选型导向 流量仪表的特点、选用与发展(中篇)

2.6插入式流量仪表^*7

规模生产效益,近二、三十年以来工程日益扩大,现场管径日益增大,如热电厂的工艺管道已大至5~6米,满管流量计因过于笨重,已难以适应技术的发展,早期应用以取样原理为基础的插入式流量计又受到青睐,近三十年来又被广泛用于流量测量。

2.6.1原理按流量的定义:

只要能准确测量管道中的流速V,管道截面A,就可知流量qv。因此,凡是可以测流速的仪表均可成为插入式流量计。如:皮托管、双文丘利管、测管、涡轮、涡街、热式、电磁均可做为测量头,成为插入式流量计。其中以皮托管为基础的测直线上多点流速的均速管(亦称阿纽巴或巴类),在近三十年来在大口径测量上曾风光一时,占有较大市场。

插入式流量计可以用极简单的方法,最低的成本“解决”大管道流量测量的问题。看似好事,但弊已伏其中了。因为管道极大,十之八九不可能具有较长直管段,管内流速分布必然极其复杂(图4),不仅没有规律,且有漩涡,怎么可能仅测一点或几点流速来涵盖整个截面的流速,准确地测量流量呢?因此公式中的平均流速 ,是很难用插入式流量计得到的,不少厂商只谈流速准确度而回避流速分布,有意或无意误导了用户。

图4 双弯头后的流速分布

图5 均速管测量原理图

2.6.2插入式流量仪表

1、测点速

通过测一点流速推算流量^*8

凡是可测流速的仪表,如皮托管、双文丘里管、测管、插入式涡街、涡轮、热式均可成为这类仪表。

特点:结构简单,安装维修方便,压损小,价格便宜,但准确度不可能高。

厂商宣传在风洞中标定仅是流速,由于管道内流速分布十分复杂,无助于提高流量准确度^*9。

2、测直线上多点流速^*10

主要为均速管(图5)、热式

均速管问世已四十年,在横截面性状上不断推陈出新,不少于十余种,厂商都大肆炒作其优越性。其实均速管的应用必须与管道相结合,否则它就不是流量计。影响测量准确度的因素主要应该是管道^*11,它的前直管段长度是否足够长(流速分布)及管道内径是否精确。而厂商往往回避这个问题。均速管的截面形状最初为圆形,因“阻力危机”问题,出现了菱形、弹头形等十多种形状,其实就测量准确度而言,截面形状的影响相对于现场应用条件是很小的。厂家的宣传往往过分夸大其词。

当管径大至1~2米,流速大于10m/s,雷诺数Re一般将大于106,已越过“阻力危机”,则流速计截面仍可用圆管,如当前火电厂一次风管口径已达4~5米,完全没有必要选用均速管,在国外已有成功的案例^*12。

2.6.3影响准确度的因素(以差压式为例)

式中α为速度分布系数;β阻塞系数;γ干扰系数;A管道截面积;△p输出差压;ρ流体密度;K流速计系数。

(1)速度与分布系数α是在充分发展紊流条件下，由壁管粗糙度与Re所引起的误差的修正系数，基本可以定量分析，带来的误差大约在1~3%之间；

(2)阻塞系数β是由于插入式仪表的测量杆(或均速管)及测量头,其迎风截面将改变管内的流速分布而引起的测量误差。研究1表明:如果阻塞比S(仪表在q管=ab 迎风截g面/管道截面)小于0.02可忽略不计; 0.02<S<0.06可以修正,S>0.06时,尚缺乏修正数据。

(3)干扰系数 g 是由于阻力件的影响,流速分布为非充分发展紊流,直管段长度又不足,流速分布没有规律。由于阻力件及其组合成千上万,难以模拟重现,目前还无法定量进行修正,这是插入式流量仪表最不确定的因素,也是主要的误差源。

