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发表于 2009/10/15 14:07:21

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标签: 紊流 插入式 流量检测 均速管 准确度

基于取样原理的大管道流量检测仪表

       0 前言
        规模产生效益。众所周知,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300毫米的管道已十分普遍,其流量检测(特别对气体)问题的待解决程度已日益迫切。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。因此,很难考虑再采用这类仪表。
        近年来,采用取样原理、插入安装方式较为普遍,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,是工控系统中检测大管道气体流量性价比较高的仪表,但其准确度一般不高,不宜用于需要准确计量的贸易结算。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,才能正确选定检测点的位置及数量。
        1 工业管流
        1.1 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1b)。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,而工业现场的配件各类繁多,其流动情况十分复杂,不仅难以描述这,也不易在实验室的模拟它们。”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1a、c)。


        1.2 充分发展紊流
        1.2.1 形成:由于实际流体均有粘性,在流动过程中将会带动或制约相邻层面的流体,这种作用经过约30D(D为管内径)直管长度,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。
        1.2.2 描述:近百年来不少科学家对充分发展紊流进行了大量的测试与描述。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:
        V/Vm=(y/R)1/n……    (1)
        其中:Vm为任何一点流速;Vm为中心最大流速;y为流速点距主管壁的距离;R为管道半径;n为指数,与Re有关。
        1.2.3 平均流速点y通过式(1)可推导出光滑管充分民展紊流的平均流速点y:
        y=R[2n2/(n+1).1/(n+2)]n
        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,这不像有些厂商宣传的那样,仅测管道一点的流速就能达到±1.0%的流量准确度。按ISO7145评估,在满足a、b、c三个条件下其准确度也只能达到3%;如果直管段较短,流量准确度甚至不足±5%~10%(见本刊2002年10期)。
        1.3 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。
        2 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、运行费用过高的节流装置,也不推荐价格过高的气体超声波流量计,仅介绍性价比较高的。以取样原理的插入式流量仪表为例,按其取点方式可分为以下三大类:
        2.1 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:
        2.1.1 双文丘利管
        早于40年前,美国Taylar公司已有产品推向市场,称皮托——文丘利管(Pitot Venturi Tube)(见国2a),国内不少火电厂曾仿制应用于风量测量,称“小喇叭管”。近十多年,国内厂商按此原理推出产品,称为双文丘利管(图2b),区别仅是前者高压取自支持杆,而后者取自管壁,在同样流量下,后者输出差压将略小于前者。其原理特点是利用外文丘管①喉部加速产生低压P2,而将内文丘利管②的尾部置于①的喉部低压区,促使②的喉部产生更低的低压P2’,因而在同样的流量下可获得更大的输出差压,较适用于大管道的低流速气体流量测量。由于它仅测一点流速,管道中流速分布对其影响很大,因而准确度较低。目前市场上还有一种三文丘利管,它在双文丘利管内再安装一个文丘管,企图获得更大的差压,当尺寸较小时,附面层的作用将呈现出来,制约了这种加速降压效果,且产生了结构复杂、系数不稳定的负面影响,不宜倡导。


        2.1.2 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,传热与流体量有关,因此所测为质量流量;不足之处是气体温度一般要低于200℃,响应时间在1秒以上。
        2.1.3 其他
        理论上说,皮托管、插入式涡街和涡轮均可用于测流量。皮托管可用于工业现场校验,但很少作为工业仪表;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%。
        2.2 测线速
        以测管道中分布在一条线上的多点流速来推断流量,较上述测单点更为准确,且安装稳定,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:
        2.2.1差压式均速管流量计


        以皮托测速原理为基础,当支管道足够长时管内流速分布为充分发展紊流,等速线为同心圆,因此有可能仅测直径上几点流速即可反映整个截面的流速分布。一般在检测杆迎流向有数对总压检测孔,所测总压平均后也传至变送器,二个压力差的平方根与流量成正比(图三)。三十多年来已成为大管道气体流量检测的首选仪表,其改进多限于检测杆的形状,测点数量。现分述如下:
        圆形(图4A)上世纪60年代末期,由美国Dieterich slan-dard lnc(简称DSI)公司推出,使用后发现Re在105-106之间,流量系数K分散度约为±10%原因是在Re<105时流体在圆柱体分离角为780,而Re>106时,后移至1300,即所谓“阻力危机“带来的流量系数不稳定而影响了流量准确度,早于20多年前被淘汰。


