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 流量技术论文
环形通道节流装置的应用与发展
本文作者毛新业先生,  高级工程师
关键词:节流装置 环形通道 内锥 梭式 一 前言 节流装置作为一种流量仪表已有近百年的历史,由于其工作可靠、可以承受高温、高压等恶劣的工况,特别是通过30多年来的大量试验,建立了数以万计的数据库,使其成为当前唯一的无需通过实流标定而可确定流量系数的流量计,常被用户作为首选仪表。在近半个世纪的时间里,它的市场占用率达到了70%左右。国际标准化组织对这种仪表也极为重视,从1967年开始,相继公布了相应的标准,R541R7811987年又将其合并为ISO5167。随后各国工程技术人员不断对其在应用条件下进行实验,积累了大量数据,在此基础上,国际标准化组织于2003年又对ISO5167进行了修订,新标准对经典式节流装置的应用提出了更为严格的条件,特别是不同程度地加长了前直管段长度,使其应用面临一些困难。上世纪八十年代后,不少新型仪表如电磁、超声、涡街逐渐成熟,也极大地冲击着市场,使孔板这种经典式的节流装置市场占有率有所下降。而在已建工程中,它的安装台数仍十分庞大,也积累了丰富的使用经验,许多一线的工程技术人员还是习惯选用它,如何改进、用好这类仪表就成为一个方兴未艾,较为活跃的研究领域。 二 非标准节流装置 在许多工业部门中,如火电的锅炉、天然气、石油的开采与输送,冶金、钢铁中产生的煤气,矿业开采中的选矿,以及采用液体或气体作为载体输送固体原料、产品……,这些流体多不洁净,而呈现双相或多相状态,如采用经典节流装置如孔板(1),在运行中产生不少问题。由于孔板前后将产生2个滞流区,固相介质将滞留、堆积在这个区域中,日积月累,将缩小孔板中心的通道,引起较大的误差,严重时甚至无法正常工作。鉴于上述情况,早于上世纪五十年代,研制、推出了不少非标准节流装置,如偏心孔板、圆缺孔板、楔形流量计等(2)。其共同的特点是迫使流动偏离中心,从管道下方流过,使较重的固态介质难以滞留,造成非对称的流动,从流动的效果来看与阻力件无异,使用中并不理想。
而环形孔板是其中较为典型效果较好的一种非标准节流装置。它早于1939年由美国学者Howell提出并进行了一些测试,并在上世纪六十年代由英国NEL再次进行了大量试验,推出了产品,开始应用于现场。而我国应用它是近十年的事。环形孔板(3)的结构是在管道中同心地固定了一个圆板,而流体则从管道边缘的环形通道流过。它既未破坏流动的对称性,又使管道中不同比重的物质各行其道,比重大的物质从管道底部疏泄,比重轻的物质如气体、蒸汽从管道上部通过。实用表明,环形通道对上游直管段长度的要求,没有经典及非标准节流装置那样苛刻,这也是它的一个突出优点。不足的是,与经典节流装置比较,缺乏足够的试验数据,难以标准化,特别是在当量βT值接近0.9时,流量系数的变化较大,每台仪表都必须通过标定才能出厂。另外,其压损也较大。
三 内锥式流量计 上世纪80年代中期,也许是受环形孔板的启发,环形通道可以改善流场,无需过长的直管段,美国MCCROMETER公司推出了内锥式(V-cone)流量计(4)。这种流量计的节流件是一个悬挂在管道中央的锥形体,它具有改善流场的作用。前锥角的约30°后锥角为150°。高压P1取自锥体前流体尚未节流加速的管壁;低压P2则取自后锥体中央,并通过内锥前方的支杆引出管外。其差压(P1-P2)的平方根与流量成正比。计算公式与孔板类似,只需将环形通道的面积折合为孔板中心通道的面积、用当量β值进行计算。
实验表明,内锥形成了环形通道,且通道逐渐减小,迫使流体加速降压,由于流体在加速过程中有消除、减小漩涡、改善流场的作用。因此,它对前直管段的要求不仅比经典式节流装置小得多,也比环形孔板小一些。
2003
