大管道氣體流量檢測儀表與校驗
2012-09-22
工業管流千變萬化的管內流速分布各行各業的工程，從其本身的工藝要求出發在管道中都必需安裝形形色色的管配件(如閥門、彎頭、歧管、變徑管、過濾器等)，由于它們的形式及組合方式極多所引起的管內流速分布也千變萬化，難以估計。R．W．Miller( 美國流量測量工程手冊作者)認為：“流速分布是影響流量測量準確度的主要因素，而工業現場的配件種類繁多，其流動情況十分復雜，不僅難以描述，也不易在實驗室模擬它們”。由于絕大多數流量儀表都與流速分布有關，它的校驗所處的流場應與實用條件的流場一致，校驗的系數才有意義。這個流場被公認為充分發展紊流，只要管道具有較長的直管段就可以得到(見圖1)。充分發展紊流形成—由于實際流體均有粘性，在流動過程中將會帶動、制約相鄰層面的流體，這種作用經過約30D(D為管內徑)直管段長度，其流速分布將不再變化，如雷諾數Re＜2000為層流；Re＞4000則為紊流，工業中多為紊流，即充分發展紊流。描述—近百年來不少科學家對充分發展紊流進行了大量測試與描述，其中以Nikuradse的光滑管充分發展紊流公式最簡單，它近似地表達為其中Vi為任一點流速；Vm中心最大流速；y流速點至管壁的距離；R管道半徑；n為指數，與Re有關。平均流速點—通過公式１可推導出光滑管充分發展紊流的平均流速點圓管內的平均流速點取決于３個因素：1)．直管段長度；2)．雷諾數Re；3)．粗糙度e，因此它的位置并非固定不變，不像有些廠商宣傳的那樣，僅測管道一點流速就可取得．±0.5~1%的流量準確度，按ISO7145評估，其準確度只能達到±3%；如直管段較短，流量準確度甚至不足±5~10%。流動調整器(flow conditioner)要準確地測量流量，必需具有較長的直管段長度，而實際現場往往無法滿足，為此，國際標準化組織曾多次推薦采用十余種類型的流動調整器，但筆者認為這并非上策，因為：1)增加成本，一臺流動調整器的價格不亞于一臺流量計；2)需經常清洗加大了維修量；3)效果好的流動調整器永久壓損大，增加了運行成本；4)易于堵塞，即使部分堵塞也改變了流速分布，無法提高準確度。既然事與愿違，又何必多次一舉。大管道氣體流量檢測儀表在我國倡導建設節約型經濟的前提下，本文所介紹的大管道氣體流量檢測儀表排除了壓損大、運行費過高的節流裝置；也不推薦價格過高的氣體超聲波流量計，僅限于介紹在工控系統中，性價比較高，以取樣原理的插入式流量儀表，按其取點方式可分為以下三大類：測點速凡可測流速的儀表插入管道均可成為流量計，較為通用的有以下幾種：雙文丘利管—早于40年前，美國Taylar公司已推出此產品，國內曾仿制用于火電廠稱“小喇叭管”。近十多年國內已有產品進入市場。它是利用外文丘利管喉部加速產生低壓，促進內文丘利再次加速可得到更低的壓力，從而在相同流速下可得到更大的輸出差壓，較適用于大管道低流速的氣體流量測量。熱式—利用傳熱原理，以熱電阻為敏感元件，當流速高時將帶走更多的熱量，降低了熱電阻溫度，改變了電阻值，通過電阻值的變化了解流速大小及流量值，其最大特點是可測低于小于5m/s的流速，傳熱與流體質量有關，因此所測為質量流量；不足是氣體溫度一般要低于200℃，響應時間在1秒以上。其他—按理，皮托管、插入式渦街(圖2)、渦輪均可用于測流量，皮托管可用于工業現場校驗，很少作為工業儀表。插入式渦街在低速及管道有振動時，工作不可靠；插入式渦輪由于有轉動件，維修量大等等。