威尔巴流量测量系统的介绍及应用

唐全胜

1 前言

威尔巴流量测量系统由一体化威尔巴传感器、差压变送器和流量积算仪等组成，采用差压工作原理，与DCS系统一起进行液体流量测量与控制（见图1）。威尔巴流量传感器形状如子弹头，符合流体动力学原理，能产生精准、稳定的差压信号，具有测量精度高、可靠性好等优点，可测量气体、液体、蒸汽和腐蚀性介质等多种流体，适合测量各种尺寸的高温高压的圆形和矩形管道。

2 测量原理

图1 一体化威尔巴流量传感器

流体流过插入在工艺管道中的威尔巴流量传感器时，在其前部（迎流方向）会产生一个高压分布区，在其后部会产生一个低压分布区，如图2所示。传感器在高压区开设有按一定规则排列的多对取压孔（一般为三对），分别测量流体每点上的压力，在流量传感器端部迎流方向测得流体的全压力即高压值P1（包括每点的动压力又称速度压力和静压力的平均值）；低压区的取压孔在流量传感器侧壁（顺流方向），仅测得流体的多点静压力的平均值，即低压力值P2；将P1和P2分别引入差压变送器，测量出差压△P=P1-P2，故△P反映了流体平均速度压力，即平均流速的大小，以此可推算出流体的流量。

3 特性分析

3.1 设计特点

3.1.1 特殊工艺的子弹头形状

威尔巴流量传感器采用截面形状如子弹头形的探头，结构为一体化双腔不锈钢耐磨防腐金属结构，如图2所示。高压孔在探头前部形成较高的高压区，可阻止流体中的微粒进入取压孔洞；低压孔位于探头侧后两边，在流体与探头的分离点之前，可减少低压孔被堵塞的可能性。在探头前部金属的表面，进行了粗糙化处理。根据空气动力学原理，流体流过粗糙表面，会形成一个稳定的紊流边界层，有利于提高低流速状态的测量精度。在低流速时，探头仍可获得稳定精确的流体差压信号，从而延伸了传感器测量量程的下限，保持流量系数稳定。

图2 威尔巴流量传感器测量原理分析图解

3.1.2 显著的防堵效果

威尔巴流量传感器以其显著的防堵效果，彻底解决了其他均速管插入式流量传感器探头易堵塞的问题，使得均速管流量传感器的防堵水平达到了一个崭新的阶段。

首先，威尔巴流量传感器（探头）的迎面高压孔不会堵塞。在威尔巴流量传感器刚投入运行时，流体在管道静压作用下，开始进入探头的高压孔腔内，犹如带颈的瓶子放入水池灌满水一样，很快形成压力平衡状态。当压力平衡状态形成后，流体不再进入高压孔，遇到进口处的高压会绕道而行，朝探头的两侧分流渐开离去，在探头的后部形成一种涡流。一般情况下，颗粒杂质在涡流牵引力的作用下，集中在探头的后部。而低压孔在探头的两侧以及流体分离点和尾迹的前部，这样可避开杂质聚集区，实现防堵效果，还可避开涡流产生的信号波动区，使威尔巴流量传感器获得一个稳定的差压信号，如图3所示。

图3 流体轨迹分布示意图

3.2 威尔巴流量传感器与孔板流量计比较

孔板流量计产生的压损为所测量差压值的60%，而威尔巴流量传感器的永久压损仅为差压值的3%。

3.2.1 压力损失比较

节流元件压力损失所造成的功率损失：

式中：

W——功率损失

δ——节流件的压损

Q——流经节流件的流体体积流量

孔板流量计的压力损失：

式中：

β——孔板孔径比

△P——产生的压差

δ——产生的压损

威尔巴流量传感器的压力损失：

由以上公式可得，孔板流量计产生的差压本身就比威尔巴流量传感器产生的差压大，同时，孔板流量计永久压力损失也不可避免达到差压的60%，而威尔巴流量传感器由于阻流面积成倍减少，也使其永久压力损失几十倍的减少，只有压差的3%。

3.2.2 安装费用比较

威尔巴流量传感器的安装只需要按照传感器的不同规格尺寸进行简单的焊接，与管道直径的大小无关，而孔板流量计需要进行两倍于管道圆周的焊接。相比而言，威尔巴流量传感器的安装费用降低了许多倍。例如，在DN100至DN1000的管道上安装威尔巴流量传感器，只需进行100mm左右的焊接，而孔板流量计则需要进行600～6 000mm的焊接。如果在大型管道上安装孔板流量计，因重量问题，需要用吊车等辅助设备进行吊装，而威尔巴流量传感器则不需要。相比之下，威尔巴流量传感器至少节约了80%以上的安装费用。根据安装经验，威尔巴流量传感器只需15min开孔，30min焊接安装座，15min固定传感器，整个过程≯1h，即使在不停产的情况下在线安装，整个过程所花费的时间也仅需1.5h左右。

3.2.3 威尔巴流量传感器可在线安装和检修

对于部分无法停产安装的测点和杂质含量多的介质，可选在线安装型威尔巴流量传感器。在威尔巴流量传感器允许的流量、温度、压力及现场环境（非易燃易爆场合）下，可在不停产状态下进行在线安装、更换、清理和维护。

3.2.4 威尔巴流量传感器测量范围广、应用场所多

威尔巴流量传感器可测量介质为各种气体（空气、煤气、天然气等）、蒸汽、流体（水溶性等化学液体）等的满管及单向流体的流量，适用各种尺寸的圆管和方管。威尔巴流量传感器设计新颖，采用特殊工艺的一体化316L金属材质的双腔子弹头结构，强度高，适于高温、高压、具有腐蚀性及防爆危险等场所。

3.2.5 威尔巴流量传感器精度高、量程比大

精度一般为±1%，重复性±0.1%，量程比10：1。管道连接型（VRB60型）威尔巴流量传感器经特殊处理后，量程比可达20：1。■