摘要:随着现代工业自动化生产工艺对管道流体测量稳定性和精准性提出的的要求,一种新型多孔平衡流量计应运而生,文章介绍多孔平衡流量计的工作原理,通过对流量计在盐行业使用过程中发生的两起案例深刻分析,阐明选用平衡流量计需注意的事项,为同行业相同工艺制定运行指导数据、开展设备维修提供借鉴参考。
1引言
随着现代工业自动化生产工艺对管道流体测量稳定性和精准性提出的更高要求，一种新型多孔平衡流量计应运而生，它由美国航空航天局马歇尔航空飞行中心设计。作为第三代节流装置,多孔平衡流量计简称平衡流量计,它将流体测量精度、重复性、可靠性推到了一个前所未有的高度,广泛应用于石油、化工、冶金、电力、天然气、水处理等行业。多孔平衡流量计设备性能良好,但在设计选型及设备安装时需注意细节处理，否则影响性能发挥。
2多孔平衡流量计的工作原理
多孔平衡流量计是一种差压式测量仪表,其工作原理与其他差压流量计--样,都是基于密封管道中的能量转换原理。在理想流体的情况下管道中的流量与差压的平方根成正比,再用测量出的差压代人伯努利方程即可计算出管道中的流量,如图1所示。
节流器原理是在常规的孔板节流板中心一个圆孔的基础上结合多孔节流器的特点,组成对称分布拥有数量不等的函数孔，当介质流过圆孔时,流体被平衡调整，涡流被最小化，形成近似理想流体，通过取压装置和变送器,可获得稳定的差压信号,如图2所示。
将测得的差压信号代人以下简易公式,即可测算出理想状态下被测流体流量;
式中:
qm一介质流量(kg/h);
K一仪表常数;
Ɛ一流体流束膨胀系数;
△P一所测差压值;
ρ一介质密度(kg/m3)。
多孔平衡流量计实现了流场平衡整流最佳效果,将测量常规中的死区效应降到最低，节流件前后产生的涡流也有较大程度降低。在测量理想状态下的流体时,对直管段的要求也大大降低,杂物滞留现象基本消除。永久压力损失由于涡流减少降低为常规节流装置的1/3,量程比扩展到10:1。它采用的无锐角设计，提高了产品使用寿命。
多孔平衡流量计的优异表现，获得大家的一致认可并在工业领域得到广泛应用。但是,在实际使用过程中，也会遇到一些问题造成测量数据异常，影响工艺操作。下面就实际应用中的两起多孔平衡流量计运行异常情况进行分析。
3多孔平衡流量计应用中测量异常的案例分析
3.1案例一
新建盐钙联产项目2020年投人试生产，盐钙生产工艺分为NaCl与2H2O.CaCl2两个产品生产系统,均沿用传统的蒸发制盐工艺。该套工艺装置采用多孔平衡流量计(3台)测量低压蒸汽进汽量,正常运行时,理论.上蒸汽流量应满足A=B+C。其中A流量计为总管进汽流量计;B流量计与图中控制阀之间有一套自动控制调节气量闭环程序,定量控制调节系统进汽量用以实现供气的稳定性;C流量计出口设计有一台开关阀,阀门设有中停功能,运行时固定开度使用。A、B流量计口径与现场低压主蒸汽管道口径同为DN800,流量计型号为MBF4(非贸易型)。
由于试生产阶段2H2O.CaCl2生产系统暂未开启,C流量计状态为0,理论.上流经A、B的蒸汽流量数据应保持一致。但实际上A与B两台流量计所测量数据并不一致,流量无规律性波动,极不稳定,B流量计的闭环程序由于数据波动过大无法投入运行。由于盐钙项目属全国首套(石膏晶种)2H2O.CaCl2生产装置,在国内还没有可以借鉴的经验,能源消耗的准确度对指导运行生产就显得十分重要，尽快解决问题已迫在眉睫。
3.1.1设备现场及故障现象.
