阿牛巴流量计在大管径风量烟气流量测量中的应用

一   前言

工业生产过程，在温度、压力、流量、液位4大热工参数的测量中，流量测量要达到预期的精确度和可靠性，自控工程师普遍认为难度最大，尤其是大管径风量、烟气流量测量，更显棘手。一则烟气介质中含尘量大；温度较高，腐蚀性强；二则输送烟气的管道管径大，流量变化范围大，且烟气在烟管中静压力较小，流速也低。因此，要准确测量大管径风量、烟气流量，关键是选准流量仪表的类型，其次是正确安装、使用流量仪表。

在冶金企业生产过程中，锅炉、高炉、转炉、沸腾焙烧炉、鼓风炉、反射炉、闪烁炉、回转窑、烧结机等大型冶金设备每小时都需送入大量的风，同时产出几万到数10万立方米的烟气。随着我国经济体制改革的深入，经济核算单位的细分，实行成本核算与管理，充分降低能耗已成发展趋势，而大风量、除尘后烟气流量的测量，其意义显得越来越重大，亦愈来愈被人们所关注与重视。

二   笛形均速管流量测量技术分析

多年来，在速度场测量方法上，国内学术及工程界对此问题的讨论虽然不多，但对于笛形均速管，在其适用速度模型的紊流程度、反映速度剖面的选点及实际测定时流体动力学对测定的影响诸方面，由于理论与实践的程度不同，国内专家尚有不同的看法。事实上，它只能由实践来检验，并在理论和实践相结合的基础上，不断地完善、丰富和发展。

对于中、大管径(D＞300mm)风量、烟气流量测量，沿用了60余年的卡门—普朗特速度模型仍然适用。由于工艺管是大管径、钢管壁，风、烟气在管内流动时，其附面层效应对速度模型的适应性影响减小。采用卡门—普朗特对数速度分布方法测量流量，能够满足工业流量测量精确度要求。我们经过多次标定实践证明了这点。鉴于此，在笛形均速管上，用等分面积法或偶对数线方法确定的测管直径上4个全压孔位，无论从理论上分析，还是实践应用都证明是可行的(见图1)。如测管直径上用对称6个全压孔，则它靠管壁的孔易受管内壁粗糙度、测管直径上全压孔开孔大小等因素的影响，还易堵塞全压孔，与想充分反映附面层影响的本意相左。因此，测量直径上有6个全压孔的笛形均速管不一定比只有4个全压孔的好。

 关于流体动力学对测量的影响，比较大的是阿牛巴流量计(图2)，因流体绕管向流动，管后背压孔的压力将受工艺管径与测管管径之比、工艺管径大小的影响。当管直径由ф200mm变到ф400mm时，其产品说明书上的K值(流量系数)由0.6变到0.8，这样大的K值变化恰恰说明了动力学的影响。而笛形均速管的静压取自全压测量前工艺管壁上1D处，基本不受流体冲向测管流阻反波的影响，对前直管线段阻力影响较小，也不受测管工艺管阻力影响。因此，笛形均速管流量系数在紊流区间范围内变化很小，在雷诺数4×10⁵～2×10⁶范围内仅变化0.3～0.4%；且可从理论上像标准节流装置那样计算出来，应用场合中就可不受制造厂的系数限制，可因地制宜地应用。

三   流量仪表的选择

迄今为止，工业用流量仪表种类已发展到60多种，但没有一种对任何流体、任何流动状态、任何量程，任何使用条件均能使用的流量仪表。每一种流量仪表都有其特定的适用性和局限性。很自然，若仪表选型不当，那么流量肯定测不准。一般来讲，选择流量仪表应注意以下6点：(1)熟悉生产工艺状况(包括管道配置情况)；(2)知道被测介质的性状；(3)弄清正确安装所选流量仪表的条件；(4)弄清所选流量仪表的测量原理、条件、方法、结构及特性；(5)了解所选流量仪表的维护需求；(6)了解流量仪表的性价比(经济性)。

显然选择大管径风量、烟气流量测量仪表也应认真考虑以上6个因素。

目前，用于测量大管径风量、烟气流量的仪表主要有笛形均速管、孔板节流装置、阿牛巴流量计、插入式热式气体质量流量计、弯管流量计、插入式涡街流量计、文丘里管等。在此，笔者结合自己的设计体会浅析前5种流量仪表的特性、安装要求、维护需求及选用不同流量仪表应注意的问题， 供同行们参考。这5种流量仪表性能比较表见下表。

