彎管流量計

彎管流量計與傳統的孔板流量計一樣同屬於差壓式流量計的範疇，只是彎管流量計產生差壓的方式與孔板流量計不同，孔板是利用流體的縮放原理產生差壓的，而彎管感測器是利用流體的慣性原理產生差壓的。

既繼承了差壓式流量計結構簡單、性能穩定、測量精確的優點，又克服了差壓式流量計壓力損失大、容易堵塞、維護困難等缺點。彎管流量計以其突出的節能效果、高穩定性、高準確性、高適應性，在熱力、熱電、冶金、石化行業的蒸汽、煤氣、天然氣、冷熱水、油、空氣、乙炔、硫化氫、二氧化碳兩相流等介質測量中迅速推廣。

基本介紹

• 中文名：彎管流量計
• 項目類型：重點國家級火炬計畫項目
• 系統測量精度：0.5~1.5級
• 重複性準確度：0.2%
• 範疇：差壓式流量計
• 特色：體積小、低功耗、運行穩定

發展史

1911年7月，傑考比斯和蘇易在美國《動力與氣體》雜誌上發表了第一篇彎管流量計的研究報告——《利用管道彎管進行水流量測量的方法》，首次向人們介紹了利用管道上現有的工藝彎管測量水流量的彎管流量計測量方法。

1980年之前，美國、德國、日本等國的學者都對彎管流量計作了大量的實驗研究，發表了許多論文，取得了階段性成果。但由於實驗數據不足，對流量係數沒有取得決定性的進展，使彎管流量計成為系列商品的目的始終沒有達到。

1959年，冶金部鋼鐵研究院馬竹梧先生髮表了《煉鐵爐各個風口鼓風流量的連續測量》論文。

1988年，河北理工大學李志教授帶領的科技團隊，開始彎管流量計的研究。

1991年，建廠生產彎管流量計。

1994年，通過國家定型鑑定。

2001年，列入重點國家級火炬計畫項目。

2012年，已經形成大規模成熟的系列的工業套用產品。

······

簡介

重點國家級火炬計畫項目——彎管流量計是河北理工大學李志教授帶領的科研團隊，歷經20多年孜孜以求開發的具有獨立智慧財產權的中國人的流量計。

彎管流量計巧妙的利用管道本身的特性，在不增加任何節流件、阻流件和中間媒介的情況下，利用管道的自然轉彎，因勢利導，解決了流量計量的問題，實現了輸送和計量的和諧統一。

彎管流量計型號為:SYWL,是根據流體力學和動力學理論設計製造的新一代全新概念的差壓式流量測量系統，廣泛套用於冶金、化工、熱電、紡織、製藥、石油、天然氣、造紙、菸草、食品加工、熱力等行業的液體、氣體、蒸汽的測量，可直接聯入DCS系統，適用於各種工業現場,可作為長期監測流量的測量裝置。彎管流量計主要由彎管感測器、專用儀表或DCS系統、差壓變送器及一些管道閥門組件組成，當流量測量需溫度壓力補償時，還應配備壓力變送器、溫度變送器、溫度感測器。