多孔平衡流量计的管道介质蒸汽来自动力车间分气缸(如图3所示),主管道经过沿路8m高的支架爬升至车间厂房30m高的楼顶,再由楼顶直管段引入NaCl与2H2O.CaCl2各系统。经查验流量计安装严格按照设计院的设计要求，满足直管段前3DN后1DN的距离要求。
流体检测是采用一体式非贸易型多孔平衡流量计,通过差压信号进人DCS系统程序搭建的数学公式中计算,原则上A与B两台流量计的测量结果应完全相等。而实际系统试运行中,随着流量计管路上调节阀的开关动作,两台流量计测量数据会出现不规律的变化。检测记录所显示的流量与动力车间分气缸出口流量数据也存在较大差异。
3.1.2产生异常的原因分析及解决方案
盐钙项目DCS控制系统采用和利时的MACS6.5系统，蒸汽流量采用qm=Kε√AP/ρ计算。经过分析,温压补偿不足是导致测量不稳定的原因之一。现场工况压力为0.5MPa,介质温度为150℃左右。设计时未考虑采集温度和压力信号且管道上也未安装温度和压力的采集装置。现场在管道.上采用新增压力变送器和热电阻,安装原则是前温后压，然后通过系统内所配备的计算模块:(STEAMCOMP水蒸气流量补偿、理想气体流量补偿)将采集到的新的压力温度信号与流量计自身的差压信号一并引人,进行温压补偿。结果显示,测量数据变化呈现一-定的规律性,但不稳定性依然存在。调整未取得预想的效果。通过DCS系统自带计算模块同时引人温压补偿信号所搭建的数学模型也无法正确测量流量;
式中:
qm一质量流量,kg/h;
C一流出系数;
β一-管径比;
Ɛ一被测介质可膨胀系数;
d-孔板开孔直径,m;
△P一差压，Pa;
ρ一工作状态下介质密度，kg/m3。
将式(2)中所有系数当作常数后的简化得(1)式(Qm=Kε√AP/ρ),由于仪表系数K不一定是一个不变常数,积算仪通过将K值设置最多分成8段进行分断计算，用来提高测量数据的精度。
待设备安装到位投人使用后，所测蒸汽流量开始出现以下三种比较有规律性的波动。
3.1.2.1当阀门开度在14%左右时，管道流量约在90t/h时，上述两台流量计的流量能达到一-致,此时管道内介质流通量似乎达到相对的平衡状态。
3.1.2.2当调节阀开度从14%开始增加时,理论上两台流量计的流量应同比例增大流量数据，但是现场却出现A流量计流量增加量要略低于B流量计。
3.1.2.3当调节阀开度从14%开始减少时，理论上两台流量计的流量因同步降低,但是此时A流量计的流量明显增高较大,只有B流量计的流量减少。
3.1.3原因剖析及技术改造
现象一:由于调节阀安装在两台流量计中间，当调节阀在14%的时候,A流量计的工作压力在正常工况范围的0.4MPa,通过新增的压力变送器所测数据显示，此时流量计B的工作压力由于阀[]变径的阻碍作用,实际工作压力只有0.16MPa。但是B流量计的设计额定工况压力也是0.4MPa。此时实际上B一直未能达到自身额定工况，虽然测量出一个数据刚好和A达到一致,通过经验判断可能是巧合。
现象二:当阀门]从14%开至17~19%时,由于阀广开度的增加,阀门]后端B流量计的蒸汽总管压力升高较为明显,达到了0.25MPa。由于B流量计此时的工况压力变化很大，几乎翻倍,所以此时B流量计测量数据增幅也很大。而A流量计由于一直处在额定工况,且压力变化不大，所以A流量计增幅不大。
现象三:当阀门从14%关至9%时,由于阀门开度减少,阀广]后蒸汽总管压力下降至0.09MPa左右，B流量计此时工况已经低至根本无法正常测量数据的地步,反而A流量计由于受到阀[]关闭影响,A流量计蒸汽总管压力上升较为明显，已经升至0.458MPa。此时蒸汽流通平衡被打破，原本可通过的蒸汽受到阀门开度减小的影响受阻,在阀门与A流量计之间形成涡流，受涡流影响,已计量过的蒸汽在流量计上反复流通再次计量,造成了A流量计流量数据大幅增加。
通过三种现象的分析,问题根源均与流量计中间安装的调节阀有关。工程技术部门]提出技改意见:重新定位调节阀本体和流量计的安装位置,同时增加流量测量点的压力与温度检测。
