截面1—1、2—2上的平均压力;

v1,v2——截面1—1、2—2上的平均流速;

A2——截面2—2的截面积;

d2——截面2—2上流束的直径。

由于上式在推导时①没有考虑流体阻力损失;②节流件前后的压力实际上只能在管道边缘取得,不能确切得到p'1-p'2;③流束最小截面的直径d2难以确定,一般只能用节流件的孔径d代替,因此实际流量公式是在上述公式基础上将节流件孔径及差压(p1-p2)代换后,并引入修正系数得到的,即

qm=αεd2=αεD2β2(2⁃25)

压力、速度的分布情况

式中　α——流量系数;

ε——流束膨胀系数(为了把公式推广到可压缩流体而引入的系数);

d——节流件内径,m;

D——管道内径,m;

β——直径比,β=d/D;

ρ1——节流件前流体的密度,kg/m3;

Δp——测得的差压,Pa。

2.标准节流装置

节流件的形式很多,有孔板、喷嘴、文丘里管等。目前用得最广泛的节流件是孔板和喷嘴,这两种形式的节流件外形、尺寸已标准化,并同时规定了它们的取压方式和前后直管段要求,总称为标准节流装置。整套节流装置示意图如图2⁃51所示。

由图2⁃51可见,标准节流装置除包括节流件及取压装置外,还包括节流件上游侧第一个局部阻力件、第二个局部阻力件,下游侧第一个局部阻力件以及它们之间的直管段长度。

(1)标准孔板

① 结构。标准孔板是一块中心开孔的旋转对称体圆盘,其结构如图2⁃52所示。

标准孔板的进口圆筒形部分应与管道同心安装,其中心线与管道中心线的偏差不得大于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过0.0003d;下游端面B应与A面平行,其粗糙度较A面低一级。孔板入口边缘G应是尖锐、无毛刺和划痕的直角。出口边缘H和I要求没有肉眼可见的粗糙不平之处和毛刺。孔板厚度E和圆筒厚度e都不能过大,要求e=0.005~0.02D,但在β<0.2时,e应在0.005~0.01D之间,e≤E≤0.05D。斜面角F=30°~45°。

标准孔板采用角接取压时适用于管道直径D=50~1000mm、直径比β=0.22~0.80、雷诺数Re=5000~107的场合。

② 取压方式。标准孔板的取压方式分角接取压和法兰取压两种。

a.角接取压。标准孔板的角接取压如图2⁃53所示。采用角接取压时,孔板上、下游侧取压孔的轴线分别与孔板上、下游侧端面的距离等于取压孔径的一半或取压环隙宽度的一半。也就是取压口应紧靠节流元件上、下游端面。角接取压时孔板两侧的压力由它们与管道形成的角顶处取出。取压口有环室和单独钻孔两种结构形式。

单独钻孔取压是在孔板前后夹紧环上各钻一取压孔(图2⁃53下半部情况),压力信号管直接接在两孔上;环室取压则是在孔板上、下端各装一环室(图2⁃53上半部情况),压力信号由孔板与环室空腔之间的缝隙a引到环室空腔,再由环室通到压力信号管道。环室的作用主要是均衡端面边缘部分的压力。环室缝隙也可以采用不连续的缝隙,但至少应等角均分为四段。单独钻孔的取压直径b及环室缝隙宽度a规定为:

β≤0.65时,0.005D≤a(或b)≤0.03D;β>0.65时,0.01D≤a(或b)≤0.02D;并且b应在4~10mm之间取值,a应在1~10mm之间取值。

b.法兰取压。标准孔板夹于两片法兰之间,上、下游侧取压孔中心距离孔板上、下游端面(25.4±0.8)mm(即1in);取压孔径不大于0.08D,并在6~12mm之间取值;孔轴线必须垂直于管道轴线。标准孔板的法兰取压如图2⁃54所示。

(2)标准喷嘴

① 结构。标准喷嘴是一个以管道轴线为中心的旋转对称体,由入口收缩部分的两段圆弧曲面和出口圆筒形喉部光滑连接组成,如图2⁃55所示。用于不同管道内径的标准喷嘴,其结构形式是几何相似的。

标准喷嘴可用于内径为50~500mm的管道,适用于雷诺数Re=2×104~2×106、直径比β=0.32~0.80的范围内。

② 取压方式。标准喷嘴只采用角接取压方式,其结构形式与标准孔板角接取压结构形式相同,如图2⁃55(a)所示。

三、智能流量计

智能流量计主要用于各种介质的流量测量,并能对压力和温度变化进行自动补偿,尤其适用于电厂主蒸汽流量的测量。该仪表的核心部分是单片微机系统,它具有快速准确的运算功能和控制功能;与差压、压力、温度变送器配合,能方便地对差压信号进行开方运算;对被测介质由于压力、温度变化产生的测量误差能进行快速修正;对瞬时流量能进行累计积算;能测试仪表本身是否正常,具有自诊断功能等,故称为智能流量计。

