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流量?jī)x表的準(zhǔn)確度與安裝直管段
2011-03-24
近一二十年以來(lái)，在貿(mào)易全球化的背景下，經(jīng)濟(jì)領(lǐng)域中不少物質(zhì)是通過(guò)流量?jī)x表的計(jì)量進(jìn)行核算的，買賣雙方都不愿意承擔(dān)因流量計(jì)量的誤差所造成的經(jīng)濟(jì)損失，以價(jià)廉的水為例，如果某企業(yè)每日用水1萬(wàn)t，采用流量?jī)x表誤差±2%計(jì)量，則每年將可能多付近15萬(wàn)元水費(fèi);如是天然氣、石油等昂貴的物質(zhì)，損失將更突出，因而迫切需要提高流量?jī)x表的準(zhǔn)確度。對(duì)工控系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，過(guò)去曾認(rèn)為流量?jī)x表只要重復(fù)性好，無(wú)需準(zhǔn)確度高。現(xiàn)在看來(lái)，這種觀點(diǎn)已不能適應(yīng)新的要求，如火電廠，由于不能準(zhǔn)確地測(cè)量進(jìn)風(fēng)量，為保證鍋爐爐膛不因缺氧造成燃燒不完全而污染空氣引起環(huán)保部門的查處，只得采取過(guò)量供氣，其結(jié)果造成燃燒效率下降，每多供1%的過(guò)氧量就造成5%的過(guò)量空氣被加熱，造成了燃料、風(fēng)機(jī)電能的浪費(fèi)，從節(jié)能降耗角度出發(fā)也急待提高流量?jī)x表的準(zhǔn)確度。
1 安裝直管段長(zhǎng)度是一個(gè)易忽視的重要因素 流量?jī)x表的生產(chǎn)廠家在技術(shù)文件中都注明了準(zhǔn)確度，它應(yīng)是在試驗(yàn)室經(jīng)嚴(yán)格的程序標(biāo)定后確定的，但在現(xiàn)場(chǎng)條件下，大多數(shù)流量?jī)x表都難達(dá)到這個(gè)準(zhǔn)確度。
1.1 直管段長(zhǎng)度對(duì)準(zhǔn)確度的影響 對(duì)絕大多數(shù)流量?jī)x表來(lái)說(shuō)(容積式、科式雖可除外，但口徑未超過(guò)0.25m)流速分布對(duì)準(zhǔn)確度有舉足輕重的影響。國(guó)際、國(guó)內(nèi)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)為此都明確規(guī)定了流量?jī)x表前應(yīng)有30D、后有5D的直管段長(zhǎng)度(D為管內(nèi)徑)，只有這樣，管內(nèi)的流速分布才能達(dá)到充分發(fā)展紊流，具有確定的分布規(guī)律，采用在試驗(yàn)室標(biāo)定的流量系數(shù)，才可保證達(dá)到廠家所說(shuō)的準(zhǔn)確度[1]。但實(shí)際安裝的現(xiàn)場(chǎng)，從工藝角度出發(fā)會(huì)有形形色色的各種阻力件(彎頭、閥門、變徑管、歧管??)其出口流速分布也是變化莫測(cè)、十分復(fù)雜的。從節(jié)約場(chǎng)地出發(fā)，也不可能安排流量?jī)x表所需的如此長(zhǎng)的直管段長(zhǎng)度。因此，流量?jī)x表在現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用中所達(dá)到的準(zhǔn)確度將遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于廠家提供的數(shù)據(jù)。
