流量?jì)x表的準確度與安裝直管段

    近一二十年以來(lái)，在貿易全球化的背景下，經(jīng)濟領(lǐng)域中不少物質(zhì)是通過(guò)流量?jì)x表的計量進(jìn)行核算的，買(mǎi)賣(mài)雙方都不愿意承擔因流量計量的誤差所造成的經(jīng)濟損失，以?xún)r(jià)廉的水為例，如果某企業(yè)每日用水1萬(wàn)t，采用流量?jì)x表誤差±2%計量，則每年將可能多付近15萬(wàn)元水費；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?jì)x表的準確度。對工控系統來(lái)說(shuō)，過(guò)去曾認為流量?jì)x表只要重復性好，無(wú)需準確度高�，F在看來(lái)，這種觀(guān)點(diǎn)已不能適應新的要求，如火電廠(chǎng)，由于不能準確地測量進(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(mén)的查處，只得采取過(guò)量供氣，其結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)機電能的浪費，從節能降耗角度出發(fā)也急待提高流量?jì)x表的準確度。

    1 安裝直管段長(cháng)度是一個(gè)易忽視的重要因素

    流量?jì)x表的生產(chǎn)廠(chǎng)家在技術(shù)文件中都注明了準確度，它應是在試驗室經(jīng)嚴格的程序標定后確定的，但在現場(chǎng)條件下，大多數流量?jì)x表都難達到這個(gè)準確度。

    1.1 直管段長(cháng)度對準確度的影響

    對絕大多數流量?jì)x表來(lái)說(shuō)（容積式、科式雖可除外，但口徑未超過(guò)0.25m）流速分布對準確度有舉足輕重的影響。國際、國內行業(yè)標準為此都明確規定了流量?jì)x表前應有30D、后有5D的直管段長(cháng)度（D為管內徑），只有這樣，管內的流速分布才能達到充分發(fā)展紊流，具有確定的分布規律，采用在試驗室標定的流量系數，才可保證達到廠(chǎng)家所說(shuō)的準確度^[1]_。但實(shí)際安裝的現場(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(mén)、變徑管、歧管⋯⋯）其出口流速分布也是變化莫測、十分復雜的。從節約場(chǎng)地出發(fā)，也不可能安排流量?jì)x表所需的如此長(cháng)的直管段長(cháng)度。因此，流量?jì)x表在現場(chǎng)應用中所達到的準確度將遠遠低于廠(chǎng)家提供的數據。

    1.2 直管段長(cháng)度不足長(cháng)期被忽視

    直管段長(cháng)度不足的問(wèn)題長(cháng)期被忽視，其原因在于流量?jì)x表即使在現場(chǎng)直管段長(cháng)度達不到規程要求所需的長(cháng)度，仍會(huì )有輸出，對一線(xiàn)的儀表工來(lái)說(shuō)，儀表工作似仍“正�！�，只是與必要的準確度相距甚遠。猶如槍沒(méi)了準星，仍可射擊，只是子彈打不中靶心。這個(gè)問(wèn)題對以測點(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(lèi)儀表的國標標準ISO07145^[2]，規定前直管段應具有（30～50）D的長(cháng)度，才可能具有±3%的準確度。顯然，在現場(chǎng)是很難滿(mǎn)足的。

    2 流動(dòng)調整器（flowconditioners）

    2.1 流動(dòng)調整器可改善流速分布

    為解決現場(chǎng)直管段長(cháng)度不足，又要保持流量?jì)x表具有較高的準確度，國際標準化組織封閉管道流量專(zhuān)業(yè)委員會(huì )（ISOTC30）多年來(lái)一直建議采用圖1所示的各類(lèi)流動(dòng)調整器^[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，壓損卻數倍于前二種；而板孔結構簡(jiǎn)單，易于加工、安裝、壓損也較低、發(fā)展潛力較大。以上三類(lèi)各有所長(cháng)，選用需因地制宜。安裝流動(dòng)調整器可以在直管段長(cháng)度達不到規范要求時(shí)，仍可保持流量?jì)x表具有較高的準確度，但為什么長(cháng)期以來(lái)并未得到預期的推廣應用?

    2.2 采用流動(dòng)調整器的利與弊

    采用流動(dòng)調整器不僅僅會(huì )增加了成本及維護工作量，也需要一些現場(chǎng)直管段長(cháng)度，如圖1所示的管束結構，它本身就要求具有（2～4）D長(cháng)度（D管內徑），而安裝前后又要求具有前（4～5）D，后（調整器與流量?jì)x表間）（3～4）D，總共約10D，對于已經(jīng)捉襟見(jiàn)肘的現場(chǎng)直管段長(cháng)度很不現實(shí)，難以實(shí)現。其次還有以下的缺點(diǎn)，如：①增加了成本，一臺復合式流動(dòng)調整器的加工成本不亞于一臺節流裝置；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(cháng)期使用又得不到及時(shí)清洗，則將沉積在水平調整器的下方，其結果反倒造成了速度分布的不對稱(chēng)后果，豈不畫(huà)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?jì)x表提供了依據。

    （a）類(lèi)用于消除旋渦，（b）類(lèi)用于消除旋渦和改善中等程度速度分布畸變，（c）類(lèi)用于消除旋渦和改善嚴重速度分布畸變。裝用流動(dòng)調整器會(huì )增加阻力，其壓力損失與消除速度分布畸變而異，（a）類(lèi)最小，（c）類(lèi)最大。

