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流量計的準(zhǔn)確度與安裝直管段的關(guān)系
更新時間:2012-12-25 點擊量:3397
   流量計的直管段要求        近一二十年以來,在貿(mào)易化的背景下,經(jīng)濟領(lǐng)域中不少物質(zhì)是通過流量儀表的計量進行核算的,買賣雙方都不愿意承擔(dān)因流量計量的誤差所造成的經(jīng)濟損失,以價廉的水為例,如果某企業(yè)每日用水1萬t,采用流量儀表誤差±2%計量,則每年將可能多付近15萬元水費;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儀表的準(zhǔn)確度。對工控系統(tǒng)來說,過去曾認(rèn)為流量儀表只要重復(fù)性好,無需準(zhǔn)確度高?,F(xiàn)在看來,這種觀點已不能適應(yīng)新的要求,如火電廠,由于不能準(zhǔn)確地測量進風(fēng)量,為保證鍋爐爐膛不因缺氧造成燃燒不*而污染空氣引起環(huán)保部門的查處,只得采取過量供氣,其結(jié)果造成燃燒效率下降,每多供1%的過氧量就造成5%的過量空氣被加熱,造成了燃料、風(fēng)機電能的浪費,從節(jié)能降耗角度出發(fā)也急待提高流量儀表的準(zhǔn)確度。    1 安裝直管段長度是一個易忽視的重要因素    流量儀表的生產(chǎn)廠家在技術(shù)文件中都注明了準(zhǔn)確度,它應(yīng)是在試驗室經(jīng)嚴(yán)格的程序標(biāo)定后確定的,但在現(xiàn)場條件下,大多數(shù)流量儀表都難達(dá)到這個準(zhǔn)確度。    1.1 直管段長度對準(zhǔn)確度的影響    對絕大多數(shù)流量儀表來說(容積式、科式雖可除外,但口徑未超過0.25m)流速分布對準(zhǔn)確度有舉足輕重的影響。、國內(nèi)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)為此都明確規(guī)定了流量儀表前應(yīng)有30D、后有5D的直管段長度(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,采用在試驗室標(biāo)定的流量系數(shù),才可保證達(dá)到廠家所說的準(zhǔn)確度[1]。但實際安裝的現(xiàn)場,從工藝角度出發(fā)會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、十分復(fù)雜的。從節(jié)約場地出發(fā),也不可能安排流量儀表所需的如此長的直管段長度。因此,流量儀表在現(xiàn)場應(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 直管段長度不足長期被忽視    直管段長度不足的問題長期被忽視,其原因在于流量儀表即使在現(xiàn)場直管段長度達(dá)不到規(guī)程要求所需的長度,仍會有輸出,對一線的儀表工來說,儀表工作似仍“正常”,只是與必要的準(zhǔn)確度相距甚遠(yuǎn)。猶如槍沒了準(zhǔn)星,仍可射擊。這個問題對以測點速來推算流量的儀表(如雙文丘利、插入式渦街、渦輪、熱式)尤為突出,這類儀表的國標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)ISO07145[2],規(guī)定前直管段應(yīng)具有(30~50)D的長度,才可能具有±3%的準(zhǔn)確度。顯然,在現(xiàn)場是很難滿足的。    2 流動調(diào)整器(flowconditioners)    2.1 流動調(diào)整器可改善流速分布    為解決現(xiàn)場直管段長度不足,又要保持流量儀表具有較高的準(zhǔn)確度,標(biāo)準(zhǔn)化組織封閉管道流量專業(yè)委員會(ISOTC30)多年來一直建議采用圖1所示的各類流動調(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,選用需因地制宜。安裝流動調(diào)整器可以在直管段長度達(dá)不到規(guī)范要求時,仍可保持流量儀表具有較高的準(zhǔn)確度,但為什么長期以來并未得到預(yù)期的推廣應(yīng)用?    2.2 采用流動調(diào)整器的利與弊    采用流動調(diào)整器不僅僅會增加了成本及維護工作量,也需要一些現(xiàn)場直管段長度,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)整器與流量儀表間)(3~4)D,總共約10D,對于已經(jīng)捉襟見肘的現(xiàn)場直管段長度很不現(xiàn)實,難以實現(xiàn)。其次還有以下的缺點,如:①增加了成本,一臺復(fù)合式流動調(diào)整器的加工成本不亞于一臺節(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,長期使用又得不到及時清洗,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,為以后開發(fā)新型流量儀表提供了依據(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。裝用流動調(diào)整器會增加阻力,其壓力損失與消除速度分布畸變而異,(a)類zui小,(c)類zui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調(diào)整器的利弊,由于它本身就需要一定的直管段長度制約了它的推廣應(yīng)用。