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基于取樣原理的大管道流量檢測(cè)儀表
0 前言
規(guī)模產(chǎn)生效益。眾所周知，近二、三十年來(lái)，工程的大型化已成為現(xiàn)代工業(yè)發(fā)展的必然趨勢(shì)。工程中口徑大于300毫米的管道已十分普遍，其流量檢測(cè)（特別對(duì)氣體）問題的待解決程度已日益迫切�？蓽y(cè)氣體流量的儀表不少，從原理及制造角度來(lái)說(shuō)，將尺寸放大應(yīng)無(wú)問題，但儀表的體積及重量將隨口徑按幾何級(jí)數(shù)增長(zhǎng)，而且還會(huì)帶來(lái)其它問題。例如孔板，這種人們熟知的節(jié)流裝置，當(dāng)口徑較大時(shí)不僅笨重，還有較大的壓損，運(yùn)行費(fèi)用過高，再加上ISO5167新標(biāo)準(zhǔn)要求前直管段達(dá)30D~40D，現(xiàn)場(chǎng)很難滿足。因此，很難考慮再采用這類儀表。
近年來(lái)，采用取樣原理、插入安裝方式較為普遍，僅測(cè)取管道中一點(diǎn)或多點(diǎn)的流速來(lái)推算流量的插入式流量計(jì)，這類儀表的共同特點(diǎn)是：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、安裝維修方便、價(jià)格低廉、重復(fù)性好，是工控系統(tǒng)中檢測(cè)大管道氣體流量性價(jià)比較高的儀表，但其準(zhǔn)確度一般不高，不宜用于需要準(zhǔn)確計(jì)量的貿(mào)易結(jié)算。因其原理均為取樣性質(zhì)，所以首先要了解管道內(nèi)的流速分布，才能正確選定檢測(cè)點(diǎn)的位置及數(shù)量。
1 工業(yè)管流
1.1 千變?nèi)f化的管內(nèi)流速分布
各行各業(yè)的工程，從其本身的工藝要求出發(fā)，在管道中都必須安裝形形色色的管配件（如閥門、彎頭、歧管、變徑管、過濾器等）。由于它們的形式及組合方式極多，所引起的管內(nèi)流速分布也千變?nèi)f化，難以估計(jì)（圖1b）。R.W.Miller（美.流量測(cè)量工程手冊(cè)作者）認(rèn)為：“流速分布是影響流量準(zhǔn)確的主要因素，而工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的配件各類繁多，其流動(dòng)情況十分復(fù)雜，不僅難以描述這，也不易在實(shí)驗(yàn)室的模擬它們�！庇捎诮^大多數(shù)流量?jī)x表都與流速分布有關(guān)，它的校驗(yàn)所處的流場(chǎng)應(yīng)與實(shí)用條件的流場(chǎng)一致，校驗(yàn)的系數(shù)才有意義。這個(gè)流場(chǎng)被公認(rèn)為充分發(fā)展紊流，只要管道具有較長(zhǎng)的直管段就可以得到（圖1a、c）。
1.2 充分發(fā)展紊流
1.2.1 形成：由于實(shí)際流體均有粘性，在流動(dòng)過程中將會(huì)帶動(dòng)或制約相鄰層面的流體，這種作用經(jīng)過約30D(D為管內(nèi)徑)直管長(zhǎng)度，其流速分布將不再變化，如雷諾數(shù)Re<2000為層流，Re>4000則為紊流。工業(yè)中多為紊流。
1.2.2 描述：近百年來(lái)不少科學(xué)家對(duì)充分發(fā)展紊流進(jìn)行了大量的測(cè)試與描述。其中以Nikaradse的光滑管充分發(fā)展紊流公式最簡(jiǎn)單，它近似地表達(dá)為：
V/Vm=(y/R)1/n…… (1)
其中：Vm為任何一點(diǎn)流速；Vm為中心最大流速；y為流速點(diǎn)距主管壁的距離；R為管道半徑；n為指數(shù)，與Re有關(guān)。
1.2.3 平均流速點(diǎn)y通過式（1）可推導(dǎo)出光滑管充分民展紊流的平均流速點(diǎn)y：
y=R[2n2/(n+1).1/(n+2)]n
由式（2）可知，圓管內(nèi)的平均流速點(diǎn)取決于3個(gè)因素：a、直管段長(zhǎng)度；b、雷諾數(shù)Re；c、粗糙度ε。因此，它的位置并非固定不變，這不像有些廠商宣傳的那樣，僅測(cè)管道一點(diǎn)的流速就能達(dá)到±1.0%的流量準(zhǔn)確度。按ISO7145評(píng)估，在滿足a、b、c三個(gè)條件下其準(zhǔn)確度也只能達(dá)到3%；如果直管段較短，流量準(zhǔn)確度甚至不足±5%~10%（見本刊2002年10期）。
