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发表于 2009/9/11 14:40:03

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标签: 流量 检测仪表

大管道气体流量检测仪表与校验

        一、前言
        众所周知,规模产生效益,近二、三十年来,工程的大型化已成为现代工业发展的必然趋势。工程中口径大于500毫米的管道已十分普遍,其流量检测(特别对气体)已日益迫切,有待解决。可测气体流量的仪表不少,从原理及制造角度来说,将尺寸放大应无问题,但仪表的体积及重量将随口径按几何级数增长,而且还会带来其它问题。例如孔板。这种人们熟知的节流装置,当口径较大时不仅笨重,还有较大的压损,运行费用过高,再加上ISO5167新标准要求前直管段达30D~40D,现场很难满足。无法考虑再采用这类仪表。
        量变到质变,面临这些困境,近二、三十年来,普遍采取的是采用取样原理,插入安装方式,仅测取管道中一点或多点的流速来推算流量的插入式流量计,这类仪表的共同特点是:结构简单、安装维修方便、价格低廉、重复性好、准确度一般不高。因其原理均为取样性质,所以首先要了解管道内的流速分布,这样才能正确选定检测点的位置及数量。
        二、工业管流
        1、千变万化的管内流速分布
        各行各业的工程,从其本身的工艺要求出发,在管道中都必须安装形形色色的管配件(如阀门、弯头、歧管、变径管、过滤器等)。由于它们的形式及组合方式极多,所引起的管内流速分布也千变万化,难以估计。(图1)R.W.Miller(美.流量测量工程手册作者)认为:“流速分布是影响流量准确的主要因素,而工业现场的配件种类繁多,其流动情况十分复杂,不仅难以描述,也不易在实验室模拟它们”。由于绝大多数流量仪表都与流速分布有关,它的校验所处的流场应与实用条件的流场一致,校验的系数才有意义。这个流场被公认为充分发展紊流,只要管道具有较长的直管段就可以得到。(图2)



        2、充分发展紊流
        ① 形成 由于实际流体均有粘性,在流动过程中将会带动、制约相邻层面的流体,这种作用经过约30D(D为管内径)直管段长度,其流速分布将不再变化,如雷诺数Re<2000为层流;Re>4000则为紊流。工业中多为紊流,即充分发展紊流。
        ② 描述 近百年来不少科学家对充分发展紊流进行了大量地测试与描述。其中以Nikaradse的光滑管充分发展紊流公式最简单,它近似地表达为:
        Vi/Vm=(y/R)1/n……(1)    其中:Vi任一点流速;Vm为中心最大流速;
        y流速点距主管壁的距离;R管道半径;
        n为指数,与Re有关
        ③ 平均流速点 y通过式(1)可推导出光滑管充分发展紊流的平均流速点y
        y=R[2n2/(n+1).1/(n+2)]n……(2)
        由式(2)可知,圆管内的平均流速点取决于3个因素:
        a、直管段长度;b、雷诺数Re;c、粗糙度ε,因此,它的位置并非固定不变,这不象有些厂商宣传的那样,仅测管道一点的流速就可取得±0.5﹪~1.0﹪的流量准确度,按ISO7145评估其准确度只能达到±3﹪;如果直管段较短,流量准确度甚至不足±5﹪~10﹪。
        3、流动调整器(flow conditioner)
        要准确地测量流量,必须具有较长的直管段长度,而实际现场往往无法满足。为此,国际标准化组织曾多次推荐采用十余种类型的流动调整器,但笔者认为这并非上策,因为:①增加成本,一台流动调整器的价格不亚于一台流量计;②需经常清洗,加大了维修量;③效果好的流动调整器永久压损大,增加了运行成本;④易于堵塞,即使部分堵塞也改变了流速分布,无法提高准确度。
        既然事与愿违,又何必多此一举。
        三、大管道气体流量检测仪表
        在我国倡导建设节约型社会的前提下,本文所介绍的大管道气体流量检测仪表排除了压损大运行费过高的节流装置;也不推荐价格过高的气体超声波流量计,仅限于介绍在工控系统中,性价比较高,以取样原理的插入式流量仪表,按其取点方式可分为以下三大类:
        1、 测点速  凡可测流速的仪表插入管道均可成为流量计。较为通用的有以下几种:
        ① 双文丘里管  早于40年前,美国Taylar公司已推出此产品。国内曾仿制利用于火电厂称“小喇叭管”。近十多年国内已有产品进入市场。他是利用外文丘里管喉部加速产生低压,促进内文丘里管再次加速,可得到更低的压力,从而在相同流速下可得到更大的输出差压,较适用于大管道低流速的气体流量测量。
        ②热式  利用传热原理,以热电阻为敏感元件,当流速高时将带走更多的热量,降低了热电阻温度,改变了电阻值,通过电阻值的变化了解流速大小及流量值。其最大特点是可测低于5m/s的流速。传热与流体质量有关,因此所测为质量流量,不足是气体温度一般要低于200℃,响应时间在1秒以上。
        ③ 其他  按理皮托管、插入式涡街(图3)、涡轮。均可用于测流量。皮托管可用于工业现场校验,很少作为工业仪表,插入式涡街在低速及管道有振动时,工作不可靠;插入式涡轮由于有转动件维修量大。这些仪表近年来市场占有量都呈较大的下降趋势。