流量計特點

●測量準確度高、重複性好：彎管流量計系統測量精度高達0.5~1.5級，重複性準確度則高達0.2%。

●無附加壓力損失：彎管感測器沒有任何插入件或節流件，因此在測量流量過程中不會對被測流體造成附加壓力損失，可節省流體輸送的動力消耗，節約能源。

●適應性強：彎管感測器可在高溫、高壓、粉塵、振動、潮濕及其它惡劣環境中正常使用。

●量程範圍寬：流速測量範圍：液體介質為0.2～12米/秒, 蒸汽或氣體介質為5～160米/秒的。管徑範圍： φ10～φ2000mm。

●直管段要求不嚴格：直管段前五（5D）後二（2D）即可充分滿足使用要求。

●使用壽命長：彎管感測器耐溫、耐壓、耐腐蝕、耐磨損、耐振動性能好，並對微量磨損不敏感。感測器經特殊加工處理後壽命至少與管道壽命相同。

●安裝方便、耐磨損、免維護：由於彎管感測器對磨損不敏感，所以可以直接焊接安裝在管道上，一次焊接完成後再也不存在泄漏等令人頭痛的問題，不需維護。

流量計主機的特點

●多迴路、多參數顯示

●先進的觸摸式按鍵,外形和結構設計新穎，操作方便

●掉電保護功能，保護掉電後重要數據不丟失

●完備的實時運算補償和數字濾波功能，提高了系統測量精度和穩定性。

●智慧型邏輯判斷和自診斷功能

●RS－232（或485）串列接口輸出，可直接與其他儀表或計算機系統通訊聯網，滿足用戶和外部設備之間的實時通訊，或者外部控制、列印功能。

●標準（4－20mA）模擬量輸出（可以根據用戶需要選擇）

●熱量累計功能，可用於測量水蒸氣、供暖熱水的累計熱量

●時鐘功能，不受主機電源影響，能為用戶提供準確的時間

●體積小、低功耗、運行穩定、測量精度高

彎管流量計系統結構圖

套用範圍

彎管流量計以其突出的節能效果、高穩定性、高準確性、高適應性，在熱力、熱電、冶金、石化行業的蒸汽、煤氣、天然氣、冷熱水、油、空氣、乙炔、硫化氫、二氧化碳兩相流等介質測量中迅速推廣，2012年產品覆蓋全國28個省，並且已進入到國外市場，總計用量已達20000多台套。

大慶油田熱力站套用現場

台灣中鋼套用現場

長慶油田套用現場

工作原理

彎管流量計同屬於差壓式流量計的範疇，彎管感測器是利用流體的慣性原理產生差壓的。當流體通過彎管時,由於受彎管的約束流體被迫作類似的圓周運動,流體在作圓周運動時產生的離心力作用於彎管的內外兩側,使彎管感測器內外兩側之間產生一個壓力差，該壓力差(也就是壓差值)的大小與流體的密度有關，與流體的平均流速有關，與流體作圓周運動的曲率半徑有關。他們之間遵循作圓周運動物體都必須遵循的牛頓運動定律的有關規律。

彎管流量計的研製成功，具有堅實的理論研究基礎和實驗研究基礎。在理論研究方面主要是通過直接求解流體流過彎管的微分方程數值解的方法，全面揭示流體流經彎管的流動規律。在實驗研究方面既有實驗室的大量實驗研究，又有在國家流量檢定站（開封水大流量、煙臺蒸汽、華陽天然氣）對不同介質的流量測量的權威驗證。理論研究和大量的實驗研究表明：由於彎管的導流作用，流經彎管的流體呈現了非常複雜的流動狀態。通過求取納維——斯托克斯微分方程（N—S方程）數值解，可以動畫顯示出這種流動狀態主要包括沿主管道方向的主流動、垂直於主流動的雙螺旋二次流動及出口漩渦等主體內容，具有很強的規律性。根據對真實粘性流體通過彎管內、外側壓力差成正比例關係，具有很好的相關性。根據量綱分析原理，流過彎管的平均流速與彎管內、外側的壓力差可由下式給出：

國家定型鑑定(開封·水)

國家定型鑑定(煙臺·蒸汽)

國家定型鑑定(江蘇鎮江·氣體)

二次流的附加轉向作用

N-S方程——理論基礎

流動基本規律——出口漩渦

流體在某一溫度某一壓力的條件下流過一個管道，當其流經轉彎時，該流體將做相應的圓周旋轉運動。根據流體強制旋流理論，流體在管道內作圓周運動與固體在空間狀態下作圓周運動類似，因此流體必然會產生慣性離心力，該離心力的大小與流體的流速、流體的密度以及作圓周運動的曲率半徑（也就是彎管感測器的曲率半徑）等因素有關。
由於彎管感測器曲率半徑是已知的，流過彎管感測器的流體密度又可通過對流體的溫度、壓力等參數的測定利用主機的計算機準確地求得，因此在彎管感測器上產生的離心力的大小就只是流體流速的函式。只要測出離心力的大小，就可測出流體在管道內的流速，將流速乘以管道的截面積和流體的密度，流體的流量即可計算確定。其計算關係如下：
式①給出了流過彎管流體的平均流速和差壓值的函式表達式：
V=a[（P1-P2）/ρ]β--------①
其中：V－－－流體的平均流速；
a－－－綜合流量係數，a=f（彎管彎徑比、雷諾數、介質動力粘度、管道粗糙度等），其中尤以彎徑比的影響最為重要:
P1-P2-----彎管內、外側壓力差；
ρ－－－－流體的密度；
β－－－－指數；
計算出平均流速V,就可得出計算流量的函式表達式:
Q=S*V*ρ-----------②
式中：
S－－－－彎管橫截面積；
V－－－流體的平均流速； 適用範圍
1、 公稱直徑：25mm≤DN≤2000mm
2、 公稱壓力：PN≤10MPa
3、 介質溫度：t≤450℃(t>450℃訂貨時通知)
4、 雷諾數範圍：ReD>104
5、 精度等級：1級，1.5級
6、 R/D≥1.25