1.3 流動(dòng)調(diào)整器（flow conditioner）
要準(zhǔn)確地測(cè)量流量，必須具有較長(zhǎng)的直管段長(zhǎng)度，而實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)往往無(wú)法滿足。為此，國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織曾多次推薦采用十余種類型的流動(dòng)調(diào)整器，但筆者認(rèn)為這并非上策，因?yàn)椋?增加成本，一臺(tái)流動(dòng)調(diào)整器的價(jià)格不亞于一臺(tái)流量計(jì)；2需經(jīng)常清洗，加大了維修量；3效果好的流動(dòng)調(diào)整器永久壓損大，增加了運(yùn)行成本；4易于堵塞，即使部分堵塞也改變了流速分布，無(wú)法提高準(zhǔn)確度。
2 大管道氣體流量檢測(cè)儀表
在我國(guó)倡導(dǎo)建設(shè)節(jié)約型社會(huì)的前提下，本文所介紹的大管道氣體流量檢測(cè)儀表排除了壓損大、運(yùn)行費(fèi)用過高的節(jié)流裝置，也不推薦價(jià)格過高的氣體超聲波流量計(jì)，僅介紹性價(jià)比較高的。以取樣原理的插入式流量?jī)x表為例，按其取點(diǎn)方式可分為以下三大類：
2.1 測(cè)點(diǎn)速 凡可測(cè)流速的儀表插入管道均可成為流量計(jì)。較為通用的有以下幾種：
2.1.1 雙文丘利管
早于40年前，美國(guó)Taylar公司已有產(chǎn)品推向市場(chǎng)，稱皮托——文丘利管（Pitot Venturi Tube）(見國(guó)2a),國(guó)內(nèi)不少火電廠曾仿制應(yīng)用于風(fēng)量測(cè)量，稱“小喇叭管”。近十多年，國(guó)內(nèi)廠商按此原理推出產(chǎn)品，稱為雙文丘利管（圖2b）,區(qū)別僅是前者高壓取自支持桿，而后者取自管壁，在同樣流量下，后者輸出差壓將略小于前者。其原理特點(diǎn)是利用外文丘管①喉部加速產(chǎn)生低壓P2,而將內(nèi)文丘利管②的尾部置于①的喉部低壓區(qū)，促使②的喉部產(chǎn)生更低的低壓P2’，因而在同樣的流量下可獲得更大的輸出差壓，較適用于大管道的低流速氣體流量測(cè)量。由于它僅測(cè)一點(diǎn)流速，管道中流速分布對(duì)其影響很大，因而準(zhǔn)確度較低。目前市場(chǎng)上還有一種三文丘利管，它在雙文丘利管內(nèi)再安裝一個(gè)文丘管，企圖獲得更大的差壓，當(dāng)尺寸較小時(shí)，附面層的作用將呈現(xiàn)出來(lái)，制約了這種加速降壓效果，且產(chǎn)生了結(jié)構(gòu)復(fù)雜、系數(shù)不穩(wěn)定的負(fù)面影響，不宜倡導(dǎo)。
2.1.2 熱式
利用傳熱原理，以熱電阻為敏感元件，當(dāng)流速高時(shí)將帶走更多的熱量，降低了熱電阻溫度，改變了電阻值，通過電阻值的變化了解流速大小及流量值。其最大特點(diǎn)是可測(cè)低于5m/s的流速，傳熱與流體量有關(guān)，因此所測(cè)為質(zhì)量流量；不足之處是氣體溫度一般要低于200℃，響應(yīng)時(shí)間在1秒以上。
2.1.3 其他
理論上說(shuō)，皮托管、插入式渦街和渦輪均可用于測(cè)流量。皮托管可用于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)校驗(yàn)，但很少作為工業(yè)儀表；插入式渦街在低速及管道有振動(dòng)時(shí)，工作不可靠；插入式渦輪由于有轉(zhuǎn)動(dòng)件，維修量大。這些儀表近年來(lái)市場(chǎng)占有量都呈較大的下降趨勢(shì)。這類儀表生產(chǎn)廠商常宣傳他們的儀表都在風(fēng)洞中標(biāo)定過，其實(shí)那僅是標(biāo)定流速不是流量，流量準(zhǔn)確度不可能達(dá)到他們宣傳的±1%。
2.2 測(cè)線速