2.6.4主要技术参数

(1)准确度:在很理想情况下,可达±2~3%;而在直管段较短(如火电厂)流量误差可达±30%以上,甚至完全无法测量。

(2)重复性 : 可以达到1%。

(3)工况上限 :压力40mpa,温度500℃~600℃。

(4)压损很小,仅几十Pa。

(5)口径可低至25毫米,高至9米。

(6)结构简单,价格低廉,性价比高。

(7)安装维护简便,可不断流进行。

2.6.5应用概况

近40年以来,插入式流量仪表以其结构简单、价廉、安装维护简便、压损小等特点深为用户欢迎,得到了很大的发展,在钢铁、冶金、电力、石化、市政工程等行业被广泛采用。但由于准确度低,厂商过分炒作,准确度难以达到±1%,使用中问题不少,特别强调的是宜作为核算计量仪表。但如果现场条件不是过于苛刻,流场不存在漩涡,其重复性可能较好,仍可用于工控、检测系统。

2.7新型节流流量仪表

2.7.1背景:

节流流量仪表由于可耐恶劣工况,成本较低,使用已有一百余年,积累了大量数据,有较成的首位。但它最大的缺点是要求较长的直管段,才能熟的国际、国家标准,且可干标,长期占流量仪表市场获得较高的准确度,特别是2003年ISOTC30公布了新标准ISO5167后,要求更长的直管段,才能获得较高的准确,使其矛盾更为突出,迫切需要研发一种新型节流流量仪表。这种仪表无需较长直管段,仍可保持较高的准确度。

2.7.2近十年的发展历程

1.环形通道流量仪表^*13、^*14

1986年美国McCrometer公司推出了内锥式流量仪表,主要是为了解决测高炉、焦炉煤气这一类粘污流体,应用中发现其环形通道具有整流作用,在直管段不足条件下仍具有较高准确度的特点。而在我国前几年由于过热地宣传,到处滥用,造成了多起重大事故,市场急剧下降,断送了它的发展前景。但内锥流量仪表的整流优点仍应肯定,不宜封杀。只要改进一些结构,仍不失为一种性能良好的流量仪表,如后来研发的槽道式、梭式流量仪表、内文丘里管等。

2.调整孔板^*15

为解决流量测量要取得较高准确度而减小必需的直管段长度, IS0TC30一直建议采用流动调整器。但流动调整器本身就需要2D长度,安装前后又需3~4D,现场应用仍有困难。2002年美国Rosemount公司首先推出了将流动调整器与节流件合二而一的四孔孔板的调整孔板,在前直管段长度为5D时,准确度可达±0.5%;为2D时,准确度可达±1%。首创了这类流量仪表的理念。

3.平衡式流量仪表^*16

继调整孔板之后,2004年美国A+Flowtek公司推出了“平衡式流量仪表”,2007年进入中国。据称前后直管段长度仅需0.5D,准确度可达±0.5%。这种宣传似有些误导用户,因为它的仪表较长,其节流件(图6B)前即有不低于5D长度的管道,是要占直管段长度的,仅说二个法兰之间的距离显然是不合理的,而且缺乏应有的测试数予以验证。

4.整流式流量仪表

我国天津某公司根据上述的理念,于2008年进行了近一年的研发、测试,其结构不同于美国A+Flowtek公司的平衡式(图6A、6C)。测试数据表明:在前直管段为2D时,准确度可达±1%,如为5D,准确度可达±0.3%,β值建议取0.5~0.65之间。

在前直管段长度约30D的条件下,对图3所示的三种结构进行了流出系数的重复性、不确定度、线性度的测试比较。

表1三种结构多孔整流式节流装置试验数据对比(直管段长度30D)

表1的测试数据表明:6A的技术性能优于6B,6C与6B相差无几。

图6 平衡式、整流式节流流量仪表

5.型式多样,性能难分伯仲。以上的这些节流式流量仪表(调整孔板、平衡式、整流式)均具有结构简单、可靠,加工简单易行,使用中都有对前直管段要求不高、又保持较高准确度的优点。目前还很难说哪一种产品具有显著的优势而独傲群雄,更不能说是某家独创。

