王海兵，刘冰

(航天长征化学工程股份有限公司 兰州分公司，兰州 730050)

石油和化工生产装置中，采用传统的流量计在测量高黏度、含有颗粒状的流体时容易产生流量计堵塞和磨损，造成无法正常使用或测量不准。矩形流量计作为一种新型差压流量计，测量管道可以是方形管道，也可以是圆形管道，适用范围广。矩形流量计无可动部件、耐磨损，测量精度可保持长期不变，这是孔板流量计、楔形流量计、质量流量计、透平式(涡轮)流量计等达不到的，解决了许多其他流量计无法解决或解决效果不佳的流量测量问题，尤其是高黏度介质、强腐蚀性介质和重摩擦性介质流量的高精度测量问题[1-4]。矩形流量计已经逐步应用到煤化工、多晶硅工业、电力行业中。

1 测量原理

矩形流量计是一种产生差压信号的节流部件，根据流体力学方程，由差压信号与流量的对应关系，可以精确地测量流体的流量。矩形流量计的节流块具有楔形流量计节流楔块的部分特征，又具有文丘里流量计的大部分特征，通俗地讲，矩形流量计是楔形流量计和文丘里流量计的结合体。矩形流量计采用单向流体通过标准孔板的标准公式[5]，流量计算见以下公式。

(1)

(2)

式中：qV——体积流量；C——流出系数；ε——可膨胀系数；m——节流面积比，流通弓形面积/管道截面积；D——管道内径， mm；Δp——差压，Pa；ρ——介质密度，kg/m3。其结构如图1所示。

图1 矩形流量计结构示意

2 矩形流量计的性能分析

2．1 耐磨性

在煤气化工艺过程中，介质主要由煤反应后的煤灰和水混合而成，即黑水，该介质工艺条件通常是温度为200 ℃，压力等级为10．0 MPa，含煤颗粒8%～10%，这样的工艺条件对流量计提出了比较苛刻的要求，一般流量计难以满足要求。测量该种高黏度、高磨损性流体一般采用楔形流量计，由于楔形流量计结构有一个小于90度的棱角节流线[6-7]，如图2所示，才能保证产生可测量的节流效果和下游流动状态，但同时当流体经过楔形流量计时在节流块棱角处会急速缩流，而后又急速恢复压力，在棱角处会产生强烈的涡流，这种涡流一方面冲刷楔棱的背面，另一方面还反冲节流棱角，产生强烈的磨损，从而降低测量精度。

图2 楔形流量计结构示意

根据图1可见矩形流量计的节流块是一个钝角或圆弧线，不存在棱角的问题，流动状态平稳地从收缩段进入喉部，这样可以大幅减小磨损。同时矩形流量计采用流线型节流通道，具有1个适当长度的喉管，该喉管起到整流的作用，有效地平拟了流体的波动，再加上后部的压力恢复段，延伸了这种流线型流道，使得整个流量计内部不会产生涡流和震动，避免了因涡流产生的磨损。矩形流量计可以连续使用3年且测量精度不变，其使用寿命是楔形流量计的4倍以上[8]。

2．2 永久性压力损失小及差压值大

在工程应用中，运行成本中包括泵和压缩机所消耗的电能，通过选取压力损失小的流量计可以有效地降低介质的输送成本，并且介质的输送成本是一项动态投资，在长期运行中远超仪表的一次投资[9]。

一般节流装置如楔形流量计通过节流块产生节流形成差压来测量流量，节流件后利用流体力学的原理自由恢复压力，通常这样压头损失往往很大，而且测量精度越高，量程比越大，压头损失就越大，一般来说压头损失为测量压差的30%～60%。由图1可知矩形流量计结构类似于文丘里流量计的压头恢复段，可以最大限度地恢复压力，压头损失为测量压差的15%～25%。

矩形流量计由于采用喉部中心取压，因为中心处流速最快，根据伯努利方程可以得出的差压值远大于其他类型的流量计，所以被广泛应用于微压、低压损工况，如电厂送吸风、加热炉送风的测量。

2．3 高精度测量

经过大量的理论研究和实验数据以及严格的制造检验程序，使得矩形流量计的精度达到了0．25% 以上。同时，由于矩形流量计的特殊结构能够保证在较宽的雷诺数范围内流量系数为线性且稳定，因此无论针对大流量还是小流量都可以精确测量。在多晶硅行业中氢气是一种难以测量的工业气体，还原炉的氢气进料量是通过预先设定好的配比来控制进料调节阀的。如果测量到的流量波动比较大或者流量小测量不到，导致调节阀频繁动作，从而影响硅棒品质，甚至导致倒棒急停；如果流量测量不准确，会导致吹扫置换不干净，存在安全隐患。通常情况下采用质量流量计测量氢气，但是需要通过缩径来提高流速，使压力损失很大，同时由于流量计出口处的流速很快，有发生危险的可能，并且流量计后端需要很长的直管段流速才能恢复。现在采用矩形流量计测量氢气不但精度高而且性能稳定，很好地解决了这一难题。

2．4 宽量程比

在丙烷流量测量中，最小流量与最大流量之比为1∶66，这是矩形流量计大量程比的基本要求，由于现在流量差压变送器的限制，例如横河变送器，精度为0．04%，量程比为200∶1，差压为0．5～100．0 kPa，为了保证小流量的精确测量，采用2台差压变送器，一台可以精确测量0．5 kPa以上的差压值，另一台差压变送器量程为0．1～10．0 kPa可以精确测量0．1～0．5 kPa段的差压值，使得在小流量测量时可以保证精度，所以流量计在较宽的流量范围内都可以精确测量。通过调整流量计的β值使得流量计在最小流量时差压不小于0．1 kPa。

3 矩形流量计与楔形流量计等的性能对比

矩形流量计与其他差压流量计性能对比见表1所列。

表1 矩形流量计与其他差压流量计性能对比

4 结束语

矩形流量计作为一种新型流量计被广泛应用于煤化工、多晶硅、电力等行业。其工作稳定、结构简单、使用寿命长且准确度适中、维护量小，能够适用多种介质的测量。通过对矩形流量计的性能分析，其测量精度是传统节流装置的4倍左右，永久压力损失是传统节流装置的1/3左右，同时流量计要求直管段最小可以达到1．5D，因而省去了大量的直管段，由于没有活动部件，安装和维护相对容易。总之，矩形流量计具有广泛的发展空间。

参考文献：

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[3] 孙淮清,王建中．流量测量节流装置设计手册[M]．2版．北京： 化学工业出社,2005 ： 178-182．

[4] MILLER R W．流量测量工程手册[M]．孙延祚，译．北京： 机械工业出版社,1990： 95-99．

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