    3 多孔平衡節流裝置

    3.1 基本原理

    本文前面已闡述了采用流動(dòng)調整器的利弊，由于它本身就需要一定的直管段長(cháng)度制約了它的推廣應用。在長(cháng)期的實(shí)踐過(guò)程中，人們發(fā)現縮小流動(dòng)調整器與節流件之間的距離，對其整流效果影響不大，最終推出了將整流器與節流件合二為一，即直接將整流器作為節流件的新型節流裝置，這么做不僅節約了成本，還解決了已很局促的直管段長(cháng)度。在此理念啟發(fā)下，2002年美國Rosemount公司首先按類(lèi)似AGA/ASME的四管整流器推出了稱(chēng)為調整孔板（Condi2tioningOrifice）的四孔孔板（圖2a），據稱(chēng)可以將直管段長(cháng)度縮短至2D，仍可維持較高準確度。

    3.2 多孔平衡流量裝置

    在此基礎上，2004年美國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(chēng)其為BalancedFlowmeter，譯為平衡流量計，按其說(shuō)明書(shū)，相關(guān)技術(shù)參數如下：準確度±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(cháng)度的表述

    對于以上這些技術(shù)參數是否如廠(chǎng)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(cháng)度的表述，行業(yè)中一般確定為自節流件前端面（即多孔孔板）至上游阻力件出口的距離為前直管段長(cháng)度，而多孔平衡流量計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是指平衡流量計進(jìn)口法蘭與阻力件之間的距離，平衡流量計的短管長(cháng)度是（2～10D），是要占有現場(chǎng)直管段的，如此表述無(wú)論有意無(wú)意，效果是誤導用戶(hù)，而不是實(shí)事求是。

    4 多孔整流式節流裝置

    基于技術(shù)的發(fā)展及市場(chǎng)的需求，天津市潤泰自動(dòng)化儀表有限公司自行研發(fā)了多孔整流式節流裝置，并在第三方實(shí)驗室進(jìn)行了流出系數、前直管段長(cháng)度等測試，測試數據表明，由天津市潤泰自動(dòng)化儀表有限公司研發(fā)的多孔整流式節流裝置，在直管段較短情況下，具有較好的整流效果，值得推廣，現將部分數據及相關(guān)說(shuō)明分述如下：

    （1）名稱(chēng)：本裝置的節流件是一個(gè)按一定規律布局的多孔孔板，其功能除節流外，還具有整流功能，故按其主要功能確定為多孔整流式節流裝置。

    （2）實(shí)驗設備：為某航天部門(mén)的水流量實(shí)驗室，實(shí)驗設備流量不確定度為0.05%，差壓變送器準確度為0.075%，測試介質(zhì)為水，測試管徑為DN100。

    （3）β值的選定：建議β值取0.50～0.65之間，β值過(guò)大強度減弱、β值過(guò)大壓損太大。

    （4）三種結構性能對比

    在前直管段長(cháng)度約為30D的條件下，對三種結構的多孔節流裝置進(jìn)行了流出系數的重復性、不確定度、線(xiàn)性度進(jìn)行了對比，數據表明A型（圖3a）的各項技術(shù)指標優(yōu)于B型（圖2b）及C型（圖3b）。因此，重點(diǎn)對A型多孔整流節流裝置進(jìn)行了不同前直管長(cháng)度的測試。相關(guān)數據見(jiàn)表1。

    （5）前直管段長(cháng)度：將A型整流節流裝置進(jìn)行三種直管段長(cháng)度（30D、5D、2D）測試，阻力件為90°彎頭，測試數據如表2所示。從表2的數據表明，A型節流件在前直管段僅2D時(shí)，流出系數與基準（30D）的流出系數之間的相對誤差可控制在±1%以?xún)�；而當前直管段長(cháng)度達到5D時(shí)，與基準流出系數之間相對誤差即可小于±0.3%，說(shuō)明其整流效果較好，適用于直管段不長(cháng)而又要求較高準確度的現場(chǎng)。

    （6）永久壓損：由于流體通過(guò)多孔節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，應小于孔板，而大于文丘里，這個(gè)預測還有待試驗證實(shí)。

    5 小結

    （1）應運而生的新型節流裝置

    近10余年以來(lái)，從貿易結算、工業(yè)計量與控制都迫切需要一種對直管段長(cháng)度要求不高而能維持較高準確度的流量?jì)x表。內錐流量計因此曾風(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，已造成了嚴重事故，應吸取教訓，但不宜全盤(pán)否定，目前國內外推出的多孔節流裝置，在結構強度上優(yōu)于內錐，測試其數據也表明了較優(yōu)越的性能，值得逐步推廣應用。

    （2）代理與生產(chǎn)仿制與創(chuàng )新

    應該承認，我國在工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域與國外尚有差距。改革開(kāi)放以來(lái)，國內不少代理商將國外先進(jìn)產(chǎn)品、先進(jìn)技術(shù)介紹到國內，確實(shí)起到一些推動(dòng)技術(shù)進(jìn)步的作用。但是國外的產(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(mǎn)足于代理而應立足于自行生產(chǎn)，而生產(chǎn)又不能局限于仿制（內錐流量計應是一個(gè)教訓）。認真學(xué)習了國外的先進(jìn)技術(shù)，并通過(guò)應用中出現的問(wèn)題，就會(huì )發(fā)現不少?lài)�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(mǎn)足于仿造別人早已落后的產(chǎn)品呢?在認真學(xué)習的基礎上，完全可以著(zhù)手改進(jìn)，創(chuàng )立具有我國獨立知識產(chǎn)權的新產(chǎn)品。

    [參考文獻]

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