內藏孔板和小孔板流量計的應用研究

路超，陳志成，王增根，紀波峰

（1.江蘇福瑞康泰藥業有限公司，江蘇宿遷 223800；2.江蘇阿爾法藥業有限公司，江蘇宿遷 223800；3.上海同欣自動化儀表有限公司，上海 200070）

0 引言

0.1 從一個實例談起

某制藥廠最近三年分5 次購置了49 套內藏孔板及小孔板流量計，公稱通徑有DN 20、DN 25、DN 32 和DN 40，被測流體分別為甲醇、甲苯、多組分水混合液、鈉鹽溶液、MTBE、油狀物液體等。滿刻度流量最小的為200 kg/h，最大的為4 000 kg/h，取代基建階段安裝的浮子式流量計和渦輪流量計。因為該廠使用的浮子流量計不僅示值調動厲害而且容易卡滯失準，影響使用。出現卡滯的浮子式流量計，用木槌敲擊后，一般又能正常測量。而渦輪流量計在微小流量測量中，問題也較多，其一是渦輪流量計選型中，大多要做縮徑處理，而高速旋轉的小口徑渦輪流量計，不僅容易壞，而且容易被纖維纏繞而停止旋轉。其二是強腐蝕問題難以解決。

對于被替換的上述兩種流量計存在的問題，在差壓流量計完全不存在，所以換上內藏孔板和小孔板流量計后，都能長周期穩定運行。

0.2 制藥廠流量測量的特點

原料藥制藥廠生產流程大多屬于精細化工過程，主要生產設備例如反應器、精餾塔等，尺寸都很小，管道細，管內流體流量小，由于生產過程這種固有的特點，也就使得這種生產流程中所配用的流量測量儀表具有許多特點，如果想解決所遇到的問題，就必須對這些特點進行研究。

（1）流量普遍較小。液體流量有時只有每小時幾十千克。

（2）連續生產過程對儀表的可靠性要求高。而對流量測量準確度的要求不像計量用途表那么高。

（3）有些被測流體有極強的腐蝕性，所以在儀表制造和設計選型中，要與工藝專業多溝通。有些介質還存在易結晶、凝固問題，同樣要采取措施。

（4）不允許有大的壓力損失。

（5）大多數環境有防爆要求。

1 儀表的結構與設計選型

內藏孔板、小孔板流量計是差壓式流量計的一種，是基于柏努利方程和流體連續性方程而工作的[1]。國際標準和國家標準GB/T 2624—2006 給出了差壓流量計的計算公式[2-3]，計算得到孔板開孔直徑d，流出系數C和可膨脹性系數ε1，具體的計算由儀表制造廠利用專用軟件在計算機上完成。由于計算得到的d一般都很小，加工過程中會有誤差，計算公式也有一定的誤差，只有采用實流標定的方法才能保證精度。如果不做實流標定，只能得到5%的流量測量準確度。

1.1 儀表的特點

（1）結構簡單，現場調試和維修方便。

（2）可靠性高，使用壽命長。

（3）性能穩定，抗干擾能力強，耐振性好。

（4）耐腐蝕問題容易得到解決，孔板板片和差壓變送器殼體、膜盒等均采用Hc 材質，其余與腐蝕性介質接觸的部分采用與管道相同的材質，一般就能解決問題。

（5）壓力損失可以根據工藝要求設計計算。

（6）流量測量范圍極其寬廣。測量液體流量時，滿刻度流量最小可達10 kg/h。而且變更量程方便。

（7）量程比較窄是它的一大缺點。對于單量程表，量程比一般只能做到10∶1，但對過程控制來說，這一缺點并不是致命的，因為工藝專業對流量量程比的要求并不高。

1.2 儀表的結構

這種儀表屬定型產品，其中內藏孔板流量計適合安裝在水平管道上，小孔板可以安裝在水平管道上，也可安裝在垂直管道上。由于流體的類型不同，儀表的結構也不同，選型原則是流體為氣體時，不讓流體可能生成的冷凝液進入差壓變送器的高低壓室；流體為液體時，不讓流體中可能析出的氣體進入差壓變送器的高低壓室。這兩條原則在儀表安裝時也須注 意。