从表可知，5种流量仪表除孔板节流装置外，均为速度式流量计，而真正所测出的速度能反映介质平均速度的只有笛形均速管及阿牛巴流量计。它们测出的是管截面上介质的平均流速，具有一定的代表性，反映了管内流速分布变化规律。笛形均速管流量系数稳定，其中以菱形结构笛形均速管最令人放心。阿牛巴流量计与笛形均速管流量计的主要差别在于前者不在管壁上取静压，而在动压管后取，其得出的差压值稍高于笛形均速管差压值，但其流量系数受测管大小与工艺管径比的影响，会随安装等因素的变化而变化，令人难以计算和把握。而热式气体质量流量计或涡街流量计，采用以点代面式的测量方法。从测速原理上来分析，它测的是管中心介质速度，通常很难正确反映实际值；但在小流量、介质的雷诺数低于2000的层流情况下，热式气体质量流量计又有很好的测量精确度，比笛形均速管及阿牛巴流量计的测量精确度高。热式气体质量流量计是通过热功率来测定流体流量，所以它不适宜于污染物(有粘性的)多、流量变化范围大、且介质的温度变化剧烈的流体流量测量。孔板节流装置历史悠久，应用普遍，有国际标准可循。但它也有许多局限性，在使用中有许多因素影响其测量精确度，如工况参数变化与设计不符、孔板与管道不符、前直管段不足、其锐角磨损等等，都会使其不确定度增大；另外，其测量范围窄，仅为3∶1，压损大，能耗大，运行费用高，安装、拆洗相当复杂、繁琐，维护工作量大。弯管流量计结构简单，内无任何附加节流件与插入件、不易堵塞，无压力损失，因此它适合于大管径、流速低、静压低、粉尘多、腐蚀性强的流体介质流量测量；但对于90�弯管的结构要求圆滑、管内无毛刺，对于特大型管径，安装麻烦，需要增设支撑吊架及检修平台。

各类流量仪表测量原理互不相同，只有在特定的条件下才能发挥其自身的特点。因此，在大管径风量、烟气流量测量系统中，对于流量仪表的选型，应根据工艺、介质、配管等实际情况，视有所侧重于流量仪表的那些特性，然后根据特性，选准仪表。

综合上述分析，用于大管径风量、烟气流量测量仪表中较好的是笛形均速管，它测量准确，稳定可靠，易适应安装条件，扩展条件也好，维护管理简单，一旦投运好后，用户可放心使用。其缺点是要求工艺管缩径。如果在工程设计中首先考虑了缩管，使用起来就相当方便。而它需要的微差压变送器，1151(或3051)电容式差压变送器可满足要求。即使工艺管已装好，为了长久稳定地准确测量，缩管也是合算的。经计算即使缩了管，所增加的管路阻力也仅为孔板的1/10。

四   正确安装、使用流量仪表

一个可靠、精确度很高的测量系统，首先仪表选型要正确；其次仪表要按其要求进行正确安装，这一点常常不为人重视，认为不管正确与否，只要装上去就行了，这无疑给测量系统引入了不确定度。如：风量、烟气测量系统中，若采用孔板节流装置，安装时稍有疏忽，垂直度、同心度就不够，会给测量带来很大的不确定度，即使仪表选型正确，也测不准，并且不确定度会很大。最后，要正确使用仪表，定期进行维护、维修工作，保证流量仪表正常工作。对于烟气流量测量，由于介质中多尘、腐蚀性大，必须定期吹扫、清洗仪表探头，定期检查探头有无污物粘结，信号引压口、引压管是否被尘埃或粘结物堵死等，这些都是保证风量、烟气流量测量系统正常必不可少的日常工作。

五   结束语

总之，大管径风量、烟气流量测量仪表的选择与使用都是非常重要的。准确、可靠的测量大管径风量、烟气流量也是各生产部门及环保部门都需要普遍关心的问题。随着科学技术的发展，针对目前的测量水平，进一步做些细致的技术工作，笔者坚信，真正地探索出一条大管径风量、烟气流量测量的新路应该为时不远。