干货分享│“大量程比”流量仪表选型

某项目粉煤锁斗工艺介质为干粉煤，输送气体介质为二氧化碳，标准状态下的密度为1.96kg·m-3，管道公称通径为DN150，锁斗的操作压力变化范围为0.11~4.91MPa允许压损为20kPa，操作温度为80℃。粉煤锁斗升压采用流量计的具体工艺操作参数见表2所列。

根据上述参数，标准状态下量程比为57：1，工作状态下量程比为2.1：1。如果按照流量计推荐量程比选型，在标准状态下仅有科里奥利质量流量计和超声波流量计可用；在工作状态下，所有类型流量计均可用。量程比的两种不同的理解导致了不同的选型结果。本文针对表2涉及的工况，讨论涡街流量计和差压流量计的选型。

涡街流量计利用卡门涡街原理，在流体中安放旋涡发生体，流体在旋涡发生体下游两侧交替地分离释放出两列有规律的交错排列的旋涡，在一定雷诺数范围内，该旋涡的频率与旋涡发生体的几何尺寸、管道的几何尺寸有关，旋涡的频率与流量成正比，该频率可由探头检出。计算公式如式（1）所示。

由式（1）可知，f与u-成线性关系，即涡街流量计的量程比与流经流量计的操作工况下的流量成线性关系，与标况流量无关。涡街流量计的最小可测流量取决于雷诺数和传感器灵敏度，最大可测流量取决于制造厂家允许的最大流速。表2中，流量计操作工况下的的量程比为2.1：1，处于涡街流量计的推荐量程比范围5：1~40：1内，初步判定可以选用涡街流量计。

因表2中的两种工况的操作压力相差比较大，不能采用常规思路进行计算。涡街流量计（FT001）调整后的计算思路为：按照最大流量工况确定初步的流量计口径；核算最小流量工况是否在确定口径的涡街流量计能够保证精度的测量范围内。对FT001最大流量工况进行计算。根据计算结果，该流量计口径初步确定为DN150。在最大流量工况下，其满足1%精度的标准状态下测量范围6251.438~166705.041m3/h。对FT001最小流量工况进行核算。在最小流量工况下，其满足1%精度的标准状态下测量范围275.28~7029.473m3/h。FT001标准状态下最小流量400m3/h在测量范围内。FT001的口径确定为DN150时，能够同时满足最大流量和最小流量两种工况。

差压流量计是以伯努利方程和流动连续性方程为依据，当被测介质流经差压件时，在其两侧产生差压，通过测量差压确定流体的流量。差压流量计主要由：节流式或非节流式差压件、差压变送器和流量积算仪组成。质量流量与差压的计算公式如式（2）所示，体积流量与差压的计算公式如式（3）所示：

对于已经确定的节流装置，C，d，β，ε为确定值，公式（3）可转换为：

由上述分析可以看出，标准孔板作为一种节流式差压件，要保证在某个精度范围内测量流量就需满足2个条件：

标准孔板可测的最大流量是刻度流量，可测的最小流量取决于标准的极限最小雷诺数。标准孔板的极限最小雷诺数与取压方式、开孔直径比有关。对于法兰取压的标准孔板，管道雷诺数ReD不小于5000且不小于170×β2×Ｄ。

标准孔板两种工况下的差压比值可由公式（3）计算，两种工况的差压比值为2555924482×3.1988.43≈117，该值大于当前主流智能差压变送器的量程比100：1，智能差压变送器测量下限限制了流量测量准确性。标准孔板（FE001）可配置A，B两台差压变送器，采用差压／流量接力的方法进行测量。差压变送器Ａ检测大量程差压信号，差压变送器Ｂ检测小量程差压信号，两台变送器同时工作，信号送入流量计算仪或用户系统中使其相互协调工作。在小流量时采用低量程差压变送器的输出作为测量数据；当流量超过低量程范围时，由系统切换采用差压变送器Ａ输出作为测量数据，如此就用两台变送器接力方法实现了宽量程的流量测量。

标准孔板和涡街流量计采用同样的计算思路，首先按照最大流量工况初定标准孔板的开孔直径，然后核算确定开孔直径的标准孔板在最小流量工况下的测量范围是否包括最小流量。

FE001最大流量工况的计算结果：标准状态下的刻度流量为28000m3/h，对应的刻度差压为45kPa，β为0.67803，管道极限最小雷诺数为11673，对应的最小流量为47.95m3/h，量程比约为580：1，标准状态下的最大流量25559m3/h对应的差压值为37.447kPa。

FE001最小流量工况的计算结果：标准状态下刻度流量为4949.45m3/h，对应的刻度差压为45kPa，β为0.67803，管道极限最小雷诺数为11673，对应标准状态下最小流量为43.849m3/h，量程比约为112：1，标准状态下最小流量448m3/h对应的差压值为0.309kPa。

FE001在最大流量和最小流量两种工况下的不确定度（不考虑差压变送器）不大于0.87%，其量程比远大于其推荐量程比3：1，但因标准状态下最小流量448m3/h对应的差压太小，仅有0.309kPa，其对应的不确定度（考虑差压变送器）已升高至5%，所以差压流量计的量程比一般不受标准孔板影响，主要受差压变送器测量下限的限制。

因粉煤锁斗升压流量计两种工况中压力变化比较大，为提高仪表测量精度，需要对测量结果进行修正。

测量气体时，涡街流量计工作状态下测量修正计算如式（5）所示：

因两种工况中温度不变，涡街流量计测量结果仅考虑压力和气体压缩系数的修正系数即可。

因粉煤锁斗升压流量计两种工况中温度不变，而压力改变时，同时影响ρ，Z，Ｃ，ε，差压流量计工作状态下测量修正计算如式（6）所示：

测量修正一般有以下两种实现方式。

方式一：当现场仪表有内置压力时，仪表根据所测压力由仪表内部存储的数据库自动计算体积流量和质量流量。

方式二：采用智能流量计算仪或DCS。将现场仪表所测工况体积流量和温度及压力变送器所测信号传到流量计算仪或DCS，由智能流量计算仪或DCS进行补偿运算，可以输出质量流量、标准体积流量等。DCS一般完成比较简单的补偿计算，智能流量计算仪完成比较复杂且计算速度要求比较高的补偿计算。

涡街流量计一般采用方式一实现测量修正，其仪表表头指示和DCS指示能够保持一致。标准孔板一般采用方式二实现测量修正，但差压变送器测量修正前的指示与智能流量计算仪或DCS相差较大，没有参考意义。

利用量程比初步确定流量计类型时，涡街流量计以操作流量为主，差压流量计以差压变送器量程比为主。对于大量程比的流量仪表选型，应仔细分析常用流量计的测量原理并识别影响量程比的关键参数。当常用流量计的量程比不能满足要求时，应考虑是否存在扩展量程比的成熟方案。