大口徑氣體（煤氣、空氣、煙道氣以及蒸汽）流量測量一直是能源計量中的一個難點。在實際中多以孔板作為檢測元件，主要存在：①阻力損失大；②測量范圍小；③測量臟污介質(zhì)（如煤氣）孔板取壓孔經(jīng)常堵塞，孔板上游易造成粉塵埋積并在孔板上結(jié)垢；④孔板必須在斷流的情況下安裝拆卸，對于長年運行的工藝管線，維護或更換節(jié)流件困難，致使這類孔板數(shù)年甚至數(shù)十年裝在管線上而不能正常運行；⑤管徑大于1.0米孔板不在國家標準（GB/T2624-93）支持范圍內(nèi)，孔板的設(shè)計缺乏嚴格的科學依據(jù)；⑥對于高流速介質(zhì)（如蒸汽）孔板易變形且入口邊緣處磨損嚴重等問題。

近年來各種非標準差壓式流量計如：均速管流量計、環(huán)形孔板流量計、V錐流量計、內(nèi)置式文丘里管流量計、彎管流量計等，依其各自的特點，在大口徑流量測量方面做了有益的探索。但是非標準差壓式流量計，由于不能像孔板等標準節(jié)流件一樣，有成熟且通行的標準支持，所以其儀表系數(shù)必須通過實流標定獲得，而目前我國還沒有口徑大于400mm，滿足圓管流的氣體標準裝置，即使標定采用風洞，由于在風洞均勻流場下游，不能提供多種規(guī)格（φ400、φ500、φ600………φ3000）足夠長（一般為幾十倍）的直管段，即在被校表前管道內(nèi)的流體不能形成充分發(fā)展管流，也難以實施準確的比對。因此在推廣和使用中遇到了很大的困難。

基于皮托管測量原理的測管式流量計，依據(jù)ISO3966《封閉管道流體流量的測量―――采用皮托靜壓管的速度面積法》標準進行系統(tǒng)安裝和補償運算，針對被測介質(zhì)臟污、含水等因素，在測頭和結(jié)構(gòu)上采用*的設(shè)計（已申報，號：200420000638.7），以避免堵塞與結(jié)垢，并可在工藝管線不斷流的情況下，在線進行安裝、拆卸和吹掃。若干支測頭與FC2000流量計算機配套構(gòu)成了完整的大口徑流量測量系統(tǒng)。

一． 原理及引用標準

ISO3966《封閉管道流體流量的測量―――采用皮托靜壓管的速度面積法》標準，規(guī)定了在充滿流體的封密管道內(nèi)，處于穩(wěn)定流動狀態(tài)的體積流量的測量方法。可測量流速范圍：下限流速（空氣）為測頭在風洞中標定的Z低流速（約3.0m/s），上限流速小于0.25倍的馬赫數(shù)。測頭所在位置的局部流速為：

…………………………（1）

其中，（1-ε）是可壓縮性修正系數(shù)。在液體中ε＝0，所以不需要可壓縮性的修正，但在低馬赫數(shù)的可壓縮流體中，系數(shù)（1-ε）可按下述關(guān)系確定：

式中：

　　r――比熱比              　　P――局部靜壓

　　ρ――流體的局部密度   　　ΔP――由皮托管所指示的差壓

　　a――測頭校準系數(shù)（測管式流量計的每一支測頭，須經(jīng)在國家技術(shù)監(jiān)督機構(gòu)

授權(quán)的風洞上進行標定以獲得測頭校準系數(shù)。）

可壓縮流體的密度由下述方程確定：

式中：R＝8.3143 J•mol－1•K－1,摩爾質(zhì)量以千克/摩爾表示并對空氣的值為

0. 02895；

　　　　　Z　是氣體定律偏差系數(shù)；對壓力小于10倍大氣壓和溫度在273K和373K

之間的空氣來說，它與1相差無幾（它應與可壓縮性修正系數(shù)（1－ε）有區(qū)別）；

　　　　　T　是由下述公式所得的局部靜溫度：

　　　　　T0　是采用一個理想的全溫探頭在管道軸線上測得的總的溫度。

對于圓管，把管道橫截面上各個半徑上的平均流速視為等于在各個半徑上各測量點處所測得的流速的算術(shù)平均值，而管道平均流速就等于各個半徑上平均速度的算術(shù)平均值。因而平均流速可以用各個局部流速的算術(shù)平均值來表示：