這些儀表近年來市場占有量都呈較大的下降趨勢。這類儀表生產廠商常宣傳他們的儀表都在風洞中標定過，其實那僅只是標定流速不是流量，流量準確度不可能達到他們宣傳的±1%。測線速以測管道中分布在一條線上的多點流速來推算流量，較上述測單點的準確，安裝穩定，可靠，在工控系統中檢測大管道氣體流量，常為首選儀表，較典型的為均速管流量計：差壓式均速管流量計以皮托管測速原理為基礎，三十多年來經過了不斷改進，目前在國內外市場上有以下幾種：菱形-Ⅱ—最早檢測桿截面為圓形，因“阻力危機”被菱形-I型取代，菱形-I又因背壓孔易堵，而被菱形-Ⅱ型代替。這種類型主要有二種：其一是艾默生公司十多年前推出的由三個型材組合形成的檢測桿，由于型材公差較大，當溫度變化時，易發生漏氣或初始應力過大削弱強度等弊病，現已很少采用；另一種是一體化結構，由德國二、三家公司推出，工作可靠，可承受較高的溫度，但價格較貴，我國已可生產并應用于現場。彈夾型—近十年來，在國內市場曾占有較大份額，生產廠商宣稱其頭部的粗糙面可控制附面層從而提高精確度，經專業人士論證，附面層相對其他因素對準確度的影響微不足道。而其缺點是輸出差壓較小，測壓孔太小，當流體中含有粉塵，特別是有凝析物、油類、藻類等時，廠家也不得不承認易于堵塞。T型—迎流向有二排密集不到2毫米的總壓孔，低壓孔取出T形背部，孔徑較小，廠家宣稱測壓孔多更可“采集”流速分布狀況，準確度達到令人難以置信的±0.7%。其實測壓孔就是密集到為一條縫，不也只能反映截面上直線上的流速嗎？當直管段長度不夠時，又如何保證準確度？況且由于測壓孔過小，與彈頭型一樣易于堵塞。熱式均速管流量計原理與上節測單點熱式相同，只是在結構上為多點，反映管道內多點的流速分布，以此推算流量。比較上述二種均速管流量計，熱式優點在于靈敏度高可測低速低溫流體流量，而且直接反映的是流速；而差壓式所測總壓在檢測桿內平均后，由于流動復雜，混合后傳出的總壓未必是平均流速的總壓，所以必需通過校驗用流量系數來修正，可以預計熱式均速管流量計如能改進提高準確度，將會有較大的發展潛力。測截面多點流速機翼型流量計—這是經典文丘利管的改進型式，縮短了長度，仍較笨重。總量測量裝置—在管道截面中插入了多根檢測管，檢測管正對流向鉆有多個總壓孔，側面多個靜壓孔，有較多的測點反映截面的流速分布，雖較機翼輕巧，但不夠準確。熱式均速流量計—在管道中插入多根熱式均速管流量計，更全面反映管內的流速分布，但每個熱電阻所反映的流速特性未必相同，校驗修正還有待改進。均速環流量計(圖3)—針對均速管流量計應用三十余年存在的輸出差壓小，準確度低，忽視管內徑對準確度影響等缺點推出的一項專利產品(專利號ZL200420061027.3)，它由雙文丘利管測低壓，提高了輸出差壓，用多根均速管充分反映了管內的流速分布等一系列措施，改善均速管的技術特性，正引起國內外廠商及用戶的關注。校驗流量是一個推導量，影響的因素較多，必需通過校驗所得的系數進行修正，才可以得到正確的流量值。由于絕大多數流量儀表(容積、哥氏除外，但管徑一般小于0.2米)均與管道中流速分布密切相關，因此要正確使用流量儀表都必需具有較長的前直管段，即他們應安裝在充分發展紊流之中，所以校驗裝置也必需提供充分發展紊流，它是校驗與應用的流場平臺，只有這樣，校驗的系數才可以用于現場儀表，否則校驗毫無意義。風洞能校驗流量儀表嗎？由于人們難以測取飛行器在運動中的受力情況，只有用相對方法，令飛行器(或等比例縮小的模型)靜止不動。