3月国际标准化组织根据近年来对孔板进行的一系列试验及应用情况,修改了ISO05167(1991),新标准ISO5167(2003)的多项修改中,对使用者而言密切有关的是进一步要求增长前直管段,一般将原来30D增长到了44D;这个要求在实际现场很难满足。新标准也建议可采用流动调整器(Flow Conditioners)以减小直管段长度,这样做又会增加成本及维护工作量,并非上策。在这种形势下,对直管段无苛求且可测脏污流体的环形通道节流装置应运而生,加上媒体、会议的大力宣传,近二年在我国形成了一股内锥热,在我国绝大多数的节流装置生产厂都纷纷生产、推出这种新产品,它较孔板确有不少优点。
内锥式生产厂商宣称这种流量计的精确度优于±0.5%,重复性优于0.1%,上游直管段仅需03D,下游为01D,压损很小,量程比可达15∶1,可测脏污流体……等。以上这些技术参数不少值得商榷,例如:
(1)
直管段  在阻力件(弯头、闸阀、歧管、变径管……)后,会产生漩涡及二次流,完全消失经测试需57D,内锥体虽有整流作用,但当流体还未到达内锥,未必可遥控整流,神奇到如厂家所描述的那样理想,甚至(如其附图所示)可达到均直流场,更是令人难以置信。
(2)
结构  内锥体由一根支杆悬挂在管道中央,这种单臂悬挂从力学角度看不太稳定,易产生振动。为保证足够的刚性,势必要加粗支杆,而这样又破坏了流场的对称性。
(3)
取压点。内锥式仍通过测差压推算流量。它的高压取自内锥前管壁,并非流体的最高压力(总压),而此处由于阻力件的影响,尚可能存在漩涡及二次流;而低压取自后锥体中心,此处由于截面突然变大,是一个强烈的漩涡区,压力波动幅度较大,在这二处取差压推算流量未必合理。
(4)
准确度  鉴于上述原因,准确度就难以达到(厂家甚至说优于)±0.5%,当然在试验室标定由于流场较为理想有可能得到较高的重复性,(这里强调是重复性不是准确度,准确度还应包括标定装置的不确定度),而实际应用的现场在无法保证试验室的流场条件时,也就无法保证所标定的准确度。
(5)
不可恢复压损  在内锥后由于流通截面突然扩大,会产生强烈的漩涡。众所周知,它的产生、消失是一个不可逆的非等熵过程,会有较大的压力损失。(这也正是不少阻力件压损大的原因),内锥式流量计并非压损小的节能产品。
(6)
量程比  厂商说量程比达到15∶1是可能的,而前提是必需采用智能式差压变送器。内锥式与孔板一样,流量都是正比于差压的平方根。孔板如也采用智能式变送器量程比也可达到15∶1,量程比大并非内锥式本身的优势。
四 梭式流量计 梭式流量计是经我国专利局审定,于20051019日公布、授权,具有独立知识产权的专利产品(专利号2L200420061026.9),也是一种环形通道节流装置。
它的主要结构及原理如图5所示:梭形节流件用三个剖面为翼形的支杆固定在管道中。当前直管道较长(L>7D)时,由于环形通道的整流作用,管内流速分布较好,近于充分发展紊流,总压仅取一点,位于前锥体的中央,此处流体的动能全部转化为位能,应是流体的最高压力。而静压(低压)则取自环形通道最窄处的管壁上,位于二个支杆之间,相距约60°;当直管较短(L<5D)时,考虑管道中实际流速分布虽经梭体整流未必均衡、对称。因此,总压取自三翼形支杆上,每个支杆取34点,在整个环形通道上均匀分布了912点,这样在直管很短对,也能充分反映环形通道的流速分布。
梭式流量计的尾部可使加速的流体在扩张的通道中,不分离的条件下,减速增压,动能逐步、充分地转化为位能,使不可恢复压损降至最小,因而是节能产品。
在直管道较短时,管内流体流向并不平行于轴线,所测总压未必为真实。梭式流量计在每个总压孔上嵌入了一种导流嘴,这种导流嘴早于1986年实验表明,在流向偏离±30°情况,均能充分反映真实的总压值的效果。
整个梭体只起整流、导向作用,梭体可通过小孔沟通内外的压力,无论管道中流体有多高的压力,均与梭体无关。流量计的外壳(即管道)没有焊缝,因而可以将中心通道的文丘利管可承受更高的压力。
五 小结 近二年由于ISO5167新标准的公布,再加上在工业现场中日益增多二相流的测量问题,环形通道流量计应运而生,有了很大的发展,优劣与否有待实践证明、用户认可。由于影响流量仪表应用的因素较多。每一种产品都只能在某一领域中各尽所能、发挥作用。尚没有一种可取代一切其流量仪表,宣传、推销都应实事求是、留有余地。    
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