…………………………（2）

式中：V――管道平均流速；

將（1）式代（2）式

……………………（3）

（3）式表述了管道平均流速與各測頭差壓值函數(shù)關(guān)系。

測頭的數(shù)目依據(jù)管道橫截面情況而定，但Z少不得小于3個。考慮到測頭支桿阻塞等因素的影響。測頭應安裝在某個規(guī)定數(shù)目的與管道同心的圓上和至少為兩個相互垂直的直徑之間的每個交點上，其插入深度依據(jù)測點的數(shù)目、標準給出了明確的規(guī)定。（見表1）

表1

測管式流量計配有可進行微調(diào)的升降機構(gòu)，可在現(xiàn)場便捷地調(diào)整測頭插入深度。

標準確定的測量方法是在95%置信水平上有關(guān)流量不確定度≤2.0%。在滿足標準規(guī)定的測量條件下，由其它因素影響所引起的誤差為：

         （4）

式中：ΔqV——流量誤差；Δ（Δp）——差壓測量誤差；Δp——壓力測量誤差；

Δγ——比熱比誤差；ΔT——溫度測量誤差；ΔF——面積測量誤差。

該誤差與方法誤差合成，總不確定度范圍為2.0～3.0%。

二． 系統(tǒng)概述

FC2000系列流量計算機是一款具有多通道、全參數(shù)補償運算、數(shù)據(jù)顯示、歷史事件和歷史數(shù)據(jù)記錄、網(wǎng)絡(luò)通訊等功能的高性能流量顯示儀表，它與若干支測管式流量計測頭以及差壓、壓力、溫度等變送器配套構(gòu)成大口徑流量氣（汽）體流量測量系統(tǒng)。（見圖1）

圖1

流量計算機功能：

1. 接收各測頭的差壓信號和管道壓力、溫度信號，根據(jù)標定得到測頭校準系數(shù)計算出該點的局部流速，并可進行測頭系數(shù)的非線性修正。

2. 根據(jù)ISO3966標準中《封閉管道中流體流量的測量－采用皮托管的速度面積法》計算出管道平均流速。

3. 根據(jù)有關(guān)標準與建議、國家與行業(yè)標準進行溫度、壓力、組分補償?shù)冗\算后得出Z終的體積流量值。

4. 對現(xiàn)場儀表除可適配4-20mA和1-5V標準信號外，還可適配HART協(xié)議數(shù)字信號，避免小電流信號引起誤差，并可進行擴展量程處理。

5. 具有強大的通訊功能，對上位機可采用包括RS232/485、程控網(wǎng)、局域網(wǎng)、無線網(wǎng)絡(luò)等通訊方式構(gòu)成計算機網(wǎng)絡(luò)應用系統(tǒng)，實現(xiàn)遠程監(jiān)督管理和建立集散式計量管理系統(tǒng)。

6. 流量計算機具有歷史數(shù)據(jù)存儲、雙重口令限制、報警記錄、連接串口打印機、監(jiān)控儀表操作（如儀表斷電、修改參數(shù)設(shè)置等）的審計記錄等功能，是工廠能源計量管理與貿(mào)易結(jié)算計量的理想工具。

