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流量仪表的准确度与节能效应--流量仪表的安装直管段与准确度
发布时间:2016-03-28   点击次数:2396次

 

图1  各种流动调整器

    贸易结算、节能减排对流量仪表准确度提出了更高的要求,欲使流量仪表保持±0.5%~1%的准确度,对绝大多数流量仪表都需有前约30D后约5D(D管内径)的直管段长度。在现代工程管径日益增大的情况下,现场很难满足这个要求,如何解决这个矛盾?本文介绍了流动调整器、内锥流量计以及多孔平衡式、多孔整流式节流装置,供读者参考。

    近一、二十年以来,在贸易化的背景下,经济领域中不少物质是通过流量仪表的计量进行核算的,买卖双方都不愿意承担因流量计量的误差所造成的经济损失。以价廉的水为例,如果一个企业每日用水1万t,采用的流量仪表误差为±2%,则每年将多付近15万元水费(2%×365×10000/天×2元 /吨=146000);如果是天然气、石油等昂贵的物质,损失将更突出,因而迫切需要提高流量仪表的准确度。对工控系统来说,过去曾认为流量仪表只要重复性好,无需准确度高。现在看来,这种观点已不能适应新的要求,如火电厂,由于不能准确地测量进风量,为保证锅炉炉膛不因缺氧造成燃烧不完全而污染空气引起环保部门的查处,只得采取过量供气,其结果造成燃烧效率下降,每多供1%的过氧量就造成5%的过量空气被加热,造成了燃料、风机电能的浪费,从节能降耗角度出发也急待提高流量仪表的准确度。

    易忽视的重要因素——安装直管段长度

    流量仪表的生产厂家在技术文件中都注明了准确度,它应是在试验室经严格的程序标定后确定的,但在现场条件下,大多数流量仪表都难以达到这个准确度。

    对绝大多数流量仪表来说(容积式、科式虽可除外,但口径未超过0.25m)流速分布对准确度有举足轻重的影响。、国内行业标准为此都明确规定了流量仪表前应有30D、后有5D(D为管内径)的直管段长度,只有这样,管内的流速分布才能达到充分发展紊流,具有确定的分布规律,采用在试验室标定的流量系数,才可保证达到厂家所说的准确度[1]。

    但实际安装的现场,从工艺角度出发会有形形色色的各种阻力件(弯头、阀门、变径管、歧管等),其出口流速分布也是变化莫测,十分复杂。从节约空间的角度考虑,也不可能安排流量仪表有如此长的直管段长度。因此,流量仪表在现场应用中所达到的准确度将远远低于厂家提供的数据。

    但是,直管段长度不足的问题长期被忽视,其原因在于流量仪表即使在现场直管段长度达不到规程要求所需的长度,仍会有输出,对一线的仪表工来说,仪表工作看似仍在“正常”工作,只是与必要的准确度相距甚远。这个问题对以测点速来推算流量的仪表(如双文丘利、插入式涡街、涡轮、热式)尤为突出,这类仪表的标准ISO07145[2],规定前直管段应具有30~50D的长度,才可能具有±3%的准确度。显然,在现场是很难满足的。

图2  多孔平衡节流装置

    流动调整器[3]

    为解决现场直管段长度不足,又要保持流量仪表具有较高准确度的问题,标准化组织封闭管道流量专业委员会(ISO TC30)多年来一直建议采用图1所示的各类流动调整器(flow conditioners),管束(AGA/ASME、ISO、AGA、ASME等)、板孔(Mitsabishi)及组合式(Zanker、 Sprenkle)。其中,组合式效果虽好,压损却数倍于前两种;而板孔结构简单,易于加工、安装、压损也较低、发展潜力较大。以上三类各有所长,选用需因地制宜。安装流动调整器可以在直管段长度达不到规范要求时,仍可保持流量仪表具有较高的准确度,但为什么长期以来并未得到预期的推广应用?原因不仅在于增加了成本及维护工作量,还在于如图1所示的管束结构,它本身就要求具有2~4D(D管内径)长度,而安装前后又要求具有前4~5D;后(调整器与流量仪表间)3~4D,总共约10D,对于已经“捉襟见肘”的现场直管段长度而言很不现实,难以实现。其次还有以下缺点:a.增加了成本,一台复合式流动调整器的加工成本不亚于一台节流装置;b.增加了安装、维修工作量,若流体中含有粉尘,或固相物、凝析物,长期使用又得不到及时清洗,将沉积在水平调整器的下方,其结果反倒造成了速度分布不对称的后果,无异于画蛇添足。c.造成额外的压力损失。鉴于上述种种原因,虽经ISOTC30多年推荐,并未得到工程界广泛地认同。但是,它所取得的整流效果,还是启发了业界的有志之士,为以后开发新型流量仪表提供了依据。

    内锥式流量计

    数年前,ISOTC30公布了ISO5167新标准,对经典式标准节流装置的安装直管段长度提出了更详细、更苛刻的要求,虽然标准节流装置在满足要求的情况下不用单独标定,流出系数就可达到很高的不确定度(如标准孔板为0.5%)但是现场很难满足上述条件,市场呼唤一种对直管要求不高又能维持较高准确度的流量仪表。在此背景下,近几年国内专业媒体、技术讲座等都大力推荐美国McCROMETER公司于1986年推出的内锥式流量计,其环形收缩通道确有较好的整流效果[4]。工程应用表明,也确对直管段要求不高,而又能维持较高的准确度。但并非宣传的那样,前直管段长度仅需0~3D,对不少此国内高校及研究机构进行了大量的测试[5][6]。测试表明,当β值小于0.6时,流量计准确度可维持±1%,前直管段长度仍需3~5D;如为了减少*压损,令 β值加大到0.85时,整流效果很差,前直管段长度应加大至10D以上。

