节流装置的选型及应用

节流装置的选型及应用

开封仪表有限公司

教授级高级工程师

邵朋诚

我们开封仪表有限公司是著名的流量仪表研发、制造、测试基地，建厂50余年来，在流量仪表方面多有建树，可以说，我们的企业在产品品种和规格方面是国内流量仪表厂家的龙头。由于流量测量的特殊性，市场上出现并使用的流量仪表种类众多，其中市场占有量最大的仍然是节流装置。广大用户很想了解节流装置选型和应用方面的知识，这是一个复杂的问题。限于本人的知识水平，我无法全部解决大家的问题，在这里，本人就这一议题从以下4个方面和大家交流、切磋。讲得不对的地方，欢迎批评、指正。

1.基础知识

虽然基础知识对于一位急于选型和使用的用户来说似乎是“远水不解近渴”，但了解基础知识的确能帮助用户最佳选型、最佳使用。以下通过介绍几个名词来了解一些基础知识、有利于了解节流装置的基本原理。

（1）流量

定义：在一定时间（秒、分、小时）内通过某指定截面内的物料量。若物料量是以体积（容积）单位（如升、立方米）来表示，则称为体积（容积）流量，此时尚需注明是标况（0℃或20℃，101.33kPa）或工作状况下，需注明是在哪一个温度、压力下的体积（这一点特别重要）；若以质量单位（如千克、吨）表示，则称质量流量。注意区分“流速”、“流速分布”“流通截面”的含意。对于插入式仪表，直接测量的实际上是流速，要得知流量还需要“流速分布”。

（2）密度

定义：单位体积的介质所具有的质量。

介质的密度与其组分、温度、压力、湿度等有关。节流装置的输出值与此有关。由于流体介质的复杂性，这个参数往往是变动的，如果不能进行实时补偿，将会直接影响流量的测量精度。

（3）粘度

定义：流体的粘度是表征分子微观作用的宏观表现的物理量。

A.气体：是由无规则分子运动（热运动）引起的；

B.液体：是由分子间的引力、因流层间的速度差而产生的。

主要有三种表示方法：

①动力粘度：μ＝剪切压力τ/剪切速率d 称为牛顿内摩擦定律。国际单位制（SI制） Pa·s（帕·秒），常用其103-:mpa·s(厘泊cp)

②运动粘度（比密粘度）υ＝μ/ρ SI单位 m2/s 常用其103-: mm2/s(厘司特cst).

③“条件”粘度,是在一定条件下的粘度。主要有：恩格勒度(恩氏度)、赛波特秒（赛氏秒）、雷德伍德秒（雷氏秒）等。

（4）等熵指数κ:可逆绝热（等熵）转换条件下，介质压力相对变化与密度相对变化之比。

对于节流装置、临界流流量计及热式流量计，需要知道等熵指数κ，因为节流装置测量气体流量时需要计算可膨胀性系数ε、临界流流量计需要计算临界流函数C 。一般用气体的“比热比”代替。

（5）雷诺数：是表征流体流动特性的一个参数，它等于流体流

动时惯性力与粘滞力之比：R

e =

ν

ul是一个无量纲的纯数

u ：流体的平均流速m/s, l ：流体的特征长度m ，ν:运动粘度m 2/s 管道的特征长度用当量直径D d 表示,若用q v (m 3/h)或q m (kg/h)代

替u(m/s),用D d (mm)代替l (m), μ: mpa ·s

则上述公式变为: R ed =354·μd D q m

由雷诺数的大小可以判别流动状态，这对差压式流量计非常重要。当管道是圆直管时，R ed <2300为层流(滞流)态； R ed =2000~4000为过

渡状态,此时流出系数不稳定; R ed >4000~12000,湍流态。一般在R ed >10000之后才是稳定的湍流.(当l 用水力半径代替时R ecr <580为层流

态)。（标定）检验用的流体与实际使用时的流体不一样时，要达到动力相似（需雷诺数相同）和几何相似（仪表结构具有相似性），测量气体流量的仪表在用水实际标定时，对同一台仪表，要根据雷诺数相同的原理计算出校验点的水流量，得出各个校验点的流出系数后按照“权函数”的原理算出仪表的流出系数（也可以提供分段流出系数）。