1.2 直管段長(zhǎng)度不足長(zhǎng)期被忽視 直管段長(zhǎng)度不足的問(wèn)題長(zhǎng)期被忽視，其原因在于流量?jī)x表即使在現(xiàn)場(chǎng)直管段長(zhǎng)度達(dá)不到規(guī)程要求所需的長(zhǎng)度，仍會(huì)有輸出，對(duì)一線的儀表工來(lái)說(shuō)，儀表工作似仍“正常”，只是與必要的準(zhǔn)確度相距甚遠(yuǎn)。猶如槍沒(méi)了準(zhǔn)星，仍可射擊，只是子彈打不中靶心。這個(gè)問(wèn)題對(duì)以測(cè)點(diǎn)速來(lái)推算流量的儀表(如雙文丘利、插入式渦街、渦輪、熱式)尤為突出，這類儀表的國(guó)標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)ISO07145[2]，規(guī)定前直管段應(yīng)具有(30～50)D的長(zhǎng)度，才可能具有±3%的準(zhǔn)確度。顯然，在現(xiàn)場(chǎng)是很難滿足的。
2 流動(dòng)調(diào)整器(flowconditioners)
2.1 流動(dòng)調(diào)整器可改善流速分布 為解決現(xiàn)場(chǎng)直管段長(zhǎng)度不足，又要保持流量?jī)x表具有較高的準(zhǔn)確度，國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織封閉管道流量專業(yè)委員會(huì)(ISOTC30)多年來(lái)一直建議采用圖1所示的各類流動(dòng)調(diào)整器[3]，如：管束(AGA/ASME、ISO、AGA、ASME??)、板孔(Mitsubishi)及組合式(Zanker、Sprenkle)。其中，組合式效果雖好，壓損卻數(shù)倍于前二種;而板孔結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于加工、安裝、壓損也較低、發(fā)展?jié)摿^大。以上三類各有所長(zhǎng)，選用需因地制宜。安裝流動(dòng)調(diào)整器可以在直管段長(zhǎng)度達(dá)不到規(guī)范要求時(shí)，仍可保持流量?jī)x表具有較高的準(zhǔn)確度，但為什么長(zhǎng)期以來(lái)并未得到預(yù)期的推廣應(yīng)用?
2.2 采用流動(dòng)調(diào)整器的利與弊 采用流動(dòng)調(diào)整器不僅僅會(huì)增加了成本及維護(hù)工作量，也需要一些現(xiàn)場(chǎng)直管段長(zhǎng)度，如圖1所示的管束結(jié)構(gòu)，它本身就要求具有(2～4)D長(zhǎng)度(D管內(nèi)徑)，而安裝前后又要求具有前(4～5)D，后(調(diào)整器與流量?jī)x表間)(3～4)D，總共約10D，對(duì)于已經(jīng)捉襟見(jiàn)肘的現(xiàn)場(chǎng)直管段長(zhǎng)度很不現(xiàn)實(shí)，難以實(shí)現(xiàn)。其次還有以下的缺點(diǎn)，如：①增加了成本，一臺(tái)復(fù)合式流動(dòng)調(diào)整器的加工成本不亞于一臺(tái)節(jié)流裝置;②增加了安裝、維修工作量，若流體中含有粉塵，或固相物、凝析物，長(zhǎng)期使用又得不到及時(shí)清洗，則將沉積在水平調(diào)整器的下方，其結(jié)果反倒造成了速度分布的不對(duì)稱后果，豈不畫蛇添足，多此一舉?③造成額外的壓力損失??鑒于上述種種原因，雖經(jīng)ISOTC30多年推薦，并未得到工程界廣泛認(rèn)同。但是，它所取得的整流效果，還是啟發(fā)了業(yè)界的有志之士，為以后開(kāi)發(fā)新型流量?jī)x表提供了依據(jù)。 (a)類用于消除旋渦，(b)類用于消除旋渦和改善中等程度速度分布畸變，(c)類用于消除旋渦和改善嚴(yán)重速度分布畸變。裝用流動(dòng)調(diào)整器會(huì)增加阻力，其壓力損失與消除速度分布畸變而異，(a)類最小，(c)類最大。
3 多孔平衡節(jié)流裝置