智能流量计不仅能输出模拟标准信号,还能以数字形式显示测量值,并具有断电保持功能。智能流量计结构简单、适应性广、测量准确、可靠性高,所以应用广泛。

下面简要介绍智能流量计的构成及使用方法。

1.仪表的组成

智能流量计一般由I/f转换器、单片机、显示器、键盘、断电保持电池和整机电源组成,如图2⁃56所示。

来自差压变送器、温度变送器、压力变送器的标准电流信号作为流量计的输入信号Ii,分别经相应的电流频率转换器(I/f)转换成0~1000Hz的线性脉冲信号,再送入单片微机中。在控制信号作用下,微机按程序有步骤地对输入信号进行采样,进行快速运算、校正及累计。计算所得的瞬时流量值和累计流量值由显示器进行数字显示。

2.仪表的使用

仪表的面板布置如图2⁃57所示。显示器采用六位LED数码管,显示内容包括符号及数值。面板上各按钮及仪表工作/调校开关的作用如下:

(1)显示选择按钮。仪表对各参数的测量值显示,由该按钮进行选择。按动该按钮可显示被测介质的瞬时温度C、瞬时压力P、瞬时流量F和累计流量(无符号)。连续按下这个按钮,可依次显示四个参数值。如:

F 1000表示瞬时流量F=1000t/h;

C 550.0表示瞬时温度C=550℃;

P 17.00表示瞬时压力P=17MPa;

95200.5表示累计流量为95200.5t。

(2)清零按钮。开机或重新整定参数时,对仪表清零。按动此按钮,显示器显示F⁃0。

(3)工作/调校开关。仪表在投入运行前,需通过键盘输入各个资料,这时要将开关置于调校位置。接通电源后,仪表显示F⁃0,表示仪表处于正常就绪状态,如显示其他的字或数,则按清零按钮使其显示F⁃0;仪表等待参数输入,使用者可通过键盘依次输入各参数。所有资料输入完毕后,再按显示按钮,仪表显示F⁃0,调校工作结束。最后将工作/调校开关置于工作位置,仪表仍显示F⁃0,即可投入运行。

四、其他流量计

1.超声波流量计

超声波流量计是一种新型流量计,它分为能动型和被动型两大类。能动型根据工作原理不同又可分为速度差法(超声波在顺流与逆流中的传播速度之差与介质流速有关)、射束位移法(在流体中传播的超声波束,会因流体的流动而产生偏移;此方法宜测高速流体的流量,准确度较低)和多普勒效应法(对液体中心的悬浮物连续发射超声波,测量与流束有关的反射波的频率移动;此方法适用于液体中含有大量异物和气泡等的场合)。被动型是测量流动产生的声音,也叫听音法。在此简要介绍速度差法。

(1)超声波概述。超声波是一种机械波,是机械振动在媒质中的传播过程。20kHz以上频率的机械波称为超声波,其波长较短,近似直线传播,在固体和液体媒质内衰减比电磁波小,能量容易集中,可形成较大强度,产生剧烈振动,并能引起很多特殊作用。

用来发射和接收超声波的装置称为超声波换能器。超声波换能器可分为发射换能器和接受换能器两大类。发射换能器是使其他形式的能量转换为超声波的能量,而接受换能器是使超声波的能量转换为其他形式易于检测的能量。

电声转换器是将声能转换成电能或将电能转换成声能的器件。电声工程中的传声器、扬声器和耳机是最典型的电能、声能之间相互变换的器件,统称为电声转换器,亦称电声换能器。在超声波检测中往往用一个超声波换能器既作发射换能器,又作接受换能器。常采用压电换能器。

常用的压电材料有压电单晶体(如石英)和多晶压电陶瓷(如钛酸钡压电陶瓷、锆钛酸铅压电陶瓷等)。

压电片的振动方式有薄片的厚度振动、纵片的长度振动及横片的长度振动等。

(2)超声波流量计原理。超声波在顺流与逆流中的传播速度之差与介质流速有关,测得介质流速,即可得出流量。超声波在顺、逆流中的传播情况如图2⁃58所示。测定传播速度差的方法很多,主要有时间差、相位差和频率差等方法。

超声波在管壁间的传播轨迹如图2⁃59所示。

(3)流量公式。设静止流体中的声速为c,流体流速为v,流体静止时超声波轨迹与管道轴线之间的夹角为θ,管道直径为D,则流量公式为

qv=D2v=Dc2tanθΔt(2⁃26)