（6） 流出系数C

定义：C= 理论流量

实际流量（在一定的流体条件下，相同的流量测试点，对同一台流量计而言）

对于节流装置而言，还曾用过另一个系数——流量系数α

α=C *-411

β , β:节流径比

这里的“理论流量”是指流动过程中没有能量的损失，是根据流体流动两大方程式——伯努利方程和流体连续性方程计算出来的流量。

（7） 节流装置

利用管道流通面积的收缩、扩张，使得流动流体产生静压力差的装置。

2.节流装置的原理与分类

（1）：原理 节流装置的工作原理基于伯努利方程（能量守恒）和流体连续性方程（物料平衡）。

节流装置的流量基本方程：

1242112643.0ρββε*?**-**=P D c q m

式中：q m ：…………流体的质量流量（kg/h ）

C ：…………流出系数

ε：……流体经过节流装置后的可膨胀性系数（对液体ε＝1）

β：………径比(β=d/D ，d ：节流件的喉部（最小截面处）直

径（mm ），

D ：………测量管（工作状态下）的内径（mm ）

△P ：………节流装置上、下游取压口处测取的差压值（kPa ） ρ1：………流体（在节流装置上游侧条件下）的密度（kg/m 3） 利用差压变送器将差压值△P 转变成标准电流信号或数字信号，再经过显示仪表或数据处理装置，显示出流体的流量或总量。

（2）特点及分类

特点：历史悠久、原理复杂、结构多样、规格齐全、性能稳定、标准化程度高、成本较低、使用范围广、用量大。

分类：（A ）标准节流装置（符合ISO5167或GB/T2624）：标准孔板（取压方式分为：角接，法兰，D 、D/2）、ISA1932喷嘴（习惯称呼标准

喷嘴）、长径喷嘴、经典文丘里管（又称古典文丘里管）、文丘里喷嘴。

（B）：非标准节流装置：锥形入口孔板、四分之一圆孔板、偏心孔板、圆缺孔板、环形孔板、楔形流量计、V形锥流量计、内藏式双文丘里管、插入式双文丘里管、内藏式节流装置、低压损流量管等。

“节流装置”是差压式流量计中的一大类。节流装置最早用于商业用途的例子是1900年美国曾使用孔板测量天然气流量，随后的100多年，又出现了各种节流装置，其中5种节流装置经过大量的实验和科学的数据处理，逐渐形成了国际标准，并且不断的完善，最近颁布的国际标准ISO5167-2003把标准节流装置的研究与应用又推进了一步。

下面简单介绍一下其中几种节流装置的特点和主要应用领域：

* 标准孔板：是节流装置中规格最多、用量最大的一种，按照国际标准或国家标准，公称通径50～1000mm，但是实际上超过1000mm以后仍然沿用这个标准。对于高温、高压流体，首选标准孔板，在化工、石化行业有着广泛的使用。它的缺点是压力损失大、要求的直管段长度较长、防堵塞能力差。

* 经典文丘里管：是标准节流装置中压力损失最小的一种，由于它的标准化程度高、性能稳定、使用寿命长、压力损失小等优点，广泛使用在输水、输气工程中。

* 环形孔板：与标准孔板的区别主要是流通截面形状，相同点是流动附面层类似。优点是排污能力强，几乎不受上游流场畸变的影响、要求的直管段长度短，在冶金工业的煤气传输中有着广泛的应用。

* V形锥流量计：又称内锥流量计，近年来宣传较多，其特点是：

直管段要求可以短些、信号比较稳定、防堵塞能力较强。但需要单独标定，不同公称通径、不同径比β下流出系数相差很大，要想升级到抽样标定还需要做很多工作,特别是对“直管段长度”的宣传没有足够的试验数据做基础，对于某些厂家宣传的“量程比很宽、精确度很高”等等这些关键指标要有理性分析。在化工、石化等行业有着广泛的应用。

* 楔形流量计：其检测件是个“楔块”，其最小流通截面呈现弓形或圆缺形。其突出优点是防堵能力强、工作可靠。可以在化工、石油等行业测量脏污液体如循环水、燃料油等的流量。

3.节流装置的选型

一般包括选择仪表的品种、型号、规格，选择生产厂家。原则是：根据被测流体的性质、测量条件、欲达到的的技术要求（如精确度、可靠性……）以及经济性、安装环境等选择仪表品种、类型；根据被测流体的流量范围、压力、温度、管径及配管情况选择型式、规格，这些选择往往需要交叉反复，综合考虑。根据企业产品质量、企业资信程度、管理水平、产品价格、供货方式、付款方式、服务水平等因素选择厂家。

①选择品种、类型

Ⅰ.根据被测流体的性质、测量条件

对一般的清洁流体如水、空气等，很多种仪表都可供选择。现在我们只讨论有特殊性的流体。

* 脏污流体：通常选择环形孔板、V形锥流量计、楔形流量计等。值得注意的是若含杂质太多，就形成了液固或气固两相流，上述仪表都不能用，只有使用“互相关流量计”（目前尚没有大批生产）。