通过现场踏勘确定,将调节阀从30m高的楼顶移至21m高，与温度、压力、流量表计重新定位安装(如图4所示),消除调节阀开启对管道压力的影响。改造后试运行生产,观察新装压力变送器的数据显示，可确定两台流量计所处的管道内的压力均为额定工作压力,无论调节阀如何调节,两台流量计的管道压力都在同步变化中。多孔平衡流量计投人试使用后,流量数据不受阀广]调节影响,A和B流量计测量保持一致,工艺稳定,问题得到彻底解决。
3.2案例二
二次冷凝水回收工程属盐钙项目辅助工程，用以回收盐系统一次、二次蒸汽冷凝水循环利用。在该工艺系统管道上安装的多孔平衡流量计，与案例一出现了相似的故障，测量数据无规律变化且不准确。
3.2.1设备现场及故障现象
如图5所示，在冷凝水U型管低点设计安装了一台多孔平衡流量计，用于测量管道回收的冷凝水量。安装至U型管的低点，理论上是最佳测量位置，原则上也满足多孔平衡流量计所要求的安装直管尺寸。但在使用过程中频繁出现数据测量不准，数据时有时无现象。
3.2.2产生异常原因分析及解决方案
此工程按照设计要求，盐钙系统蒸汽用量为120t/h，满负荷生产时冷凝水出水率应为70%左右，回收流量约为80t/h。此冷凝水回收管管径为DN250，当水从高处管流向U型管段时，理论上水流经U型管低点管段应该是满管状态，故流量计安装位置符合要求。
因系统处于试生产期间，盐钙蒸汽使用量仅为40t/h左右，产生的冷凝水量也不稳定，冷凝水泵经常出现泵不上水的情况。从泵到流量计之间有300m左右的管道，且大部分管道在6m高管架上，泵水输送存在间歇，会在管道内形成较大的冲击震荡。由于水流量不足导致从6m的管架高处向低处流时的自由落体速度大于此时管道内水的流速，在U型管内形成气泡，当气泡流经垂直安装的流量计差压取压孔处，导致所测差压连续被中断。参考公式；Qm=Kɛ√ΔP/ρ，由于K、ρ、ɛ都是常数，差压ΔP成为了流量测量的重要决定性参数。
通过对工艺现场认真分析得出，理论上该U型管的最低段都是满管状态，但是当工艺生产在非满负荷或更低的生产状态时，气泡现象就在所难免。为了将气泡因素影响降至最低，工程技术部门提出改变多孔平衡流量计的安装方式，安装位置不变，但取压口及冷凝水罐从水平安装调整为斜向下45°安装。改造后使用效果显示，流量测量数据稳定且有规律的变化，运行数月未见异常状况发生。
4应用案例分析总结
结合以上两个案例的分析技改，可以看出多孔平衡流量计设备性能的良好发挥与诸多因素相关，在实际应用中，我们要综合考虑、全面衡量，将影响因素降至最低。
4.1充分考虑安装位置选择对流量测量的影响
当测量介质为蒸汽或水时，要考虑管道长度、管道压力及管道内流体杂质的影响，安装方式首选斜向下45°角度。在测量蒸汽介质流量时，温压补偿的投用、管道额定压力的确保、疏水阀的安装均有助于流量测量的稳定精准。同时，U型管的气泡涡流需充分考虑，从使用经验来看，U型管中的垂直下降管和低点位直管均不是安装位置，而上升管段或者斜管段在管压作用下，可产生更好的测量稳定效果。
4.2充分考虑设计工艺与实际工况的差异影响
案例一多孔平衡流量计所测数据异常是由多重因素导致，笔者通过长时间现场观察、比对实测数据，提出了解决问题的办法。考虑到算式2中的大部分常数都是厂家特定的，设备出厂都进行过数据校验，而实际工况中大多数被测流体并不是理想状态中的流体，应用在测量蒸汽流量时受外界干扰影响的因素比较大。所以，笔者认为，设计此类流量计时，应充分考虑工艺管道的应用状况、管道介质特性对设计进行优化。如案例一中设计提供的非贸易型流量计、进汽调节阀的安装位置、温压补偿的缺项均不利于实际生产，需对比实际运行进行调整。
5结束语
多孔平衡流量计相较于传统节流装置有着无可比拟的优点，多个函数孔径的设计能最大限度地将流场平衡整流成理想流体，从而充分发挥差压式流量计的优势。多孔平衡流量计因其独特的性能、较高的稳定性和测量精度，以及较强的适应性，广泛适用于多种工艺场合。
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