（1）內藏孔板流量計的結構

所謂內藏孔板流量計就是差壓裝置與差壓變送器合為一體，只適用于DN 15 和DN 20 管道。已形成定型產品的結構如圖1所示。

圖1 內藏孔板差壓流量變送器Fig.1 Built-in orifice plate differential pressure flow transmitter

流體流路示意圖如圖2所示[4]。

這種結構的一個顯著的缺陷是孔板開孔直徑的加工精度難以控制，因為從圖2 可看出，此開孔深藏在深孔之中。由于這個原因，在做實流標定時，往往會發現滿刻度對應的差壓值與設計計算結果相差較多。為了解決這個問題，將孔板開孔移到便于加工的地方，于是就誕生了小孔板差壓裝置。

圖2 內藏孔板內部結構Fig.2 Built-in orifice internal structure

（2）小孔板流量計的結構

小孔板流量計的結構其實與法蘭取壓標準孔板流量計相同，只是公稱通徑比50 mm 小一些。其典型結構如圖3所示。

圖3 垂直管道小孔板流量計結構Fig.3 Vertical pipeline small orifice flowmeter structure

圖3 中的孔板按標準孔板的要求加工，孔板開孔直徑得到精確控制，因此測量范圍相同的多臺小孔板流量計，具有很好的一致性。

圖3 中的三閥組，用途是流量計校零時便于操作，但在實際應用中，有時也被省掉了，這主要是下面的三個原因：

①差壓裝置中的節流件、法蘭、管件、導壓管、閥門等，都要與強腐蝕介質接觸，都要用特殊材質制成，不僅價格高而且制造麻煩。省去根部閥和三閥組可減少很多麻煩。

②配置根部閥的目的之一是維修差壓變送器方便些，但是現在市場上購置的優質變送器，可靠性非常高，并不需要經常維修。

③配置根部閥和三閥組的另一個目的是變送器校零，由于微小流量的特殊性，一般允許工藝管道上的閥門短時關閉，這時可對流量計零點進行調校，但需與工藝專業配合好，以免造成影響。

無根部閥的儀表外形如圖4所示。

圖4 無根部閥的儀表外形Fig.4 Instrument appearance without root valve

（3）壓力變送器和溫度傳感器安裝方法的改進

在測量氣體流量時，一般需要配置壓力變送器和溫度傳感器進行溫度壓力補償。其中壓力變送器通過特殊設計的管接頭安裝在差壓變送器正壓室的排氣口上[5]。溫度傳感器選用鎧裝鉑熱電阻，用管外夾裝的方法固定。從而避開管徑太細，溫度傳感器安裝困難的問題。安裝方法如圖5所示[6]。安裝完畢用絕熱材料保溫。

圖5 夾裝式鎧裝鉑熱電阻的安裝Fig.5 Installation of clip-on armored platinum thermal resistance

1.3 設計選型中應考慮的問題

儀表工程師們對標準差壓流量計大多是很熟悉的，其實內藏孔板、小孔板流量計是縮小版的差壓流量計，用戶需提供儀表使用條件和具體要求，包括

（1）流體溫度、壓力、流量操作條件，含最大流量、常用流量、最小流量。

（2）流體物性數據：含氣體（液體）組成、密度、黏度等。

（3）管道規格、材質及與儀表的連接方式、法蘭標準等。

（4）流體流動方向和允許壓力損失。

（5）防爆、防凍、防凝固、防結晶、防腐蝕等要求。

（6）其他需要說明的事項。

2 流量計的標定

GB/T 2624—2006 標準規定，按此標準制造并檢驗合格的流量計，只要幾何檢驗合格就能保證準確度。但是內藏孔板流量計和小孔板流量計，管道內徑和孔板孔徑都不符合上述標準，因此必須經過實流標定，才能保證準確度[7]。