* 高温高压流体：通常选择：ISA1932喷嘴、长颈喷嘴、标准孔板、环形孔板等。

Ⅱ.根据欲达到的技术要求

a.以精确度高为首要条件的（如对外销售管网，化学反应的添料系统，供热、供水系统的买卖双方……）：

推荐选用带直管段的标准孔板，必要时可以进行现场标定。如果量程比达不到要求，可以采用“可更换孔板”或者“并联孔板组”。

b.以工作可靠性为首要条件的（如自控系统中的流量检测），不但要求工作可靠，而且要求一旦发生故障也不能造成大的损坏。推荐选用：ISA1932喷嘴、长颈喷嘴、经典文丘里管等。

c.受安装环境条件限制的（如高温环境、管道并列、安装空间受限）：对高温环境，选标准孔板；对直管段长度较短的管道，优选环形孔板、V形锥流量计等。

d.以要求压力损失小为首要条件的，推荐选用经典文丘里管、插入式双文丘里管、内藏式节流装置、低压损流量管等。

②选择型式、规格

初步选出仪表类型品种之后，就要考虑仪表的规格是否能符合用户要求，如果不能符合要求，还必须重新选择仪表品种，也就是说，选型过程是反复比较综合考虑的过程，既要了解使用条件又要熟悉仪表参数性能，是个凭经验、凭知识水平、凭信息资料的复杂过程。

仪表规格一般包括公称通径（口径）、流量范围、公称压力、允许使用（介质、环境）温度范围等。介质工作状态下的压力温度必须处于

欲选仪表所允许的压力、温度范围内。值得注意的是仪表说明书中写明的压力值一般是指在常温条件下允许的最高压力。如果使用在高温状态（尽管此温度也在仪表允许的温度范围内）下，应当选用较高档次的压力规格（根据法兰材料标准或生产厂家的规定）。

仪表说明书中提供的流量范围是确保仪表精确度在规定范围内的最大范围，建议使用时的实际范围处于其间且实际流量最大值不大于仪表刻度流量上限的80％，以有利于仪表工作可靠性（对有可动件的机械仪表），也可避免在偶然情况下实际流量超过仪表刻度流量上限、造成“计量漏失”（对输入信号为模拟量的显示仪表）。

在实际流量范围和流程管道公称通径不能同时符合仪表流量范围和公称通径的情况下，应优先满足流量范围，而管道公称通径可以在必要的直管段范围内变更仪表通径（异径接头和锥管过渡）。

如果初选的仪表仅仅是管径和流量范围不能满足用户要求，在实际流量太大时可用两台或两台以上同种流量计（规格可不同）并联使用，若实际流量太小则必须改选其他仪表，或者与制造厂联系，对小流量段定点标定，分段采用仪表系数（分段补偿）。

尽管流量仪表的品种规格很多，但仍有不少流量问题至今不能解决或解决不好。除了仪表研究设计部门积极开发新产品之外，为解决临时急需，也可以采用变通措施。例如，对高温流体，使用冷却套（水冷或风冷）、隔离套或冷凝器等，使仪表的对温度敏感的部分局部降温；对于某些只能选用节流装置但又因其测量范围小不能满足要求的现场，可以并联若干台不同量程的差压变送器，人工或自动切换使用。

③选型时需要注意的事项

a.以计量总量为目的，应优先选用输出信号为频率量或脉冲量的仪表（数字通信），经常使用的范围在仪表满刻度的30％～80％为佳。对要求较高精确度的现场，最好将仪表及其前后直管段一块儿在计量设备上标定。有条件的用户自备校验设备，大管径计量仪表最好附设现场标定设备,如标准体积管、活塞校表器等。

b.在考虑仪表精确度的时候，必须注意厂家提供的数据是在出厂标定条件下测试的。在用户使用时，由于介质温度、压力、安装情况、管段情况等不同于标定情况，所以精确度要受影响。用户要把这些条件造成的附加误差考虑在内。最好选附加误差小的流量仪表，同时尽可能保证仪表所规定的安装条件。