        这类仪表生产厂商常宣传他们的仪表都在风洞中标定过,其实那仅是标定流速不是流量,流量准确度不可能达到他们宣传的±1%。
        2、测线速 以测管道中分布在一条线上的多点流速来推算流量,较上述测单点的准确。安装稳定、可靠。在工控系统中检测大管道气体流量,常为首选仪表,较典型的为均速流量计:
        ①差压式均速管流量计 以皮托管测速原理为基础,三十多年来经过了不断改进。目前在国内外市场上有以下几种。
        a、菱形—Ⅱ型 最早检测杆截面为圆形,因“阻力危机”被菱形—Ⅰ型取代,菱形—Ⅰ型又因背压孔易堵,而被菱形—Ⅱ型代替,这种类型主要有二种:其一是艾默生公司十多年前推出的有三个型材组合形成的检测杆,由于型材公差大,当温度变化时,易发生漏气或初始应力过大削弱强度等弊病,现已很少采用;另一种是一体化结构。有德国二、三家公司推出(图4)。工作可靠,可承受较高的温度但价格较贵。我国天津已可生产并已成功用于现场。


        b、弹头型  近十年来,在国内市场曾占有较大份额。生产厂商宣称其头部的粗糙面可控制附面层,从而提高精确度,经专业人士论证,附面层相对其他因素而言,对准确度的影响微不足道,大可不必夸大其词,而其缺点是输出差压较小,测压孔太小,当流体中含有粉尘,特别是有凝析物、油类、藻类等时,厂家也不得不承认易于堵塞。
        c、T型  迎流面有二排密集不到2毫米的总压孔,低压孔取自T形背部,孔径较小,厂家宣称测压孔多便于“采集”流速分布状况,准确度达到令人难以置信的±0.7﹪。其实测压孔就是密集到为一条逢,不也只能反映截面上直线上的流速吗?当直管段长度不够时,又如何保证准确度?况且,由于测压孔过小,与弹头型一样易于堵塞。
        ②热式均速管流量计  原理与上节测单点热式相同,只是在结构上为多点,反映管道内多点的流速分布,以此推算流量。
        比较上述二种均速管流量计,热式优点在于灵敏度高,可测低速低温流体流量,而且直接反映的是流速;而差压式所测总压在检测杆内平均后,由于流动复杂,混合后传出的总压未必是平均流速的总压,所以必须通过校验用流量系数来修正。可以预计热式均速管流量计如能改进提高其准确度,将会有较大的发展潜力。
        3、测截面多点流速
        ① 机翼型流量计  是经典文丘里管的改进型式,缩短了长度,仍较笨重。
        ② 风量装置  在管道截面中插入了多根检测管,检测管正对流向钻有多个总压孔,侧面多个静压孔,有较多的测点反映截面的流速分布,虽较机翼型轻巧,但不够准确。
        ③ 热式均速流量计  在管道中插入多根热式均速管流量计,更全面反映管内的流速分布,但每个热电阻所反映的流速特性未必相同,校验修正还有待改进。
        ④ 均速环流量计(图5)针对均速管流量计应用三十余年存在的输出差压小、准确度低,忽视管内径对准确度的影响等缺点推出的一项专利产品。它由双文丘里管测低压,提高了输出差压,用多根均速管充分反映了管内的流速分布等一系列措施,改善均速管的技术特性,正引起国内外厂商及用户的关注。