（1）介質為液體的標定

按照JJG 640—2006 檢定規程的規定，內藏孔板、小孔板流量計可用自來水標定。標定時水的流量和實際使用介質的流量用式（1）換算。

式中qmw——水的質量流量，kg/h；

ρw——水的密度，ρw= 998.29 kg/m3；

ρ1——實際使用介質的密度，kg/m3；

qm——實際使用介質的流量，kg/h。

標定得到的各標定點誤差，可以繪制成誤差曲線，如圖6所示。還可以用折線法將各點誤差予以校正。典型校正曲線如圖7所示。校正可以在流量二次表內完成[8]，也可在DCS 中完成。

圖6 典型誤差曲線Fig.6 Typical error curve

圖7 典型校正曲線Fig.7 Typical calibration curve

由于流量較小，只要有水源和一臺電子秤就能實現流量計的標定。

（2）介質為氣體的標定

測量微小氣體流量的內藏孔板、小孔板流量計，可用空氣標定，然后用式（2）進行換算。

式中qmA——空氣質量流量，kg/h；

ρnA——空氣標準狀態密度，kg/m3；

ρn——實際使用氣體標準狀態密度，kg/m3；

qm——實際使用氣體質量流量，kg/h。

3 流量計的現場校準

投入使用的流量計，為確保測量準確，需要對其進行校準或比對，對于內藏孔板、小孔板流量計來說，這一愿望是很容易實現的。因為流量較小，排出管外的流體容易回收或處理，而且標準器也容易解 決。

（1）介質為液體的校準

工藝管道的適當部位，總是串聯有切斷閥，將這類閥關閉一個，管道內的流體就停止流動，這時就可以檢查流量計的零點是否正確。這種校零的方法不僅適用于液體，同樣適用于氣體。對于差壓式流量計來說，差壓為負值流量也顯示零，這時可用手持終端或其他方法去差壓變送器讀取差壓輸出值，如果不為零則予以調整。

工藝管道上往往設置有放凈閥，這是工藝專業的需要。在流量計的下游如果能找到這樣的閥，就可從閥中放出液體并用容器收集后稱重，然后與校準期間的累積流量增量比較并計算誤差。

（2）介質為氣體的校準

與液體流量計校準相比，氣體流量計的校準要難得多。這是因為氣體不能放容器稱重，只能用準確度合適的氣體流量計，對排出管道的氣體進行計量。校準比對用流量計有皂膜流量計、旋轉濕式氣體流量計、浮子式流量計等。

（3）校準注意事項

上述校準比對方法都要建立在安全基礎上，對于易燃易爆和有毒有害、高溫高壓介質，不宜從管道中放出物料作現場比對。

4 結束語

（1）內藏孔板、小孔板流量計是差壓流量計往微小流量方向的延伸，彌補了標準差壓流量計不能測量微小流量的不足。

（2）內藏孔板、小孔板流量計，結構簡單，維修方便，可靠性高，使用壽命長，性能穩定，抗干擾能力強，耐振性好，耐腐蝕問題容易解決，壓力損失小，變更量程方便，可測流量范圍極其寬廣，量程比可達10∶1。

考慮儀表投資的要求，對于腐蝕性的介質優先考慮板片的耐腐蝕性，節流裝置法蘭具有可更換性，可降低耐腐蝕性要求。

（3）內藏孔板、小孔板流量計，必須經過實流標定才能保證準確度。由于流量微小，標定用的設備容易解決。

（4）由于一體化的結構設計，使一個流量測量系統中所包含的各臺儀表在制造廠完成組裝并標定，從而使工程設計得以簡化，系統精度得到保證。

（5）由于流量微小，可借助工藝管道上的閥門或儀表專業設置的校驗口，在使用現場實現流量示值的校準、比對，從而判斷流量計是否準確。校準的方法符合有關計量檢定規程[9]。

經現場驗證，測量黏度高達12 mPa·s 的高黏度流體時，也能做到很準確。

部分儀表與尚未拆除的浮子流量計比對，其示值與經過密度換算的浮子流量計示值基本相符，得到工藝專業的好評。

（6）由于這種流量計的固有特點，使其在制藥等精細化工行業、化工小試裝置以及輕工行業的添加劑計量中，得到廣泛使用。