c.在选节流装置主机的同时，还应注意选择这些仪表所需要的辅助设备，例如消气器、过滤器、整直器、止回阀等，以保证流量仪表正常而可靠地工作。

d.有的仪表制造厂仅供应节流装置本体，要完成测量任务还需要配购变送器、显示或记录仪表，因此用户在订流量计时要问清供货单位供应的是否包括变送器、显示仪表在内的全套仪表，若不包括，还需问清配用什么样的变送器或显示仪表才能与该节流装置配套使用。例如，从生产节流装置（孔板，文丘里管……）的厂家订过节流装置后还需订相配套的差压（温度、压力）变送器、显示或记录仪表，需要什么功能（如报警等）都要与用户沟通。

e.仪表成本问题是用户关心的，除了考虑仪表本身的价格以外，还

要考虑配套仪表、装置等附件的价格以及压力损失大小、运行费用、维修费用、复标所需的时间、费用等、因为要维持仪表的正常工作，牵涉到的经费支出是多方面的，一台常出故障的仪表，尽管仪表价格低，但经常维修，将备件、耽误的工期等因素考虑进去就不经济了。

用于商品贸易的流量仪表，其精确度牵涉买卖双方的经济利益。由于计量不准确而引发的纠纷往往使计量仲裁机关伤神，所以计量仪表应尽量选用精确度高而工作可靠的仪表，价格高一些，操作者水平要求高一些都是合情理的。

f.仪表的供货情况、生产厂家的质量、信誉、服务等因素也应当考虑。对于急于订货的用户，仪表的交货期往往是关键，而生产厂家产品质量不好，或信誉不好，或售前售后服务不好，这些“软指标”则应是“否定性指标”。

最后，应当提醒用户注意的是在市场经济中，要把握信息，及时了解仪表市场动态，多搜集一些仪表产品样本，尽可能早一些开始设计、选型、以便有时间“货比三家”，综合各种因素，做出最佳选择。

4.节流装置安装使用中应注意的问题：

对于不同的节流装置，在其使用说明书中都有较详细的“安装使用注意事项”，这里没有必要全部重复，下面仅就容易被人忽视却又很重要的事项提醒使用者：

（1）要特别注意流体介质的密度、湿度是否与计算设计时的参数相符，因为密度与差压值等同地影响着测量精确度，特别是混合气体的成分、湿度，有时用户不提或不说明湿度是何温度下的，这些都影响精

度，如果在订货时没有提出或者有变化，可以根据实际情况再重新计算。

（2）传感器（一次装置）安装的位置：一定要注意使流体始终充满测量管段，要离开支管（流入或流出）、弯头等局部阻力件较远的距离，也就是说，要有一定长度的前后直管段（根据厂家说明书），严防流体中夹杂气泡或流束畸变。

（3）节流装置离不开差压变送器，差压变送器的性能直接影响节流装置的整体性能，所以一定要配套使用质量好的差压变送器，如果被测气体是湿气体，还要防止凝结水进入差压变送器的测量室（合理布置取压管路），特别是差压信号小的时候。流量仪表的量程主要取决于差压变送器的量程，由于开方关系，流量的10倍需要差压的100倍量程，必须选用高品质的差压变送器才能实现流量测量的高精度、宽量程。

（4）插入式差压流量装置

这一类仪表是按安装方式相对于“全流式”仪表而命名的，其工作原理多种多样，目前比较常见的是均速管类插入式流量计，根据检测杆截面形状不同有阿牛巴（菱形截面）、托巴（六方形截面）、威力巴（子弹头形截面）以及我们开发的强力巴（前尖后钝的六面体），在信号强弱、检测杆耐用性及耐脏污堵塞方面有优劣之分。强力巴面市较晚，是以实用新型专利“具有高灵敏度的流量传感器”（专利号ZL200320113268.3）为基础开发出来的，具有灵敏度高、差压信号强、检测杆坚固耐用、差压信号稳定、测量精确度高、杆的加工精度容易保证、防堵能力强等优点。与各种插入式仪表一样，在“流量”的测量精确度方面需要注意实际流速分布情况，若与理论值或实验室标定的条件

不一致，会带来一定的误差。所以需要特别注意安装的位置。

结束语

节流装置类流量仪表是一种涉及多门学科的工业自动化仪表，产品质量与计算设计技巧、制造工艺能力、配套变送器的产品质量、出厂标定设备水平等密切相关，同时又与使用现场环境条件、流体参数、管道安装条件等密切相关。正确选型与使用，使流量仪表充分发挥它的长处，圆满实现用户的目的要求，是我们制造方、设计选型方、订货方、管理使用方共同的责任。我相信，在这四方的通力合作、紧密配合下，流量仪表一定能在各种工业现场胜任它的任务。

不当之处敬请指正

谢谢！

开封仪表有限公司

邵朋诚

2009.04