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渦街流量計

新型節(jié)流裝置--內(nèi)錐式流量計

發(fā)布日期:2022-04-27 點擊率:77


長期以來,節(jié)流裝置(孔板、噴咀、文丘利管)因適用于多種流體(氣體、液體、蒸汽),且耐高溫高壓,在許多行業(yè)如化工、電力、鋼鐵、冶金、石油天然氣等,多采用它用以監(jiān)測流量參數(shù)。在流量儀表市場中,數(shù)量約占60%以上的份額。對于這種量大面廣的儀表,國際標(biāo)準(zhǔn)化組織“封閉管道中流體流量測量專業(yè)委員會”(ISOTC30)極為重視,制定了節(jié)流裝置流量測量標(biāo)準(zhǔn)ISO5167,并根據(jù)使用中出現(xiàn)的問題不斷進行修改、完善。我國的節(jié)流裝置國家標(biāo)準(zhǔn)(GB/T2624-93)與其接軌,也等效采用ISO5167。國際標(biāo)準(zhǔn)化組織ISOTC30經(jīng)兩年多的討論醞釀,重新修訂了ISO5167,于2003年3月公布執(zhí)行ISO5167新的標(biāo)準(zhǔn)。

ISO5167新標(biāo)準(zhǔn)修改的主要內(nèi)容

· 在沒有流動調(diào)整器條件下,對節(jié)流裝置(孔板、文丘利管)上游所要求的直管段普遍提出了更長的要求;
· 建議在節(jié)流裝置上游安裝流動調(diào)整器,以適當(dāng)縮短所要求的直管段長度;
· 根據(jù)大量數(shù)據(jù)回歸的R/G公式取代原來的sto1z公式;
· 采用新公式來計算孔板的可膨脹系數(shù);
· 修訂了關(guān)于孔板不同軸度、不平度及上游管內(nèi)壁粗糙度的限制要求。

ISO5167新標(biāo)準(zhǔn)對孔板前直管段長度的要求增大了4~17D,達到了30~70D左右。這個長度在工程實施中存在相當(dāng)大的難度,甚至是不可能的,面對ISO5167新標(biāo)準(zhǔn),我們該怎么辦?

流量儀表在工程中的應(yīng)用,不外乎以下幾種情況 :①貿(mào)易計量,進行物流的核算,準(zhǔn)確度是首要的,如直管段達不到標(biāo)準(zhǔn)要求,直接影響到準(zhǔn)確度的下降;②工藝流程的監(jiān)測 ;主要了解工藝流程是否正常,可靠性是主要的;③工控系統(tǒng)中的檢測環(huán)節(jié),作為調(diào)節(jié)的依據(jù),重復(fù)性是主要的。因此,在直管段達不到要求時,孔板(或節(jié)流裝置)仍可工作,只是準(zhǔn)確度下降了;用于②、③種情況還可考慮,而第①種情況則難以選用。

流動調(diào)整器

在直管段長度達不到新標(biāo)準(zhǔn)的要求時,管道中的流速分布不是充分發(fā)展紊流,流速分布不對稱,有畸變還可能有漩渦、回流(圖1)。ISO5167新標(biāo)準(zhǔn)建議采用流動調(diào)整器,認為選用后可改善流動情況,無需過長的直管段即可達到新標(biāo)準(zhǔn)的要求。


圖1:雙彎頭后滑流的流速分量

但這并非萬全之計,因為它在改善了流動情況的同時,也帶來了以下弊病:①增加成本。制造一臺流量調(diào)整器的成本不亞于一臺流量計。②增加安裝、維修工作量。③易于堵塞。采用流動調(diào)整器緣于在直管段達不到ISO5167新標(biāo)準(zhǔn)要求的長度,仍希望維持孔板等節(jié)流裝置較高準(zhǔn)確度的一項技術(shù)措施。可事與愿違,由于效果好的流量調(diào)整器均易于堵塞,并造成了流動的畸變,它又反過來降低了測量準(zhǔn)確度。要徹底解決問題,只有采用新型節(jié)流裝置。而目前業(yè)內(nèi)比較熱衷的便是采用內(nèi)錐式流量計。

內(nèi)錐式流量計

上世紀80年代中期,由美國MCCROMETER公司研制、推出了這種新型節(jié)流裝置 — 內(nèi)錐式流量計(圖2),由于內(nèi)錐具有整流作用,要求前、后直管段長度都很小。特別適用于ISO5167新標(biāo)準(zhǔn)公布后所面臨的困境。