        菱形—II型(图4B):1978年由DSI公司推出,检测杆横截面为菱形,流体分离点固定在菱形拐角处,解决了“阻力危机“带来的流量系数不稳定的问题。但是背压通过一个内径约为3毫米的细管引至变送器,使用中发现背压孔易于堵塞。
        拖巴管(图4C):这种结构曾在西欧风行一时,检测杆基本上仍采用圆形,仅在中部背压附近一段铣为六角形,促使流体分离点固定以解决阻力危机问题,它不仅存在菱形—II型背压孔易堵问题,而且由于在一个检测杆存在两个不同的截面形状,流体压力分布不同还会引起横向流动。
        机翼,椭圆形(图4D)设计这两种截面形状的目的都是为了减少迎风阻力。其实无论哪种均速管永久压损都只有几十帕,可以忽略不计,不必小题大做,这类截面形状都使其输出差减压减少,扬长避短得不偿失。但也有特殊情况,如Emerson公司采用机翼截面测蒸汽流量,由于蒸汽密度大,流速高,采用机翼型截面可谓因地制宜!
        菱形—II合式(图4E):1984年由美国DSI公司推出。它由一个菱形型材,两个三角形型材组合而成,迎流向有3—5对静压孔以适应当Re变化时,流速分布在靠壁面变化较大的情况。这种结构因型材公差较大,当温度变化时,过盈易泄漏,太紧初始应力过大削弱了强度,现以逐渐淘汰。
        菱形—II(一体式)(图4F):上世纪90年代初相继由德国IA公司及Systee 公司推出分别称为Itabar 及Deltaflow。结构特点是用中隔板将高低压分割为两个空腔。当强度要求较高时也可承受更恶劣的工况,温度高达1200℃,压力限可达69Mpa,也可用于强腐蚀介质。我国已可生产进入市场,价格较国外产品低廉不少。
        弹头型(图4G):1992年由美国Veris公司研制推出称 Verabar(威力巴)。主要特点是检测杆截面形状为弹头型,头部作了粗糙处理(粗糙度x/ks~200)厂家宣传这样做可以保证在检测杆表面形成紊流附面层,从而提高了准确度,经专业人士估算(详见本刊2004年7月P42—44)其影响不到千分之一,相对其他因素(直管长度,管内径等)微不足道,无需夸大其词。而由于静压取自二侧,输出差压较其他均速管小30—50%,难以应用于低流速低密度场合。此外,由于取压孔较小,当流体含有粉尘,油污,凝折物,纤维等时,易于堵塞。
        T型(图4H)2001年美国DSI公司推出,称Annubar—485,检测杆横截面为T型,正对流向有两排密集约2毫米的小孔(或直接用横缝代替),厂家宣称由于总压取压孔几乎占整个直径的85%,因而可以获取更多的流速分布信息,准确度可达到令人匪夷所思的±0.75%。这种构思上世纪80年代即有专利介绍,并未进入实用。如果直管移长度不足,不能获得充分发展紊流,仅测直径上多点流速并不能反映整个管道的流速分布;如果达到了充分发展紊流,也只需测几点流速即可较充分反映,无需用这么多测点,这里厂家有意回避了支管道长度的前提。至于说到在总压孔前可形成一个高压区,粉尘将绕道而行,也令人难以置信:如果真是那样,汽车前挡风波动还需要雨刷吗?
        2.2.2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。
        比较上诉二种均速管流量计,热式优点在于灵敏度高,可测低速低温流体流量,而且直接反应的是流速,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。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。
        2.3测截面多点流速
        ①机翼型流量计:是经典文丘利管的改进型式,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:在管道中插入多要热式均速管流量计,更全面反映管内的流速分布,但每个热电阻所反映的流速我未必相同,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一直存在的输出差压小、准确度低、忽视管内径对准确度有影响等缺点推出的一项专利产品。它通过由双文丘利管测低压,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。


        3 影响准确度的因素
        


        4 小结
        1.测量大管道气体流量目前对工程界仍是一个较困惑的问题,除本文介绍的插入式外,还有超声、弯管等。从工控系统来说,测线速(或面速)插入式仪表性价比较高,但不宜用于准确计量、贸易结算。
        2.流量仪表大多面临一个校验问题,有人提出在风洞中校验,也有人提出就在充分发展紊流中校验。问题是大管道现场能否提供以上这两种流场?如无法提供,校验是否有意义,又应如何解决这个问题?笔者将另文阐述。

系统分类: PLC与PAC   |   用户分类: 无分类   |   来源: 无分类

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