    内锥与管壁所形成的逐渐收缩的环形通道的确有整流效果应该充分肯定。但也存在以下不足:a○单臂悬挂节流件内锥已为事实证明,确实存在安全隐患,造成了重大事故;b○低压取压点位于内锥后方漩涡区,粉尘、污物易堵塞低压引压管;c○内锥后没有动压转换为位能的恢复区,所形成的漩涡必然会产生较大的压损,在β值较小时,其压力损失仅次于孔板。

图3  多孔整流节流装置

    针对上述缺点,国内先后推出了基于这种原理,而结构上优化的新型节流装置,如:槽道、梭式、双锥式等[6]。但宣传力度远不及内锥,推广应用尚待时日。

    多孔平衡节流装置

    本文前面已阐述了采用流动调整器的利弊,由于它本身就需要一定的直管段长度制约了它的推广应用。在长期的实践过程中,人们发现缩小流动调整器与节流件之间的距离,对其整流效果影响不大,zui终推出了将整流器与节流件合二为一,即直接将整流器作为节流件的新型节流装置,这么做不仅节约了成本,还解决了已很局促的直管段长度。在此理念启发下,2002年美国Rosemount公司首先按类似AGA/ASME的四管整流器推出了四孔孔板(图2a),据称可以将直管段长度缩短至2D,仍可维持±1%的准确度。

    在此基础上,2004年美国A+ Flowtek公司又推出了17孔的多孔孔板(图2b)[7],这17个孔分为三组,中心的一个孔孔径zui大,其余16孔分为二组,每组8孔,其圆心分处于 2个不同的直径上,中间的8孔孔径次之,外围的孔径zui小。A+Flowtek公司称其为Balanced Flowmeter,译为平衡流量计,据其说明书,相关技术参数为:准确度±0.5%;直管段要求,前0.5D、后0.5D;量程比,10:1;压力损失,ΔPe/ΔP为30%。

    对于以上这些技术参数是否如厂商宣传的那么值得商榷,也有待实践证实。特别有关所需直管长度的表述,行业中一般确定为自节流件前端面(即多孔孔板)至上游阻力件出口的距离为前直管段长度,而多孔平衡流量计是由多孔孔板与短管组合成一个整体供货的。它所指的上游直管段0.5D是指平衡流量计进口法兰与阻力件之间的距离,平衡流量计的短管长度是2~10D,是要占有现场直管段的,如此表述误导用户。

    多孔整流式节流装置

    基于技术的发展及市场的需求,天津市润泰自动化仪表有限公司自行研发了多孔整流式节流装置,并在第三方实验室进行了流出系数、前直管段长度等测试,测试数据表明,由天津市润泰自动化仪表有限公司研发的多孔整流式节流装置,在直管段较短情况下,具有较好的整流效果,值得推广,现将部分数据及相关说明分述如下:

    本装置的节流件是一个按一定规律布局的多孔孔板,其功能除节流外,还具有整流功能,故按其主要功能命名为多孔整流式节流装置。

    实验设备:为某航天部门的水流量实验室,实验设备流量不确定度为0.05%,差压变送器准确度为0.075%,测试介质为水,测试管径为DN100。

    β值的确定:建议β值取0.50~ 0.65之间,β值过大强度减弱、β值过大压损太大。

    三种结构性能对比:在前直管段长度约为30D的条件下,对三种结构的多孔节流装置针对流出系数的重复性、不确定度、线性度进行了对比,数据表明A型(图3a)的各项技术指标优于B型(图2b)及C型(图3b)。

    前直管段长度:将A型整流节流装置进行三种直管段长度(30D、5D、2D)测试,阻力件为90°弯头测试的数据表明,A型节流件在前直管段仅2D 时,流出系数与基准(30D)的流出系数之间的相对误差可控制在±1%以内;而当前直管段长度达到5D时,与基准流出系数之间相对误差即可小于±0.3%,说明其整流效果较好,适用于直管段不长而又要求较高准确度的现场。

    *压损:由于流体通过多孔节流装置后不至于形成大漩涡而造成较大的*压损,在相同的β值条件下,应小于孔板,而大于文丘里,这个预测还有待试验证实。

    小结

    近十余年以来,贸易结算,工业计量与控制都迫切需要一种对直管段长度要求不高而能维持较高准确度的流量仪表。内锥流量计因此曾风光一时,但无序的急于推广,不分场合的非理性选用,已造成了严重事故,应吸取教训,但不宜全盘否定。目前国内外推出的多孔节流装置,在结构上优于内锥,经测试其数据也表明了较优越的性能,值得逐步推广应用。

    应该承认,我国在工业自动化领域与国外尚有差距。改革开放以来,国内不少代理商将国外先进产品、先进技术介绍到国内,的确起到一些推动技术进步的作用,但是国外的产品在垄断的情况下,价格都过于昂贵。为打破这一局面,不能满足于代理而应立足于自行生产。而生产又不能局限于仿制(内锥流量计应是一个教训),在认真学习了国外的先进技术,并通过应用中出现的问题,就会发现不少国外产品也并非,完全可以着手改进,创立具有我国独立知识产权的新产品。

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