結構形式

彎管流量計的一次感測元件——彎管感測器依安裝管線上的不同分為如下三種：
l &90°彎管感測器——用於工藝管線90°轉彎連線處，替代原彎頭
l &180°彎管感測器——用於直管線上，替代部分直管段
l &135°彎管感測器——用於工藝管線135°轉彎連線處，替代原彎頭

基本特點

全

測量介質全，包括液體、蒸汽、氣體等。液體包括熱水、冷水、油、液氨以及其它液體；蒸汽包括過熱蒸氣、飽和蒸氣；氣體包括高爐煤氣、焦爐煤氣、氧氣、空氣、天然氣、乙炔、硫化氫等等。

寬

管徑範圍寬：DN10——DN2000mm；

溫度範圍寬：-50℃ ——600 ℃；

壓力範圍寬：0——32MPa；

安裝範圍寬：管道轉彎處和直管道上均能安裝，管道的轉彎處用90°標準感測器，直管道上用“V”型感測器；

量程比寬： 10：1；能滿足雙向測流；

流速範圍寬：適用於管道內流速為0.2～12米/秒(液體介質)和5～160米/秒(氣體介質包括蒸汽)的流體流量測量，且都能滿足測量準確度的要求；

適用條件寬：彎管感測器可在高溫、高壓、粉塵、振動、潮濕及其它環境惡劣，安裝條件極差的現場中正常使用，如果採用耐腐蝕材料(如：不鏽鋼、工程塑膠、玻璃、陶瓷等)製造的彎管感測器也可測量各種腐蝕性介質的流量。

短

直管段要求短，前五(5D)後二(2D)倍管徑長的直管段就能滿足其對直管段的要求，從而方便了這種流量計在工業現場的推廣套用。

省

彎管感測器沒有任何插入件和節流件，因此在測量流量過程中不會對被測流體產生附加壓力損失，可節省流體輸送的動力消耗，降低運行費用。

只要用彎管感測器代替原來管道上的彎頭即可進行流量測量，感測器壽命和管道壽命相同。

安裝運行後幾乎沒有維護工作量。

準

系統測量準確度：0.5～1.5級。

穩

重複性精度為0.2%。長期運行性能不變。由於彎管感測器一次安裝之後，不再需要重複拆裝，因此其安裝精度也能得到很好的保證。

發展現狀

彎管感測器

彎管流量計的精度完全依靠彎管感測器的幾何結構尺寸的精確，第四代整體數控機加工彎管感測器是由數控工具機特高精度加工的垂直度、水平度、均勻度、光滑度等幾何參數極其精確的彎管感測器，保證了彎管感測器加工的一致性，使每一台彎管感測器的精度精確穩定，普通機械冷彎或者熱彎的一般形狀的彎頭很難達到彎管感測器對於彎管的基本要求，所以從2005年6月已經開始停止銷售小規格非機加工普通彎頭形狀的彎管流量計。

早期的推制感測器——精度無法保證

第三代數控機加工彎管感測器

第三代數控機加工V型彎管感測器

二次儀表

專門為彎管感測器開發配套的二次儀表（數學模型）是彎管流量計的核心技術，他把安裝狀態、濕度補償、雷諾數的影響、富魯德數的影響、馬赫數的影響、彎管感測器的彎徑比、取壓孔位置、內壁粗糙度等幾何特徵量的影響、熱態管徑的補償、溫壓補償等各變數因素都考慮到其中，尤其是密度的計算，採用IFC公式直接計算，精度高，而不象通用儀表採用查表插值的方法，精度較低。選用普通通用的孔板儀表改造是不可能計算出準確數據的。

繼續研發

彎管流量計技術在世界上我國處於絕對領先地位，河北理工大學建立了DN800國家級水流量檢定站，由博士後、博士、碩士研究生等高級專業人才組成的研發中心承擔著彎管流量計的理論研究和長江三峽、核電等國家重點項目的計算工作，數台尖端的高性能專業計算機晝夜運作，大量的科研數據和成果指引著彎管流量計事業健康快速的發展。

河北理工大學DN800水流量檢定站

李志教授與國際流量計量委員會主席harris