2.7.3推广应用的关键^*17

近七、八年以来,新型节流流量仪表发展很快,加上厂商的炒作,大有取代标准节流仪表之势。但它终究还是个新生事物,在研发、生产及应用中缺乏经验,无序的生产与滥用势必会埋下事故隐患(2005年大连内锥事故应为前车之鉴)。这种炒作以谋取暴利的做法已引起业内专家的忧虑,在肯定创新的前提下应尽快制定标准,为此建议如下:

1.节流件标准化

优化当前推出的各种“多孔孔板”节流件,只有这样才能简化测试项目。

2.积累测试数据

标准节流流量仪表的标准制定,花费了几十年时间,积累了成千上万在试验室测试的数据才可能制定标准。切不可随心所欲、闭门造车地制定标准,必须建立在试验的基础上。C. Hodges提出了一些建议以缩短这个过程^*18。

3.阻力件影响试验

测试首先要在标准试验室中进行,然后还需在不同的阻力件,不同的安装长度下,用数据来说明保证较高准确度所必要的直管段长度。

3流量试验室

3.1目的

影响流量仪表技术特性的因素很多,目前还无法通过理论推导,必须用试验的手段确定影响的大小。它是研发、生产流量仪表并保证其质量必不可少的设备,历来受到国内外业界的重视。在2010年台北召开的第15届流量测量国际会议上,在108篇发表论文中有关流量标准装置为28篇(占23%);同年在上海召开的全国流量测量学术交流会上,总计76篇论文中,有关流量标准装置为19篇(占26%)。

3.2种类

(1)介质

1.水流量装置

历史较为悠久,设计、工艺较为完善,根据基准值的确定又可分为称重法及容积法二种。前者的准确度优于后者可达10-4。

国际标准有 ISO4185-1980(称重法)、ISO8316-1987,我国有jjG164-86、jjG217-89等。

2.空气流量装置

由于受温度、压力影响较大,流动特性更为复杂,准确度次于水流量装置;目前已用的有:mt(质量-时间)法、PVTt(压力-容积-温度-时间)法、活塞法、标准体积管、钟罩法、速度面积法、示踪法、标准表比对法等,以mt 法最为准确可达10-3。

国际标准有关示踪法为:ISO4055-1(1977)、ISO4053-4(1978)。我国有jjG165-89(钟罩)、jjG586-89(皂膜)、jjG619-89(PVTt)。

3.油流量装置

油是一种粘性较大的介质。石油作为一种用量大而又日益昂贵的能源,在贸易核算中,油品流量计计量的准确度日益受到重视。为消除粘性的影响常以油品做为实际介质来校验流量仪表,这种校验装置常有标准体积管,以及上述的容积法、称重法。从安全角度出发,还是应当首选标准体积管,我国已有相关的标准 jjG-209-44及生产厂家自己的标准。

4.气体流量装置

为校验气体介质物性对流量准确度的影响,特别是天然气也是一种用量大、较昂贵的气体能源,我国目前已日益重视直接用天然气做介质来校验流量仪表。实验室往往建立在输气站的附近,就地建设备旁路取气,校验后再送回管线。流量基准多采用标准表(音速喷嘴、涡轮流量计等)。除天然气外,也有采用蒸汽、惰性气体(氦、氨、氖)、二氧化碳等气体作为实验室的介质。

5.二相流流量装置

随着科学技术的进步与要求,二相流的准确计量日益迫切有待解决,如气液、气固、液固等,由于这类仪表在我国还处于研制阶段,其装置多建在高校及研究机构,已逐步进入实用生产阶段。

(2)流场

1.风洞(直匀流)^*19

风洞是研究、测定物体与大气产生相对运动时物体受力状况的设备。 在其试验段截面上应是流速大小一致、方向相同的直匀流。它虽是研究航空、航天的高科技试验设备,但并不可能成为理想的流量校验装置。因为工业现场无法产生直均流,流场不一致校验就没有什么意义。