以測(cè)管道中分布在一條線上的多點(diǎn)流速來(lái)推斷流量，較上述測(cè)單點(diǎn)更為準(zhǔn)確，且安裝穩(wěn)定，可靠。在工控系統(tǒng)中檢測(cè)大管道氣體流量，常為首選儀表，較典型的為均速流量計(jì)：
2.2.1差壓式均速管流量計(jì)
以皮托測(cè)速原理為基礎(chǔ)，當(dāng)支管道足夠長(zhǎng)時(shí)管內(nèi)流速分布為充分發(fā)展紊流，等速線為同心圓，因此有可能僅測(cè)直徑上幾點(diǎn)流速即可反映整個(gè)截面的流速分布。一般在檢測(cè)桿迎流向有數(shù)對(duì)總壓檢測(cè)孔，所測(cè)總壓平均后也傳至變送器，二個(gè)壓力差的平方根與流量成正比（圖三）。三十多年來(lái)已成為大管道氣體流量檢測(cè)的首選儀表，其改進(jìn)多限于檢測(cè)桿的形狀，測(cè)點(diǎn)數(shù)量�，F(xiàn)分述如下：
圓形（圖4A）上世紀(jì)60年代末期，由美國(guó)Dieterich slan-dard lnc（簡(jiǎn)稱DSI）公司推出，使用后發(fā)現(xiàn)Re在105-106之間，流量系數(shù)K分散度約為±10%原因是在Re<105時(shí)流體在圓柱體分離角為780，而Re>106時(shí)，后移至1300，即所謂“阻力危機(jī)“帶來(lái)的流量系數(shù)不穩(wěn)定而影響了流量準(zhǔn)確度，早于20多年前被淘汰。
菱形—II型（圖4B）：1978年由DSI公司推出，檢測(cè)桿橫截面為菱形，流體分離點(diǎn)固定在菱形拐角處，解決了“阻力危機(jī)“帶來(lái)的流量系數(shù)不穩(wěn)定的問題。但是背壓通過一個(gè)內(nèi)徑約為3毫米的細(xì)管引至變送器，使用中發(fā)現(xiàn)背壓孔易于堵塞。
拖巴管（圖4C）：這種結(jié)構(gòu)曾在西歐風(fēng)行一時(shí)，檢測(cè)桿基本上仍采用圓形，僅在中部背壓附近一段銑為六角形，促使流體分離點(diǎn)固定以解決阻力危機(jī)問題，它不僅存在菱形—II型背壓孔易堵問題，而且由于在一個(gè)檢測(cè)桿存在兩個(gè)不同的截面形狀，流體壓力分布不同還會(huì)引起橫向流動(dòng)。
機(jī)翼，橢圓形（圖4D）設(shè)計(jì)這兩種截面形狀的目的都是為了減少迎風(fēng)阻力。其實(shí)無(wú)論哪種均速管永久壓損都只有幾十帕，可以忽略不計(jì)，不必小題大做，這類截面形狀都使其輸出差減壓減少，揚(yáng)長(zhǎng)避短得不償失。但也有特殊情況，如Emerson公司采用機(jī)翼截面測(cè)蒸汽流量，由于蒸汽密度大，流速高，采用機(jī)翼型截面可謂因地制宜！
菱形—II合式（圖4E）：1984年由美國(guó)DSI公司推出。它由一個(gè)菱形型材，兩個(gè)三角形型材組合而成，迎流向有3—5對(duì)靜壓孔以適應(yīng)當(dāng)Re變化時(shí)，流速分布在靠壁面變化較大的情況。這種結(jié)構(gòu)因型材公差較大，當(dāng)溫度變化時(shí)，過盈易泄漏，太緊初始應(yīng)力過大削弱了強(qiáng)度，現(xiàn)以逐漸淘汰。
菱形—II（一體式）（圖4F）：上世紀(jì)90年代初相繼由德國(guó)IA公司及Systee 公司推出分別稱為Itabar 及Deltaflow。結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是用中隔板將高低壓分割為兩個(gè)空腔。當(dāng)強(qiáng)度要求較高時(shí)也可承受更惡劣的工況，溫度高達(dá)1200℃，壓力限可達(dá)69Mpa，也可用于強(qiáng)腐蝕介質(zhì)。我國(guó)已可生產(chǎn)進(jìn)入市場(chǎng)，價(jià)格較國(guó)外產(chǎn)品低廉不少。
彈頭型（圖4G）：1992年由美國(guó)Veris公司研制推出稱 Verabar（威力巴）。主要特點(diǎn)是檢測(cè)桿截面形狀為彈頭型，頭部作了粗糙處理（粗糙度x/ks~200）廠家宣傳這樣做可以保證在檢測(cè)桿表面形成紊流附面層，從而提高了準(zhǔn)確度，經(jīng)專業(yè)人士估算（詳見本刊2004年7月P42—44）其影響不到千分之一，相對(duì)其他因素（直管長(zhǎng)度，管內(nèi)徑等）微不足道，無(wú)需夸大其詞。而由于靜壓取自二側(cè)，輸出差壓較其他均速管小30—50%，難以應(yīng)用于低流速低密度場(chǎng)合。此外，由于取壓孔較小，當(dāng)流體含有粉塵，油污，凝折物，纖維等時(shí)，易于堵塞。
