多孔平衡流量計是在傳統(tǒng)孔板流量計的基礎上所研發(fā)出的新一代節(jié)流式流量計。通過介紹其基本工作原理及優(yōu)化后的性能特點,并結(jié)合幾種工況條件下的使用,對多孔平衡流量計的應用加以闡述。
0 引言

　　節(jié)流式流量計通常也被稱之為差壓式流量計，迄今為止仍因其制造工藝標準化、使用技術(shù)成熟、適用范圍廣，而被水利、石油、化工等各行各業(yè)廣泛地應用，占流量計使用總數(shù)的50% 以上。但同時，其測量精度低、量程比小、上下游安裝直管段距離長、節(jié)流裝置后所產(chǎn)生的壓力損失大等諸多不足也日益趨顯。

　　隨著新型儀表測量、制造技術(shù)的不斷發(fā)展，為適應各種過程控制對于節(jié)流式流量計測量精度及使用性能的更高要求，新一代、具有革命性性能突破的節(jié)流式流量計，即多孔平衡流量計隨之而誕生。多孔平衡流量計誕生之初由美國航空航天局馬歇爾航空飛行中心***先應用于航天飛機主發(fā)動機的液態(tài)氧流量測量，隨后因其優(yōu)越的測量、使用性能被更多行業(yè)所熟知并發(fā)展使用。

　　1 工作原理

　　多孔平衡流量計沿用了傳統(tǒng)孔板流量計的組成形式，由節(jié)流裝置、傳輸差壓信號的引壓管路及測量信號所用的差壓計這3 個部分所組成。并巧妙地將多孔整流器與傳統(tǒng)單孔節(jié)流孔板的結(jié)構(gòu)形式、性能特點相結(jié)合，形成了新型的多孔節(jié)流整流器，用以替代原有的單孔孔板作為節(jié)流原件安裝于流體管道上。多孔節(jié)流整流器上每個節(jié)流孔的尺寸大小及分布情況都是由特定的公式及實測數(shù)據(jù)計算所得，故被稱之為函數(shù)孔。流量檢測時，所測介質(zhì)在通過多孔節(jié)流整流器的同時進行流體整流，減小節(jié)流裝置后的渦流，形成較穩(wěn)定的紊流，從而使引壓管路能夠獲取到較穩(wěn)定的差壓信號，并進一步通過伯努利方程計算得出工藝所需體積流量、質(zhì)量流量等流量參數(shù)。

　　圖1 多孔平衡流量計結(jié)構(gòu)原理圖

Fig.1 More than one meter structure diagram Kong Pingheng

　　2 多孔平衡流量計的性能優(yōu)化

　　多孔平衡流量計是以傳統(tǒng)孔板流量計為基礎，改變其節(jié)流孔的構(gòu)成形式，從而極大程度地優(yōu)化了使用性能。

　　1）平衡流場，提高測量精度

　　傳統(tǒng)孔板流量計的節(jié)流裝置只設有一個圓形節(jié)流孔，節(jié)流原件與管壁結(jié)合處成直角，在流體通過節(jié)流孔時，孔兩邊會有大面積的“死區(qū)”，從而產(chǎn)生持久的渦流，進而大量消耗流體的動能。同時，雜亂的渦流所形成的流體波動和噪聲也會讓測量的線性度和準確性降低，并且需要較長的直管段來恢復流體正常的壓力和流場。多孔平衡流量計的節(jié)流裝置結(jié)合了多孔整流器的整流原理，通過使用精密的計算，使多孔節(jié)流整流器可以***大程度地減少死區(qū)效應，避免渦流的產(chǎn)生，平衡流場，降低因渦流所引起的信號波動，提高取壓點數(shù)據(jù)的準確性，從而使檢測精度從傳統(tǒng)孔板流量計的±1%~±2% 提高至±0.3%、±0.5%，能更好的適用于如能量計量、貿(mào)易核算等有較高流量測量精度要求的場合。

　　2）減小壓力損失、縮短直管段安裝距離

　　多孔平衡流量計的節(jié)流裝置采用了對稱式的流通孔布局設計，提升了流體通過的效率，***大程度地降低了渦流的形成，減少了流體通過節(jié)流裝置時造成的紊流摩擦及動能的損失，和傳統(tǒng)孔板流量計相比，既可獲得更的差壓信號，又降低了1/3 ～ 1/2 的性的壓力損失。同時，節(jié)流裝置后流體壓力較快的平穩(wěn)恢復又可縮短流量計安裝時所需的上下游直管段距離。通常，多孔平衡流量計的上下游安裝直管段只需0.5D ～ 2D，是傳統(tǒng)孔板流量計所需直管段的1/7 甚至更短，很大程度上節(jié)省了流體測量的管道材料及安裝投入成本，這一優(yōu)勢也得到了各行業(yè)的廣泛認可。

　　3）量程比寬、穩(wěn)定性更好

　　多孔平衡流量計特殊的多孔節(jié)流裝置極大程度地提高了流體測量量程比。美國某機構(gòu)的實驗數(shù)據(jù)結(jié)果顯示，多孔平衡流量計常規(guī)測量的量程比可以做到7:1~10:1，如果函數(shù)孔計算參數(shù)選擇合適，量程比可以達到30:1 甚至更高，這一數(shù)據(jù)比傳統(tǒng)孔板流量計要高出2~7 倍。而且，傳統(tǒng)孔板流量計的流量系數(shù)一般在雷諾數(shù)高于4000 時才能趨于平穩(wěn)，在雷諾數(shù)較低時受其影響較大。但多孔平衡流量計的管道內(nèi)基本無滯留區(qū)，其流量系數(shù)受雷諾數(shù)的影響很小。即使在較低雷諾數(shù)的測量條件下，多孔平衡流量計的準確性依然能夠得到保證，從根本上提升了流量檢測時測量精度的穩(wěn)定性。