▲ 原理

內(nèi)錐式流量計仍是一種通過節(jié)流取差壓以反映流量大小的節(jié)流裝置。節(jié)流件為一個懸掛在管道中央的錐形體,前錐角約30°,后錐角約150°。高壓P1取自錐體前流體未擾動(即未形成節(jié)流,流體未加速)的管壁 ;低壓P2取自后錐體中央,并通過內(nèi)錐支承桿引至管外,其差壓△P的平方根與流量成正比。計算與孔板、噴咀等類似,只需要將環(huán)形通道面積折合為孔板內(nèi)孔面積。

▲ 突出的優(yōu)點

● 錐體整流,縮短直管段

長期以來,人們都認為變徑管(或稱異徑管)是破壞流場的,無論管徑由小變大,或由大變小后都要求基本相同的直管段。其實,收縮管(即管道截面由大變小)將促使流體加速,其效果具有消除漩渦、促進流動層面的相互作用,在一定條件下可以在較短的長度內(nèi)達到較理想的流速分布。內(nèi)錐式流量計使流通截面由大變小,其效果相當(dāng)于一個流動調(diào)整器,可以縮短節(jié)流裝置所必需的直管段長度 ;至于是否短到廠家所說僅為0~3D,還應(yīng)有待試驗證實。

● 邊緣耐磨,改善穩(wěn)定性

幾十年來,孔板曾被公認為是一種不用實標(biāo)的準(zhǔn)確流量計,常用于物流的計量核算,而它的長期穩(wěn)定性是值得質(zhì)疑的。根據(jù)節(jié)流裝置標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定,孔板的節(jié)流孔邊緣厚度e僅為0.005~0.02D ;光潔度應(yīng)為 7以上。而在使用過程中,在銳角處流速最高,流體的沖刷也最強烈,使用不久銳邊將變大,并產(chǎn)生毛刺不再光滑,流量系數(shù)也將隨之變化。

而內(nèi)錐式流量計則不然,在錐體的最大截面的邊緣,由于附面層的保護(見圖2)其表面流速并不高,附面層減緩了沖刷的力度,且邊緣是一個鈍體而不是銳角,也經(jīng)得起沖刷。因此,內(nèi)錐式流量計流量系數(shù)可長期穩(wěn)定不變。


圖2:內(nèi)錐式流量計原理圖

為什么孔板沒有附面層保護呢?附面層厚度δ=KLReX,(其中L是特征長度,Re是雷諾數(shù),K,X為系數(shù))孔板的特征長度等于零,無法形成附面層保護。

● 環(huán)形通道,適用于臟污流

各工程現(xiàn)場中的流體都難以保證潔凈,多年來,節(jié)流裝置中采用最多的孔板,由于其下游會形成一個回流區(qū),流體中的臟污物、凝析物等將滯留在這個區(qū)域,日積月累,將改變節(jié)流比β值,引起流量系數(shù)的變化,其次污物還會阻塞測壓孔,使孔板難以正常工作。

而內(nèi)錐式流量的節(jié)流部分的環(huán)形通道,錐體后未形成滯流區(qū),當(dāng)流體流過邊緣時,因流速高,任何臟污物、凝析物,將被沖走難以滯留。因此,它適用于臟污流體,特別是氣液、氣固、液固二相流體。

小結(jié)

· 直管段長度 :內(nèi)錐式流量計問世已十多年,鮮為人知。近二年由于提出了ISO5167新標(biāo)準(zhǔn),加長了孔板等節(jié)流裝置所需的直管長度,使其難以使用,在不少會議、媒體上出現(xiàn)了一股“內(nèi)錐熱”,認為其所需直管段前僅為0~3D;后為0~1D,幾乎可有可無。內(nèi)錐的整流作用真的能神奇到這個地步?據(jù)了解不少阻力件(如雙彎頭)后漩渦區(qū)的消失就需3D以上。

· 流動調(diào)整器 :在制定節(jié)流裝置標(biāo)準(zhǔn)中,國際標(biāo)準(zhǔn)化組織ISOTC3O多次建議采用流動調(diào)整器,由于現(xiàn)場的惡劣條件,流體欠潔凈,將會帶來不少問題,難以達到預(yù)期效果。

· 標(biāo)準(zhǔn)化 :孔板長期公認為是無需標(biāo)定而又準(zhǔn)確的流量計,為此制定了國際標(biāo)準(zhǔn)(ISO5167)國家標(biāo)準(zhǔn)(GB-2624),因此常用于物流計量及貿(mào)易核算中,ISO5167的新標(biāo)準(zhǔn)提出的直管段長度使孔板的應(yīng)用陷入困境,不少專家建議采用內(nèi)錐式流量計取代孔板,舉出了不少優(yōu)點,前景誘人。但由于還缺乏足夠的試驗數(shù)據(jù),無論國際還是國內(nèi)還未制定相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)。用于物流貿(mào)易核算,目前還缺乏計量法的依據(jù)。

· 需理性、勿過熱 :某一流量儀表一統(tǒng)天下局面短期還難以形成。

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