3.1 基本原理 本文前面已闡述了采用流動(dòng)調(diào)整器的利弊，由于它本身就需要一定的直管段長(zhǎng)度制約了它的推廣應(yīng)用。在長(zhǎng)期的實(shí)踐過(guò)程中，人們發(fā)現(xiàn)縮小流動(dòng)調(diào)整器與節(jié)流件之間的距離，對(duì)其整流效果影響不大，最終推出了將整流器與節(jié)流件合二為一，即直接將整流器作為節(jié)流件的新型節(jié)流裝置，這么做不僅節(jié)約了成本，還解決了已很局促的直管段長(zhǎng)度。在此理念啟發(fā)下，2002年美國(guó)Rosemount公司首先按類似AGA/ASME的四管整流器推出了稱為調(diào)整孔板(Condi2tioningOrifice)的四孔孔板(圖2a)，據(jù)稱可以將直管段長(zhǎng)度縮短至2D，仍可維持較高準(zhǔn)確度。
3.2 多孔平衡流量裝置 在此基礎(chǔ)上，2004年美國(guó)A+Flowtek公司又推出了17孔的多孔孔板(圖2b)[4]，這17個(gè)孔分為三組，中心的一個(gè)孔孔徑最大，其余16孔分為二組，每組8孔，其圓心分處于2個(gè)不同的直徑上，中間的8孔孔徑次之，外圍的孔徑最小。A+Flowtek公司稱其為BalancedFlowmeter，譯為平衡流量計(jì)，按其說(shuō)明書，相關(guān)技術(shù)參數(shù)如下：準(zhǔn)確度±0.15%;直管段要求：前0.5D、后0.5D;量程比：10:1;壓力損失：Δω為30%。
3.3 前直管段長(zhǎng)度的表述 對(duì)于以上這些技術(shù)參數(shù)是否如廠商宣傳的那么完美值得商榷，也有待實(shí)踐證實(shí)。特別有關(guān)所需直管長(zhǎng)度的表述，行業(yè)中一般確定為自節(jié)流件前端面(即多孔孔板)至上游阻力件出口的距離為前直管段長(zhǎng)度，而多孔平衡流量計(jì)是由多孔孔板與短管組合成一個(gè)整體供貨的。它所指的上游直管段0.5D是指平衡流量計(jì)進(jìn)口法蘭與阻力件之間的距離，平衡流量計(jì)的短管長(zhǎng)度是(2～10D)，是要占有現(xiàn)場(chǎng)直管段的，如此表述無(wú)論有意無(wú)意，效果是誤導(dǎo)用戶，而不是實(shí)事求是。
4 多孔整流式節(jié)流裝置 基于技術(shù)的發(fā)展及市場(chǎng)的需求，天津市潤(rùn)泰自動(dòng)化儀表有限公司自行研發(fā)了多孔整流式節(jié)流裝置，并在第三方實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行了流出系數(shù)、前直管段長(zhǎng)度等測(cè)試，測(cè)試數(shù)據(jù)表明，由天津市潤(rùn)泰自動(dòng)化儀表有限公司研發(fā)的多孔整流式節(jié)流裝置，在直管段較短情況下，具有較好的整流效果，值得推廣，現(xiàn)將部分?jǐn)?shù)據(jù)及相關(guān)說(shuō)明分述如下：
(1)名稱：本裝置的節(jié)流件是一個(gè)按一定規(guī)律布局的多孔孔板，其功能除節(jié)流外，還具有整流功能，故按其主要功能確定為多孔整流式節(jié)流裝置。
(2)實(shí)驗(yàn)設(shè)備：為某航天部門的水流量實(shí)驗(yàn)室，實(shí)驗(yàn)設(shè)備流量不確定度為0.05%，差壓變送器準(zhǔn)確度為0.075%，測(cè)試介質(zhì)為水，測(cè)試管徑為DN100。
(3)β值的選定：建議β值取0.50～0.65之間，β值過(guò)大強(qiáng)度減弱、β值過(guò)大壓損太大。