式中　Δt——超声波在顺流和逆流介质中传播的时间差。

超声波流量计属于非接触式测量,对流体流动无干扰、无阻力,不产生压力损失;受介质物理性质的限制比较少,适应性较强。其特点是可用于高温、高压、防爆、强腐蚀性、黏性、非导电、浑浊度大的液体的流量测量,而且准确度高;量程比较宽,可达5∶1;输出与流量之间为线性;安装方便,只要将管外壁打磨光,抹上硅油,使其接触良好即可。缺点是当液体中含有气泡或有噪声时,会影响声波传播;结构复杂,成本高。

超声波流量计实际测定的是流体速度,它将受速度分布不均的影响,故要求变送器前后分别有10D和5D的直管段长度。

2.涡街流量计

涡街流量计是速度式流量计的一种,它以卡门涡街理论为基础,采用压电晶体检测流体通过管道内漩涡发生体时所产生的漩涡频率,从而测量出流体的流量。涡街流量计广泛应用于石油、化工、电力等行业。

当管道中流体介质通过漩涡发生体(如三角柱)时,会由于局部流速加速而产生漩涡现象,如图2⁃60(a)所示;此漩涡分成两列交替地出现,这种漩涡列被称为卡门涡街。卡门涡街的释放频率与漩涡发生体的尺寸和流体的流动速度有关,而与介质的温度、压力等特性参数无关。涡街流量计外形如图2⁃60(b)所示。

对于工业圆管,漩涡流量计一般工作在Re=103~105的范围内。体积流量与频率的关系为

qv===(2⁃27)

式中　D——管道直径;

d——漩涡发生体宽度;

f——单侧漩涡产生的频率;

St——斯特劳哈尔数;

K——流量计的流量系数,表征单位体积的脉冲量。

可见在一定的Re范围内,体积流量与漩涡的频率呈线性关系。

涡街流量计测量准确度高,量程宽;工作温度可达350℃;无运动部件,无磨损,可靠性高;表体采用不锈钢材料,耐腐蚀;适用于气体、液体、蒸汽的流量测量。

3.电磁流量计

电磁流量计的基本原理是法拉第电磁感应定律,导电性液体在垂直于磁场的非磁性测量管内流动,在与流动方向垂直的方向上产生与流量成比例的感应电动势。电动势的方向按右手规则确定,如图2⁃61所示。

电磁流量计由流量传感器和转换器两大部分组成,传感器的典型结构如图2⁃62所示。测量管上、下装有励磁线圈,通励磁电流后产生的磁场穿过测量管;一对电极装在测量管内壁与液体相接触,引出感应电动势,送到转换器转换成统一输出信号。

电磁流量计的测量通道是一段光滑直管,不易阻塞,能测量各类导电液体的体积流量。电磁流量计特别适用于测量含有固体颗粒或纤维的液固两相流体,如纸浆、煤水浆、矿浆、泥浆和污水等,但不能测量气体、蒸汽、含有较多较大气泡的液体、石油制品和有机溶剂等电导率很低的流体流量。

4.动压管流量计

(1)动压测量原理。若能测出流体中某点的总压和静压,根据伯努利方程就可以求得该点的流速。在图2⁃63中,A端是测量总压的管口,它正对来流,流动在此处滞止,形成驻点。如令pA为滞止前流体的静压,vA为流速,pZ为流体的滞止压力,则

+=(2⁃28)

即vA=(2⁃29)

pZ—A点的总压力;pJ—A截面的静压力;

vA—A点的流速

式(2⁃29)是理论上的结果,实际上无法同时测出A点没有滞止时的静压和滞止后的总压。如果在管道截面上静压力可被认为一致,则可以测量pJ代替pA。将总压测量管和静压测量管的输出引入差压显示仪表,则可直接显示动压力。

在一定条件下,可由测出的动压力求出流体在此截面上的平均流速,进而获得流体的流量,这就是动压管测流量的原理。显然,它属于速度法。电厂中常用的靠背管流量计就是根据这一原理工作的,如图2⁃64所示。

实用的动压测量管和静压测量管组合成一体,按其结构有基本型皮托管、均速管(又称为动压平均管、笛形管或阿纽巴管)和翼形动压管等。

(2)均速管流量计。均速管如图2⁃65所示。在圆管的直径上同时测量多个点(此图为4点)的总压,直接输出与动压平均值成比例的差压Δp=-,此差压Δp能反映平均流速,从而可测体积流量。

均速管是一中空的杆,截面为圆形、菱形等形状。它安装在圆形管道选定的截面上,其位置与直径重合,特点是结构简单、安装方便、能量损失小、适用管路很宽(D=25~9000mm)、流体参数可以较高(400℃,32MPa,耐温由材料决定)、对直管段长度的要求较节流变压降式流量计短;但量程比低(3∶1),灵敏度不够大,且输出与输入为平方关系。