        四、校验
        流量是一个推导量,影响的因素较多,必须通过校验所得的系数进行修正,才可以得到正确的流量值,由于绝大多数流量仪表(容积、哥氏除外,但管径一般小于0.2米)均与管道中流速分布密切相关。因此要正确使用流量仪表都必须具有较长的前直管段,即它们应安装在充分发展紊流之中,所以校验装置也必须提供充分发展紊流,它是校验与应用的流场平台,只有这样,校验的系数才可以用于现场仪表,否则校验毫无意义。
        1、风洞能校验流量仪表吗?
        由于人们难以测取飞行器在运动中的受力情况,只有采用相对方法,令飞行器(或等比例缩小的模型)静止不动。由风洞产生一股迎面气流,以模拟实际飞行情况,为此要精心设计,采取各种措施,使整个截面的流速都是相等的(即所谓均直流场,见图6)。它与充分发展紊流是完全不同的,只能按校验流速计,不能检验流量计。


        有人认为用风洞标定插入式流量计探头就可以了,有意或无意回避管道的影响。众所周知,流量Q=管道截面积A×流速V,因此,可以说插入式流量计不插入管道只是流速计不能成为流量计,说明管道的影响举足轻重,它可表现为二个方面:
        ① 具有较长的直管段,以保证流速的准确度;
        ② 准确的管道截面积。
        用风洞可以标定流速,不能标定流量。切勿偷换概念,忽悠用户。
        2、气体流量校验装置
        ① 装置的基本条件:
        ●管径大小和形状与被校表基本相同;
        ●可在较大范围内(10:1)调整流量;
        ●具有较高精确度的流量基准;
        ●具有较长的直管段,以保证提供充分发展紊流(如受场地限制,在实验室建议采用流动调整器)。
        ●其它特殊要求:如工况、实流、二相、脉动等。
        ② 如何面对现场条件
        在现场应用的大管径气体流量计。常采用矩形截面,大小、宽高比例形形色色。实验室难以一一满足;其次,往往面临直管段不足的情况,即未安装在充分发展紊流中,即使在具备上述条件的装置中校验过,其流量系数也因为流场的差异,直接引用并不能保证其准确度。在这种情况下,只有采用速度——面积法进行现场校验。
        3、速度——面积法
        ①原理  速度——面积法是一种测量管道内流量的经典方法,由于较为繁琐,只适用于现场校验,而不宜用于流程工业检测。由于管道内流速分布不等,可将管道分割许多单元面积Ai,并认为单元面积上的流速
        n
        Vi近似相等。这样流量Q=∑AiVi,不难理解面积分割越多则越准确,但也越繁琐而不现实。
        i=1
        ②准确度   采用速度——面积法的准确度取决于以下四个因素:
        δQ=(δa+δv+δ1+δ2)1/2
        上式中:δQ:流量测量误差;δa:管道截面误差;
        δv:流速测量误差,取决于管道内流速分布、取点的多少;
        δ1:流速计的误差;δ2:测量管道截面积仪器的误差。
        由于现场流速分布比较复杂,不对称且可能存在二次流及漩涡,要求取得较高精确度必须增加测点数目。据ISO7194估计,圆管采用速度——面积法,测点为48个δQ<±5﹪;测点36个δQ<±7﹪;测点20个δQ可达±14﹪。
        ③ 标准  有关速度—面积法如何操作,由于篇幅所限,本文略去,读者可参阅以下标准:
        a、ISO3966:1977 封闭管道中的流量测量——采用皮托—静压管的速度—面积法。
        b、ISO7145:1982 封闭管道中的流量测量——测量截面一点流速的方法。
        c、ISO7194:1983 封闭管道中的流量测量——在圆管中处于漩涡及非对称流动下采用皮托管的速度面积法。
        d、中国国家标准  JJG835—1993 速度面积法流量校验装置检定规程。
        五、小结
        1、直管长度举足轻重  直管段长度对流量仪表准确度影响很大,插入式仪表尤为突出。而现场难以保证,生产厂商往往回避这个问题,片面强调仪表本身的流速精确度,用户选用时应理性。
        2、计量、检测,各有侧重  流量仪表因其使用目的不同,其要求的特性也随之不同,如用于物流核算的贸易计量,准确度应放在首位,插入式流量仪表一般难以满足要求;但它的重复性较好,可以用于工控系统的检测环节。
        3、综合考虑,按需选用。本文按大管道气体流量检测的特点,介绍了不少插入式流量计,测点速的简单、价廉但不准确;测截面多点准确度虽有所提高,但笨重,安装维修不便,笔者认为测线的二种均速管(差压、热式)结构仍较简单,性能有所提高,在工控系统中是属于性价比较高的产品。

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