流量计,尤其是像涡街流量计、涡轮流量计、孔板流量计等,其工作原理依赖于流体稳定、充分发展的流场。
控制阀的节流作用:控制阀通过改变开度来调节流量,本质上是一个“节流元件”。当流体流过部分关闭的阀门时,会发生以下情况:
流速急剧变化:流道变窄,流速突然增加。
压力显著下降:阀后压力远低于阀前压力。
产生湍流和涡流:流体脱离阀芯和阀座时,会形成强烈的涡流和扰动。
可能产生气蚀或闪蒸:如果压力降到液体饱和蒸汽压以下,液体会部分汽化,形成气泡,当流到阀后高压区时,气泡又会溃灭,产生剧烈振动和噪声。
不稳定的流态对流量计的影响:
测量误差:涡流和脉动的流体会干扰流量计的传感器,导致读数波动、不稳定甚至严重偏差。例如,涡街流量计无法区分由旋涡产生的频率和由流场扰动产生的噪声频率。
机械损伤:长期的流场扰动和气蚀现象会对流量计的测量元件(如涡轮的叶片、涡街的旋涡发生体)造成冲击和损坏,缩短其寿命。
结论:将流量计安装在控制阀之前的稳定压力区,可以确保流体以平稳、充分发展的流态流过流量计,从而获得最精确的测量结果。
对于一些测量原理的流量计,尤其是测量气体的流量计,需要保证流体在工作状态下是单相流,并且密度相对稳定。
液体介质:如果流量计装在阀后,当阀门关小,阀后压力可能降低到液体的饱和蒸汽压,导致液体部分汽化,产生气泡。对于体积流量计来说,这就变成了两相流,测量会严重失准。
气体介质:类似的,压力的大幅波动会导致气体密度剧烈变化,而很多流量计(如涡街、涡轮)的测量结果与流体密度有关,需要根据工况进行密度补偿。如果压力本身就不稳定,补偿的基准就不可靠。
将流量计装在阀前,可以始终在较高的、稳定的压力下进行测量,避免了因压力过低而产生的相变和密度剧烈波动问题。
在一个典型的流量控制回路中,其逻辑是:
测量 → 比较 → 计算 → 执行
测量(流量计):首先,流量计检测当前的实际流量值。
比较(控制器):控制器将测量值与设定值进行比较,计算出偏差。
计算(控制器):根据偏差,通过PID等算法计算出需要给控制阀的指令。
执行(控制阀):控制阀接收指令,调整开度,从而改变流量。
这个逻辑顺序自然地要求“检测元件”(流量计)在“执行元件”(控制阀)之前。流量计测量的是控制阀动作前的稳定流量,控制器根据这个读数再去调整阀门。如果反过来,控制阀动作造成的扰动会立刻被其后的流量计检测到,形成一个在控制器内部的、难以处理的“内扰”,使控制系统产生振荡,难以稳定。
例外情况:
虽然绝大多数情况都遵循“阀前计后”的原则,但在极少数特殊情况下,也可能将某些类型的流量计(如对流场不敏感的质量流量计)安装在阀后,但这需要经过严格的评估和特殊的调试,不属于通用做法。
因此,“流量计装在控制阀之前”是一条经过长期实践验证的、非常重要的工程准则,目的是为了确保过程测量的准确性和控制系统的稳定性。1088
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