唐全勝
威爾巴流量測量系統(tǒng)由一體化威爾巴傳感器、差壓變送器和流量積算儀等組成,采用差壓工作原理,與DCS系統(tǒng)一起進行液體流量測量與控制(見圖1)。威爾巴流量傳感器形狀如子彈頭,符合流體動力學原理,能產生精準、穩(wěn)定的差壓信號,具有測量精度高、可靠性好等優(yōu)點,可測量氣體、液體、蒸汽和腐蝕性介質等多種流體,適合測量各種尺寸的高溫高壓的圓形和矩形管道。
圖1 一體化威爾巴流量傳感器
流體流過插入在工藝管道中的威爾巴流量傳感器時,在其前部(迎流方向)會產生一個高壓分布區(qū),在其后部會產生一個低壓分布區(qū),如圖2所示。傳感器在高壓區(qū)開設有按一定規(guī)則排列的多對取壓孔(一般為三對),分別測量流體每點上的壓力,在流量傳感器端部迎流方向測得流體的全壓力即高壓值P1(包括每點的動壓力又稱速度壓力和靜壓力的平均值);低壓區(qū)的取壓孔在流量傳感器側壁(順流方向),僅測得流體的多點靜壓力的平均值,即低壓力值P2;將P1和P2分別引入差壓變送器,測量出差壓△P=P1-P2,故△P反映了流體平均速度壓力,即平均流速的大小,以此可推算出流體的流量。
3.1.1 特殊工藝的子彈頭形狀
威爾巴流量傳感器采用截面形狀如子彈頭形的探頭,結構為一體化雙腔不銹鋼耐磨防腐金屬結構,如圖2所示。高壓孔在探頭前部形成較高的高壓區(qū),可阻止流體中的微粒進入取壓孔洞;低壓孔位于探頭側后兩邊,在流體與探頭的分離點之前,可減少低壓孔被堵塞的可能性。在探頭前部金屬的表面,進行了粗糙化處理。根據(jù)空氣動力學原理,流體流過粗糙表面,會形成一個穩(wěn)定的紊流邊界層,有利于提高低流速狀態(tài)的測量精度。在低流速時,探頭仍可獲得穩(wěn)定精確的流體差壓信號,從而延伸了傳感器測量量程的下限,保持流量系數(shù)穩(wěn)定。
圖2 威爾巴流量傳感器測量原理分析圖解
3.1.2 顯著的防堵效果
威爾巴流量傳感器以其顯著的防堵效果,徹底解決了其他均速管插入式流量傳感器探頭易堵塞的問題,使得均速管流量傳感器的防堵水平達到了一個嶄新的階段。
首先,威爾巴流量傳感器(探頭)的迎面高壓孔不會堵塞。在威爾巴流量傳感器剛投入運行時,流體在管道靜壓作用下,開始進入探頭的高壓孔腔內,猶如帶頸的瓶子放入水池灌滿水一樣,很快形成壓力平衡狀態(tài)。當壓力平衡狀態(tài)形成后,流體不再進入高壓孔,遇到進口處的高壓會繞道而行,朝探頭的兩側分流漸開離去,在探頭的后部形成一種渦流。一般情況下,顆粒雜質在渦流牽引力的作用下,集中在探頭的后部。而低壓孔在探頭的兩側以及流體分離點和尾跡的前部,這樣可避開雜質聚集區(qū),實現(xiàn)防堵效果,還可避開渦流產生的信號波動區(qū),使威爾巴流量傳感器獲得一個穩(wěn)定的差壓信號,如圖3所示。
圖3 流體軌跡分布示意圖
孔板流量計產生的壓損為所測量差壓值的60%,而威爾巴流量傳感器的永久壓損僅為差壓值的3%。
3.2.1 壓力損失比較
節(jié)流元件壓力損失所造成的功率損失:
式中:
W——功率損失
δ——節(jié)流件的壓損
Q——流經節(jié)流件的流體體積流量
孔板流量計的壓力損失:
式中:
β——孔板孔徑比
△P——產生的壓差
δ——產生的壓損
威爾巴流量傳感器的壓力損失:
由以上公式可得,孔板流量計產生的差壓本身就比威爾巴流量傳感器產生的差壓大,同時,孔板流量計永久壓力損失也不可避免達到差壓的60%,而威爾巴流量傳感器由于阻流面積成倍減少,也使其永久壓力損失幾十倍的減少,只有壓差的3%。
3.2.2 安裝費用比較
威爾巴流量傳感器的安裝只需要按照傳感器的不同規(guī)格尺寸進行簡單的焊接,與管道直徑的大小無關,而孔板流量計需要進行兩倍于管道圓周的焊接。相比而言,威爾巴流量傳感器的安裝費用降低了許多倍。例如,在DN100至DN1000的管道上安裝威爾巴流量傳感器,只需進行100mm左右的焊接,而孔板流量計則需要進行600~6 000mm的焊接。如果在大型管道上安裝孔板流量計,因重量問題,需要用吊車等輔助設備進行吊裝,而威爾巴流量傳感器則不需要。相比之下,威爾巴流量傳感器至少節(jié)約了80%以上的安裝費用。根據(jù)安裝經驗,威爾巴流量傳感器只需15min開孔,30min焊接安裝座,15min固定傳感器,整個過程≯1h,即使在不停產的情況下在線安裝,整個過程所花費的時間也僅需1.5h左右。
3.2.3 威爾巴流量傳感器可在線安裝和檢修
對于部分無法停產安裝的測點和雜質含量多的介質,可選在線安裝型威爾巴流量傳感器。在威爾巴流量傳感器允許的流量、溫度、壓力及現(xiàn)場環(huán)境(非易燃易爆場合)下,可在不停產狀態(tài)下進行在線安裝、更換、清理和維護。
3.2.4 威爾巴流量傳感器測量范圍廣、應用場所多
威爾巴流量傳感器可測量介質為各種氣體(空氣、煤氣、天然氣等)、蒸汽、流體(水溶性等化學液體)等的滿管及單向流體的流量,適用各種尺寸的圓管和方管。威爾巴流量傳感器設計新穎,采用特殊工藝的一體化316L金屬材質的雙腔子彈頭結構,強度高,適于高溫、高壓、具有腐蝕性及防爆危險等場所。
3.2.5 威爾巴流量傳感器精度高、量程比大
精度一般為±1%,重復性±0.1%,量程比10:1。管道連接型(VRB60型)威爾巴流量傳感器經特殊處理后,量程比可達20:1?!?/p>