塔形流量计在济钢煤气系统计量中的应用

    发展循环经济，实现企业的可持续发展，能源计量是不可缺少的基础，但是冶金企业能源计量存在很多难题，尤其是煤气系统管道直径大、介质脏污，受工艺环境和工艺技术影响很难满足检测要求，严重影响检测装置的计量准确性。如何解决煤气系统的计量问题，一直困扰着冶金企业。塔形流量计是近几年才出现的一种新型流量计，与孔板相比，塔形流量计有着无可比拟的优势。

    一、塔形流量计的结构及其工作原理

    1. 塔形流量计的结构

    塔形流量计本身是一个整体结构，无可动部件，如图1所示。

    2. 工作原理

    塔形流量计是一种节流式差压流量计，遵循封闭管道中流体质量守恒（连续性方程）和能量守恒（伯努利方程）定律。

    标准节流件普遍适用的流量方程为

    塔形流量计采用等效的开孔直径d_v（锥形体最大截面圆的直径）代替了标准节流件的开孔直径d。同时采用一个等效β_v取代β，即

    所以，塔形流量计的实用流量方程为

    式（4）、（5）和式（1）、（2）实质是相同的，只是用等效的D²、β_v²替换d²。

    式中：q_m、q_v―――质量流量，kg/s、体积流量，m³/s；C―――流出系数；β_v―――等效直径比，

    塔形流量计的可膨胀性系数为

    式中：ΔP―――差压；β_v―――锥形体的等效直径比；K―――可压缩流体的等熵指数；P₁―――节流件上游取压孔处的绝对压力（单位与ΔP相同）。

    二、塔形流量计的优点

    1.对流体有均速作用

    流体在管道中流动时，当流体流动不受任何阻碍和干扰达到充分发展状态时，其速度分别为：越靠近管道中心流速越快，在中心处达到最快；越靠近管壁流速越慢，在管壁处接近零。而塔形流量计由于锥形体处在管道中心，它直接把流体从高速流动的中心部位分开，使流速快的流体分别向四周流速慢的流体靠拢并拉动它们混合一起流动，这种快慢混合的结果是：原本流速快慢的差别消失了，流体变成了真正的均匀流动。流体流速被均匀化所带来的好处是：测量信号真实反映了被测流体的实际值，并使得在低流速时流量计前后仍能产生足够准确的差压，随着流速的降低，这种作用更加显著，而传统的差压式仪表对这种情况可能早已不能测量了。

    2. 具有很强的抗干扰能力

    流体流动遇到阻挡物时会在其后部产生漩涡流，如涡街流量计就是基于这个原理工作的。同理，像孔板等节流件在管道中也是阻挡物，在其后部除了产生静压力差外必然也会产生漩涡流。然而，这个漩涡流对于涡街流量计来讲是有用的信号，对于差压式流量计却是有害的干扰。因为这个干扰的存在会在节流件下游产生“信号跳动”现象，严重干扰了正常信号的测量。塔形的结构是边壁节流，节流件后部产生干扰流的分布是等量相反（对称分布）而相互抵消，因此使干扰程度大大减轻。而孔板等传统节流件是中心节流，产生的干扰流方向直接指向取压口，严重干扰了测量信号，特别是小流量时干扰甚至大于测量信号而无法正常工作。经过大量的试验和科学检测证明，孔板负压端产生的是高幅度低频率跳动，而塔形负压端产生的是低幅度低频率跳动。

    3. 对流体的整流功能

    绝大多数流量仪表要求足够长的前后直管段，目的就是为了使流体流动状态成为充分发展管流以复现实验条件下的流动状态。但是由于现场工艺条件复杂，如管道中有各种阀门、弯头、缩径、扩径、泵等，使得仪表所需较长的直管段很难满足，所测量误差增大。因此，绝大多数流量仪表很难在不满足直管段条件下取得准确的测量值。而塔形流量计由于其边壁节流的特殊结构，使得流体在遇到塔形节流件时，被强迫按照“管壁与节流件之间由宽变窄的狭长通道”内流动，该通道可以等效为一个管式整流器，经过这个通道后，各种干扰流的变化为：不规则流动―被迫在规定的通道流动―变成规则流动。因此，它能够对上游处因各种外界因素引起的不规则的流动畸变自动进行矫正整流，从而使到达测量区的流动形成规则的流动。因此只需极短的直管段就能取得准确的测量值，由此大大减轻了用户的工作量和投资，这是大多数流量仪表所无法比拟的。

    4. 节流件耐磨损

    节流式差压仪表的测量准确度是靠它的“几何尺寸”保证的，这一点塔形流量计和孔板是一样的，但是由于孔板测量的关键部位易磨损，它的测量误差随着使用时间在缓慢变大，而从塔形流量计的节流结构可以看出，其关键的节流边缘是处在节流件后部的钝角，并顺着流体方向。当流体流过节流件表面和管壁间的通道时，会形成“边界层效应”，该效应会使流体到达测量部位前，逐渐离开节流边缘一个微小的距离，这样就使得被测流体不与节流件关键部位接触，不可能有磨损情况发生，其关键部位的几何尺寸就能保持长期不变，因此能够长期稳定地工作。

    5. 自清洁功能

    测量脏污介质时，由于流体在靠近管壁处的流速变慢极易使脏污物等沉积或附着在管壁上，对于孔板还会在前面堆积。当流体通过塔形流量计与管壁之间形成的由宽逐渐变窄的通路，它迫使流体流动速度加快，从而对管壁、节流件表面附件形成了吹扫冲刷作用，所有脏污不可能在这里停留或附着，所以不会产生脏污的积垢，更不存积垢死角。

    三、塔形流量计的分类

    目前，在生产应用中主要有管段式和插入式两种形式的塔形流量计。

    管段式塔形流量计具有所需直管段短、测量准确度高等优点，但是不能实现在线安装，在连续性生产企业很难实现改造。插入式塔形流量计虽然能实现在线安装，但是是以牺牲准确度和所需直管段较长为代价的。因此，在实际应用中应以实际情况酌情选择使用。

    四、塔形流量计在济钢煤气计量中的应用

    济钢供济南市民用焦炉煤气计量现场直管段短、用量有峰谷，先后应用过标准孔板和涡街流量计，但是这两种检测装置都引起过计量异议。

    塔形流量计于2007年3月开始在济钢外供煤气计量中试验应用一台塔形流量计，经过一段时间运行，数据稳定准确。8月拆下检验，无脏污介质附着。2008年逐渐推广应用到其他的外供煤气计量中，至今效果良好。图2是外供煤气开机量和仪表量之和的对比图，可以看出两者之间的运行趋势一致，塔形流量计能满足计量需求。

    五、塔形流量计的应用前景

    在冶金企业计量中，因为受生产工艺、安装条件和检测介质的影响，很多检测点难以找到适合的检测装置，塔形流量计的出现为工业计量开辟了新的领域。