T型（圖4H）2001年美國(guó)DSI公司推出，稱Annubar—485，檢測(cè)桿橫截面為T型，正對(duì)流向有兩排密集約2毫米的小孔（或直接用橫縫代替），廠家宣稱由于總壓取壓孔幾乎占整個(gè)直徑的85%，因而可以獲取更多的流速分布信息，準(zhǔn)確度可達(dá)到令人匪夷所思的±0.75%。這種構(gòu)思上世紀(jì)80年代即有專利介紹，并未進(jìn)入實(shí)用。如果直管移長(zhǎng)度不足，不能獲得充分發(fā)展紊流，僅測(cè)直徑上多點(diǎn)流速并不能反映整個(gè)管道的流速分布；如果達(dá)到了充分發(fā)展紊流，也只需測(cè)幾點(diǎn)流速即可較充分反映，無(wú)需用這么多測(cè)點(diǎn)，這里廠家有意回避了支管道長(zhǎng)度的前提。至于說(shuō)到在總壓孔前可形成一個(gè)高壓區(qū)，粉塵將繞道而行，也令人難以置信：如果真是那樣，汽車前擋風(fēng)波動(dòng)還需要雨刷嗎？
2.2.2熱式均速管流量計(jì)：原理與上節(jié)測(cè)單點(diǎn)熱式相同，只是在結(jié)構(gòu)上為多點(diǎn)，反映管道內(nèi)多點(diǎn)的流速分布，以此推算流量。
比較上訴二種均速管流量計(jì)，熱式優(yōu)點(diǎn)在于靈敏度高，可測(cè)低速低溫流體流量，而且直接反應(yīng)的是流速，而差壓式所測(cè)總壓在檢測(cè)桿內(nèi)平均后，由于流動(dòng)復(fù)雜，混合后傳出的總壓未必是平均流速的總壓，所以必須通過校驗(yàn)用流量系數(shù)來(lái)修正。熱式均速管流量計(jì)如能改進(jìn)提高其準(zhǔn)確度，將會(huì)有較大的發(fā)展?jié)摿Α?BR> 2.3測(cè)截面多點(diǎn)流速
①機(jī)翼型流量計(jì)：是經(jīng)典文丘利管的改進(jìn)型式，縮短了長(zhǎng)度，仍較笨重。
②風(fēng)量裝置：在管道截面中插入了多根檢測(cè)管，檢測(cè)管正對(duì)流向鉆有多個(gè)總壓孔，側(cè)面多個(gè)靜壓孔，有較多的測(cè)點(diǎn)反映截面的流速分布，雖較機(jī)翼型輕巧，但不夠準(zhǔn)確。
③熱式均速流量計(jì)：在管道中插入多要熱式均速管流量計(jì)，更全面反映管內(nèi)的流速分布，但每個(gè)熱電阻所反映的流速我未必相同，校驗(yàn)修正還有待改進(jìn)。
④均速環(huán)流量計(jì)（圖5）：針對(duì)均速管流量計(jì)應(yīng)用三十余年一直存在的輸出差壓小、準(zhǔn)確度低、忽視管內(nèi)徑對(duì)準(zhǔn)確度有影響等缺點(diǎn)推出的一項(xiàng)專利產(chǎn)品。它通過由雙文丘利管測(cè)低壓，提高了輸出差壓，用多根均速管充分反映了管內(nèi)的流速分布等一系列措施，改善均速管的技術(shù)特性，正引起國(guó)內(nèi)外廠商及用戶的關(guān)注。
3 影響準(zhǔn)確度的因素
4 小結(jié)
1.測(cè)量大管道氣體流量目前對(duì)工程界仍是一個(gè)較困惑的問題，除本文介紹的插入式外，還有超聲、彎管等。從工控系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，測(cè)線速（或面速）插入式儀表性價(jià)比較高，但不宜用于準(zhǔn)確計(jì)量、貿(mào)易結(jié)算。
2.流量?jī)x表大多面臨一個(gè)校驗(yàn)問題，有人提出在風(fēng)洞中校驗(yàn)，也有人提出就在充分發(fā)展紊流中校驗(yàn)。問題是大管道現(xiàn)場(chǎng)能否提供以上這兩種流場(chǎng)？如無(wú)法提供，校驗(yàn)是否有意義，又應(yīng)如何解決這個(gè)問題？筆者將另文闡述。
系統(tǒng)分類: PLC與PAC | 用戶分類: 無(wú)分類 | 來(lái)源: 無(wú)分類
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