由風洞產生一股迎面氣流，以模擬實際飛行情況，為此要精心設計，采取各種措施，使整個截面的流速都是相等的(即所謂均直流場，見圖4)，它與充分發展紊流是完全不同的，只能校驗流速計，不能校驗流量計。 有人認為用風洞標定插入式流量計探頭就可以了，有意或無意回避管道的影響。眾所周知，流量Q=管道截面積AX流速V，因此可以說插入式流量計不插入管道只是流速計不能成為流量計，說明管道的影響舉足輕重，它可表現為二個方面：1)具有較長的直管段，以保證流速的準確度；2)準確的管道截面積，用風洞可以標定流速，不能標定流量。氣體流量校驗裝置裝置的基本條件：管徑大小與形狀與被校表基本相同；可在較大范圍內(10：1)調整流量；具有較高精確度的流量基準；具有較長的直管段，以保證提供充分發展紊流(如受場地限制，在實驗室建議采用流動調整器)；其他特殊要求：如工況、實流、二相、脈動等。如何面對現場條件：在現場應用的大管徑氣體流量計常采用矩形截面，大小，寬高比例形形色色，實驗室難以一一滿足；其次往往面臨直管段不足的情況，即未安裝在充分發展紊流中，即使在具備上述條件的裝置中校驗過，其流量系數也因為流場的差異，直接引用并不能保證其準確度。在這種情況下，只有采用速度一面積法進行現場校驗。速度一面積法原理—速度面積法是一種測量管道內流量的經典方法，由于較為繁瑣，只適用于現場校驗，而不宜用于流程工業檢測。由于管道內流速分布不等，可將管道分割許多單元面積Ａi，并認為單元面積上的流速Vi近似相等，這樣流量不難理解面積分割越多則越準確，但也越繁瑣而不現實。準確度— 采用速度面積法的準確度取決于以下四個因素：上式中：Q：流量測量誤差；a：管道截面誤差；v：流速測量誤差，取決于管內流速分布，取點的多少；I：流速計的誤差； z：測量管道截面積儀器的 誤差由于現場流速分布比較復雜，不對稱且可能存在二次流及漩渦，要取得較高精確度必需增加測點數目，據ISO7194估計，圓管采用速度面積法，測點為48個 Q＜±5%；測點36個 Q＜±7%；測點20個 Q可達±14%.標準—有關速度一面積法如何操作，由于篇幅所限，本文略去，讀者可參閱以下標準：
－ISO3966-1977 封閉管道中流量測量—采用皮托－靜壓管的速度一面積法。－ISO7145-1982 封閉管道中的流量測量—測量截面一點流速的方法。－ISO7194-1983 封閉管道中的流量測量—在圓管中處于漩渦及非對稱流動下采用皮托管的速度面積法。－中國國家標準 jjG835-1993 速度面積法流量校驗裝置檢定規程。小結直管長度舉足輕重直管段長度對流量儀表準確度影響很大，插入式儀表尤為突出，而現場難以保證，生產廠商往往回避這個問題，片面強調儀表本身的流速精確度，用戶選用時應理性。計量、檢測各有側重流量儀表因其使用目的不同，及要求的特性也隨之不同，如用于物流核算的貿易計量，準確度應放在首位，插入式流量儀表一般難以滿足要求；但它的重復性較好，可以用于工控系統的檢測環節。綜合考慮，按需選用本文按大管道氣體流量檢測的特點，介紹了不少插入式流量計，測點速的簡單，價廉，但不準確；測截面多點的，準確度雖有所提高，但笨重，安裝維修不便。筆者認為測線的二種均速管(差壓、熱式)，結構仍較簡單，性能有所提高，在工控系統中是屬于性價比較高的產品。
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