　　3 多孔平衡流量計的應用

　　多孔平衡流量計不僅適合在常見工況條件下使用，在某些特殊工況流量測量中也得到了很好的應用。

　　1）高量程比流量測量

　　在醫(yī)藥、化工等行業(yè)中，蒸汽一般作為熱媒介質(zhì)被用于加熱或加濕工段，通常由于不同季節(jié)或一天中的不同時段所需加熱、加濕量的不同，造成蒸汽能源計量時蒸汽總管用汽流量有較大波動，往往遠遠超出傳統(tǒng)孔板流量計3:1的量程比范圍。同樣，在其他類似需要大量程比流量測量時，傳統(tǒng)孔板流量計亦無法適用。而多孔平衡流量計可適用于10:1 甚至更高的量程比的流量測量，并且因其測量精度高，受雷諾數(shù)影響小，可進行較為精準的高量程比流量檢測或能源計量。

　　2）雙向流流量測量

　　傳統(tǒng)孔板流量計的節(jié)流裝置僅在下游設有斜角，而多孔平衡流量計的節(jié)流裝置上下游采取完全對稱設計。這種對稱的結(jié)構(gòu)形式使其在某些需要雙向流流量檢測的特殊工況條件下，可以實現(xiàn)只使用一臺流量儀表即可進行雙向流流量檢測。

　　3）短直管段流量測量

　　受場地大小、建筑尺寸等外在客觀條件的限制，在布置工藝管道走向時往往無法為流量測量預留出足夠的直管段安裝距離，從而影響測量精度。特別是在特殊貴重金屬如鋯材、哈氏合金、鉻鉬合金鋼等工藝管道上進行流量測量時，較長的直管段需求意味著昂貴的建設成本。在這種情況下，多孔平衡流量計上下游直管段距離僅需0.5D ～ 2D的應用優(yōu)勢尤為明顯，即可節(jié)省工藝管道、安裝支架等的鋪設成本，又可滿足在短直管段流量測量時的精度要求，是一種較為經(jīng)濟的流量檢測配置方式。

　　4）大口徑流量檢測

　　在大口徑的流量檢測中，多孔平衡流量計亦有其不可替代的獨特優(yōu)勢。只需通過計算對相應節(jié)流孔的尺寸、數(shù)量及分布情況進行調(diào)整，即可在較短的管道距離內(nèi)進行大口徑的流量測量，無需擔憂因管道口徑較大而產(chǎn)生的15D 甚至更長的上下游直管段距離。特別是在高溫、低壓等各種嚴苛工況下，多孔平衡流量計也能保證大口徑流量測量精度的穩(wěn)定性。同時，可以使用多對取壓孔進行取壓的冗余配置，以確保差壓信號被有效傳輸，降低大口徑流量檢測的后期維護、清掃、運營成本。

　　5）高溫及極低溫流體測量

　　由于本體及法蘭材質(zhì)選擇的多樣化，多孔平衡流量計擁有較為廣泛的工作溫度。通過對不同材質(zhì)的選用，多孔平衡流量計可測量850℃甚至更高溫度的高溫流體介質(zhì)，亦適用于液氮、液氧、液氫、液氬等極低溫流體的流量測量。

　　6）多種管道連接方式選擇

　　多孔平衡流量計誕世至今，為適應各種工況的管道連接要求，逐步衍生出多種連接方式以供選擇。如可用于大多數(shù)工況的管道式法蘭連接，可用于大口徑流量測量的對夾式連接，適用于高溫高壓工況的焊接式連接以及適用于黏稠、有毒、強腐蝕液體、臟污及粉塵氣體介質(zhì)流量測量的雙法蘭式連接等等。而節(jié)流裝置的外形也從***初便于管道連接的圓管形節(jié)流裝置，演變出方管式節(jié)流裝置，以便于更簡便地與各種方形管道進行連接，可適用于空調(diào)系統(tǒng)送、排風風量檢測。

　　7）一體化

　　在檢測儀表一體化的發(fā)展趨勢帶動下，多孔平衡流量計同樣化零為整，將節(jié)流原件、引壓管路、閥組及差壓計等需分步安裝的儀表原件整合為一體，從而減少安裝步驟，以滿足適合工況條件下快速安裝、使用的需求。

　　4 結(jié)束語

　　多孔平衡流量計在結(jié)構(gòu)及技術(shù)上的革新很好地避免了傳統(tǒng)的差壓式流量計的缺陷所帶來的弊端。隨著時間的推移，多孔平衡流量計的優(yōu)越性逐漸顯現(xiàn)，因其的獨特的性能特點與較高的、穩(wěn)定的測量精度，已被鋼鐵、石化等各個行業(yè)成功應用。特別是在短距離管道流量測量、節(jié)省管道敷設投入成本、降低流體壓力能耗損失方面，多孔平衡流量計有著難以取代的優(yōu)勢。今后，多孔平衡流量計將會作為一種經(jīng)濟型的測量儀表得到更廣泛的使用。