厂家可以用它校验流速计,但切记流速计并非流量计,不要混为一谈。

2.标准流量试验室(充分发展紊流)

这些流量试验室都在较长的直管段长度,具有充分发展紊流流场。各种流量仪表的规范也要求在现场安装时,必须具有较长的直管径长度(大于30D)。这样,试验室校验的流量系数才能无误地传递到现场的流量仪表,不致产生较大误差。有人曾将均速管在风洞中标定后,又在充分发展紊流中进行标定,由于流场的不同,流量系数的误差可高达10%。

3.阻力件影响试验室(非充分发展紊流)

近十年来,现场管径日益增大,直管段长度无法保证,而资源日益匮乏,有要求准确计量。国内外厂家纷纷推出了各种流量计,都宣称在直管段很短(0~3D)的情况下,具有高达±0.5%的准确度。如多通道超声流量计、缩管涡街流量计、新型节流装置(内锥、多孔孔板)。相关科技人员实测、数据表明,厂家都夸大其词,如插入式流量计生产厂家可宣称无需直管段而具有1%的准确度,真是令人匪夷所思!

所以,许多专家呼吁^*20:为对用户负责,确立流量仪表作为计量器具执法可信度,迫切需要建立阻力件影响试验室(非充分发展紊流),科学、公正地解决阻力件对准确度的影响。

4标准与检定规程^*21

4.1地位与必要性

流量仪表作为贸易结算计量器具,具有执法功能;而用于工控系统的检测仪表是信息的源头,也是保证产品质量、工况正常运行的重要组成部件。要保证流量仪表的质量,必须制定标准,按其加工、安装,及所界定的范围使用。要评估流量仪表的技术性能,则必须按检定规程在有一定资质的试验室进行测试。用测试数据来说明它的技术性能。只有这样,仪表性能才能保证公正、客观,具有说服力。

4.2标准的分类

按性质划分有三种:

1.基础标准

确定流量测量及仪表的名词术语,型号命名,规范基本参数的定义。

2.产品标准

规定流量仪表的产品分类、技术要求、试验方法、安装要求等。

3.方法标准

制定流量仪表的性能如何评定、试验、检验、计算等方法。

以上标准我国按级别又有:国家、行业、地方、企业四种。

按制定机构划分有五种:

1.国际标准

国际标准化组织(ISO)、国际电工委员会(IEC)确认其他国际标准化组织制定的标准。

2.区域性组织、发达国家或权威性的学会/协会

制定的标准如:欧洲标准委员会(CEN)、美国标准(ANSI)、英国标准(BS)、德国标准(DIN)、美国仪表学会(ISA)、美国机械工程师协会(ASME)、美国石油学会(API)、煤气协会(AGA)等。

3.中国国家标准

由中国国家质量技术监督局所颁发的适用于全国的标准(GB/T)。

4.行业、地方标准

我国国家标准尚未制定,由行业、地方制定的标准。

5.企业标准

根据企业研发、生产等的需要制定的标准,仅适用于本企业。确有负责任的企业为确保产品质量,所制定的标准比行业、地方标准还严格。

4.3检定规程

由我国国家质量技术监督局所颁发的适用于全国的计量检定规程(JJG),用于评定仪表、装置。所颁发施行的规程较齐全。这些规程的编制者,可能缺乏生产、应用的经验,有的标准难以实施。如JJG835-93,速度—面积法流量装置检定规程,主要参考了国际标准ISO3966、ISO7145,要求具备30~50D的直管段长度,而速度—面积法主要适用于大管径、大截面,很难提供这样长的直管段。实际上国外在这种情况下,应用的是ISO7194^*22。制定规程是为了实施,脱离实际难以实施,就失去了制定的意义。

文中带*部分为引用参考文献。

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