在長期的實踐過程中,人們發(fā)現(xiàn)縮小流動調(diào)整器與節(jié)流件之間的距離,對其整流效果影響不大,zui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度。在此理念啟發(fā)下,2002年美國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A+Flowtek公司又推出了17孔的多孔孔板(圖2b)[4],這17個孔分為三組,中心的一個孔孔徑zui大,其余16孔分為二組,每組8孔,其圓心分處于2個不同的直徑上,中間的8孔孔徑次之,外圍的孔徑zui小。A+Flowtek公司稱其為BalancedFlowmeter,譯為平衡流量計,按其說明書,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 前直管段長度的表述    對于以上這些技術(shù)參數(shù)是否如廠商宣傳的那么值得商榷,也有待實踐證實。特別有關(guān)所需直管長度的表述,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度,而多孔平衡流量計是由多孔孔板與短管組合成一個整體供貨的。它所指的上游直管段0.5D是指平衡流量計進口法蘭與阻力件之間的距離,平衡流量計的短管長度是(2~10D),是要占有現(xiàn)場直管段的,如此表述無論有意無意,效果是誤導(dǎo)用戶,而不是實事求是。    4 多孔整流式節(jié)流裝置    基于技術(shù)的發(fā)展及市場的需求,天津市潤泰自動化儀表有限公司自行研發(fā)了多孔整流式節(jié)流裝置,并在第三方實驗室進行了流出系數(shù)、前直管段長度等測試,測試數(shù)據(jù)表明,由淮安三豐儀表科技有限公司研發(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)說明分述如下:    (1)名稱:本裝置的節(jié)流件是一個按一定規(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)實驗設(shè)備:為某航天部門的水流量實驗室,實驗設(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值過大強度減弱、β值過大壓損太大。    (4)三種結(jié)構(gòu)性能對比    在前直管段長度約為30D的條件下,對三種結(jié)構(gòu)的多孔節(jié)流裝置進行了流出系數(shù)的重復(fù)性、不確定度、線性度進行了對比,數(shù)據(jù)表明A型(圖3a)的各項技術(shù)指標(biāo)優(yōu)于B型(圖2b)及C型(圖3b)。因此,重點對A型多孔整流節(jié)流裝置進行了不同前直管長度的測試。相關(guān)數(shù)據(jù)見表1。
     (5)前直管段長度:將A型整流節(jié)流裝置進行三種直管段長度(30D、5D、2D)測試,阻力件為90°彎頭,測試數(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,流出系數(shù)與基準(zhǔn)(30D)的流出系數(shù)之間的相對誤差可控制在±1%以內(nèi);而當(dāng)前直管段長度達(dá)到5D時,與基準(zhǔn)流出系數(shù)之間相對誤差即可小于±0.3%,說明其整流效果較好,適用于直管段不長而又要求較高準(zhǔn)確度的現(xiàn)場。    (6)*壓損:由于流體通過多孔節(jié)流裝置后不至于形成大漩渦而造成較大的*壓損,在相同的β值條件下,應(yīng)小于孔板,而大于文丘里,這個預(yù)測還有待試驗證實。    5 小結(jié)    (1)應(yīng)運而生的新型節(jié)流裝置    近10余年以來,從貿(mào)易結(jié)算、工業(yè)計量與控制都迫切需要一種對直管段長度要求不高而能維持較高準(zhǔn)確度的流量儀表。內(nèi)錐流量計因此曾風(fēng)光一時,但無序的急于推廣,不分場合的非理性選用,已造成了嚴(yán)重事故,應(yīng)吸取教訓(xùn),但不宜全盤否定,目前國內(nèi)外推出的多孔節(jié)流裝置,在結(jié)構(gòu)強度上優(yōu)于內(nèi)錐,測試其數(shù)據(jù)也表明了較*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),我國在工業(yè)自動化領(lǐng)域與國外尚有差距。改革開放以來,國內(nèi)不少代理商將*產(chǎn)品、先進技術(shù)介紹到國內(nèi),確實起到一些推動技術(shù)進步的作用。但是國外的產(chǎn)品在壟斷的情況下,價格都過于昂貴。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)錐流量計應(yīng)是一個教訓(xùn))。認(rèn)真學(xué)習(xí)了國外的先進技術(shù),并通過應(yīng)用中出現(xiàn)的問題,就會發(fā)現(xiàn)不少國外產(chǎn)品也不是那么,他們也在不斷地改進、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,*可以著手改進,創(chuàng)立具有我國獨立知識產(chǎn)權(quán)的新產(chǎn)品

 
 
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