三． 防堵塞措施

針對測量煤氣等臟污介質(zhì)的特點，測管式流量計測頭的設(shè)計，汲取其它差壓流量計的長處及經(jīng)驗，在分析均速管式流量計取壓孔容易堵塞機理的基礎(chǔ)上，采用了*的蹄形切口結(jié)構(gòu)。均速管流量計測桿上各取壓孔處的流速是不同的，則各取壓孔之間存在一定的壓力差，造成各取壓孔之間有介質(zhì)流動，流動的介質(zhì)中粉塵產(chǎn)生埋積，形成堵塞。另外，大多數(shù)工業(yè)煤氣中含有水份，水以水蒸汽狀態(tài)混合于煤氣之中，稱為濕煤氣，當濕煤氣流入取壓孔內(nèi)，其中的水蒸汽接觸取壓管內(nèi)壁冷凝成水，并存積于取壓管內(nèi)，煤氣中的臟污粉塵隨冷凝水析出，在取壓管內(nèi)壁結(jié)垢；往往測桿下端測孔的堵塞較為嚴重，即使采用蒸汽或氮氣吹掃，也只能吹通測桿上端的取壓孔，而下端取壓孔依然堵塞。測管式流量計的測頭上僅有一個全壓取壓孔，取壓管內(nèi)介質(zhì)相對靜止，取壓孔內(nèi)不易形成粉塵埋積。由于測頭采用蹄形切口設(shè)計，向下安裝，濕煤氣中的冷凝水隨時滴入管道，冷凝水不會再存積于引壓管內(nèi)。另外，測管式流量計配有在線吹掃裝置，一旦發(fā)生堵塞可隨時進行吹掃。這樣較好解決了在測量煤氣等臟污介質(zhì)的堵塞、取壓管內(nèi)壁結(jié)垢等問題。

四．在線標定

在實際的工藝管道上有很多阻流件，如彎管、變徑管，特別是多年使用且不能拆卸的廢棄孔板，這些阻流件有著和孔板近似的流量特性。如果能重新確定這些阻流件兩側(cè)的差壓與流量值的數(shù)學關(guān)系，即求出其流出系數(shù)，仍可用這些阻流件兩側(cè)差壓值，計算出流經(jīng)該阻流件的流量，測管式流量測量系統(tǒng)可實現(xiàn)在線標定大口徑煤氣管線的各種阻流件，其系統(tǒng)構(gòu)成（圖2）

圖2

流量計算機接入三支測管輸出的差壓信號、被校阻流件輸出的差壓信號以及溫度、壓力等信號。流量計算機根據(jù)ISO3966標準計算出實際流量值即：

……………………（5）

它與被標定阻流件輸出的差壓值△PX通過逐點比對建立函數(shù)關(guān)系。（如圖3）

圖3　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　

并由流量計算機擬合出真實流量值與被標定阻流件輸出的差壓△Px的函數(shù)關(guān)系，即：

……………………（6）

依此函數(shù)關(guān)系，可利用管道阻流件（主要是停用的孔板）兩側(cè)的差壓計算管道流量。

采用上述的現(xiàn)場標定方法，也可以用3（或3支以上）支測管，標定其中一支測管，即使用單支測管實現(xiàn)大口徑流量測量，可大大降低設(shè)備費用。

五．使用中注意的問題

1在常用流量低于3m/s時，盡量不選用此方案

2.根據(jù)標準嚴格控制測頭的插入深度

3.在振動比較大的管道上安裝，差壓變送器與測管采用分體安裝，引壓管采用軟管。

4.對下限流量比較小，流量范圍變化大的系統(tǒng)，選用帶有HART通訊功能的微差壓變送器。

5.本系統(tǒng)可用于大口徑蒸汽測量，但須加裝隔熱防凍裝置（防凍隔離器），省卻伴熱、保溫和冷凝系統(tǒng)。

六．結(jié)束語

測管式流量計經(jīng)現(xiàn)場實際運行，在較長的時間里數(shù)據(jù)穩(wěn)定可靠，取得了令人滿意的效果，這是通過現(xiàn)代化技術(shù)手段使經(jīng)典的流量測量技術(shù)得到了延伸與擴展，提供了解決大口徑氣體流量難以計量流量的可靠方法和儀表。可以相信，通過設(shè)計和使用者共同的探索與實踐，這一應用技術(shù)將更為成熟和完善。