(4)三種結(jié)構(gòu)性能對(duì)比 在前直管段長(zhǎng)度約為30D的條件下，對(duì)三種結(jié)構(gòu)的多孔節(jié)流裝置進(jìn)行了流出系數(shù)的重復(fù)性、不確定度、線性度進(jìn)行了對(duì)比，數(shù)據(jù)表明A型(圖3a)的各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)優(yōu)于B型(圖2b)及C型(圖3b)。因此，重點(diǎn)對(duì)A型多孔整流節(jié)流裝置進(jìn)行了不同前直管長(zhǎng)度的測(cè)試。相關(guān)數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。
(5)前直管段長(zhǎng)度：將A型整流節(jié)流裝置進(jìn)行三種直管段長(zhǎng)度(30D、5D、2D)測(cè)試，阻力件為90°彎頭，測(cè)試數(shù)據(jù)如表2所示。從表2的數(shù)據(jù)表明，A型節(jié)流件在前直管段僅2D時(shí)，流出系數(shù)與基準(zhǔn)(30D)的流出系數(shù)之間的相對(duì)誤差可控制在±1%以內(nèi);而當(dāng)前直管段長(zhǎng)度達(dá)到5D時(shí)，與基準(zhǔn)流出系數(shù)之間相對(duì)誤差即可小于±0.3%，說(shuō)明其整流效果較好，適用于直管段不長(zhǎng)而又要求較高準(zhǔn)確度的現(xiàn)場(chǎng)。
(6)永久壓損：由于流體通過(guò)多孔節(jié)流裝置后不至于形成大漩渦而造成較大的永久壓損，在相同的β值條件下，應(yīng)小于孔板，而大于文丘里，這個(gè)預(yù)測(cè)還有待試驗(yàn)證實(shí)。
5 小結(jié)
(1)應(yīng)運(yùn)而生的新型節(jié)流裝置 近10余年以來(lái)，從貿(mào)易結(jié)算、工業(yè)計(jì)量與控制都迫切需要一種對(duì)直管段長(zhǎng)度要求不高而能維持較高準(zhǔn)確度的流量?jī)x表。內(nèi)錐流量計(jì)因此曾風(fēng)光一時(shí)，但無(wú)序的急于推廣，不分場(chǎng)合的非理性選用，已造成了嚴(yán)重事故，應(yīng)吸取教訓(xùn)，但不宜全盤否定，目前國(guó)內(nèi)外推出的多孔節(jié)流裝置，在結(jié)構(gòu)強(qiáng)度上優(yōu)于內(nèi)錐，測(cè)試其數(shù)據(jù)也表明了較優(yōu)越的性能，值得逐步推廣應(yīng)用。
(2)代理與生產(chǎn)仿制與創(chuàng)新 應(yīng)該承認(rèn)，我國(guó)在工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域與國(guó)外尚有差距。改革開(kāi)放以來(lái)，國(guó)內(nèi)不少代理商將國(guó)外先進(jìn)產(chǎn)品、先進(jìn)技術(shù)介紹到國(guó)內(nèi)，確實(shí)起到一些推動(dòng)技術(shù)進(jìn)步的作用。但是國(guó)外的產(chǎn)品在壟斷的情況下，價(jià)格都過(guò)于昂貴。為打破這一局面，不能滿足于代理而應(yīng)立足于自行生產(chǎn)，而生產(chǎn)又不能局限于仿制(內(nèi)錐流量計(jì)應(yīng)是一個(gè)教訓(xùn))。認(rèn)真學(xué)習(xí)了國(guó)外的先進(jìn)技術(shù)，并通過(guò)應(yīng)用中出現(xiàn)的問(wèn)題，就會(huì)發(fā)現(xiàn)不少國(guó)外產(chǎn)品也不是那么完美，他們也在不斷地改進(jìn)、完善，我們?yōu)槭裁催€滿足于仿造別人早已落后的產(chǎn)品呢?在認(rèn)真學(xué)習(xí)的基礎(chǔ)上，完全可以著手改進(jìn)，創(chuàng)立具有我國(guó)獨(dú)立知識(shí)產(chǎn)權(quán)的新產(chǎn)品
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